Robot Manipulators

Robot manipulators are developing more in the direction of industrial robots than of human workers. Recently, the applications of robot manipulators are spreading their focus, for example Da Vinci as a medical robot, ASIMO as a humanoid robot and so on. There are many research topics within the field of robot manipulators, e.g. motion planning, cooperation with a human, and fusion with external sensors like vision, haptic and force, etc. Moreover, these include both technical problems in the industry and theoretical problems in the academic fields. This book is a collection of papers presenting the latest research issues from around the world

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

Concepts for elastic parallel manipulators for the control of structural vibrations

Im Vordergrund der vorliegenden Arbeit steht die Unterdrückung von Schwingungen in der Roboterstruktur eines elastischen parallelen Manipulators. Um dieses Ziel zu realisieren, soll eine Strukturregelung entwickelt werden, die grundsätzlich über die Kenntnis der Bewegungsgleichungen des zu regelnden Manipulators verfügen muss, da diese Art von Maschinen im Allgemeinen zur Klasse der nichtlinearen Systeme gehört. Deswegen müssen, um die gestellte Aufgabe zu erfüllen, grundsätzlich zwei Hauptprobleme gelöst werden: - Modellierung eines elastischen parallelen Manipulators - Entwurf einer modellbasierten Regelung Parallele Manipulatoren werden in der Literatur und in der Praxis vorwiegend als Starrkörpersysteme behandelt. Die für diese Klasse von Robotern entwickelten Methoden können zumeist nicht ohne arbeitsaufwendige Modifikationen auf die elastischen parallelen Manipulatoren übertragen werden. Aus diesem Grund werden im Rahmen dieser Arbeit, basierend auf den am häufigsten eingesetzten und hier beschriebenen Standardmethoden, neue Verfahren und Lösungsansätze entwickelt und vorgestellt. Zu diesen neuen Lösungen gehören - eine Methode zur Herleitung der direkten Kinematik, - zwei Methoden zur Bestimmung des Arbeitsraumes, - eine Methode zur Herleitung der Jacobimatrix, - eine Methode zur verteilten Berechnung der direkten Dynamik und - ein modellbasiertes nichtlineares Regelungsverfahren. Die neuen Konzepte werden auf Basis des ebenen elastischen parallelen Manipulators Fünfgelenk analysiert und diskutiert. Durch Simulationen und Experimente werden die hier vorgeschlagenen Lösungen anschließend bestätigt. Anhand der gewonnenen Ergebnisse wird das Potential der neuen Verfahren aufgezeigt, wodurch eine gute Basis für ihre aufgabenorientierte roboterbezogene Weiterentwicklung und Optimierung geschaffen wird.The main aim of this study is the damping of vibration within the structure of an elastic parallel robot. In order to achieve this aim, the control of the manipulator's structure needs to be developed. Basically the equations of motion of the elastic manipulator need to be known for the control strategy, as generally this type of machine belongs to non-linear systems. Therefore, in order to complete this task, two main problems need to be solved: - The modelling of an elastic parallel manipulator - The design of a model-based control Parallel manipulators are mainly treated as rigid-body systems both in theory and in practise. Those methods developed for these types of robots mostly cannot be transfered directly to the elastic parallel manipulators. For this reason in the course of this study, based on the most commonly used standard methods as described here, new techniques and approaches are developed and presented. These new techniques include: - A method for the derivation of direct kinematics - Two methods to determine a manipulator's workspace - A method to derive a Jacobian matrix - A method for the distributed/simultaneous calculation of direct dynamics - A model-based controller algorithm These new concepts are analysed and discussed on the basis of a Five-Bar planar elastic parallel manipulator. Through simulations and experiments, the solutions suggested here, can subsequently be confirmed. Based on the acquired results, the potential of the new techniques will be shown, whereby a good basis for further task- and manipulator-orientated development and optimisation will be achieved

Non-linear state estimation for integrating adaptronic joints in parallel robots

In dieser Arbeit wird die nichtlineare Zustandsschätzung bei mechatronischen Systemen am Beispiel von Parallelrobotern beschrieben. Das Hauptziel ist, die Reibkräfte und -momente in den Gelenken des Roboters zu detektieren und diese für regelungstechnische Zwecke zur Verfügung zu stellen. Das entwickelte Verfahren zur Beobachtung erlaubt die Bestimmung veränderlicher Reibmomente in den Gelenken unter Einbeziehung des vollständigen Robotermodells. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Nutzbarkeit der Informationen zur Steuerung adaptronischer Gelenke, so dass sich das hier entwickelte Verfahren von adaptiven Ansätzen abhebt. Die Herleitung der Methoden nutzt die besondere Struktur der Modelle mechatronischer Systeme aus. Ein Schwerpunkt liegt auf der genauen Untersuchung der Beobachtbarkeit der gesuchten Reibmomente des Systems und die sich daraus ergebenden Bedingungen beim Entwurf. Das vorgestellte Verfahren basiert auf der Transformation des Systems und nutzt die Methoden der Differentialgeometrie zur Analyse nichtlinearer Systeme aus. Der hier entwickelte Ansatz unterscheidet sich von denen der klassischen Form zur Beobachterentwicklung und bietet systemunabhängig eine globale Konvergenz in den geschätzten Größen. Die erzielte Fehlerdynamik ist dabei linear. Die Schließung des Regelkreises über die geschätzten Zustände wird untersucht, um die zur Stabilität notwendigen Bedingungen an die Entwurfsparameter zu definieren. Die theoretischen Ergebnisse sind in Simulation und am Versuchsträger verifiziert. Dazu wurde die Schätzung der Parameter an einem Parallelroboter mit zwei Freiheitsgraden durchgeführt. Das Verfahren wurde nachträglich in die bestehende Steuerungsstruktur integriert und zur Schätzung der Parameter verwendet. Dazu wurden die bereits vorhandenen Messwerte benutzt, zusätzliche Sensoren wurden nicht in das System eingebracht.This thesis presents a method for non-linear state estimation in parallel kinematic machines. These machines serve as an example for a more general class of mechatronical systems that are described by similar equations. The main objective of this work is to detect the varying torques and forces that are induced by friction within joints. This state information is supposed to be fed back into the control system in order to maintain the performance of the controller. Furthermore, the information gained by the observer has to be utilizable as input for the control of adaptronic joints. The potential use of the state information as the control variable in closed control loops is the major difference to adaptive concepts. The derivation of the observer exploits the special structure of the dynamic equations of mechatronic systems. Methods from differential geometry are applicable to the differential equations and allow the transformation to more convenient descriptions of the nonlinear system. The observability of the system is analyzed in detail. Consequently, conditions for non-linear observer design are derived. The concept presented here differs from the classical non-linear observer and allows the estimation of friction without further restrictions to the systems parameters, while achieving global convergence. The error dynamics are described by linear differential equations. Stability of closed loop control using the estimated states is analyzed and necessary conditions are derived. Afterwards, the theoretical results are verified in simulation and on a real system. The observer was implemented and integrated in an existing control setup of a two dimensional parallel robot. Without installing additional sensors the derived observer provides the targeted states