Singularity Analysis of Limited-dof Parallel Manipulators using Grassmann-Cayley Algebra

This paper characterizes geometrically the singularities of limited DOF parallel manipulators. The geometric conditions associated with the dependency of six Pl\"ucker vector of lines (finite and infinite) constituting the rows of the inverse Jacobian matrix are formulated using Grassmann-Cayley algebra. Manipulators under consideration do not need to have a passive spherical joint somewhere in each leg. This study is illustrated with three example robot

Singularity Analysis of Lower-Mobility Parallel Manipulators Using Grassmann-Cayley Algebra

This paper introduces a methodology to analyze geometrically the singularities of manipulators, of which legs apply both actuation forces and constraint moments to their moving platform. Lower-mobility parallel manipulators and parallel manipulators, of which some legs do not have any spherical joint, are such manipulators. The geometric conditions associated with the dependency of six Pl\"ucker vectors of finite lines or lines at infinity constituting the rows of the inverse Jacobian matrix are formulated using Grassmann-Cayley Algebra. Accordingly, the singularity conditions are obtained in vector form. This study is illustrated with the singularity analysis of four manipulators

A New Index for Detecting and Avoiding Type II Singularities for the Control of Non-Redundant Parallel Robots

[ES] Los robots paralelos (PR por sus siglas en inglés) son mecanismos donde el efector final está unido a la base, mediante al menos dos cadenas cinemáticas abiertas. Los PRs ofrecen una gran capacidad de carga y alta precisión, lo que los hace adecuados para diversas aplicaciones, entre ellas la interacción persona-robot. Sin embargo, en las proximidades de una singularidad Tipo II (singularidad dentro del espacio de trabajo), un PR pierde el control sobre los movimientos del efector final. La pérdida de control representa un riesgo importante para los usuarios, especialmente en rehabilitación robótica. En las últimas décadas, los PR se han popularizado en la rehabilitación de miembros inferiores debido al aumento del número de personas que viven con limitaciones físicas. Así, esta tesis trata sobre la detección y evitación de singularidades de Tipo II para asegurar total control de un PR no redundante para la rehabilitación y diagnóstico de rodilla, denominado 3UPS+RPU. En la literatura, existen varios índices para detectar y medir la cercanía a una singularidad basados en métodos analíticos y geométricos. Sin embargo, algunos de estos índices carecen de significado físico y son incapaces de identificar los actuadores responsables de la pérdida de control. Esta tesis aporta dos novedosos índices para detectar y medir la proximidad a una singularidad de Tipo II, capaces de identificar el par de actuadores responsables de la singularidad. Los dos índices son los ángulos entre los componentes lineal (T_i,j) y angular (O_i,j) de dos Twist Screw de Salida (OTS por sus siglas en inglés) normalizados i,j. Una singularidad Tipo II es detectada cuando T_i,j = O_i,j = 0 y su proximidad se mide mediante los mínimos ángulos T_i,j (minT) y O_i,j (minO) para los casos plano y espacial, respectivamente. La eficacia de los índices T_i,j y O_i,j se evalúa de forma teórica y experimental en un robot 3UPS+RPU y un mecanismo de cinco barras. Además, se propone un procedimiento experimental para el adecuado establecimiento del límite de cercanía a una singularidad de Tipo II mediante la aproximación progresiva del PR a una singularidad y la medición de la última posición controlable. Posteriormente, se desarrollan dos nuevos algoritmos deterministas para liberar y evitar una singularidad de Tipo II basados en minT y minO para PR no redundantes. minT y minO se utilizan para identificar los dos actuadores a mover para liberar o evitar el PR de una singularidad. Ambos algoritmos requieren una medición precisa de la pose alcanzada por el efector final. El algoritmo para liberar un PR de una configuración singular se aplica con éxito en un controlador híbrido basado en visión artificial para el PR 3UPS+RPU. El controlador utiliza un sistema de fotogrametría para medir la pose del robot debido a la degeneración del modelo cinemático en las proximidades de una singularidad. El algoritmo de evasión de singularidades Tipo II se aplica a la planificación offline y online de trayectorias no singulares para un mecanismo de cinco barras y el PR 3UPS+RPU. Estas aplicaciones verifican el bajo coste computacional y la mínima desviación introducida en la trayectoria original por los nuevos algoritmos. La implementación directa de un controlador de fuerza/posición en el PR 3UPS+RPU es insegura porque el paciente podría llevar involuntariamente al PR a una singularidad. Por lo tanto, esta tesis concluye presentando un novedoso controlador de fuerza/posición complementado con el algoritmo de evasión de singularidades de Tipo II. El nuevo controlador se evalúa durante rehabilitación activa de una pierna de maniquí y una pierna humana no lesionada. Los resultados muestran que el nuevo controlador combinado mantiene el PR 3UPS+RPU lejos de configuraciones singulares con una desviación mínima de la trayectoria original. Por lo tanto, esta tesis habilita el 3UPS+RPU PR para la rehabilitación segura de miembros inferiores lesionados.[CAT] Els robots paral·lels (PR per les seues sigles en anglés) són mecanismes on l'efector final està unit a la base, mitjançant almenys dues cadenes cinemàtiques obertes. Els PRs ofereixen una gran capacitat de càrrega i alta precisió, la qual cosa els fa adequats per a diverses aplicacions, entre elles la interacció persona-robot. No obstant això, en les proximitats d'una singularitat Tipus II (singularitat dins de l'espai de treball), un PR perd el control sobre els moviments de l'efector final. La pèrdua de control representa un risc important per als usuaris, especialment en rehabilitació robòtica. En les últimes dècades, els PR s'han popularitzat en la rehabilitació de membres inferiors a causa de l'augment del nombre de persones que viuen amb limitacions físiques. Així, aquesta tesi tracta sobre la detecció i evació de singularitats de Tipus II per a assegurar total control d'un PR no redundant per a la rehabilitació i diagnòstic de genoll, denominat 3UPS+RPU. En la literatura, existeixen diversos índexs per a detectar i mesurar la proximitat a una singularitat basats en mètodes analítics i geomètrics. No obstant això, alguns d'aquests índexs manquen de significat físic i són incapaços d'identificar els actuadors responsables de la pèrdua de control. Aquesta tesi aporta dos nous índexs per a detectar i mesurar la proximitat a una singularitat de Tipus II, capaços d'identificar el parell d'actuadors responsables de la singularitat. Els dos índexs són els angles entre els components lineal (T_i,j) i angular (O_i,j) de dues Twist Screw d'Eixida (OTS per les seues sigles en engonals) normalitzats i,j. Una singularitat Tipus II és detectada quan T_i,j = O_i,j = 0 i la seua proximitat es mesura mitjançant els minimos angles T_i,j (minT) i O_i,j (minO) per als casos pla i espacial, respectivament. L'eficàcia dels índexs T_i,j i O_i,j es evalua de manera teòrica i experimental en un robot 3UPS+RPU i un mecanisme de cinc barres. A més, es proposa un procediment experimental per a l'adequat establiment del límit de proximitat a una singularitat de Tipus II mitjançant l'aproximació progressiva del PR a una singularitat i el mesurament de l'última posició controlable. Posteriorment, es desenvolupen dos nous algorismes deterministes per a alliberar i evadir una singularitat de Tipus II basats en minT i minO per a PR no redundants. minT i minO s'utilitzen per a identificar els dos actuadors a moure per a alliberar o evadir el PR d'una singularitat. Aquests algorismes requereixen un mesurament precís de la posa aconseguida per l'efector final. L'algorisme per a alliberar un PR d'una configuració singular s'aplica amb èxit en un controlador híbrid basat en visió artificial per al PR 3UPS+RPU. El controlador utilitza un sistema de fotogrametria per a mesurar la posa del robot a causa de la degeneració del model cinemàtic en les proximitats d'una singularitat. L'algorisme d'evació de singularitats Tipus II s'aplica a la planificació offline i en línia de trajectòries no singulars per a un mecanisme de cinc barres i el PR 3UPS+RPU. Aquestes aplicacions verifiquen el baix cost computacional i la mínima desviació introduïda en la trajectòria original pels nous algorismes. La implementació directa d'un controlador de força/posició en el PR 3UPS+RPU és insegura perquè el pacient podria portar involuntàriament al PR a una singularitat. Per tant, aquesta tesi conclou presentant un nou controlador de força/posició complementat amb l'algorisme d'evació de singularitats de Tipus II. El nou controlador s'avalua durant la rehabilitació activa d'una cama de maniquí i una cama humana no lesionada. Els resultats mostren que el nou controlador combinat manté el PR 3UPS+RPU lluny de configuracions singulars amb una desviació mínima de la trajectòria original. Per tant, aquesta tesi habilita el 3UPS+RPU PR per a la rehabilitació segura dels membres inferiors lesionats.[EN] Parallel Robots (PR)s are mechanisms where the end-effector is linked to the base by at least two open kinematics chains. The PRs offer a high payload and high accuracy, making them suitable for various applications, including human robot interaction. However, in proximity to a Type II singularity (singularity within the workspace), a PR loses control over the movements of the end-effector. The loss of control represents a major risk for users, especially in robotic rehabilitation. In the last decades, PRs have become popular in lower limb rehabilitation because of the increment in the number of people living with physical limitations. Thus, this thesis is about the detection and avoidance of Type II singularities to ensure complete control of a non-redundant PR for knee rehabilitation and diagnosis named 3UPS+RPU. In the literature, several indices exist to detect and measure the closeness to a singular configuration based on analytical and geometrical methods. However, some of these indices have no physical meaning, and they are unable to identify the actuators responsible for the loss of control. This thesis contributes two novel indices to detect and measure the proximity to a Type II singularity capable of identifying the pair of actuators responsible for the singularity. The two indices are the angles between the linear (T_i,j) and the angular (O_i,j) components of two i,j normalised Output Twist Screws (OTSs). A Type II singularity is detected when the angles T_i,j = O_i,j = 0 and its closeness is measured by the minimum T_i,j (minT) and minimum O_i,j (minO) for planar and spatial cases, respectively. The effectiveness of the indices T_i,j and O_i,j is evaluated from a theoretical and experimental perspective in a 3UPS+RPU and a five bars mechanism. Moreover, an experimental procedure is proposed for setting a proper limit of closeness to a Type II singularity by the progressive approach of the PR to singular configuration and measuring the last controllable pose. Subsequently, two novel deterministic algorithms for releasing and avoiding Type II singularities based on minT and minO are developed for non-redundant PRs. The minT and minO are used to identify the two actuators to move for release or prevent the PR from the singularity. Both algorithms require an accurate measuring of the pose reached by the end-effector. The algorithm to release a PR from a singular configuration is successfully applied in a vision-based hybrid controller for the 3UPS+RPU PR. The controller uses a photogrammetry system to measure the pose of the robot due to the degeneration of the kinematic model in the vicinity of a singularity. The Type II singularity avoidance algorithm is applied to offline and online free-singularity trajectory planning for a five-bar mechanism and the 3UPS+RPU PR. These applications verify the low computation cost and the minimum deviation introduced in the original trajectory for both novel algorithms. The direct implementation of a force/position controller in the 3UPS+RPU PR is unsafe because the patient could unintentionally drive the PR to a Type II singularity. Therefore, this thesis concludes by presenting a novel force/position controller complemented with the Type II singularity avoidance algorithm. The complemented controller is evaluated during patient-active exercises in a mannequin leg and an uninjured human limb. The results show that the novel combined controller keeps the 3UPS+RPU PR far from singular configurations with a minimum deviation on the original trajectory. Hence, this thesis enables the 3UPS+RPU PR for the safe rehabilitation of injured lower limbs.Pulloquinga Zapata, JL. (2023). A New Index for Detecting and Avoiding Type II Singularities for the Control of Non-Redundant Parallel Robots [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/19427

Contribution à l'étude cinématique et dynamique des machines parallèles

This thesis deals with the kinematic and dynamic modelling of limited degree-of-freedom parallel robots. These robots with less than six degrees of freedom are able to carry out several industrial tasks. The main reason of using such robots is to reduce the production costs by using less legs and motors. However, in some cases, these structures can produce a complex motion defined as a simultaneous combination of translation and rotation of the moving platform, which is the case of the Verne parallel module having three translation degrees of freedom. The modelling of this type of robots can prove to be complicated. This report includes five chapters. In the first chapter, a classification of parallel architectures is presented and a state of the art on important notions on kinematics and design of manipulators is exposed. The second and the third chapters are devoted to the kinematic modelling, serial singularity analysis and workspace calculation of the Verne machine. The fourth chapter deals with parallel singularity analysis of limited degrees of freedom robots using Grassmann-Cayley algebra. The geometrical conditions of existence of parallel singularities of three classes of parallel manipulators are found. Finally, the fifth chapter covers the dynamic modelling of limited degree-of-freedom parallel manipulators. A general method based on the Newton-Euler algorithm is developed. The proposed method takes in consideration all the dynamics of these robots including the legs dynamics as well as the mobile platform dynamics.Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’étude cinématique et dynamique des robots parallèles à mobilités restreintes. Ces robots à moins de 6 degrés de liberté permettent d’effectuer de multiples tâches demandées par l’industrie. La raison principale de l’utilisation de ces robots est la volonté de réduire le coût en utilisant moins de jambes et moins de moteurs. Cependant, ces structures peuvent dans certains cas produire un mouvement de la plate-forme contraint par un couplage entre la position et l’orientation comme pour le module parallèle de la machine Verne ayant trois degrés de liberté de translation. Dans ce cas, la modélisation peut s’avérer compliquée. Ce mémoire comporte cinq chapitres. Dans le premier chapitre, une classification des architectures parallèles est présentée et des notions importantes liées à la cinématique et à la conception des manipulateurs sont exposées. Les deuxième et troisième chapitres sont consacrés à la modélisation géométrique, à l’étude des singularités sérielles et au calcul de l’espace de travail de la machine Verne. Le quatrième chapitre traite les singularités parallèles des manipulateurs à mobilités restreintes en utilisant l’algèbre de Grassmann-Cayley. Les conditions géométriques d’existence des singularités pour trois classes de manipulateurs sont trouvées. Les chaînes de ces manipulateurs transmettent des forces et/ou couples à la plate-forme mobile. Finalement, le cinquième chapitre concerne la modélisation dynamique des manipulateurs à mobilités restreintes. Une méthode générale basée sur les algorithmes de type Newton-Euler est développée. La méthode proposée prend en compte la dynamique des jambes et de la plate-forme. Nous obtenons ainsi des modèles dynamiques complets de ces robots

Advances in Robot Kinematics : Proceedings of the 15th international conference on Advances in Robot Kinematics

International audienceThe motion of mechanisms, kinematics, is one of the most fundamental aspect of robot design, analysis and control but is also relevant to other scientific domains such as biome- chanics, molecular biology, . . . . The series of books on Advances in Robot Kinematics (ARK) report the latest achievement in this field. ARK has a long history as the first book was published in 1991 and since then new issues have been published every 2 years. Each book is the follow-up of a single-track symposium in which the participants exchange their results and opinions in a meeting that bring together the best of world’s researchers and scientists together with young students. Since 1992 the ARK symposia have come under the patronage of the International Federation for the Promotion of Machine Science-IFToMM.This book is the 13th in the series and is the result of peer-review process intended to select the newest and most original achievements in this field. For the first time the articles of this symposium will be published in a green open-access archive to favor free dissemination of the results. However the book will also be o↵ered as a on-demand printed book.The papers proposed in this book show that robot kinematics is an exciting domain with an immense number of research challenges that go well beyond the field of robotics.The last symposium related with this book was organized by the French National Re- search Institute in Computer Science and Control Theory (INRIA) in Grasse, France

Analyse, conception et contrôle de robots collaboratifs

Le projet derrière cette thèse porte sur l’amélioration des conditions de travail des ouvriers sur les chaînes d’assemblage. Une équipe de Général Motors est venue à notre rencontre avec la problématique que les ouvriers sur leurs chaînes d’assemblage doivent souvent adopter des postures inconfortables lors de l’exécution de certaines tâches. Répétées de nombreuses fois, ces postures peuvent engendrer des problèmes de santé sur le long terme. Une solution proposée pour pallier à ce problème est de permettre à l’ouvrier d’effectuer son travail depuis une zone éloignée de la zone d’assemblage, où il ne devrait pas adopter de postures gênantes et pourrait être isolé de bruits, chaleurs ou dangers induits par la proximité avec la chaîne d’assemblage. Pour faire le lien entre cette zone sécuritaire et la zone de travail, la solution d’un robot a été proposée. Cette thèse présente le travail effectué pour concevoir ce robot. Cette thèse est composée de quatre chapitres qui sont autant d’articles abordant chacun un sujet différent. Le chapitre 1 porte sur deux types d’assemblages courant, en fait l’analyse et propose des solutions pour mécaniser ces tâches. Un outil est conçu et testé dans le cas des clips aussi appelés ’snap-fit’. Des stratégies de trajectoire et l’usage de mécanismes vibrants sont explorés pour l’insertion de tuyaux. Les phases de test et de mesure sont présentées en vidéo. Dans le chapitre 2, la notion de difficulté d’accomplir une tache de loin est abordée. En effet, la distance augmente considérablement la concentration et la perception nécessaires à un opérateur humain pour accomplir une tâche d’assemblage, résultant en un échec ou au moins un temps d’exécution plus grand et donc une efficacité moindre. Les mécanismes de correction de précision sont donc abordés. Des solutions impliquant l’usage de ressorts sont tout d’abord présentées pour permettre aux mécanismes d’être compliants tout en maintenant une position neutre définie. Ces solutions ont pour particularité d’introduire des seuils de force pour activer la compliance qui garantissent un comportement du mécanisme prévisible dans une utilisation générale. Puis, la notion de correction de position est introduite au travers de la famille de mécanismes des Remote Centre of Compliance (RCC) que l’on peut traduire par centre de mobilité distant. Différentes architectures en rotation et en translation sont présentées pour proposer des alternatives au RCC plus adaptées au contexte de travail avec un opérateur humain. Des tests sont effectués et une vidéo appuie la démonstration. Après la conception des mécanismes passifs, le plan du projet était de se tourner vers des solutions actives. La recherche d’une architecture adaptée aux besoins a mené à l’élaboration du chapitre 3. Ce dernier présente une architecture de robot parallèle à six degrés de liberté de type 6-ꝐUS. La cinématique du robot est étudiée, puis une méthode analytique de détermination de son espace de travail géométrique est présentée. Une étude de ses lieux de singularité et de ses capacités en force complète son analyse. Même si cette architecture ne fut pas celle retenue pour le prototype, les méthodes développées pour cette architecture furent utilisées pour la conception du robot fabriqué. Après de multiples itérations, une architecture pour le robot actif fut choisie. Cette dernière est présentée au chapitre 4 et s’accompagne de la présentation de trois schémas de contrôle développés pour répondre à la problématique. Les étapes de conception développées dans le chapitre 3 sont présentées au préalable. Le premier schéma de contrôle exploré est un contrôle en position, qui sert de base au contrôle du robot et permet de développer et valider les outils essentiels au bon contrôle du robot. Le second schéma de contrôle introduit des concepts présentés dans les architectures passives précédentes, en présentant l’avantage d’être reconfigurable au besoin. Un modèle simulant le comportement d’un RCC est d’ailleurs présenté. Le dernier schéma de contrôle exploré introduit de la vision numérique. Un marqueur ARUCO est placé sur le robot et les informations qu’il fournit sont incluses et traitées dans le schéma de contrôle. L’objectif est de simuler un environnement où le robot peut détecter de façon efficace et indépendante les positions des pièces à assembler et ajuster en temps réel les erreurs de positionnement de l’opérateur humain.The project behind this thesis is about improving the working conditions of workers on assembly lines. A research team from General Motors came to us with a problem to work on: the workers on their assembly lines must use body postures that are difficult to bear when performing some tasks. These postures can become health hazards because of the repetitive nature of their work. The proposed solution to this problem is to make the operator work in a safe remote area from the assembly area, where he can keep a comfortable posture and remain far from the potential hazards of the assembly line. To make the link between the safe area and the assembly area, the solution of using a robot has been suggested. This thesis presents the work accomplished to design such robot. This thesis is composed of four chapters, each corresponding to an article dealing with a different subject. Chapter 1 deals with two different types of assembly tasks, presents their analysis and discusses solutions to introduce mechanisms in their process. A tool is designed and tested to perform snap-fit assembly tasks. Motion strategies are explored as well as vibrating mechanisms to deal with hose assembly tasks. Test phases and data measurements are presented in a video. In chapter 2, the issues associated with performing a task remotely are raised. Indeed, distance enhances greatly the required concentration and perception for a human operator to perform the task, resulting in a failure or a greater operating time, reducing productivity. Therefore, the accuracy correction mechanisms were considered. First, solutions with springs are presented to design compliant mechanisms that return to a neutral configuration when unloaded. These solutions bring the originality to introduce force thresholds to keep the compliance passive when not needed. Then, accuracy correction mechanisms are introduced through RCC mechanisms. Several rotational and translational mechanisms adapted to human collaboration are presented. Tests to validate the concept are shown in a video. After the design of passive mechanisms, the scope of the project turned to active solutions. The search for an effective architecture led to the contents of chapter 3. It presents a sixdegree-of-freedom 6-ꝐUS parallel robot. The kinematic analysis of the robot is presented, followed by an algorithm to determine the geometrical workspace of the robot. A singularity locus analysis and a force capability analysis are then presented. Even if this architecture was not selected in the end, the methods developed were used for the design of the final architecture. After several iterations, an architecture was chosen for the active robot. This architecture is presented in chapter 4. After a design process based on the work shown in chapter 3, three control schemes are presented. The first one is a classical position control which is a requisite for more advanced schemes. The second control scheme introduces concepts previously raised with the passive mechanisms discussed in chapter 2. The model simulates a RCC mechanism with the advantage of being reconfigurable without hardware modifications. The last control scheme introduces computer vision. An ARUCO marker is placed on the robot and the information it provides are injected in the control scheme. The objective is to simulate an environment where the robot detects the pose of the parts to assemble and adjusts itself in real time to compensate for the errors of the human operator