Force capability of planar cable-driven robots

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Costa, Mateus Viana de Oliveira e
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/198783
Resumo: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2018.
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spelling Force capability of planar cable-driven robotsEngenharia mecânicaRobóticaRobôsDissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2018.O desenvolvimento da robótica permitiu que diversas atividades insalubres antes realizadas pelos seres humanos pudessem ser completamente realizadas por manipuladores mecânicos. Com isso, a economia mundial vem se reorganizando e os seres humanos podem concentrar-se em atividades intelectuais. Neste caso, para que esse efeito se amplifique, é necessário que existam dispositivos robóticos capazes de realizar os mais diferentes tipos de atividades e que se adequem às mais diferentes características econômicas. Robôs paralelos atuados por cabos, tema central deste trabalho, apresentam-se como um dos dispositivos mais promissores para compor essa nova ordem mundial graças a diversas características. Entre elas, destacam-se o elevado espaço de trabalho, o baixo custo de produção e o rápido enrolamento dos cabos permitindo características dinâmicas únicas. Outro aspecto significativo deste tipo de equipamento é que a flexibilidade dos cabos os tornam mais indicados para interações com seres humanos. Porém, mesmo com todas essas qualidades, diversos aspectos sobre esses dispositivos ainda estão em aberto na academia. Entre eles destaca-se a motivação desse trabalho, que é a capacidade de força desses dispositivos e, a partir dessa informação, a definição de mapas de capacidade de força e do espaço de trabalho wrench-feasible. Para tanto, o primeiro aspecto dessa pesquisa foi definir o modelo matemático que fosse capaz de traduzir todas a estática desse dispositivo. Neste caso, o aspecto de maior complexidade, foi a constante alteração do número de cabos atuados dos dispositivos. Com isso, para que o modelo matemático do robô fosse verossímil, se fez necessário tratá-lo como um dispositivo reconfigurável além de estabelecer leis que representassem tal reconfigurabilidade. Concluída a definição dos modelos planares possíveis se fez necessário a definição de métodos capazes de estabelecer a capacidade de força desses manipuladores. Para tanto, o método de Davies foi associado ao método de fator de escala e a otimização com restrições. Um sistema de transição inteligente varia o método de solução de acordo com o modelo atuado do dispositivo. Finalmente, o método proposto por esse trabalho foi definido e consolidado em um algoritmo. Os principais passos do método são a definição dos modelos matemáticos possíveis do robô, o estabelecimento e iteração entre todas as ações à serem aplicadas no efetuador e a solução da capacidade de força para cada um dos passos da iteração utilizando o modelo matemático apropriado. Concluídas essas etapas, um mapa de capacidade de força é definido. Além da definição do método, foram obtidos mapas de capacidade de força para robôs por cabos planares com 2, 3 e 4 cabos além de espaço de trabalhos wrench-feasible para configurações com 2 e 3 cabos. Tais informações permitem uma avaliação precisa sobre a capacidade desses dispositivos de realizarem tarefas e seguirem trajetórias que envolvam força. Por último, foi realizada uma comparação entre os resultados obtidos neste trabalho e algumas pesquisas da literatura. Por fim, o método proposto apresentou-se como mais eficiente, quando comparado com métodos sem a transição inteligente, além de garantir, através do conceito de restrição exata, a pose da plataforma móvel do dispositivo.Abstract : The development of robots allowed that several unhealthy activities, previously performed by humans, to be completely done by mechanical manipulators. As a result, the world economy has been reorganizing and human beings can concentrate on intellectual activities. Later, to amplify this effect, it is necessary robotic devices capable of performing the most different types of activities and that adapt to the most different economic situations. Cable driven parallel robots, the central theme of this work, are one of the most promising devices on this subject thanks to its many characteristics. Among them, the high dimension workspace, the low production cost and the fast winding of the cables stand out, allowing unique dynamic characteristics. Another significant aspect of this type of equipment is that the flexibility of the cables makes them more suitable for interactions with humans. However, even with all these qualities, several aspects of these devices are still open in academia. Among them, is the motivation of this work, which is the force capacity of these devices and, from this information, the definition of force capacity maps and the wrench-feasible workspace. The first aspect of this research was define the mathematical model that could translate all the nuances of this type of device. In this case, the greater complexity was the constant change in the number of actuated cables. Thus, in order for the mathematical model to be reasonable, it was necessary to treat the cable robot as a reconfigurable device and to establish laws that represented such reconfigurability. After summarize the possible planar models, it was needed to define methods that were able to establish the force capability of these manipulators. For this, the Davies method was associated to the scale factor method and the constrained optimization. An intelligent transition system varies the solution method according to the current device?s model. Finally, the method proposed by this work was defined and consolidated in an algorithm. The main steps of the method are the definition of all the possible robot's mathematical models, the establishment and iteration between all the actions to be applied in the end-effector and the solution of the force capability for each of the iteration steps using the appropriate mathematical model. After completing these steps, a power capacity map is defined. In addition to the definition of the method, force capability maps were obtained for planar robots with 2, 3 and 4 cables. Additionally, wrench-feasible workspace maps for 2 and 3 wire configurations were defined. This information allows an accurate assessment of the ability of these devices to perform tasks and follow trajectories involving force. Furthermore, a comparison was made between the results obtained in this study and some studies in the literature. Finally, the proposed method was presented as more efficient when compared to methods without the smart switch, besides guaranteeing, through the concept of exact restriction, the pose of the robot's mobile platform.Martins, DanielSimas, HenriqueUniversidade Federal de Santa CatarinaCosta, Mateus Viana de Oliveira e2019-07-25T12:05:37Z2019-07-25T12:05:37Z2018info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis133 p.| il., gráfs., tabs.application/pdf357291https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/198783engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2019-07-25T12:05:37Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/198783Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732019-07-25T12:05:37Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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