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Abdolshah, Saeed (2016) Trajectory planning and control of cable-driven parallel robots. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

The aim of this work is to investigate on trajectory planning and control of cable-driven parallel robots to improve the system performance. Stiffness and dexterity are the performance indices widely used in design and control of robotic systems.

No previous work on adaptive cable-driven systems has discussed how to control the position of the pulley blocks to achieve optimal dexterity and stiffness. Considering a quasi-static motion of the end-effector, we neglected the active stiffness of the system and proposed pulley blocks trajectory planning strategies that maximize dexterity and elastic stiffness indices simultaneously for some cases of adaptive cable-driven designs by taking advantage of the increased redundancy.

For non-adaptive design of cable-driven parallel robots, it is impossible to change the dexterity and elastic stiffness indices for a certain position of end-effector due to fixed orientation and length of cables; however, active stiffness can be modified by changing the tension in cables. Tension increment can be desirable due to stiffness augmentation, higher trajectory tracking performance, more precise motion and disturbance rejection; however, it can increase power consumption, and saturation in actuators may occur. Usually, cable tension distribution methods work based on a fixed minimum tension in cables. Such values are chosen through experiments to gain the desired trajectory tracking performance of the system, considering capability of actuators at the same time.

To improve the system performance we proposed Dynamic Minimum Tension Control (DMTC) method. In this approach, the minimum tension is changing on-the-fly according to stiffness, dynamics of the system, and error values as feedback. We used a simple test bed to compare traditional fixed minimum tension utilization, and the proposed approach. Experimental results showed that the DMTC is more efficient than traditional approaches in terms of accuracy and energy consumption.

Also an appropriate control algorithm can improve the system performance. The linear quadratic optimal control can play an important role in controlling cable-driven parallel robots by providing all the states of the system for the feedback, including velocity and position, in addition to optimal results. A linear quadratic optimal controller was designed and tested. The significant experimental results are presented and discussed.

Abstract (italiano)

L’obiettivo di questo progetto è di investigare la pianificazione di traiettoria ed il controllo di robot paralleli a cavi al fine di migliorare le prestazioni del sistema. Rigidezza e destrezza sono indici di prestazione ampiamente utilizzati del progetto e controllo di sistemi robotici.

Allo stato dell’arte, non esistono lavori relativi a sistemi a cavi adattativi riguardanti il controllo della posizione delle pulegge per ottenere indici di rigidezza e destrezza ottimali. Considerando un moto quasi-statico dell’organo terminale e trascurando la rigidezza attiva del sistema, è stato possibile proporre strategie di pianificazione di moto delle pulegge che massimizzino gli indici di destrezza e rigidezza elastica. E’ stato possibile massimizzare simultaneamente tali indici per alcuni casi di robot a cavi adattativi sfruttando la ridondanza dei sistemi analizzati.

Per il progetto di robot a cavi paralleli non adattativi, è impossibile cambiare gli indici di destrezza e di rigidezza elastica per una certa posizione dell’organo terminale a causa dell’orientazione e della lunghezza dei cavi fissata; comunque, la rigidezza attiva può essere modificata cambiando la tensione dei cavi. L’incremento della tensione dei cavi può essere desiderabile a causa dell’aumento di rigidezza, del miglioramento delle prestazioni di inseguimento di traiettoria, più precisamente movimento e risposta ai disturbi; tuttavia, può aumentare il consumo energetico e portare a saturazione gli attuatori. Tipicamente i metodi di distribuzione delle tensioni operano mantenendo costante il valore di tensione minimo da applicare ai cavi. Tali valori sono scelti attraverso esperimenti per raggiungere le prestazioni di inseguimento della traiettoria desiderata, considerando anche le capacità degli attuatori.

Per migliorare le prestazioni del sistema, viene proposto un metodo dinamico di controllo delle tensioni minime (DMTC). In questo approccio è possibile variare la tensione minima in tempo reale sulla base della rigidezza, della dinamica del sistema e del valore dell’errore ottenuto come feedback. Attraverso un semplice apparato sperimentale, è stato possibile confrontare il metodo tradizionale di distribuzione delle tensioni basato sulla tensione minima fissa ed il metodo proposto. I risultati sperimentali hanno mostrato che il metodo Dinamico di Controllo delle Tensioni Minime risulta più efficiente rispetto all'approccio tradizionale in termini di accuratezza e consumo energetico.

Inoltre, un appropriato algoritmo di controllo può migliorare le prestazioni del sistema. Il controllo ottimo lineare quadratico riveste un ruolo fondamentale nel controllo di un robot a cavi parallelo fornendo tutti gli stati del sistema per la retroazione, incluse velocità e posizione, in aggiunta ai risultati ottimali. Un controllo ottimo lineare quadratico è stato progettato e testato. I risultati significativi sono quindi stati presentati e discussi.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Rosati , Giulio
Correlatore:Rosati, Giulio
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 28 > Scuole 28 > INGEGNERIA MECCATRONICA E DELL'INNOVAZIONE MECCANICA DEL PRODOTTO
Data di deposito della tesi:29 Gennaio 2016
Anno di Pubblicazione:28 Gennaio 2016
Parole chiave (italiano / inglese):adaptive cable-driven robots, performance indices, transverse vibration, dynamic minimum tension control(DMTC), linear quadratic optimal control
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/13 Meccanica applicata alle macchine
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Tecnica e Gestione dei Sistemi Industriali
Codice ID:9329
Depositato il:21 Ott 2016 09:55
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