Kinematic analysis of coupled, decoupled and uncoupled Schönflies motion parallel manipulators

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Rossi, Paulo
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/236224
Resumo: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2022.
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spelling Kinematic analysis of coupled, decoupled and uncoupled Schönflies motion parallel manipulatorsEngenharia mecânicaManipuladores (Mecanismo)Cinemática das máquinasRobôsDissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2022.O uso de robôs manipuladores está em crescente ascensão e as perspectivas futuras são de um aumento considerável dessa vertente tecnológica. A gama de aplicações desses equipamentos também é bastante variada, sendo amplamente empregados na indústria moderna, em setores como o alimentício, veicular, aeronáutico e aeroespacial, máquinas e ferramentas. Em razão de tamanho alcance, é cada vez mais comum o desenvolvimento de trabalhos científicos no que concerne aos robôs manipuladores, no intuito de buscar por arquiteturas, tecnologias e métodos mais eficientes. Considerando os robôs manipuladores, têm-se basicamente dois tipos distintos, são eles os manipuladores seriais e os paralelos. Os robôs manipuladores paralelos suportam uma carga de trabalho consideravelmente maior, são mais rápidos e precisos. Preterir um desses equipamentos em razão do outro está condicionado ao tipo de tarefa a ser realizada. As chamadas tarefas de pick-and-place, que consistem no ato de pegar, posicionar e soltar objetos em geral, normalmente são executadas por robôs manipuladores paralelos, justamente em razão da maior rapidez e precisão desses equipamentos. Alguns dos manipuladores paralelos que executam esse tipo de tarefa, possuem seis graus de liberdade, contudo, tamanha mobilidade muitas vezes não se faz necessária para tal, tornando desejável a busca por arquiteturas simplificadas em termos cinemáticos. Uma das que mais se destacam para tal função são as topologias com movimento do tipo Schönflies ou 3T1R, isto é, arquiteturas que possuem quatro graus de liberdade, sendo três deles de translação ao longo dos eixos Cartesianos e um de rotação em torno de um eixo específico. Essa dissertação possui a intenção de realizar uma análise cinemática incipiente de três arquiteturas distintas de manipuladores paralelos, que tratam-se de topologias representativas de suas respectivas famílias de arquiteturas. Essa representatividade se dá devido à presença de características cinemáticas similares que concernem ao mesmo tipo de movimento 3T1R com rotação em torno do mesmo eixo, sem a presença de mobilidades perigosas, assim como a morfologia da matriz Jacobiana que apresenta as mesmas relações cinemáticas entre as juntas atuadas e o efetuador final. A análise proposta se dará levando em consideração tanto a cinemática quanto os parâmetros de design e estruturais das topologias. Lançando mão da análise cinemática será possível desenvolver a cinemática de posição através de uma abordagem geométrica, diferenciando então as equações calculadas pode-se efetuar a análise de velocidades. Posteriormente através da avaliação do Jacobiano serão mapeadas as singularidades cinemáticas. Seguindo com a computação do índice de condicionamento, que contribui com o entendimento das poses de singularidade, bem como indica o comportamento cinemático das arquiteturas. O estudo do espaço de trabalho das arquiteturas também será implementado por meio do processo de discretização. Por último, será conduzida uma discussão acerca dos resultados encontrados, buscando uma comparação destes, permitindo uma melhor compreensão das propriedades analisadas de cada uma das arquiteturas e suas respectivas famílias. É esperado que os resultados obtidos possam auxiliar no entendimento do comportamento cinemático das arquiteturas analisadas, bem como, fornecer dados importantes que possam ser utilizados nas posteriores etapas de seleção, análise, design, e otimização dos manipuladores paralelos para atividades específicas.Abstract: Manipulator robots' use is in increasing ascension, and the future perspectives show considerable growth concerning this technology. The application field of these types of equipment is also broader and widely employed in modern industry, for example, in the food, vehicles, aeronautical and aerospace, machinery, and tools sectors. In light of this importance, there has been much academic research regarding manipulator robots, aiming to search for novel topologies, technologies, and more efficient methods. Manipulator robots are fundamentally composed of serial and parallel architectures. The manipulator robots with parallel architectures support considerably high loads and are also faster and more accurate. Choosing one of these types of equipment rather than the other depends on the task to be performed. The well-known pick-and-place tasks consist of picking, positioning, and placing an object in a specific location and are usually executed by parallel manipulators. This kind of application can be explained by the higher velocity and precision of these equipment types. Typically, some parallel manipulators which perform these tasks have six degrees of freedom; however, such mobility is usually unnecessary. Therefore, the search for kinematically simplified architectures is desirable in this context. Generally, the most suitable architectures for this work are the topologies with the Schönflies or 3T1R motion. These architectures have four degrees of freedom, with three translations along the Cartesian axes and one rotation around a specific axis. This master thesis aims to establish an incipient kinematic analysis of three different parallel manipulators' architectures that are representative of their respective architectures' families. The mentioned premise lies in the kinematic similarities between the analyzed topologies, which concern the same 3T1R motion with the rotation around the same axis without idle mobilities; Also, the Jacobian morphology presents the same kinematic relationships between the actuated joints and the end-effector. The proposed analysis will be carried out considering both topologies' kinematics and the design and structural parameters. The kinematic analysis allows the development of the position kinematics through a geometrical approach, and then, by differentiating the obtained equations, it is possible to accomplish the velocities analysis. Furthermore, evaluating the Jacobian matrix, the kinematic singularities will be mapped. The computation of the conditioning index is also executed to understand the kinematic singularities better and the architectures' kinematic behavior. Ultimately, the topologies workspace volume will be discretized and analyzed. Finally, a discussion regarding the achieved results will be developed, focusing on comparing them and providing a better understanding of the analyzed properties of each architecture and their respective families. It is expected that the achieved results can help with the kinematic behavior understanding of the analyzed topologies and give some critical data that can be used in further steps regarding the parallel manipulators' selection, analysis, design, and optimization for specific tasks.Simoni, RobertoCarboni, Andrea PigaUniversidade Federal de Santa CatarinaRossi, Paulo2022-07-11T23:17:52Z2022-07-11T23:17:52Z2022info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis139 p.| il., gráfs.application/pdf377190https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/236224engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2022-07-11T23:17:52Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/236224Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732022-07-11T23:17:52Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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