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Modeling, Analysis, and Design of Lower-Mobility Parallel Mechanisms with Their Applications

Title
Modeling, Analysis, and Design of Lower-Mobility Parallel Mechanisms with Their Applications
Other Titles
저자유도 병렬 메커니즘의 모델링, 분석 및 디자인과 응용
Author
Long Kang
Advisor(s)
Byung-Ju Yi
Issue Date
2017-08
Publisher
한양대학교
Degree
Doctor
Abstract
지난 20 년 간 저속 이동성 병렬 메커니즘은 직렬 메커니즘에 비해 강성, 고정밀 성, 큰 하중, 향상된 동적 성능 등의 장점 때문에 비행 시뮬레이터, 자동차 시뮬레이터, 작업 프로세스, 광섬유 정렬, 절삭 머신, 마이크로 매니퓰레이터, 의료용 로봇, 햅틱 장치, 조립 공정과 같은 다양한 애플리케이션에 광범위하게 연구되고 적용되고있다. 그러나 대부분의 병렬 메커니즘에는 작은 작업 공간, 병행 특이점 및 비선형 순방향 운동 학적 솔루션과 같은 몇 가지 단점이 있다. 이 세 가지 주요 단점은이 분야의 많은 연구자들이 집중하고있는 열린 문제이다. 이 논문에서, 큰 작업 공간, 덜 / 비 평행 특이성을 특징으로 하는 몇 가지 평행 메카니즘이 원하는 응용에 기초하여 제안한다. 첫째, 나사 이론을 통한기구 학적으로 중복 된 평행 메커니즘의기구 학적 모델링에 관한 이론적 인 결과가 발견되었다. 스크류 이론을 통해 비 중복 병렬 매니퓰레이터의 분석 자 코비안을 성공적으로 개발 한 경우에도 나사 이론은 우리가 알고있는 최선의 방법으로 운동 학적 및 힘의 중복을 가진 병렬 매니퓰레이터의 모델링을 시도한 적이 거의 없다. 단순한 비여유자유도의 3RRR 병렬구조와 그 변형을 통해, 기구학과 여유 힘으로 병렬 메커니증의 자코비안을 도출하는 법을 설명한다. 둘째, 중력 균형 평행 메커니즘의 설계를 제시한다. 일정한 포텐셜 에너지 방법을 사용하여 하나의 적층 가능한기구의 정적 평형 조건을 도출하기 위해 일반적으로 사용되는 2 개의 접근법, 즉 평형 추 및 스프링이 사용된다. 중력 균형 쌓을 수있는 메커니즘을 빌딩 블록으로 사용하여 중력 균형 평행 메커니즘의 유형 합성도 수행했다. 작은 구동 토오크가 요구되고 높은 수준의 안전성으로 인해, 제안 된 평행 메카니즘은 많은 응용 분야에서 사용될 수있는 비교적 큰 잠재력을 갖는다. 셋째, 위의 제안 된 중력 균형 3T1R 병렬 메커니즘 중 하나는 픽 - 플레이스 - 조립 작업 및 햅틱 장치에서의 잠재적 응용으로 인하여 분석을 위한 메커니즘의 예로서 선택되었다. 이 4-DOF 병렬 메커니즘은 두 개의 팔다리 만 사용하여 재 설계되었다. 이는 단순한 아키텍처와 본질적으로 큰 작업 공간을 의미한다. 또한, 모든 액츄에이터는 스태커 블 메커니즘의 특수한 사용으로 인해베이스 플랫폼에 근접하여 위치한다. 기구학 모델링, 특이성 분석, 성능 평가 및 최적 설계가 상세히 수행되었다. 카운터 밸런싱 프로토 타입은 3D 프린터를 사용하여 모션 및 중력 속성을 사용하여 개발되었다. 넷째, 위에서 제안 된 중력 균형 3T1R 평행 메커니즘에서 평행 특이점을 완화하기 위해 2 단계의 작동 중복이 추가되었다. 작업 공간 내부에는 평행 특이성이 존재하지 않으며 그 경계가 배제된다는 것이 발견되었다. 또한 토크 포화 문제를 해결하기위한 3 가지 재 부하 분산 알고리즘을 연구했다. 비교 분석은 완화 된 형태의 토크 제한을 고려한 제안 된 새로운 알고리즘이 일반적인 계산 유형의 토크 포화 문제를 처리하는 데 더 적은 계산 시간과보다 견고한 기능의 측면에서 다른 두 가지 기존 알고리즘보다 이점이 있음을 보여준다. 마지막으로, 기구학적 여유도는 위에서 제안 된 3T1R 병렬 메커니즘의 평행 특이점을 줄이기 위해 사용되었습니다. 위에서 제안된 스크류 이론을 통한 기구학적 모델링은 분석적 자코비안을 분석하는데 적용됐다. 움직이는 플랫폼에 대한 여유 링크의 방향을 제어함으로써 특이점을 제거할 수 있음을 알아냈다. 또한 그리퍼를 설계할 때 기구학적 여유도를 이용하였다. 규칙적인 물체와 불규칙적인 물체를 집는 두 가지 결과 모듈을 각각 제안한다.
In last two decades, lower-mobility parallel mechanisms have been extensively studied and applied to variety of applications, such as flight simulators, automobile simulators, work processes, optical fiber alignment, milling machines, micro-manipulator, medical robots, haptic device, and pick and place assembling tasks due to its advantageous features of higher stiffness, higher accuracy, larger payload, and better dynamic performance when compared with serial mechanisms. However, most parallel mechanisms also suffer from some disadvantages, such as small workspace, parallel singularities, and non-linear forward kinematic solutions. These three main disadvantages are still open problems that many researchers in this area are focused on. In this dissertation, several parallel mechanisms featuring with larger workspace, less parallel singularities are proposed based on desired applications. Firstly, some theoretical result regarding kinematic modeling of the kinematically redundant parallel mechanism via screw theory was discovered. Even through screw theory has been successfully applied to develop an analytical Jacobian of non-redundant parallel manipulators, screw theory has seldom been attempted for modeling of parallel manipulators with kinematic and force redundancies to the best of our knowledge. Through a simple non-redundant 3-RRR planar parallel mechanism and its variations, we demonstrated how to derive Jacobian of parallel mechanism with kinematic and force redundancies. Secondly, the design of gravity balanced parallel mechanism was presented. Two commonly used approaches, i.e. counterweights and springs were used to derive the static balancing conditions of one stackable mechanism by using the constant potential energy method. By employing the gravity balanced stackable mechanism as the building block, type synthesis of gravity balanced parallel mechanisms was also performed. Due to small actuation torque required and high level of safety, proposed parallel mechanisms have relatively large potential to be used in many applications. Thirdly, one gravity balanced 3T1R parallel mechanism (Schönflies-Motion Generator) proposed in above was selected as an example mechanism for analysis due to its potential applications in the pick-place-assembling task and also the haptic device. This 4-DOF parallel mechanism was redesigned by using only two limbs, which implies simple architecture and large workspace inherently. Furthermore, all the actuators are located close to the base platform due to the special usage of the stackable mechanism. Kinematic modeling, singularity analysis, performance evaluation and optimal design were performed in detail. The counter-balancing prototype was developed by using a 3D printer to very its motion and gravity property. Fourthly, in order to alleviate parallel singularities existed in the gravity balanced 3T1R parallel mechanism proposed above, two degrees of actuation redundancies were added. It was found that there exists no parallel singularity inside the workspace excluded its boundary. Moreover, three load redistribution algorithms to resolve the torque saturation problem were investigated. Comparison analysis showed that the suggested new algorithm considering a relaxed form of torque limit has advantages over the other two pre-existing algorithms in aspects of less computation time and more robust capability to deal with the general type of torque saturation problem. Finally, kinematic redundancy was employed to reduce parallel singularities of the 3T1R parallel mechanism proposed above. Kinematic modeling via screw theory method proposed above was applied to develop its Jacobian matrix in analytical form. It was found that singularities can be eliminated by controlling the orientation of the redundant link with respect to the moving platform. Moreover, the kinematic redundancy was utilized do design the gripper. Two kinds of output modules which can be used to grasp regular and irregular objects were proposed, respectively.
URI
http://hdl.handle.net/20.500.11754/33585http://hanyang.dcollection.net/common/orgView/200000431002
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GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > ELECTRONIC SYSTEMS ENGINEERING(전자시스템공학과) > Theses (Master)
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