Task-Based Comparison of Parallel Translational Kinematic Structures

Prause, Isabel; Herder, Just; Corves, Burkhard

doi:HT019443011

Task-Based Comparison of Parallel Translational Kinematic Structures = Aufgabenbasierter Vergleich von translatorischen, parallelkinematischen Strukturen

Prause, Isabel

2016 & 2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Isabel Prause

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (xv, 286 Seiten) : Illustrationen, Diagramma

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Corves, Burkhard (Thesis advisor) ; Herder, Just (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-11-14

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-07102
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/697471/files/697471.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/697471/files/697471.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Getriebetechnik und Maschinendynamik (411910)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
parallel kinematic structures (frei) ; robotics (frei) ; dimensional synthesis (frei) ; evaluation (frei) ; comparison (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Bekannt ist Clavels DELTA Roboter, aber es gibt noch andere parallelkinematische Strukturen (PKS) mit drei translatorischen Freiheitsgraden. Diese unterscheiden sich im Zusammenbau und im Aufbau ihrer kinematischen Ketten. Viele PKS, die auf unterschiedlichen Gelenk- und Gliedanordnungen basieren, sind das Ergebnis von Struktursynthesen der letzten Jahre. Allerdings wurde nur eine sehr geringe Anzahl davon tiefergehend in derForschung untersucht.Daher ist es das Ziel dieser Arbeit einen Strukturkatalog zu erstellen, in dem unterschiedliche PKS mit ihren entsprechenden Eigenschaften beschrieben werden. Die Auswahl basiert auf Listen von bereits synthetisierten PKS. Darüberhinaus werden unterschiedliche Gestellanordnungen untersucht. Für insgesamt 25 unterschiedliche PKS wird der Strukturkatalog mit mathematischen Beschreibungen erweitert. In einem ersten Schritt werden dann die kinematischen Abmessungen hinsichtlich zwei unterschiedlicher Lastfälle optimiert: 1) rechteckiger Arbeitsraum mit geringen externen Kräften und 2) zylindrischer Arbeitsraum mit höheren externen Kräften. Die Ergebnisse zeigen, dass nicht alle PKS gute Übertragungseigenschaften aufweisen. Als Folge dessenwerden einige PKS von einer weiteren Analyse ausgeschlossen.Desweiteren wird eine allgemeine Untersuchung der ausgewählten Strukturen durchgeführt. Unterschiedliche Abmessungen der PKS werden betrachtet und analysiert um den Einfluss von der gewählten Parameterkonfiguration auf die Gesamtperformance zu identifizieren. Dafür werden verschiedene Kriterien innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsraums angewandt. Diese Analyse und ein anschließender Vergleich führen zu einer weiteren Einschränkung der PKS, die für die finale, aufgabenangepasste Maßsynthese in Betracht gezogen werden. Drei Handhabungsaufgaben werden betrachtet: eine Pick & Place Aufgabe,eine Positionier- und eine Führungsaufgabe. Die Optimierung der kinematischen Abmessungen basiert auf einer flexiblen Zielfunktion, bei der der Funktionswert durch entsprechende Gewichtung der Kriterien angepasst werden kann. Um geeignete Kriterien auszuwählen, wird eine vollständige Übersicht von Kriterien zum Messen, Analysieren und Vergleichen der Leistungsfähigkeit von PKS vorgestellt. Anschließend wird das Übertragungsverhalten der PKS entlang der Trajektorien oder innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsraums analysiert. Die Optimierungs- und Analyseergebnisse zeigen, dass einige der PKS die Handhabungsaufgaben erfüllen können und dass es keine Struktur gibt, die als die „Beste“ bezeichnet werden kann.

Well known is Clavel’s DELTA robot, but there are other parallel kinematic structures (PKS) with three translational degrees of freedom. They differ in the assembly and the limb structure. A broad range of PKS based on different joint and limb arrangements has been synthesized in the past years, but only a small number has been further investigated in research.Therefore, in this thesis, a structure catalog comprising different PKS with their respective characteristics is created. The selection is based on lists of previously synthesized PKS. Furthermore, different frame configurations are investigated. For in total 25 different PKS the structure catalog is expanded by mathematical descriptions. In a first step, the kinematic dimensions are optimized with respect to two load cases: 1) rectangular workspace with low external forces and 2) cylindrical workspace with higher external forces. The results show that not all selected PKS possess good transmission qualities. Hence, some PKS are excluded from further analysis.Then, a general research study of the selected structures is performed. Different dimensions of the PKS are considered and analyzed to identify the influence of selected parameter configurations on the overall performance. To do so, various criteria are applied within a prescribed workspace. This analysis and the comparison afterwards result in further reduction of the PKS for the final task-adapted dimensional synthesis. Three tasks and trajectories respectively are considered: pick & place, positioning and guidance task.The optimization of the kinematic dimensions is based on a flexible objective function that allows adjusting the function value by including different criteria with adaptable weights. To select appropriate criteria, a compilation of criteria to measure, analyze and compare the performance of PKS is presented. Finally, the performance of the PKS along the trajectories or within the prescribed workspace is analyzed. The optimization and analysis results show that some of the selected PKS can fulfill the described tasks and that no “best” PKS can be found.

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