Conceptual Design, Static and Dynamic Analysis of Novel Cable-loop-driven Parallel Mechanisms

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Book Synopsis Conceptual Design, Static and Dynamic Analysis of Novel Cable-loop-driven Parallel Mechanisms by : Hanwei Liu

Download or read book Conceptual Design, Static and Dynamic Analysis of Novel Cable-loop-driven Parallel Mechanisms written by Hanwei Liu and published by . This book was released on 2012 with total page 189 pages. Available in PDF, EPUB and Kindle. Book excerpt: Les mécanismes parallèles entraînés par câbles permettent d'obtenir de grands espaces de travail puisque les plages de mouvement des câbles enroulés sur des treuils sont beaucoup plus grandes que celles des mécanismes à barres. De plus, les mécanismes entraînés par câbles possèdent un rapport charge utile sur poids propre avantageux et ils sont capables de produire de grandes vitesses. Toutefois, dans les mécanismes parallèles entraînés par câbles d'architecture classique, les câbles sont enroulés sur des treuils actionnés. Cette approche conduit à des imprécisions puisque le rapport entre la rotation du treuil et l'extension du câble n'est généralement pas constant. Par ailleurs, les mécanismes parallèles entraînés par des câbles sont habituellement actionnés de façon redondante en raison de l'unilatéralité de la force transmise par un câble. Cela conduit à une infinité de solutions au problème statique (ou dynamique) inverse et rend la commande du mécanisme plus compliquée. L'objectif de cette thèse est d'explorer de nouvelles architectures de mécanismes parallèles entraînés par câbles construites à l'aide de boucles de câbles afin d'obtenir une meilleure précision et/ou éviter la redondance. Tout d'abord, des mécanismes plans à actionnement redondant utilisant des boucles de câbles sont proposés. Dans ces architectures, les câbles forment des boucles fermées fixées à l'effecteur, et dont le mouvement est produit par des actionneurs prismatiques. Un mécanisme plan à deux degrés de liberté est proposé. En remplaçant le système câble-treuil par des boucles de câbles fermées, les difficultés de mesure de l'extension des câbles sont atténuées. Le problème géométrique inverse, les matrices jacobiennes et les équations d'équilibre statique de ces mécanismes sont présentés. En utilisant les matrices jacobiennes, les singularités des mécanismes sont aussi analysées. À partir de l'équation d'équilibre statique, l'ensemble des torseurs applicables à l'effecteur est déterminé. Il est montré que la trajectoire d'un point d'attache d'une boucle de câble sur l'effecteur est une portion d'ellipse. L'intersection des ellipses fournit les modes d'assemblage. Il peut y avoir plus d'un point d'intersection des ellipses pour une position donnée des actionneurs. Cette caractéristique géométrique est aussi analysée. Afin d'éliminer la redondance d'actionnement, des ressorts sont introduits dans les mécanismes entraînés par boucles de câbles. Grâce à un arrangement géométrique approprié des ressorts dans les boucles, le mécanisme ne requiert que n actionneurs pour le guidage de n degrés de liberté, éliminant ainsi la redondance d'actionnement. Les mécanismes proposés peuvent être actionnés soit à l'aide d'actionneurs prismatiques ou à l'aide d'actionneurs rotoïdes entraînant une courroie. Le design conceptuel de quelques architectures de mécanismes de ce type est proposé. Une architecture non-symétrique, dans laquelle le ressort est attaché à un seul des côtés des boucles de câbles, est d'abord analysée. Ensuite, une architecture symétrique dans laquelle les deux côtés des boucles de câbles sont atttachés au ressort, est proposée. Une comparaison des architectures est établie pour des mécanismes plans. Puis, l'architecture symétrique est appliquée aux mécanismes spatiaux. Les analyses cinématiques et statiques sont présentées pour ces mécanismes. À l'aide des équations statiques, l'ensemble des forces disponibles à l'effecteur des mécanismes parallèles entraînés par boucles de câbles incluant des ressorts est déterminé. Pour fins de comparaison, l'ensemble des forces disponibles à l'effecteur de mécanismes plans et spatiaux entraînés par des câbles et des treuils classiques est également déterminé. Une étude dynamique est aussi réalisée afin de déterminer les limites de performance des mécanismes. La méthode de Newton-Euler est utilisée pour l'analyse dynamique et la détermination de la fréquence naturelle de même que des rapports d'amplitude entrée-sortie. Les mécanismes à boucles de câbles avec ressorts permettent d'éviter la redondance d'actionnement. Les paramètres des ressorts doivent être ajustés correctement afin d'obtenir de bonnes caractéristiques pour ces mécanismes. Toutefois, l'utilisation de ressorts augmente le coût et la complexité des mécanismes. Par conséquent, il est proposé de réaliser la condition d'équilibre des forces sans ressorts. À cet effet, un mécanisme à deux degrés de liberté découplé non redondant à boucles de câbles entraînées par actionneurs prismatiques est proposé. Les actionneurs sont situés sur les arêtes de l'espace de travail. La redondance d'actionnement est éliminée tout en fournissant la condition de fermeture de force (force closure) partout dans l'espace de travail. De plus, l'encombrement du mécanisme est essentiellement égal à son espace atteignable et le mécanisme ne souffre d'aucune singularité. Deux boucles de câble sont utilisées pour chacune des directions de mouvement. Une première boucle agit comme boucle d'actionnement alors que la seconde, qui est passive, est la boucle de contrainte. Grâce à une conception géométrique simple, les équations cinématiques et statiques du mécanisme sont très compactes. Une étude de la raideur effective du mécanisme montre que celle-ci est excellente. Finalement, une analyse dynamique est proposée en considérant l'élasticité et l'amortissement des câbles.

Optimum-synthesis Methods for Cable-driven Parallel Mechanisms

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Book Synopsis Optimum-synthesis Methods for Cable-driven Parallel Mechanisms by : Kaveh Azizian

Download or read book Optimum-synthesis Methods for Cable-driven Parallel Mechanisms written by Kaveh Azizian and published by . This book was released on 2012 with total page 0 pages. Available in PDF, EPUB and Kindle. Book excerpt: Les mécanismes parallèles entraînés par câbles sont une classe spéciale de mécanismes parallèles pours lesquels les liaisons rigides sont remplacées par des câbles. Ces mécanismes comprennent une plateforme mobile et une base fixe, qui sont reliées par plusieurs câbles. Le contrôle des longueurs des câbles produit le mouvement désiré de la plateforme mobile. Ces mécanismes ont le potentiel de fournir des espaces de travail à grande échelle comparativement aux mécanismes parallèles conventionnels car les câbles peuvent être enroulés sur des bobines sur de grandes longueurs. Cependant, cette caractéristique est limitée par la nature des câbles, qui doivent demeurer en tension afin de produire un mouvement désiré de la plateforme principale. L'objectif principal de cette thèse est de concevoir des méthodes efficaces pour la synthèse dimensionelle optimale des mécanismes parallèles entraînés par câbles surcontraints, c'est-à-dire, des mécanismes pour lesquels le nombre de câbles excède le nombre de degrés de liberté. Plus précisément, nous souhaitons obtenir la géométrie des mécanismes parallèles entraînés par câbles dont l'espace des poses polyvalente (EPP) comprend des espaces de travail prescrits. L'espace des poses polyvalentes d'un mécanisme parallèle entraîné par câbles est l'ensemble des poses (les positions et les orientations) de l'organe terminal pour lesquelles tous les torseurs appliqués sont réalisables. Un torseur appliqué est dit réalisable, s'il peut être produit par un ensemble de câbles dont les tensions sont non-négatives. Une fois le problème de la synthèse dimensionnelle résolu, nous pouvons appliquer la solution à plusieurs reprises pour différents nombres de câbles afin d'effectuer la synthèse de la structure. Cette thèse est divisée en trois parties principales. Tout d'abord, l'espace des poses polyvalentes des mécanismes parallèles plans entraînés par câbles et les caractéristiques de leurs frontières sont étudiés. Cette étude révèle les relations jusqu'ici inconnues entre l'EPP à orientation constante (EPPOC) et les aires orientées. Un algorithme graphique est proposé afin de déterminer les types de sections coniques formant les frontières de l'EPPOC . Puis, sur la base des expressions mathématiques obtenues, une méthodologie est proposée pour résoudre le problème de la synthèse dimensionnelle des mécanismes parallèles plans entraînés par câbles pour les orientations discrètes c'est-àdire, les translations. L'algorithme est basé sur des techniques de relaxation convexe qui nous amènent à formuler la synthèse dimensionnelle comme un programme non linéaire. L'idée est de maximiser la taille de plusieurs boîtes qui représentent une approximation d'un espace de travail prescrit, tout en essayant de les garder à l'intérieur de l'EPP du mécanisme parallèle plan entraîné par câbles pendant la procédure d' optimisation. Une telle approximation de l'espace de travail prescrit est obtenue via la méthode d'analyse par intervalles. L'algorithme obtenu est étendu au cas de l'orientation en continu pour un intervalle donné d'angles d'orientation. En fait, nous introduisons un programme non linéaire permettant de varier la géométrie du mécanisme parallèle plan entraîné par câbles et maximiser le facteur d'échelle de l'ensemble prescrit de boîtes. Lorsque le facteur d'échelle optimal est supérieur ou égal à un, l'EPP du mécanismes parallèle plan entraîné par câbles résultant contient l'ensemble des boîtes prescrit. Sinon, l'EPP obtenu offre généralement une bonne couverture des boîtes prescrites. Enfin, sur la base des résultats obtenus pour des mécanismes parallèles plans entraînés par câbles, un algorithme est proposé pour résoudre la synthèse dimensionelle de mécanismes parallèles spatiaux entraînés par câbles. Comme pour le cas plan, nous proposons un programme non linéaire à grande échelle dont les solutions optimales peuvent fournir des geometries de mécanismes parallèles spatiaux entraînés par câbles pour un espace de travail prescrit dans une plage donnée des angles d'orientation. L'efficacité de ces méthodes est émontrée par plusieurs exemples en utilisant un logiciel développé. En outre, cette thèse fournit un outil efficace pour les concepteurs de robots parallèles entraînés par câbles.

Reconfigurable Cable Driven Parallel Mechanism

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Book Synopsis Reconfigurable Cable Driven Parallel Mechanism by : Khaled Mohamed Youssef

Download or read book Reconfigurable Cable Driven Parallel Mechanism written by Khaled Mohamed Youssef and published by . This book was released on 2020 with total page pages. Available in PDF, EPUB and Kindle. Book excerpt: Due to the fast growth in industry and in order to reduce manufacturing budget, increase the quality of products and increase the accuracy of manufactured products in addition to assure the safety of workers, people relied on mechanisms for such purposes. Recently, cable driven parallel mechanisms (CDPMs) have attracted much attention due to their many advantages over conventional parallel mechanisms, such as the significantly large workspace and the dynamics capacity. In addition, it has lower mass compared to other parallel mechanisms because of its negligible mass cables compared to the rigid links. In many applications it is required that human interact with machines and robots to achieve tasks precisely and accurately. Therefore, a new domain of scientific research has been introduced, that is human robot interaction, where operators can share the same workspace with robots and machines such as cable driven mechanisms. One of the main requirements due to this interaction that robots should respond to human actions in accurate, harmless way. In addition, the trajectory of the end effector is coming now from the operator and it is very essential that the initial trajectory is kept unchanged to perform tasks such assembly, operating or pick and place while avoiding the cables to interfere with each other or collide with the operator. Accordingly, many issues have been raised such as control, vibrations and stability due the contact between human and robot. Also, one of the most important issues is to guarantee collision free space (to avoid collision between cables and operator and to avoid collisions between cables itself). The aim of this research project is to model, design, analysis and implement reconfigurable six degrees of freedom parallel mechanism driven by eight cables. The main contribution of this work will be as follow. First, develop a nonlinear model and solve the forward and inverse kinematics issue of a fully constrained CDPM given that the attachment points on the rails are moving vertically (conventional cable driven mechanisms have fixed attachment points on the rails) while controlling the cable lengths. Second, the new idea of reconfiguration is then used to avoid interference between cables and between cables and operator limbs in real time by moving one cable's attachment point on the frame to increase the shortest distance between them while keeping the trajectory of the end effector unchanged. Third, the new proposed approach was tested by creating a simulated intended cable-cable and cable-human interference trajectory, hence detecting and avoiding cable-cable and cable-human collision using the proposed real time reconfiguration while maintaining the initial end effector trajectory. Fourth, study the effect of relocating the attachment points on the constant-orientation wrench feasible workspace of the CDPM. En raison de la croissance de la demande de produits personnalisés et de la nécessité de réduire les coûts de fabrication tout en augmentant la qualité des produits et en augmentant la personnalisation des produits fabriqués en plus d'assurer la sécurité des travailleurs, les concepteurs se sont appuyés sur des mécanismes robotiques afin d'atteindre ces objectifs. Récemment, les mécanismes parallèles entraînés par câble (MPEC) ont attiré beaucoup d'attention en raison de leurs nombreux avantages par rapport aux mécanismes parallèles conventionnels, tels que l'espace de travail considérablement grand et la capacité dynamique. De plus, ce mécanisme a une masse plus faible par rapport à d'autres mécanismes parallèles en raison de ses câbles de masse négligeable comparativement aux liens rigides. Dans de nombreuses applications, il est nécessaire que l'humain interagisse avec les machines et les robots pour réaliser des tâches avec précision et rapidité. Par conséquent, un nouveau domaine de recherche scientifique a été introduit, à savoir l'interaction humain-robot, où les opérateurs peuvent partager le même espace de travail avec des robots et des machines telles que les mécanismes entraînés par des câbles. L'une des principales exigences en raison de cette interaction que les robots doivent répondre aux actions humaines d'une manière sécuritaire et collaboratif. En conséquence, de nombreux problèmes ont été soulevés tels que la commande et la stabilité dues au contact physique entre l'humain et le robot. Aussi, l'un des enjeux les plus importants est de garantir un espace sans collision (pour éviter les collisions entre des câbles et un opérateur et éviter les collisions entre les câbles entre eux). Le but de ce projet de recherche est de modéliser, concevoir, analyser et mettre en œuvre un mécanisme parallèle reconfigurable à six degrés de liberté entraîné par huit câbles. La principale contribution de ces travaux de recherche est de développer un modèle non linéaire et résolvez le problème de cinématique direct et inverse d'un CDPM entièrement contraint étant donné que les points d'attache sur les rails se déplacent verticalement (les mécanismes entraînés par des câbles conventionnels ont des points d'attache fixes sur les rails) tout en contrôlant les longueurs des câbles. Dans une deuxième étape, l'idée de la reconfiguration est ensuite utilisée pour éviter les interférences entre les câbles et entre les câbles et les membres d'un opérateur en temps réel en déplaçant un point de fixation du câble sur le cadre pour augmenter la distance la plus courte entre eux tout en gardant la trajectoire de l'effecteur terminal inchangée. Troisièmement, la nouvelle approche proposée a été évaluée et testée en créant une trajectoire d'interférence câble-câble et câble-humain simulée, détectant et évitant ainsi les collisions câble-câble et câble-humain en utilisant la reconfiguration en temps réel proposée tout en conservant la trajectoire effectrice finale. Enfin la dernière étape des travaux de recherche consiste à étudiez l'effet du déplacement des points d'attache sur l'espace de travail réalisable du CDPM.