تحلیل سینماتیک و فضای کاری یک مفصل فعال نوین با بهره گیری از مکانیزم موازی کابلی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مکانیک، واحد پرند، دانشگاه آزاد اسلامی، پرند، ایران

2 گروه مکانیک، , واحد پرند، دانشگاه آزاد اسلامی، پرند، ایران

چکیده

در این مقاله ساختار یک مکانیزم مفصل فعال نوین شش درجه آزادی با بهره گیری از مکانیزم های موازی کابلی طراحی، تحلیل و ارائه می شود. این مفصل از دو قاب ثابت و متحرک تشکیل شده است و برخلاف تمامی مکانیزم های موازی کابلی رایج، در اینجا برای اولین بار، قاب بیرونی متحرک و قاب داخلی ثابت در نظر گرفته شده است. قاب متحرک توسط 8 کابل تحت کشش به قاب ثابت متصل شده است و با تغییر نیروی کششی و طول کابل ها حرکت می کند. این ساختار کاملا جدید امکان بکارگیری در مکانیزم مچ، بالانس های نیرو، رابط های هاپتیک و غیره فراهم می سازد. از آنجا که مکانیزم موازی یک سیستم حلقه بسته است و معادلات آن نسبت به متغیرهای فضای دکارتی قابل جداسازی نیستند، سینماتیک مستقیم آن به راحتی و به صورت تحلیلی قابل حل نیست. برای حل سینماتیک مستقیم مکانیزم های موازی تاکنون روش های متعددی از جمله روش‌های بهینه‌سازی و عددی ارائه شده است که در اینجا روش عددی نیوتن رافسون بکار گرفته شده است. به علت خاصیت ذاتی، کابل ها باید همواره تحت کشش قرار داشته باشند. برای این منظور یک الگوریتم بهینه سازی مقدار کشش، ارائه شده است و با حل این الگوریتم برای تمامی موقعیت های ممکن قاب متحرک، فضای کاری مکانیزم بدست آمده است. نتایج بدست آمده نشان می دهد روش نیوتن رافسون دارای سرعت همگرایی مناسبی بوده و الگوریتم کشش به خوبی قادر است نیروهای کابل ها را در بازه دلخواه تعیین کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Design and Kinematics Analysis of a Novel Cable Driven Parallel Active Joint

نویسندگان [English]

  • Mohammad Hosein Ghadiri 1
  • Rambod Rastegari 2
1 Department of Mechanical Engineering, Parand Brabch, Islamic Azad University, Parand, Iran.
2 Department of Mechanical Engineering, Parand Brabch, Islamic Azad University, Parand, Iran.
چکیده [English]

Cable driven parallel mechanisms have a vast range of advantages and application due to their minimal mass and inertial effects. Normally they consist an outer fixed frame and an inner mobile platform. In this paper, a completely novel configuration of these mechanisms has been presented. In this configuration outer frame is considered as mobile platform and inner frame has been fixed. The mobile frame is attached to the fixed frame by the 8 cables and moves through the tensioning and lengthening of the cables. This new structure can be applied to the wrist mechanism, motion simulators, power balances, haptic interfaces, and etc. Since the parallel mechanism is a closed system, forward kinematics cannot be solved analytically. Several methods can be used to solve the forward kinematic of parallel mechanisms, including numerical optimization methods, in which the Newton-Raphson numerical method is used here. cables must always be in tension. Hence, a tension optimization algorithm is presented and, by solving this algorithm for all possible positions, the workspace of the mechanism is obtained. The results show that the Newton-Raphson method has an appropriate convergence rate and the tension algorithm is capable of determining the forces of the cables in the desired range.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Active joint
  • Cable driven parallel mechanism
  • Direct and reverse kinematics
  • Newton-Raphson method
  • Tension distribution

مراجع

[1] S. Masood Dehghan Banadaki, Modelling and control of cable-driven robots, SCHOOL OF MECHANICAL & AEROSPACE ENGINEERING NANYANG TECHNOLOGICAL UNIVERSITY 2007, pp. 13-16.
[2] S.E. Landsberger, T.B. Sheridan, A minimal, minimal linkage: the tension-compression parallel link manipulator, in: Robotics, mechatronics and manufacturing systems, Elsevier, 1993, pp. 81-88.
[3] D. Stewart, A platform with six degrees of freedom, Proceedings of the institution of mechanical engineers, 180(1) (1965) 371-386.
[4] C. Ferraresi, M. Paoloni, F. Pescarmona, A new methodology for the determination of the workspace of six-DOF redundant parallel structures actuated by nine wires, Robotica, 25(1) (2006) 113-120.
[5] R. L. Williams, J. S. Albus, R. Bostelman, Cable-Based Metrology System for Sculpting Assistance, 2003.
 [6] G. Liwen, X. Huayang, L. Zhihua, Kinematic analysis of cable-driven parallel mechanisms based on minimum potential energy principle, Advances in Mechanical Engineering, 7(12) (2015) 1-11.
 [7] B. Gao, H. Song, J. Zhao, S. Guo, L. Sun, Y. Tang, Inverse kinematics and workspace analysis of a cable[1]driven parallel robot with a spring spine, Mechanism and Machine Theory, 76 (2014) 56-69.
 [8] W. Wang, X. Tang, Z. Shao, Study on Energy Consumption and Cable Force Optimization of Cable-Driven Parallel Mechanism in Automated Storage/Retrieval System, in: 2015 Second International Conference on Soft Computing and Machine Intelligence (ISCMI), IEEE, 2015, pp. 144-15.
[9] R. Verhoeven, Analysis of the workspace of tendon[1]based Stewart platforms, Universität Duisburg-Essen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften» Maschinenbau und Verfahrenstechnik, 2004.
[10] C. Gosselin, M. Grenier, On the determination of the force distribution in overconstrained cable-driven parallel mechanisms, Meccanica, 46(1) (2011) 3-15. [11] A. Pott, T. Bruckmann, L. Mikelsons, Closed-form force distribution for parallel wire robots, in: Computational Kinematics, Springer, 2009, pp. 25-34.
[12] P.H. Borgstrom, B.L. Jordan, G.S. Sukhatme, M.A. Batalin, W.J. Kaiser, Rapid computation of optimally safe tension distributions for parallel cable-driven robots, IEEE Transactions on Robotics, 25(6) (2009) 1271-1281.
 [13] B. Ouyang, W. Shang, Rapid optimization of tension distribution for cable-driven parallel manipulators with redundant cables, Chinese Journal of Mechanical Engineering, 29(2) (2016)231-238.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 52، شماره 12
اسفند 1399
صفحه 3397-3410

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار