MapleSim and Maple Used in the Design of Geeros, a Customizable, Educational Gyropode Robot - Maplesoft

Fallstudie:
MapleSim und Maple im Einsatz bei der Entwicklung von Geeros, einem kundenspezifisch anpassbaren Gyropod-Roboter für Lehrzwecke

Die Herausforderung
3Sigma wollte ein hochpräzises Modell eines Gyropod-Roboters mit dem Namen Geeros entwickeln, mit dem im Studium Wissen zur Roboterentwicklung und Programmierung vermittelt werden kann. Beim Einsatz herkömmlicher Entwicklungswerkzeuge waren die komplexen mathematischen Gleichungen des Modells nur äußerst schwierig zu berechnen und zu handhaben.

Die Lösung
3Sigma entschied sich für die leistungsstarke Kombination aus MapleSim und Maple, um die Gleichungen für das Modell automatisch zu erzeugen und zu verwalten.

Das Ergebnis
Mit MapleSim und Maple war 3Sigma in der Lage, ein hochpräzises Modell zu erstellen, dessen Entwicklung mit anderen Mitteln zu schwierig gewesen wäre. Das Unternehmen erreichte eine höhere Genauigkeit und eine erhebliche Zeitersparnis bei Entwicklung, Test und Bau von Geeros. Die Studierenden sehen nun die symbolische Natur der zugrunde liegenden Gleichungen und lernen so mehr und besser.


3Sigma ist ein Unternehmen, dass sich in den Bereichen Automatisierung und Robotik spezialisiert hat. Unlängst begannen bei 3Sigma die Entwicklungsarbeiten an Geeros, einem kundenspezifisch anpassbaren selbststabilisierenden Gyropod-Roboter. Geeros wurde als Ausbildungsroboter entwickelt, an dem die Studierenden lernen können, wie man Roboter steuert, programmiert und anpasst. Die Bewegung des Roboters kann über einen Host-Rechner gesteuert werden, wobei die Anweisungen über eine drahtlose Verbindung direkt zum Roboter übertragen werden. So erhalten die Studierenden in einer praktischen Anwendung Ergebnisse in Echtzeit.

Basis des Gyropod-Roboters ist ein elektrisches Fahrzeug mit einer Plattform und zwei Rädern. Die Servomechanik des Roboters wird automatisch gesteuert und arbeitet mit einer Gegenkopplung zur Fehlererkennung, um die Leistung zu verbessern. Für Geeros wurde ein sog. PID-Controller (Proportional-Integral-Derivative) eingesetzt, da die Studierenden mit diesem Controller-Typ bereits vertraut sind. Geeros wurde unter Verwendung von Arduino, der anwenderfreundlichen Open-Source-Plattform für die Erstellung von Prototypen in der Elektronik, gebaut. Bei Geeros können Sensoren und Aktuatoren leicht hinzugefügt oder ausgetauscht werden. Dadurch lässt sich der Roboter umfassend an alle Bedürfnisse anpassen.

(Erfahren Sie mehr über die leistungsfähige Rechen-Engine für symbolische Mathematik in MapleSim.)

Bei der Entwicklung von Geeros entschied sich Nicolas Gachadoit, Geschäftsführer und Chefingenieur bei 3Sigma, sofort dafür, MapleSim und Maple von Maplesoft einzusetzen, um eine modellbasierte Entwicklung des Roboters auf Systemebene zu ermöglichen. Als früherer Angestellter von Maplesoft war Gachadoit mit den Vorteilen dieser einzigartigen Softwarekombination wohl vertraut. 


MapleSim und Maple hatten für 3Sigma gegenüber herkömmlichen Werkzeugen klare Vorteile. Zuerst einmal sind die komplexen mathematischen Gleichungen bei der Entwicklung eines Gyropods von Hand nur äußerst schwierig zu handhaben. Daher arbeiteten die Ingenieure bisher mit einem einfacheren Satz von Gleichungen zur Darstellung des Modells, wodurch sich das Verhalten nur weniger genau simulieren lässt. Beim Einsatz von MapleSim und Maple werden die Modellgleichungen hingegen automatisch erzeugt und von der Software verwaltet. Als Ergebnis konnte 3Sigma mit weniger Aufwand ein präziseres Gyropod-Modell entwickeln, das genauere Simulationsergebnisse liefert und sich in der Entwicklung leichter testen lässt.

Zusätzlich zur automatischen Erzeugung der Bewegungsgleichungen können die Ingenieure in MapleSim und Maple diese Gleichungen anzeigen, analysieren und manipulieren. Da die Ingenieure in diesem Fall zur Steuerung des Roboters einen PID-Controller einsetzen wollten, wandelten sie das System nicht-linearer Gleichungen in eine Matrixdarstellung der linearisierten Gleichungen um. Das war mit einem einzigen Befehl schnell und fehlerfrei möglich. Die linearisierten Gleichungen sind weiterhin symbolisch, sodass Reibung, Trägheit, Widerstand und andere Faktoren Parameter bleiben, die die Ingenieure und letztlich auch die Studierenden variieren können, um die sich daraus ergebenden Änderungen im Verhalten zu untersuchen.

Wegen dieser Vorteile von Maple und MapleSim konnte 3Sigma den Gyropod-Roboter schnell und einfach entwickeln, testen und bauen. "Mit der leistungsstarken Kombination aus Maple und MapleSim konnten wir ein hochpräzises Modell erstellen, dessen Entwicklung zu kompliziert gewesen wäre, wenn wir alle Berechnungen von Hand durchgeführt hätten", erklärte Gachadoit. "Als Ergebnis konnten wir bei der Entwicklung unseres Gyropod-Modells sehr viel Zeit sparen. Wir haben es in einem Bruchteil der Zeit entwickelt, die normalerweise für ein derart komplexes System erforderlich gewesen wäre, und mit sehr viel höherer Genauigkeit. Außerdem hat es uns die symbolische Natur der zugrunde liegenden Gleichungen ermöglicht, den Studierenden die Mittel an die Hand zu geben, eine Vielzahl von Parametern im Controller mühelos zu ändern und zu sehen, wie sie sich auf das Verhalten des Roboters auswirken. Das hilft ihnen dabei, ihr Verständnis zu den Faktoren bei der Roboterentwicklung zu vertiefen."


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