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