A Six Degree-Of-Freedom Haptic Device Based On The Orthoglide And A Hybrid Agile Eye

This paper is devoted to the kinematic design of a new six degree-of-freedom haptic device using two parallel mechanisms. The first one, called orthoglide, provides the translation motions and the second one, called agile eye, produces the rotational motions. These two motions are decoupled to simplify the direct and inverse kinematics, as it is needed for real-time control. To reduce the inertial load, the motors are fixed on the base and a transmission with two universal joints is used to transmit the rotational motions from the base to the end-effector. Two alternative wrists are proposed (i), the agile eye with three degrees of freedom or (ii) a hybrid wrist made by the assembly of a two-dof agile eye with a rotary motor. The last one is optimized to increase its stiffness and to decrease the number of moving parts

Kinematic and Dynamic Analysis of the 2-DOF Spherical Wrist of Orthoglide 5-axis

This paper deals with the kinematics and dynamics of a two degree of freedom spherical manipulator, the wrist of Orthoglide 5-axis. The latter is a parallel kinematics machine composed of two manipulators: i) the Orthoglide 3-axis; a three-dof translational parallel manipulator that belongs to the family of Delta robots, and ii) the Agile eye; a two-dof parallel spherical wrist. The geometric and inertial parameters used in the model are determined by means of a CAD software. The performance of the spherical wrist is emphasized by means of several test trajectories. The effects of machining and/or cutting forces and the length of the cutting tool on the dynamic performance of the wrist are also analyzed. Finally, a preliminary selection of the motors is proposed from the velocities and torques required by the actuators to carry out the test trajectories

Kinematic and Dynamic Analyses of the Orthoglide 5-axis

International audienceThis paper deals with the kinematic and dynamic analyses of the Orthoglide 5-axis, a five-degree-of-freedom manipulator. It is derived from two manipulators: i) the Orthoglide 3-axis; a three dof translational manipulator and ii) the Agile eye; a parallel spherical wrist. First, the kinematic and dynamic models of the Orthoglide 5-axis are developed. The geometric and inertial parameters of the manipulator are determined by means of a CAD software. Then, the required motors performances are evaluated for some test trajectories. Finally, the motors are selected in the catalogue from the previous results

Design of a haptic device for teleoperation and virtual reality systems

IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, SMC 2009; San Antonio, TX; United States; 11 October 2009 through 14 October 2009Haptics technology has increased the precision and telepresence of the teleoperation and precision of the in-house robotic applications by force and surface information feedback. Force feedback is achieved through sending back the pressure and force information via a haptic device as the information is created or measured at the point of interest. In order to configure such a system, design, analysis and production processes of a haptic device, which is suitable for that specific application, becomes important. Today, haptic devices find use in assistive surgical robotics and most of the teleoperation systems. These devices are also extensively utilized in simulators to train medical and military personnel. The objective of this work is to design a haptic device with a new structure that has the potential to increase the precision of the robotic operation. Thus, literature is reviewed and possible robot manipulator designs are investigated to increase the precision in haptics applications. As a result of the investigations, conceptual designs are developed. Ultimately, final design is selected and produced after it is investigated in computer-aided- design (CAD) environment and its kinematic and structural analyses are carried out

Static force capabilities and dynamic capabilities of parallel mechanisms equipped with safety clutches

Cette thèse étudie les forces potentielles des mécanismes parallèles plans à deux degrés de liberté équipés d'embrayages de sécurité (limiteur de couple). Les forces potentielles sont étudiées sur la base des matrices jacobienne. La force maximale qui peut être appliquée à l'effecteur en fonction des limiteurs de couple ainsi que la force maximale isotrope sont déterminées. Le rapport entre ces deux forces est appelé l'efficacité de la force et peut être considéré ; comme un indice de performance. Enfin, les résultats numériques proposés donnent un aperçu sur la conception de robots coopératifs reposant sur des architectures parallèles. En isolant chaque lien, les modèles dynamiques approximatifs sont obtenus à partir de l'approche Newton-Euler et des équations de Lagrange pour du tripteron et du quadrupteron. La plage de l'accélération de l'effecteur et de la force externe autorisée peut être trouvée pour une plage donnée de forces d'actionnement.This thesis investigates the force capabilities of two-degree-of-freedom planar parallel mechanisms that are equipped with safety clutches (torque limiters). The force capabilities are studied based on the Jacobian matrices. The maximum force that can be applied at the end-effector for given torque limits (safety index) is determined together with the maximum isotropic force that can be produced. The ratio between these two forces, referred to as the force effectiveness, can be considered as a performance index. Finally, some numerical results are proposed which can provide insight into the design of cooperation robots based on parallel architectures. Considering each link and slider system as a single body, approximate dynamic models are derived based on the Newton-Euler approach and Lagrange equations for the tripteron and the quadrupteron. The acceleration range or the external force range of the end-effector are determined and given as a safety consideration with the dynamic models

Robotix-Academy Conference for Industrial Robotics (RACIR) 2019

Robotix-Academy Conference for Industrial Robotics (RACIR) is held in University of Liège, Belgium, during June 05, 2019. The topics concerned by RACIR are: robot design, robot kinematics/dynamics/control, system integration, sensor/ actuator networks, distributed and cloud robotics, bio-inspired systems, service robots, robotics in automation, biomedical applications, autonomous vehicles (land, sea and air), robot perception, manipulation with multi-finger hands, micro/nano systems, sensor information, robot vision, multimodal interface and human-robot interaction.

7-degree-of-freedom hybrid-manipulator exoskeleton for lower-limb motion capture

Lower-limb exoskeletons are wearable robotic systems with a kinematic structure closely matching that of the human leg. In part, this technology can be used to provide clinical assessment and improved independent-walking competency for people living with the effects of stroke, spinal cord injury, Parkinson’s disease, multiple sclerosis, and sarcopenia. Individually, these demographics represent approximately: 405 thousand, 100 thousand, 67.5 thousand, 100 thousand, and 5.9 million Canadians, respectively. Key shortcomings in the current state-of-the-art are: restriction on several of the human leg’s primary joint movements, coaxial joint alignments at the exoskeleton-human interface, and exclusion of well-suited parallel manipulator components. A novel exoskeleton design is thus formulated to address these issues while maintaining large ranges of joint motion. Ultimately, a single-leg unactuated prototype is constructed for seven degree-of-freedom joint angle measurements; it achieves an extent of motion-capture accuracy comparable to a commercial inertial-based system during three levels of human mobility testing

Haptische Mensch-Maschine-Schnittstelle für ein laparoskopisches Chirurgie-System

Für eine Vielzahl von Operationen im Bauchraum ist heute die Laparoskopie Stand der Technik, so z.B. die Cholezytektomie zur Entfernung der Gallenblase. Hierbei handelt es sich um ein minimalinvasives Verfahren bei dem der Zugang zum Operationsgebiet durch kleinste Schnitte in der Bauchdecke des Patienten erfolgt. Bei der Operation kommen lange starre Instrumente zu Einsatz. Im Gegensatz zu einer offenen Operation haben die Hände des Chirurgen keinen direkten Zugang zum operierten Gewebe. Ein Abtasten des Gewebes ist nicht möglich, der haptische Sinn zur Diagnose und Navigation im Operationsgebiet steht dem Operateur folglich nicht zur Verfügung. Diese Einschränkung erhöht die Komplexität laparoskopischer Eingriffe erheblich. Auch die Beweglichkeit im Operationsfeld ist stark eingeschränkt. Eine technische Antwort auf diese Einschränkungen sind haptische Telemanipulationssysteme. Sie bestehen aus einer angetriebenen Instrumentenspitze sowie einem haptischen Bedienelement, das die Kontaktkräfte zwischen Instrumentenspitze und Gewebe an den Bediener meldet. Hierzu erfasst ein Kraftsensor an der Instrumentenspitze die auftretenden Kontaktkräfte. Antriebe im Bedienelement erzeugen daraus eine Kraftinformation und leiten sie über einen Mechanismus an den Bediener weiter. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erweiterung der Entwurfsmethodik für haptische Bedienelemente und der Realisierung eines neuartigen Bedienelements. Basis ist eine Analyse des chirurgischen Szenarios in der minimalinvasiven Leberchirurgie. Daraus leitet sich das Entwurfsziel eines haptischen Bedienelementes mit drei kartesischen Freiheitsgraden ab. Auf Grund ihrer guten dynamischen Eigenschaften sind besonders parallelkinematische Mechanismen zur Übertragung haptischer Informationen geeignet. Sie zeichnen sich durch eine große Struktursteifigkeit und geringe bewegte Massen aus. Ihr kinematisches Übertragungsverhalten ist hingegen meist komplex. Aus der Analyse der kinematischen Bedingungen für ein rein kartesisches Ausgangsverhalten ergibt sich ein möglicher Lösungsraum geeigneter Topologien. Alle bestehen aus drei Beinen mit je 5 Gelenkfreiheitsgraden, einer Basis-Plattform und einer Tool-Centre-Point-Plattform zur Ausgabe der haptischen Information. Für den vorliegenden Fall ist eine RUU- bzw. DELTA-Struktur geeignet. Diese Struktur übersetzt drei Antriebsmomente in eine rein kartesische Ausgabe. Basierend auf der Analyse der kinematischen Entwurfsziele für haptische Mechanismen erfolgte eine Auslegung des Mechanismus im Hinblick auf isotropes, d.h. richtungsunabhängiges Übertragungsverhalten. Charakteristisches Maß ist die globale Konditionszahl. Entscheidend für die Qualität der haptischen Rückmeldung ist das dynamische Übertragungsverhalten haptischer Bedienelemente. Für eindimensionale Systeme ist in der Literatur zur Modellierung der Zwei-Tor Ansatz basierend auf der elektromechanischen Netzwerktheorie eingeführt. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt erstmalig die Erweiterung auch für den mehrdimensionalen Fall. Damit ist es möglich, auch die dynamischen Eigenschaften mehrdimensionaler Mechanismen mit dem Zwei-Tor Ansatz abzubilden. Dies erlaubt Anwendung des Entwurfsverfahrens der "Transparenz" für mehrdimensionale Systeme. Zur Analyse der mechanischen Eigenschaften des operierten Gewebes entstehen zwei Messplätze für die Frequenzbereiche f = 10...10^4 Hz (taktile Wahrnehmung) und f=DC...50 Hz (kinästhetische Wahrnehmung). Sie ermöglichen die messtechnische Charakterisierung der mechanischen Impedanz und die Ableitung mechanischer Schaltungen. Damit lässt sich die Impedanz des Gewebes rechnerisch im Gütekriterium der Transparenz zur Bewertung eines haptischen Telemanipulationssystems einsetzen. Die Realisierung eines haptischen Bedienelements erfolgt für ein neuartiges, tragbares Teleoperationssystem. Das Bedienkonzept ist an Hand eines ergonomischen Funktionsmusters im Tierversuch evaluiert. Kernkomponente ist ein haptisches Joystick mit drei kartesischen Freiheitsgraden durch einen RUU-Mechanismus. Der Arbeitsraum beträgt 743,5 cm³. Das Bedienelement ist mit einer Impedanz-gesteuerten Systemstruktur entworfen und feinwerktechnisch umgesetzt. Als Antriebe kommen drei EC-Motoren zum Einsatz. Mit einem maximalen Moment von 0,2 Nm erzeugen sie eine haptische Rückmeldung von 5N in 82% des Volumens im Arbeitsraum. Die zum Betrieb erforderlichen kinematischen Berechnungen sind auf einem Steuerrechner implementiert. Zusammen mit der Leistungselektronik ist dieser in einem mobilen Rack integriert. Der Nachweis der Funktionsfähigkeit erfolgt an einem experimentellen Telemanipulationssystem im Laborbetrieb