Fallstudie:
Die Universität Manchester setzt MapleSim in den Kursen für Robotik und Steuersysteme ein

Die Universität Manchester, der größte Universitätsstandort in GB, hat den Ruf, einige der besten Ingenieure und Mathematiker der Welt hervorzubringen. Fünfundzwanzig Nobelpreisträger haben dort gearbeitet oder studiert.

Dr. Joaquin Carrasco, Professor für Steuerungssysteme an der School of Electrical and Electronic Engineering der Universität, hat in den vergangenen sechs Jahren verschiedene Kurse zu Steuersystemen im Studium zum Master of Science für Advanced Control and Systems Engineering betreut. Von seinen Studierenden hat er ein überwältigend positives Echo zum Einsatz von Maple T.A., dem leistungsfähigen System zur Online-Prüfung und Benotung von Maplesoft, in seinen Kursen zu Steuersystemen erhalten. Unlängst hat er MapleSim und die MapleSim CAD-Toolbox in seine Kurse zur Robotik aufgenommen. Mit der MapleSim CAD-Toolbox sehen seine Studierenden, wie sich ihre mechanischen CAD-Modelle als Teil eines größeren Multidomain-Systems verhalten. Außerdem können sie ihre Entwicklungen mit Hilfe der fortschrittlichen Analysewerkzeuge von MapleSim weiter verbessern. Diese Toolbox macht den Import von CAD-Modellen in MapleSim besonders einfach und erfasst dabei automatisch die kinematischen und kinetischen Merkmale der Modellkomponenten. Mit der MapleSim CAD-Toolbox haben Dr. Carrasco und seine Studierenden mehrere komplexe Geräte, z.B. einen 3D-Drucker, einen haptischen Robotermanipulator und einen Pick-and-Place-Roboter, modelliert.

Im renommierten Programm zum Bachelor of Engineering in Mechatronik erlernen die Studierenden die Entwicklung und Implementierung intelligenter Mechatroniksysteme. Vor kurzem hat Dr. Carrasco den Kurs zur angewandten Mechanik für Industrieroboter im zweiten Studienjahr dieses Programms übernommen. Aufbauend auf seinen früheren Erfahrungen mit der Maplesoft-Technologie entschied er, den Unterricht zur Robotik mit MapleSim zu bereichern, weil es den Studierenden eine reichhaltig ausgestattete Umgebung zur Entwicklung hochgenauer Modelle bietet. Laut Dr. Carrasco ist die „3D-Visualisierung in seinen Kursen zur Robotik besonders wichtig, und MapleSim ist das beste Werkzeug zur 3D-Visualisierung auf dem Markt.”

Mit MapleSim können die Studierenden die Konzepte aus dem Unterricht visualisieren. Die akausale Multidomain-Modellierungsumgebung von MapleSim eröffnet ihnen einen intuitiven und natürlichen Weg zur Modellierung. MapleSim arbeitet mit symbolischen und numerischen Rechentechniken, um präzise Modelle zu erstellen, die das Verhalten des Systems wiedergeben. Aus den Komponentenbibliotheken von MapleSim können die Studierenden einfach fertige Komponenten in den Arbeitsbereich ziehen. Dr. Carrasco setzt MapleSim im Unterricht z.B. so ein, dass er ihnen ein MapleSim-Modell eines Roboters gibt und sie die Gleichungen zu dessen Bewegung ermitteln lässt. Dank des besonders bedienerfreundlichen interaktiven Ansatzes von MapleSim können sie den Roboter visualisieren und die zugrunde liegenden mathematischen Gleichungen manipulieren.

Für MapleSim gibt es ein Lernmodul: Die Vorwärtskinematik serieller Manipulatoren. Dieses Modul führt die Denavit-Hartenberg-Konventionen ein, und es geht dabei darum, Position und Ausrichtung des Endeffektors eines Robotermanipulators zu ermitteln. Die DH-Konventionen beschreiben die Bewegungen einer Reihe von Gelenken (Dreh- und Schubgelenke) bezogen auf einen Referenzrahmen. Sie können zur Berechnung der Vorwärts- und der inversen Kinematik eingesetzt werden. Dr. Carrasco bemerkte hierzu: „Das Konzept der DH-Parameter ist Vordiplomstudierenden nur sehr schwer zu erklären. MapleSim erweckt die Mathematik zum Leben und sie können das Konzept äußerst leicht visualisieren.” Im Unterschied zu den Softwarepaketen anderer Anbieter werden diese Lernmodule beim Kauf von MapleSim kostenlos zur Verfügung gestellt.

Dr. Carrasco nutzt im Unterricht zur Robotik außerdem die MapleSim Modell-Galerie. . Diese Galerie enthält viele unterschiedlich komplexe Beispiele aus der Robotik. Die Auswahl reicht vom einfachen Problem zur inversen Kinematik bis zum komplexeren Modell eines KUKA™-Roboters. Dieses Modell baut auf einem Roboter von KUKA Robotics, einem der weltweit führenden Hersteller von Robotersystemen, auf. Im KUKA-Robotermodell aus der MapleSim Modell-Galerie gibt der Roboter per Handschrift jedes vom Anwender ausgewählte Wort aus. Das Beispiel in der Modell-Galerie zeigt, wie der Roboter das Wort „Maple” schreibt. Anhand dieses Modells lässt Dr. Carrasco die Studierenden den Roboter so programmieren, dass er ihre Namen schreibt. Sie können das Modell mit Hilfe von Parameter-Sweeps verändern, die geänderten Daten abrufen und so direkt die Auswirkungen von Parameteränderungen auf das Modell verstehen.

Häufig gibt es eine Kluft zwischen den im Unterricht vermittelten praktischen Anwendungen und den Anwendungen, vor denen die Studierenden später in der realen Welt stehen. MapleSim überbrückt diese Kluft, indem es ihnen erlaubt, Beispiele aus der realen Welt, z.B. das KUKA-Robotermodell, zu visualisieren und damit zu experimentieren, um das im Unterricht gewonnene Wissen auszubauen. „MapleSim hat mir wirklich geholfen, zu lernen, wie ich meinen Studierenden die Robotik am besten vermitteln kann. Es hat mir gezeigt, wie ich die Robotik im Zusammenhang mit der realen Welt erklären kann,” so Dr. Carrasco. „Im Unterschied zur Regelungstechnik, wo die mathematischen Manipulationen bisweilen schwierig zu visualisieren sind, verändern mathematische Manipulationen bei der Roboterentwicklung die Bewegungen des Roboters. MapleSim macht es für die Studierenden leicht, diese Änderungen zu visualisieren. Meiner Meinung nach ist MapleSim auf dem Markt das beste Softwarepaket, um die Prinzipien der Robotik zu vermitteln.”

Die Studierenden der Robotik im zweiten Studienjahr bei Dr. Carrasco haben so sehr von MapleSim profitiert, dass er es nun auch im dritten Studienjahr einsetzen will. Dieser Anwenderbericht ist Teil 3 einer Serie zum Einsatz von Maplesoft-Produkten an der Universität Manchester, GB.

Teil 1 „Die Universität Manchester setzt Maple T.A. in immer mehr Fächern ein, um den Lernfortschritt der Studierenden zu bewerten” finden Sie unter www.maplesoft.com/company/casestudies/stories/manchester.aspx.

Teil 2 „Studierende im Master-Studium der Ingenieurwissenschaften an der Universität Manchester bevorzugen Maple T.A. gegenüber herkömmlichen Benotungsmethoden” finden Sie unter www.maplesoft.com/company/casestudies/Stories/MastersStudentsattheUniversityofManchesterPreferMapleTA.aspx.

Kontaktieren Sie Maplesoft, um zu erfahren, wie MapleSim bei Ihren Projekten angewandt werden kann.