Simulation und rapid prototyping for mechatronic design

Abstract

Mechatronik ist ein interdisziplinäres Forschungs- und Anwendungsgebiet aus den Feldern Software, Elektronik, Mechanik und Regelungstechnik. Sie findet heutzutage Anwendung in unterschiedlichen Bereichen wie der industriellen Fertigung, Robotik und Konsumentenprodukte. Jedes der interdisziplinären Felder weist eine hohe Komplexität auf und erfordert Spezialisten aus den entsprechenden Gebieten. Durch die Notwendigkeit der Schnittstellenentwicklung zwischen den Feldern entsteht zwischen den Fachspezialisten ein erhöhter Kommunikationsaufwand. Diese Faktoren führen zu hohen Entwicklungs- und Zeitkosten bei der Entwicklung mechatronischer Systeme. Im Produktenwicklungszyklus ist die Prototypenentwicklung die erste technische Entwicklungsphase in denen potentielle Probleme gelöst, und Benutzbarkeit validiert werden. Technische Probleme welche in dieser Phase nicht erkannt werden verursachen höhere Kosten in den nachgelagerten Entwicklungsphasen. In dieser Arbeit werden Entwicklungsumgebungen für mechatronische Prototypen evaluiert. Der Fokus liegt dabei auf virtuellen Entwicklungsumgebungen welche kinematisches Verhalten simulieren. Die Entwicklungsumgebungen unterscheiden sich in ihrem Fokus auf bestimmte Aspekte der Mechatronik, Komplexität und in ihrer Möglichkeit Rapid Prototyping zu betreiben. Eine Evaluierung dieser Umgebungen führt zum Ergebnis dass die virtuellen Simulationsumgebungen entweder eine zu hohe Anwendungskomplexität besitzen, oder zu wenig Features aufweisen. Daher wird eine Entwicklungsumgebung entworfen, welche den Aufbau und eine virtuelle Simulation von mechatronischen Anwendungen ermöglicht. Verglichen mit den evaluierten Entwicklungsumgebungen erlaubt es diese, mechatronische Anwendungen mittels Rapid Prototyping zu entwickeln ohne dass dabei Programmier oder Elektronikkentnisse benötigt werden. Die Implementation erfolgt mit der Unity game engine, Arduino und Fischertechnik. Der virtuelle Prototyp kann zusätzlich an den realen Prototypen gekoppelt werden. Somit lässt sich das kinematische Verhalten aus der virtuellen Simulation heraus direkt auf den physikalischen Prototypen übertragen.

Mechatronics is an interdisciplinary field which combines software, electronics, mechanic and control theory. It is applied in different areas like industrial assembly, robotics and consumer products. Each of the interdisciplinary fields has a high complexity which requires engineers with knowledge of specific area of expertise. Additionally the development of interfaces between the different fields requires a high communication effort of the engineers which results in even higher costs of time and money. In the product development cycle prototypes are used for solving technical problems and usability issues in an early development phase. Technical problems and usability issues which are not discovered and solved in this prototyping stage are causing higher costs in the later stages. This work evaluates development environments which can be used for designing mechatronic applications in a rapid prototyping approach. Thereby the focus is set on virtual development environments which simulate kinematic behavior. The environments differ in their focus on certain aspects of mechatronics and in their benefit of doing rapid prototyping. In summary, the development environments are either too complex for rapid prototyping of mechatronics, or are lacking important features. Therefore a rapid prototyping development environment for simulating and controlling mechatronics is designed. In comparison to the presented environments, it allows to rapidly design mechatronic applications without the need of programming and electronic skills. It implements a simulation environment programmed with the Unity game engine for simulating fischertechnik components. Additionaly, the mechatronic behavior of the virtual prototype can be transmitted to the physical prototype via an arduino board.