A simple and visually orientated approach for type synthesis of overconstrained 1T2R parallel mechanisms

This paper presents a simple and highly visual approach for the type synthesis of a family of overconstrained parallel mechanisms that have one translational and two rotational movement capabilities. It considers, especially, mechanisms offering the accuracy and dynamic response needed for machining applications. This family features a spatial limb plus a member of a class of planar symmetrical linkages, the latter connected by a revolute joint either to the machine frame at its base link or to the platform at its output link. Criteria for selecting suitable structures from among numerous candidates are proposed by considering the realistic practical requirements for reconfigurability, movement capability, rational component design and so on. It concludes that a few can simultaneously fulfil the proposed criteria, even though a variety of structures have been presented in the literature. Exploitation of the proposed structures and evaluation criteria then leads to a novel five degrees of freedom hybrid module named TriMule. A significant potential advantage of the TriMule over the Tricept arises because all the joints connecting the base link and the machine frame can be integrated into one single, compact part, leading to a lightweight, cost effective and flexible design particularly suitable for configuring various robotized manufacturing cells

Kinematics and Performance Analysis of 2R2T Parallel Manipulator with Partially Decoupled Motion

© 2019, Chinese Society of Agricultural Machinery. All right reserved. A novel parallel manipulator with two rotations and two translations was proposed. The moving platform of the parallel manipulator was connected to the fixed base through four kinematic limbs. Four prismatic joints can be used as actuations to fully control the motion of manipulator. The mobility and motion characteristic of the manipulator were analyzed by using Lie Group theory. Position model of the parallel manipulator was established. Inverse and forward position solutions were analyzed. It was demonstrated that the analytical expressions can be obtained for the inverse and forward position solutions. Partially decoupled motion characteristic of the manipulator was analyzed. Position of the moving platform can be determined by two limbs. Singularity analysis was conducted based on Jacobian matrix. Singular configurations, including inverse kinematic singularity, forward kinematic singularity and combined singularity were analyzed. Workspace and singularity curves were determined. It was found that the singularities located near the boundary of the workspace and the parallel manipulator had relatively high rotational capability. The rotational ranges in two directions were -44°~60° and -35°~52°, respectively. Performance analysis was carried out by using the method of motion/force transmission. Performance distribution over the orientation workspace was sketched. Global performance index was used in optimal design of the manipulator. The proposed parallel manipulator can be used in many fields such as five axis machine and motion simulator

Error modelling and validation of a high-precision five degree of freedom hybrid mechanism for high-power high-repetition rate laser operations

The accuracy, repeatability and speed requirements of high-power laser operations demand the employment of five degree of freedom motion control solutions that are capable of positioning and orientating the target with respect to the laser(s)-target interaction point with high accuracy and precision. The combined serial and parallel kinematic (hybrid) mechanism reported in this paper is a suitable candidate for this purpose; however, a number of error sources can affect its performance. A kinematic model to analyse the errors causing the positional and orientational deviations of the target is described considering two rotational degrees of freedom of the hybrid mechanism. Strategies are outlined to simplify the error analysis and to determine the error parameters of the mechanism using the error model and an experimental technique

Análisis y síntesis estructural de manipuladores paralelos de baja movilidad con múltiples modos de operación

212 p.Los manipuladores paralelos de baja movilidad son, sin duda, un tipo de robots quepresentan importantes ventajas, en ciertos aspectos, sobre los denominadosmanipuladores serie, especialmente cuando se requiere mayor rigidez, aún a costa deuna reducción del espacio de trabajo del manipulador paralelo.El desarrollo de nuevas arquitecturas de este tipo de manipuladores ha recibido notableimpulso desde la segunda mitad del siglo XX, si bien su implantación industrial tienenotables resistencias debido a la complejidad de la cinemática y a la dificultad decontrol en tiempo real y limitaciones de espacio de trabajo.Esta Tesis Doctoral se centra en el desarrollo de una sistemática de generación dediferentes arquitecturas de manipuladores paralelos de baja movilidad, es decir, demenos de seis grados de libertad. A partir de ella, se estudiarán diferentesconfiguraciones de manipuladores reconfigurables, capaces de adaptarse a diferentestareas, es decir, manipuladores con capacidad de multioperacionalidad.Este trabajo comenzará con una breve descripción de los principales métodos desíntesis estructural o morfológica de manipuladores paralelos.A continuación se realizará el estudio de todas las posibles arquitecturas demanipuladores paralelos de 3 grados de libertad con tres cadenas cinemáticas idénticasy preferentemente dispuestas de forma simétrica. Se recogerán posiblesmaterializaciones de cada tipología, referenciándose aquellos autores que ya handescrito el manipulador concreto correspondiente. También se recogerán algunasarquitecturas que no se han encontrado en las referencias estudiadas. Asimismo seresumirá el procedimiento utilizado, y el conjunto de premisas, para el desarrollo delestudio de las familias de manipuladores paralelos de 3 grados de libertad.Posteriormente se desarrollará un procedimiento general para el estudio y generaciónestructural de manipuladores paralelos de baja movilidad con múltiples modos deoperación a partir de combinaciones de cadenas cinemáticas de seis grados de libertad.Una vez definida esta metodología, se aplicará al análisis cinemático de la plataformade Gough-Stewart y al manipulador paralelo 3-CPCR, de seis grados de libertad.Restringiendo algunos grados de libertad y actuando sobre el resto de las variables deentrada de este manipulador, se obtienen manipuladores paralelos de baja movilidadcon un determinado modo de operación o movimiento.Adicionalmente, a partir del procedimiento desarrollado para los manipuladoresparalelos de 6 grados de libertad, se definirá una metodología específica para elplanteamiento de las ecuaciones del problema de velocidad de manipuladores paralelosde baja movilidad, de aplicación general a cualquier configuración.Por último se expondrán las posibles líneas futuras de estudio a partir de los análisis ymetodologías desarrollados en la presente Tesis Doctoral. Es de destacar la posibilidadde obtener un vademécum de manipuladores paralelos de baja movilidad a partir decombinaciones de las cadenas de 6 grados de libertad recogidas en este trabajo

Análisis y síntesis estructural de manipuladores paralelos de baja movilidad con múltiples modos de operación

212 p.Los manipuladores paralelos de baja movilidad son, sin duda, un tipo de robots quepresentan importantes ventajas, en ciertos aspectos, sobre los denominadosmanipuladores serie, especialmente cuando se requiere mayor rigidez, aún a costa deuna reducción del espacio de trabajo del manipulador paralelo.El desarrollo de nuevas arquitecturas de este tipo de manipuladores ha recibido notableimpulso desde la segunda mitad del siglo XX, si bien su implantación industrial tienenotables resistencias debido a la complejidad de la cinemática y a la dificultad decontrol en tiempo real y limitaciones de espacio de trabajo.Esta Tesis Doctoral se centra en el desarrollo de una sistemática de generación dediferentes arquitecturas de manipuladores paralelos de baja movilidad, es decir, demenos de seis grados de libertad. A partir de ella, se estudiarán diferentesconfiguraciones de manipuladores reconfigurables, capaces de adaptarse a diferentestareas, es decir, manipuladores con capacidad de multioperacionalidad.Este trabajo comenzará con una breve descripción de los principales métodos desíntesis estructural o morfológica de manipuladores paralelos.A continuación se realizará el estudio de todas las posibles arquitecturas demanipuladores paralelos de 3 grados de libertad con tres cadenas cinemáticas idénticasy preferentemente dispuestas de forma simétrica. Se recogerán posiblesmaterializaciones de cada tipología, referenciándose aquellos autores que ya handescrito el manipulador concreto correspondiente. También se recogerán algunasarquitecturas que no se han encontrado en las referencias estudiadas. Asimismo seresumirá el procedimiento utilizado, y el conjunto de premisas, para el desarrollo delestudio de las familias de manipuladores paralelos de 3 grados de libertad.Posteriormente se desarrollará un procedimiento general para el estudio y generaciónestructural de manipuladores paralelos de baja movilidad con múltiples modos deoperación a partir de combinaciones de cadenas cinemáticas de seis grados de libertad.Una vez definida esta metodología, se aplicará al análisis cinemático de la plataformade Gough-Stewart y al manipulador paralelo 3-CPCR, de seis grados de libertad.Restringiendo algunos grados de libertad y actuando sobre el resto de las variables deentrada de este manipulador, se obtienen manipuladores paralelos de baja movilidadcon un determinado modo de operación o movimiento.Adicionalmente, a partir del procedimiento desarrollado para los manipuladoresparalelos de 6 grados de libertad, se definirá una metodología específica para elplanteamiento de las ecuaciones del problema de velocidad de manipuladores paralelosde baja movilidad, de aplicación general a cualquier configuración.Por último se expondrán las posibles líneas futuras de estudio a partir de los análisis ymetodologías desarrollados en la presente Tesis Doctoral. Es de destacar la posibilidadde obtener un vademécum de manipuladores paralelos de baja movilidad a partir decombinaciones de las cadenas de 6 grados de libertad recogidas en este trabajo

Type Synthesis and Performance Optimization of Parallel Manipulators

Parallel robots have been widely employed in industrial applications. There are still some challenging topics in the fundamental research, e.g., the primary problem mobility analysis has not been solved for about 150 years. A universal mobility equation for all kinds of parallel architectures has not been found. Another issue lies on the performance measurements for parallel manipulators. There are plenty of kinematic and dynamic performance indices. However, the various ranges and scales of these indicators make the optimal design considering multiple indices complicated. It is essential to search for a unified approach to normalize performance indicators. More dynamic performance measurement indicators should be raised to explore the dynamic features and complete the theory for parallel mechanisms. In this research, an improved mobility equation is designed to reveal the degrees of freedom for a special class of parallel robots. A novel methodology called the kinematic joint matrix is proposed. It possesses the mapping relations with parallel manipulators. A series of 2-6 degrees of freedom parallel architectures is denoted by the kinematic joint matrix. The theory of screw is employed to check the feasibility from several kinds of parallel structures. A special block diagram is introduced to distinguish various kinematic joint matrices. Since this family of parallel robots contains various motion characteristics, four parallel robots with distinct features are selected. Based on the kinematic models, three categories of singularities are explored. The operational and reachable workspaces of the pure-translational parallel robots are searched and the parametric analyses are reported. The linkage’s impacts for the reachable workspace of the mixed-motion parallel architectures are investigated. The novel performance level index is designed to unify the positive performance index and demonstrated the performance rank for any pose (position and orientation). The dexterity index is utilized as an example to verify the characteristics of the level index. The distributions and parametric analyses of two novel mass-related performances are studied. The dimension synthesis of a selected planar parallel robot is presented based on the non-dominated genetic algorithm II. The experiment results testify the correctness of the mobility and kinematic mathematical models of this mechanism