Advanced Strategies for Robot Manipulators

Amongst the robotic systems, robot manipulators have proven themselves to be of increasing importance and are widely adopted to substitute for human in repetitive and/or hazardous tasks. Modern manipulators are designed complicatedly and need to do more precise, crucial and critical tasks. So, the simple traditional control methods cannot be efficient, and advanced control strategies with considering special constraints are needed to establish. In spite of the fact that groundbreaking researches have been carried out in this realm until now, there are still many novel aspects which have to be explored

Formación emprendedora de la facultad de Ingeniería Química (FIQ) 2015-2018

In this article we present the experience of Entrepreneurial Training of the Facultyof Chemical Engineering (FIQ) 2015-2018 is presented, which had as purpose to develop skills, talents and entrepreneurial attitudes in the students, faculty and administrative staff of the faculty to contribute to its growth personal and professional. The process began in September 2015 and since then three generations have been trained, with a total of 152 participants, of which: 12 teachers, 6 administrative employees, 124 students from first to fifth year of the Chemical Engineering career and graduates of the FIQ, as well as 10 students participating in other UNI careers, stories such as industrial, mechanical, agricultural, civil and architectural engineering. Taking place in March 2018, the first Graduation of Entrepreneurs in which 32 certificates of approval of the Entrepreneurial Training course and Design of Business Plans were delivered, with the presentation of 11 completed business plans.En este artículo se presenta la experiencia de Formación Emprendedora de la Facultad de Ingeniería Química (FIQ) 2015-2018, que tuvo como propósito desarrollar habilidades, talentos y actitudes emprendedoras en los estudiantes, personal docente y administrativo de la facultad para contribuir a su crecimiento personal y profesional. El proceso inició en septiembre del año 2015 y desde entonces se han formado tres generaciones, capacitando a un total de 152 participantes de los cuales: 12 han sido docentes, 6 participantes del personal administrativo, 124 estudiantes de primer a quinto año de la carrera de ingeniería química y egresados de la FIQ, así como 10 estudiantes que pertenecen a otras carreras de UNI, tales como, ingeniería Industrial, mecánica, agrícola, civil y arquitectura. Realizándose en marzo de 2018, la primer Graduación de Emprendedores en la cual se entregaron 32 diplomas de aprobación del curso Formación Emprendedora y Diseño de Planes de Negocios, con la presentación de 11 planes de negocios concluidos

UNA APLICACIÓN DE TEORÍA DE TORNILLOS PARA LA IDENTIFICACIÓN DE SINGULARIDADES EN UN NOVEDOSO ROBOT PARALELO RECONFIGURABLE

This paper reports the application of the screw theory as a tool for the determination of the singular configurations of a reconfigurable parallel robot composed of two parallel sub-manipulators. The Jacobian matrices of the robot, key elements for the identification of singularities, are easily determined when the input-output equation of velocity of the robot is obtained by the application of some screw theory basic operations. Through this application, the inverse, direct and combined singularities are clearly identified, and their graphical representations can be obtained almost intuitively.Este trabajo reporta la aplicación de teoría de tornillos como una herramienta para la determinación de las configuraciones singulares de un robot paralelo reconfigurable conformado por dos sub-manipuladores paralelos. Las matrices Jacobiana del robot, piezas fundamentales para la identificación de las singularidades, se determinan fácilmente cuando la ecuación de entrada y salida de velocidad del robot es obtenida a través de la aplicación de algunas operaciones básicas de teoría de tornillos. Mediante esta aplicación, las singularidades directas, inversas y combinadas son claramente identificadas, y su representación gráfica puede ser obtenida casi intuitivamente

UNA APLICACIÓN DE TEORÍA DE TORNILLOS PARA LA IDENTIFICACIÓN DE SINGULARIDADES EN UN NOVEDOSO ROBOT PARALELO RECONFIGURABLE

This paper reports the application of the screw theory as a tool for the determination of the singular configurations of a reconfigurable parallel robot composed of two parallel sub-manipulators. The Jacobian matrices of the robot, key elements for the identification of singularities, are easily determined when the input-output equation of velocity of the robot is obtained by the application of some screw theory basic operations. Through this application, the inverse, direct and combined singularities are clearly identified, and their graphical representations can be obtained almost intuitively.Este trabajo reporta la aplicación de teoría de tornillos como una herramienta para la determinación de las configuraciones singulares de un robot paralelo reconfigurable conformado por dos sub-manipuladores paralelos. Las matrices Jacobiana del robot, piezas fundamentales para la identificación de las singularidades, se determinan fácilmente cuando la ecuación de entrada y salida de velocidad del robot es obtenida a través de la aplicación de algunas operaciones básicas de teoría de tornillos. Mediante esta aplicación, las singularidades directas, inversas y combinadas son claramente identificadas, y su representación gráfica puede ser obtenida casi intuitivamente

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

Numerical computation and avoidance of manipulator singularities

This thesis develops general solutions to two open problems of robot kinematics: the exhaustive computation of the singularity set of a manipulator, and the synthesis of singularity-free paths between given configurations. Obtaining proper solutions to these problems is crucial, because singularities generally pose problems to the normal operation of a robot and, thus, they should be taken into account before the actual construction of a prototype. The ability to compute the whole singularity set also provides rich information on the global motion capabilities of a manipulator. The projections onto the task and joint spaces delimit the working regions in such spaces, may inform on the various assembly modes of the manipulator, and highlight areas where control or dexterity losses can arise, among other anomalous behaviour. These projections also supply a fair view of the feasible movements of the system, but do not reveal all possible singularity-free motions. Automatic motion planners allowing to circumvent problematic singularities should thus be devised to assist the design and programming stages of a manipulator. The key role played by singular configurations has been thoroughly known for several years, but existing methods for singularity computation or avoidance still concentrate on specific classes of manipulators. The absence of methods able to tackle these problems on a sufficiently large class of manipulators is problematic because it hinders the analysis of more complex manipulators or the development of new robot topologies. A main reason for this absence has been the lack of computational tools suitable to the underlying mathematics that such problems conceal. However, recent advances in the field of numerical methods for polynomial system solving now permit to confront these issues with a very general intention in mind. The purpose of this thesis is to take advantage of this progress and to propose general robust methods for the computation and avoidance of singularities on non-redundant manipulators of arbitrary architecture. Overall, the work seeks to contribute to the general understanding on how the motions of complex multibody systems can be predicted, planned, or controlled in an efficient and reliable way.Aquesta tesi desenvolupa solucions generals per dos problemes oberts de la cinemàtica de robots: el càlcul exhaustiu del conjunt singular d'un manipulador, i la síntesi de camins lliures de singularitats entre configuracions donades. Obtenir solucions adequades per aquests problemes és crucial, ja que les singularitats plantegen problemes al funcionament normal del robot i, per tant, haurien de ser completament identificades abans de la construcció d'un prototipus. La habilitat de computar tot el conjunt singular també proporciona informació rica sobre les capacitats globals de moviment d'un manipulador. Les projeccions cap a l'espai de tasques o d'articulacions delimiten les regions de treball en aquests espais, poden informar sobre les diferents maneres de muntar el manipulador, i remarquen les àrees on poden sorgir pèrdues de control o destresa, entre d'altres comportaments anòmals. Aquestes projeccions també proporcionen una imatge fidel dels moviments factibles del sistema, però no revelen tots els possibles moviments lliures de singularitats. Planificadors de moviment automàtics que permetin evitar les singularitats problemàtiques haurien de ser ideats per tal d'assistir les etapes de disseny i programació d'un manipulador. El paper clau que juguen les configuracions singulars ha estat àmpliament conegut durant anys, però els mètodes existents pel càlcul o evitació de singularitats encara es concentren en classes específiques de manipuladors. L'absència de mètodes capaços de tractar aquests problemes en una classe suficientment gran de manipuladors és problemàtica, ja que dificulta l'anàlisi de manipuladors més complexes o el desenvolupament de noves topologies de robots. Una raó principal d'aquesta absència ha estat la manca d'eines computacionals adequades a les matemàtiques subjacents que aquests problemes amaguen. No obstant, avenços recents en el camp de mètodes numèrics per la solució de sistemes polinòmics permeten ara enfrontar-se a aquests temes amb una intenció molt general en ment. El propòsit d'aquesta tesi és aprofitar aquest progrés i proposar mètodes robustos i generals pel càlcul i evitació de singularitats per manipuladors no redundants d'arquitectura arbitrària. En global, el treball busca contribuir a la comprensió general sobre com els moviments de sistemes multicos complexos es poden predir, planificar o controlar d'una manera eficient i segur

Parallel Manipulators

In recent years, parallel kinematics mechanisms have attracted a lot of attention from the academic and industrial communities due to potential applications not only as robot manipulators but also as machine tools. Generally, the criteria used to compare the performance of traditional serial robots and parallel robots are the workspace, the ratio between the payload and the robot mass, accuracy, and dynamic behaviour. In addition to the reduced coupling effect between joints, parallel robots bring the benefits of much higher payload-robot mass ratios, superior accuracy and greater stiffness; qualities which lead to better dynamic performance. The main drawback with parallel robots is the relatively small workspace. A great deal of research on parallel robots has been carried out worldwide, and a large number of parallel mechanism systems have been built for various applications, such as remote handling, machine tools, medical robots, simulators, micro-robots, and humanoid robots. This book opens a window to exceptional research and development work on parallel mechanisms contributed by authors from around the world. Through this window the reader can get a good view of current parallel robot research and applications

Parallel robots with unconventional joints to achieve under-actuation and reconfigurability

The aim of the thesis is to define, analyze, and verify through simulations and practical implementations, parallel robots with unconventional joints that allow them to be under-actuated and/or reconfigurable. The new designs will be derived from the: * 6SPS robot (alternatively 6UPS or 6SPU, depending on the implementation) when considering the spatial case (i.e., robots with 3 degrees of freedom of rotation and 3 degrees of freedom of translation). * S-3SPS robot (alternatively S-3UPS or S-3SPU, depending on the implementation) when considering spherical robots (i.e., robots with 3 degrees of freedom of rotation). In both cases, we will see how, through certain geometric transformations, some of the standard joints can be replaced by lockable or non-holonomic joints. These substitutions permit reducing the number of legs (and hence the number of actuators needed to control the robot), without losing the robot's ability to bring its mobile platform to any position and orientation (in case of a spatial robot), or to any orientation (in case of a spherical robot), within its workspace. The expected benefit of these new designs is to obtain parallel robots with: * larger working spaces because the possibility of collisions between legs is reduced, and the number of joints (with their intrinsic range limitations) is also reduced; * lower weight because the number of actuators and joints is reduced; and * lower cost because the number of actuators and controllers is also reduced. The elimination of an actuator and the introduction of a motion constraint reduces in one the dimension of the space of allowed velocities attainable from a given configuration. As a result, it will be necessary, in general, to plan maneuvers to reach the desired configuration for the moving platform. Therefore, the obtained robots will only be suitable for applications where accuracy is required in the final position and a certain margin of error is acceptable in the generated trajectories.El objetivo de esta tesis es definir, analizar y verificar, mediante simulaciones e implementaciones prácticas, robots paralelos con articulaciones no-convencionales con el fin de incorporarles propiedades de sub-actuación y reconfigurabilidad. Los nuevos diseños se basaran en robots paralelos tipo: * 6SPS (alternativamente 6UPS o 6SPU, dependiendo de la implementación) para el caso de robot espacial (es decir, robots con 3 grados de libertad de rotación y de 3 grados de libertad de la traducción). * S-3SPS (alternativamente S-3UPS o S-3SPU, dependiendo de la implementación) para el caso de robot esférico (es decir, robots con 3 grados de libertad de rotación). En ambos casos, veremos cómo, a través de ciertas transformaciones geométricas, algunas de la articulaciones convencionales pueden ser sustituidas por articulaciones bloqueables o no holonómicos. Estas sustituciones permiten la reducción de la número de patas (y por tanto el número de actuadores necesarios para controlar el robot), sin perder la capacidad del robot para llevar su plataforma móvil a cualquier posición y orientación (en el caso de un robot espacial), o para cualquier orientación (en el caso de un robot esférico), dentro de su espacio de trabajo. El beneficio esperado de estos nuevos diseños es la obtención de robots paralelos con: * Espacios de trabajo mayores debido a que la posibilidad de colisiones entre las patas se reduce, y el número de articulaciones (con sus limitaciones intrínsecas de rango) también se reduce; * Menor peso debido a que el número de actuadores y de articulaciones se reduce; y * Un menor coste debido a que el número de actuadores y controladores también se reduce. La eliminación de un actuador y la introducción de una restricción de movimiento reduce, en uno, la dimensión del espacio de velocidades alcanzables para una configuración dada. Como resultado, será necesario, en general, planificar maniobras para llegar a la configuración deseada de la plataforma móvil. Por lo tanto, los robots obtenidos sólo serán adecuados para aplicaciones donde la precisión se requiera en la posición final y exista un cierto margen de error aceptable en las trayectorias generadasPostprint (published version

Parallel robots with unconventional joints to achieve under-actuation and reconfigurability

The aim of the thesis is to define, analyze, and verify through simulations and practical implementations, parallel robots with unconventional joints that allow them to be under-actuated and/or reconfigurable. The new designs will be derived from the: * 6SPS robot (alternatively 6UPS or 6SPU, depending on the implementation) when considering the spatial case (i.e., robots with 3 degrees of freedom of rotation and 3 degrees of freedom of translation). * S-3SPS robot (alternatively S-3UPS or S-3SPU, depending on the implementation) when considering spherical robots (i.e., robots with 3 degrees of freedom of rotation). In both cases, we will see how, through certain geometric transformations, some of the standard joints can be replaced by lockable or non-holonomic joints. These substitutions permit reducing the number of legs (and hence the number of actuators needed to control the robot), without losing the robot's ability to bring its mobile platform to any position and orientation (in case of a spatial robot), or to any orientation (in case of a spherical robot), within its workspace. The expected benefit of these new designs is to obtain parallel robots with: * larger working spaces because the possibility of collisions between legs is reduced, and the number of joints (with their intrinsic range limitations) is also reduced; * lower weight because the number of actuators and joints is reduced; and * lower cost because the number of actuators and controllers is also reduced. The elimination of an actuator and the introduction of a motion constraint reduces in one the dimension of the space of allowed velocities attainable from a given configuration. As a result, it will be necessary, in general, to plan maneuvers to reach the desired configuration for the moving platform. Therefore, the obtained robots will only be suitable for applications where accuracy is required in the final position and a certain margin of error is acceptable in the generated trajectories.El objetivo de esta tesis es definir, analizar y verificar, mediante simulaciones e implementaciones prácticas, robots paralelos con articulaciones no-convencionales con el fin de incorporarles propiedades de sub-actuación y reconfigurabilidad. Los nuevos diseños se basaran en robots paralelos tipo: * 6SPS (alternativamente 6UPS o 6SPU, dependiendo de la implementación) para el caso de robot espacial (es decir, robots con 3 grados de libertad de rotación y de 3 grados de libertad de la traducción). * S-3SPS (alternativamente S-3UPS o S-3SPU, dependiendo de la implementación) para el caso de robot esférico (es decir, robots con 3 grados de libertad de rotación). En ambos casos, veremos cómo, a través de ciertas transformaciones geométricas, algunas de la articulaciones convencionales pueden ser sustituidas por articulaciones bloqueables o no holonómicos. Estas sustituciones permiten la reducción de la número de patas (y por tanto el número de actuadores necesarios para controlar el robot), sin perder la capacidad del robot para llevar su plataforma móvil a cualquier posición y orientación (en el caso de un robot espacial), o para cualquier orientación (en el caso de un robot esférico), dentro de su espacio de trabajo. El beneficio esperado de estos nuevos diseños es la obtención de robots paralelos con: * Espacios de trabajo mayores debido a que la posibilidad de colisiones entre las patas se reduce, y el número de articulaciones (con sus limitaciones intrínsecas de rango) también se reduce; * Menor peso debido a que el número de actuadores y de articulaciones se reduce; y * Un menor coste debido a que el número de actuadores y controladores también se reduce. La eliminación de un actuador y la introducción de una restricción de movimiento reduce, en uno, la dimensión del espacio de velocidades alcanzables para una configuración dada. Como resultado, será necesario, en general, planificar maniobras para llegar a la configuración deseada de la plataforma móvil. Por lo tanto, los robots obtenidos sólo serán adecuados para aplicaciones donde la precisión se requiera en la posición final y exista un cierto margen de error aceptable en las trayectorias generada