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Dissertação de Mestrado
Documento
Autor
Nome completo
João Cavalcanti Santos
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2017
Orientador
Banca examinadora
Silva, Maíra Martins da (Presidente)
Camino, Juan Francisco
Costa, Eduardo Fontoura
Título em português
Análise numérica e experimental da influência da redundância cinemática em um manipulador paralelo planar
Palavras-chave em português
Desempenho
Modelo
Redundância cinemática
Resolução de redundância
Robótica paralela
Resumo em português
Manipuladores paralelos apresentam inércia reduzida, o que lhes permite alcançar altas acelerações e melhor eficiência energética. Porém, frequentemente seu espaço de trabalho possui desempenho pouco uniforme. De fato, a presença de singularidades paralelas é um forte limitante para essa arquitetura robótica. A redundância de atuação já é conhecida como uma alternativa para essa questão. Enquanto que a redundância cinemática ainda não possui consequências claras. Um manipulador com esse tipo de redundância apresenta um número de graus de liberdade do end-effector menor que o número de graus de liberdade do mecanismo como um todo. Considerando essa lacuna, o objetivo desse mestrado é analisar a influência da redundância cinemática no desempenho de manipuladores paralelos através de simulações e testes experimentais. Tal estudo não é trivial, uma vez que com o maior número de atuadores e graus de liberdade, é adicionada também inércia ao sistema. Foram definidas métricas para avaliar o quão favorável é uma dada posição e, com elas, estratégias de resolução de redundância foram analisadas. A estratégia principal proposta se compõe por duas etapas. No primeiro passo, é definida uma movimentação na qual a posição a cada instante é ótima segundo uma dada métrica de desempenho multiobjetivo. Isso resulta em um movimento de referência que em geral possui altas acelerações. Na segunda etapa, aplica-se uma otimização global, procurando manter um compromisso de proximidade com o movimento de referência e com os níveis de aceleração. Além deste, foram aplicados diversos métodos de otimização local (onde a cinemática inversa é resolvida para cada instante isoladamente) e uma estratégia global truncada. Essas opções foram comparadas numericamente e experimentalmente, trazendo uma resposta objetiva da influência da redundância cinemática no manipulador paralelo. A campanha experimental foi realizada em uma protótipo construído no Laboratório de Dinâmica da Escola de Engenharia de São Carlos. Esse protótipo consiste em um manipulador paralelo planar com 6 graus de liberdade, tendo assim, até 3 graus de redundância para a movimentação no plano. Têm-se 6 motores rotativos para atuá-los, sendo 3 deles acoplados a guias lineares com fusos para obtenção de atuação linear. O acionamento ou não destas guias define o grau de redundância do sistema, garantindo a versatilidade do protótipo.
Título em inglês
Numerical and experimental investigation of the influences of the kinematic redundancy on the performance of a kinematically redundant parallel planar manipulator
Palavras-chave em inglês
Kinematic redundancy
Model
Parallel robot
Performance
Redundancy resolution
Resumo em inglês
As a consequence of their reduced inertia, parallel manipulators present superior energetic efficiency and they are able to reach high accelerations. Nevertheless, their workspace has a poorly uniform performance. Indeed, the presence of parallel singularities is a strong limitant for this kind of robots. On the one hand, actuation redundancy is well-known as a good choice in an effort to solve this issue. On the other hand, kinematic redundancy still have unclear consequences on this matter. A kinematically redundant manipulator presents an end-effector with fewer degrees of freedom than the mechanism as a whole. Considering this gap, the objective of this research is to analyze the influence of kinematic redundancy on the performance of parallel manipulators through simulations and experimental tests. This issue turns out to be complex, once traveling actuators sum additional inertia to the system. Metrics are defined in order to evaluate how favourable is a given position, and redundancy resolution strategies are analyzed using them. The main proposed strategy is composed of two steps. In the first one, a movement is defined so that the position for each instant is optimum for a given multiobjective performance metric. This procedure delivers a refererence movement which generally presents high accelerations. On the second step, a global optimization is applied, seeking for a trade-off between the proximity to the reference and the acceleration levels. In addition, several local methods (which resolve the inverse kinematics for each instant independently) and one truncated global strategy were addressed. These configurations were compared numerically and experimentally, delivering a objective analysis of the influence of kinematic redundancy on the performance of the parallel manipulator. The experimental campaign was executed with a physical prototype built at the São Carlos School of Engineering. This is a planar manipulator with 6 degrees of freedom, consequently presenting up to 3 degrees of redundancy. The mechanism is actuated by 6 rotating motors, of which 3 are coupled to leadscrews, resulting in linear actuators. These leadscrews can be locked, defining different degrees of redundancy and granting the versatility of the prototype.
 
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Data de Publicação
2017-11-10
 
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