تحلیل دینامیکی یک ربات موازی 5 درجه آزادی با بکارگیری تئوری پیچه و استخراج نقاط تکین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشکده فناوری‌های مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده

در این مقاله ربات موازی 5 درجه آزادی با مجری نهایی خطی بررسی می‌شود. در این ربات توانایی جهت‌گیری مجری نهایی در فضای‌کاری، مزیتی برای انجام فرایند ماشینکاری سطوح پیچیده است. با چنین کاربردی، تحلیل عملکرد دینامیکی ربات از اهمیت بالایی برخوردار است. از طرفی ربات‌های موازی، فضای کاری محدودی دارند و تکینگی‌های آن‌ها، فضای کاری را محدودتر  می‌کند. از این رو با تمرکز بر دو حوزه سینماتیک و دینامیک، رفتار عملکردی این ربات در فضای کاری مورد مطالعه قرار می‌گیرد. به منظور انجام تحلیل سینماتیک، با استفاده از روابط هندسی و برداری، معادلات قید استخراج و سپس، معالات حاکم بر سرعت و شتاب ربات بدست‌ می‌آید. سپس با بکارگیری تئوری پیچه ماتریس ژاکوبین استخراج و با بررسی آن وضعیت تکینگی‌ها درون فضای‌کاری تعیین می‌گردد. با در نظرگرفتن تکینگی و محدودیت‌های فیزیکی و هندسی، الگوریتمی برای محاسبه فضای کاری ارائه می‌شود. همچنین با استفاده از ماتریس ژاکوبین، شاخص سینماتیکی چالاکی بعنوان معیاری برای نزدیکی ربات به نقاط تکینه بررسی می‌گردد. در ادامه، معادلات دینامیکی حاکم بر ربات با استفاده از تئوری پیچه که مزایای هردو روش اویلر-لاگرانژ و نیوتن را داراست، استخراج گردیده و نتایج حل مسائل سینماتیک و دینامیک با خروجی شبیه‌سازی مکانیزم در محیط سیمولینک متلب اعتبارسنجی می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Singularity, dynamics, and kinetics analysis of a 5 degrees of freedom parallel robot using screw theory

نویسندگان [English]

  • Saeed Khosravi 1 2
  • Maryam Ghasabzadeh Saryazdi 1
1 Technology Institute of Mechanical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran|Mechanical Engineering Department, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
2 Technology Institute of Mechanical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran|Mechanical Engineering Department, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

This paper examines a parallel robot with 5 degrees of freedom with a linear platform. Parallel robots have a restricted workspace, and singularities make the workspace even more confined. So the behavior of the robot in the workplace is examined by focusing on kinematics and dynamics. To do kinematic analysis, the constraint equations are developed using the geometric relations, and the speed and acceleration equations of the robot are derived. The Jacobian matrix is then calculated using the screw theory, and the state of the singularities in the workspace is determined based on the Jacobian matrix. Considering the singularity and physical and geometric limitations, an algorithm for calculating the workspace is presented. In addition, the kinematic index of dexterity is investigated using the Jacobian matrix as a measure of the robot's closeness to the singular configurations. The results of solving kinematic and dynamic problems are validated with the output of the simulation in MATLAB software.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Kinematics and dynamics
  • singularity analysis
  • workspace analysis
  • screw theory
  • parallel robot

مراجع

  1. F. Gao, B. Peng, H. Zhao, W. Li, A novel 5-DOF fully parallel kinematic machine tool, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 31(1) (2006) 201-207.
  2. D. Stewart, A platform with six degrees of freedom, Proceedings of the institution of mechanical engineers, 180(1) (1965) 371-386.
  3. X. Chen, X.-J. Liu, F. Xie, T. Sun, A comparison study on motion/force transmissibility of two typical 3-DOF parallel manipulators: the sprint Z3 and A3 tool heads, International Journal of Advanced Robotic Systems, 11(1) (2014) 5.
  4. Z. Huang, Q. Li, Type synthesis of symmetrical lower-mobility parallel mechanisms using the constraint-synthesis method, The International Journal of Robotics Research, 22(1) (2003)59-79.
  5. S.A. Joshi, L.-W. Tsai, The kinematics of a class of 3-dof, 4-legged parallel manipulators, J. Mech. Des., 125(1) (2003) 52-60.
  6. H. Xie, S. Li, Y. Shen, S. Cao, W. Cai, Structural synthesis for a lower-mobility parallel kinematic machine with swivel hinges, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 30(5) (2014) 413-420.
  7. Y. Jin, Z. Bi, H. Liu, C. Higgins, M. Price, W. Chen, T. Huang, Kinematic analysis and dimensional synthesis of exechon parallel kinematic machine for large volume machining, Journal of Mechanisms and Robotics, 7(4) (2015) 041004.
  8. X. Sheng, L. Xu, Z. Wang, A position-based explicit force control strategy based on online trajectory prediction, International Journal of Robotics and Automation, 32(1) (2017) 93-100.
  9. B. Siciliano, The Tricept robot: Inverse kinematics, manipulability analysis and closed-loop direct kinematics algorithm, Robotica, 17(4) (1999) 437-445.
  10. M. Mahboobkhah, N. Jaafarzadeh, Design and analysis of workspace and singularity of a 4 degree of freedom parallel robot, Modares Mechanical Engineering, 14(8) (2014) 28-36 .(in persian)
  11. M. Zamani, M. Fekri, M. Tale Masouleh, Optimal design and fabrication of a 4-DOF quattrotaar parallel robot with singularity-free workspace by ABC and PSO algorithms, Modares Mechanical Engineering, 6(6) (2016)149-158. (in persian)
  12. Ghaf-Ghanbari, M. Taghizadeh, m. mazare, Kinematic and dynamic performance evaluation of a four degrees of freedom parallel robot, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 53(4) (2021)2055-2072. (in persian)
  13. G.F. Bär, G. Weiß, Kinematic analysis of a pentapod robot, Journal for Geometry and Graphics, 10(2) (2006) 173-182.
  14. J. Borràs, F. Thomas, Singularity-invariant leg substitutions in pentapods, in: 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IEEE, 2010, pp. 2766-2771.
  15. L. Luo, L. Hou, Q. Zhang, Y. Wei, Y. Wu, Kinematics and workspace analysis of 4SPRR-SPR parallel robots, Plos one, 16(1) (2021) e0239150.
  16. Q. Guo, G. Cui, F. Zhang, J. Liu, Z. Cheng, Kinematics. Stiffness and Singularity Analysis of 3T2R 5-DOF Parallel Robot Mechanism, in: 2019 IEEE 9th Annual International Conference on CYBER Technology in Automation, Control, and Intelligent Systems (CYBER),IEEE, 2019, pp. 758-763.
  17. T. Sun, S.-F. Yang, T. Huang, J.S. Dai, A finite and instantaneous screw based approach for topology design and kinematic analysis of 5-axis parallel kinematic machines, Chinese Journal of Mechanical Engineering, 31(1) (2018) 1-10.
  18. A. Alagheband, M. Mahmoodi, J.K. Mills, B. Benhabib, Comparative analysis of a redundant pentapod parallel kinematic machine, Journal of Mechanisms and Robotics, 7(3) (2015) 034502.
  19. M. Mahboubkhah, M.J. Nategh, S. E. Khadem, Inverse Dynamics of Hexapod Machine Tool Table and Comparative Investigation on the Effective Loads. Modares Mechanical Engineering, 9(1) (2009) 29-38. (in persian)
  20. W. Lin, B. Li, X. Yang, D. Zhang, Modelling and control of inverse dynamics for a 5-DOF parallel kinematic polishing machine, International Journal of Advanced Robotic Systems, 10(8) (2013) 314.
  21. J. Zhao, H. Zhou, Z. Feng, J. Dai, An algebraic methodology to identify the principal screws and pitches of screw systems, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 223(8) (2009) 1931-1941.
  22. A. Taghvaeipour, J. Angeles, L. Lessard, Constraint-wrench analysis of robotic manipulators, Multibody System Dynamics, 29(2) (2013) 139-168.
  23. J. Angeles, Fundamentals of robotic mechanical systems: theory, methods, and algorithms, Springer, 2003.
  24. Y. Lou, G. Liu, N. Chen, Z. Li, Optimal design of parallel manipulators for maximum effective regular workspace, in: 2005 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IEEE, 2005, pp. 795-800.
  25. S. Kucuk, A dexterity comparison for 3-DOF planar parallel manipulators with two kinematic chains using genetic algorithms, Mechatronics, 19(6) (2009) 868-877.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 55، شماره 8
آبان 1402
صفحه 943-970

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار