Working and Assembly Modes of the Agile Eye

This paper deals with the in-depth kinematic analysis of a special spherical parallel wrist, called the Agile Eye. The Agile Eye is a three-legged spherical parallel robot with revolute joints in which all pairs of adjacent joint axes are orthogonal. Its most peculiar feature, demonstrated in this paper for the first time, is that its (orientation) workspace is unlimited and flawed only by six singularity curves (rather than surfaces). Furthermore, these curves correspond to self-motions of the mobile platform. This paper also demonstrates that, unlike for any other such complex spatial robots, the four solutions to the direct kinematics of the Agile Eye (assembly modes) have a simple geometric relationship with the eight solutions to the inverse kinematics (working modes)

Workspace Analysis of the Parallel Module of the VERNE Machine

The paper addresses geometric aspects of a spatial three-degree-of-freedom parallel module, which is the parallel module of a hybrid serial-parallel 5-axis machine tool. This parallel module consists of a moving platform that is connected to a fixed base by three non-identical legs. Each leg is made up of one prismatic and two pairs of spherical joint, which are connected in a way that the combined effects of the three legs lead to an over-constrained mechanism with complex motion. This motion is defined as a simultaneous combination of rotation and translation. A method for computing the complete workspace of the VERNE parallel module for various tool lengths is presented. An algorithm describing this method is also introduced

Simulation and Design of an Orientation Mechanism for Assembly Systems

The article focuses on methods for designing modular cable-driven orientation mechanisms that can be attached to robot systems that lack on rotational degrees of freedom. The approach yields assembly systems for high speed handling applications by reducing moving masses. For this purpose, a classification of feasible kinematic structures are given and resulting characteristics, like the orientation workspace, dexterity or its homogeneity, are analyzed. The mechanical design of a first prototype is subsequently presented along with a universal simulation tool for determining task-adapted powertrains using cables. Finally, results of first tests and possibilities for future developments are presented. © 2016 The Authors

Teleoperating a mobile manipulator and a free-flying camera from a single haptic device

© 2016 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other worksThe paper presents a novel teleoperation system that allows the simultaneous and continuous command of a ground mobile manipulator and a free flying camera, implemented using an UAV, from which the operator can monitor the task execution in real-time. The proposed decoupled position and orientation workspace mapping allows the teleoperation from a single haptic device with bounded workspace of a complex robot with unbounded workspace. When the operator is reaching the position and orientation boundaries of the haptic workspace, linear and angular velocity components are respectively added to the inputs of the mobile manipulator and the flying camera. A user study on a virtual environment has been conducted to evaluate the performance and the workload on the user before and after proper training. Analysis on the data shows that the system complexity is not an obstacle for an efficient performance. This is a first step towards the implementation of a teleoperation system with a real mobile manipulator and a low-cost quadrotor as the free-flying camera.Accepted versio

Singularity-free workspace analysis and geometric optimization of parallel mechanisms

Les mécanismes parallèles sont fréquemment utilisés comme robots manipulateurs, comme simulateurs de mouvement, comme machines parallèles, etc. Cependant, à cause des chaînes cinématiques fermées qui caractérisent leur architecture, le mouvement de leur plateforme est limité et des singularités cinématiques complexes peuvent apparaître à l'intérieur de leur espace de travail. Par conséquent, une maximisation l'espace de travail libre de singularité pour ce type de mécanismes est souhaitable dans un contexte de conception. Dans cette thèse, deux types de mécanismes parallèles sont étudiés: les mécanismes parallèles plans ?avec, en particulier le 3-RPR? et les mécanismes spatiaux ?avec, en particulier, la plateforme de Gough-Stewart. Pour chaque type de mécanisme parallèle, une forme simple d'équation de singularité est obtenue. Le principe consiste à séparer l'origine O' du repère mobile du point considéré P et de faire coïncider O' avec un point particulier de la plateforme. L'équation ainsi obtenue est l'équation de singularité du point P de la plateforme qui contient un ensemble minimal de paramètres géométriques. Par ailleurs, il est prouvé que les centres des cercles et sphères définissant l'espace de travail se trouvent exactement sur les lieux de singularité. Cette observation et l'équation de singularité simplifiée constituent les points de départ de l'analyse de l'espace de travail libre de singularité ainsi que de l'optimisation géométrique. Pour le mécanisme parallèle plan 3-RPR, l'espace de travail libre de singularité et les limites correspondantes pour la longueur des pattes dans une orientation prescrite sont déterminés. Ensuite l'architecture optimale qui permet d'obtenir un espace de travail maximal tout en étant libre de singularité est discutée. En ce qui concerne la plateforme de Gough-Stewart, cette thèse se concentre sur le manipulateur symétrique simplifié minimal (MSSM). Comme une plateforme de Gough- Stewart a 6 degrés de liberté, son espace de travail se divise en deux: l'espace de travail en position (ou simplement espace de travail) et l'espace de travail en orientation. A partir de l'équation de singularité simplifiée, une procédure générale est développée afin de déterminer l'espace de travail libre de singularité maximal autour d'un point particulier dans une orientation donnée, et afin de déterminer les limites correspondantes des longueurs de patte. Dans le but de maximiser l'espace de travail libre de singularité en orientation, un algorithme est présenté qui optimise les trois angles d'orientation. Sachant qu'une plateforme fonctionne habituellement pour une certaine gamme d'orientations, deux algorithmes qui calculent l'espace de travail en orientation libre de singularité maximal sont présentés. En utilisant les angles d'Euler en roulis, tangage et lacet, l'espace de travail en orientation pour une position prescrite peut être défini par 12 surfaces. Basé sur ce fait, un algorithme numérique est présenté qui évalue et représente l'espace de travail en orientation pour une position prescrite dans les limites données de longueur de patte. Ensuite, une procédure est proposée afin de déterminer l'espace de travail en orientation libre singularité maximal ainsi que les limites correspondantes des longueurs de patte. En pratique, une plateforme peut fonctionner dans un ensemble de positions. Ainsi, l'effet de la position de travail sur l'espace de travail en orientation libre de singularité maximal est analysé et deux algorithmes sont proposés pour calculer ce dernier pour tout un ensemble de positions particulières. Finalement, un algorithme qui optimise les paramètres géométriques est développé dans le but de déterminer l'architecture optimale qui permet à la plateforme de MSSM Gough-Stewart d'obtenir l'espace de travail libre singularité maximal autour d'une position particulière pour l'orientation de référence. Les résultats obtenus peuvent être utilisés pour la conception géométrique, la configuration des paramètres (longueur des pattes) ou la planification de trajectoires libres de singularité des mécanismes parallèles considérés. En outre, les algorithmes proposés peuvent également être appliqués à d'autres types de mécanismes parallèles

On-the-Fly Workspace Visualization for Redundant Manipulators

This thesis explores the possibilities of on-line workspace rendering for redundant robotic manipulators via parallelized computation on the graphics card. Several visualization schemes for different workspace types are devised, implemented and evaluated. Possible applications are visual support for the operation of manipulators, fast workspace analyses in time-critical scenarios and interactive workspace exploration for design and comparison of robots and tools

Workspace and singularity determination of a 7-DoF wrist-partitioned serial manipulator towards graffiti painting

Els robots estan sent utilitzats, cada cop més, en la realització de tasques en la indústria. Molts d'ells també són dissenyats pensats per a realitzar les tasques de la llar. En general, els robots són dissenyats per a facilitar el dia a dia del éssers humans. Però quan es tracta d'obres artístiques, és menys comú trobar-se robots realitzant-les. Nosaltres pretenem sortir de la norma mitjançant l'ús d'un robot per a pintar un grafiti. La motivació per a aconseguir-ho convergeix en la formulació de dues preguntes: "Quin és el volum de treball d'un robot, quan l'orientació del seu efector final està fixada?" i "Donat un pla arbitrari, quina és la major àrea de treball lliure de singularitats en aquest?" Aquesta tesi proposa un mètode per a l'obtenció de les singularitats de posició en un pla qualsevol d'un manipulador serial amb un canell esfèric. El mètode s'ha obtingut mitjançant la combinació d'un mètode de determinació de singularitats de posició, el qual està basat en una tècnica per al decoplat de manipuladors que presenten un canell esfèric, i un algorisme branch-and-prune per a la resolució de sistemes d'equacions. S'ha obtingut el volum de treball d'un manipulador serial de 7 graus de llibertat a través d'un enfocament de cinemàtica directa. Es presenta una metodologia per a obtenir el volum de treball del manipulador serial quan el seu efector final té l'orientació constant i s'aplica per a obtenir aproximacions per al cas de certes orientacions. Es mostra com les singularitats poden ser analitades a través de separar-les en singularitats de posició i d'orientació. el mètode proposat formula i resol les equacions que determinen les singularitats de posició. Pel que fa a les singularitats d'orientació, es mostra que poden ser evitades sense perdre una quantitat significant de volum de treball, des del punt de vista de la posició.Los robots estén siendo utilizados, cada vez más, en la realización de tareas en la industria. Muchos de ellos también son diseñados pensados para realizar las tareas del hogar. En general, los robots son diseñados para facilitar el día a día de los seres humanos. Pero cuando se trata de obras artíticas, es menos común encontrarse a robots realizándolas. Nosotros pretendemos salirnos de lo común mediante el uso de un robot para pintar un grafiti. La motivación por lograrlo converge en la formulación de dos preguntas: "¿Cuál es el volumen de trabajo de un robot, cuando la orientación de su efector final está fijada?" y "Dado un plano arbitrario, ¿cuál es la mayor área de trabajo libre de singularidades en éste?" Esta tesis propone un método para la obtención de las singularidades de posición en un plano cualquiera de un manipulador serial con una muñeca esférica. El método ha sido obtenido mediante la combinación de un método de determinación de singularidades de posición, el cual está basado en una técnica para el decoplado de manipuladores que presentan una muñeca esférica, y un algoritmo branch-and-prune para la resolución de sistemas de ecuaciones. Se ha obtenido el volumen de trabajo de un manipulador serial de 7 grados de libertad a través de un enfoque de cinemática directa. Se presenta la metodología para obtener el volumen de trabajo del manipulador serial cuando su efector final tiene una orientación constante y se aplica para obtener aproximaciones para el caso de ciertas orientaciones. Se muestra cómo las singularidades pueden ser analizadas a través de separarlas en singularidades de posición y de orientación. El método propuesto formula y resuelve las ecuaciones que determinan las singularidades de posición. En cuanto a las singularidades de orientación, se muestra que pueden ser evitadas sin perder una cantidad significante de volumen de trabajo, desde el punto de vista de la posición.Robots are overtaking every day more tasks in the industry. A lot of them are even designed for performing household chores. In general, robots are designed to facilitate the day-to-day of human beings. But when it comes to artistic tasks, it is less usual to see robots performing them. We pretend to stay out of the crowd by using a robot to paint a graffiti. The motivation to achieve this task converges into the statement of two questions: "What is the workspace of a robot, when the orientation of its end-effector is fixed?" and "For a given plane, what is the largest singularity free surface on it?". This thesis proposes a method for the computation of the position singularities of a wrist-partitioned serial manipulator for a given plane. The method is obtained from the combination of a position singularity determination method, which is based on the decoupling technique of a wrist-partitioned manipulator, and a branch-and-prune algorithm for the resolution of systems of equations. The workspace of a 7-DoF serial manipulator is obtained by a forward kinematics approach. A methodology to obtain the constant orientation workspace of a serial manipulator is presented and applied to get approximations for some specific orientations. It is shown how singularities can be analyzed by decoupling them into position singularities and orientation singularities. The proposed method formulates and solves the equation that determines the position singularities. In the case of the orientation singularities, it is shown that they can be avoided without losing a significant amount of the workspace's volume, from the point of view of the position.Outgoin

A Deployable Cable-Driven Parallel Robot With Large Rotational Capabilities for Laser-Scanning Applications

This paper presents a novel Cable-Driven Parallel Robot dedicated to laser-scanning operations. The proposed device can inspect low-accessibility environments, thanks to a self-deployable end-effector, which can be inserted in a closed container through very small access areas, such as hatches, pipes, etc. The reconfigurable end-effector is suspended and actuated by extendable cables, and is equipped with an optical mirror, which is used to deflect a laser beam produced by a frame-fixed laser distance sensor. Thanks to its large orientation capabilities, the machine can record the position of points belonging to a large portion of the surface to be scanned, primarily by tilting and panning the end-effector. The robot is equipped with a frame-orientation calibration device, which can align the machine frame to earth gravity before operation. The robot capabilities are validated by a prototype, which experimentally reconstruct benchmark surfaces