[論文レビュー] A Comparative Study of Parallel Kinematic Architectures for Machining Applications

Philippe Wenger, Clément Gosselin+1 more|ArXiv.org|Jul 25, 2007

Robotic Mechanisms and Dynamics参考文献 5被引用数 31

ひとこと要約

本稿は、所定の長方形カルテシアンワークスペースとキネマティックスタティック性能制約を満たす2-DOF並列運動学機構—Biglide1、Biglide2、Orthoglide—を比較し、機械的サイズとエンベロープ、特に等方的設計による性能向上を評価している。結果として、Orthoglide構造が最小の機械サイズとエンベロープを達成し、優れたコンパクト性と低い動的慣性を示し、高性能切削加工に最も適していることが判明した。

ABSTRACT

Parallel kinematic mechanisms are interesting alternative designs for machining applications. Three 2-DOF parallel mechanism architectures dedicated to machining applications are studied in this paper. The three mechanisms have two constant length struts gliding along fixed linear actuated joints with different relative orientation. The comparative study is conducted on the basis of a same prescribed Cartesian workspace for the three mechanisms. The common desired workspace properties are a rectangular shape and given kinetostatic performances. The machine size of each resulting design is used as a comparative criterion. The 2-DOF machine mechanisms analyzed in this paper can be extended to 3-axis machines by adding a third joint.

研究の動機と目的

• 2-DOF切削加工用途における3つの並列運動学アーキテクチャ（Biglide1、Biglide2、Orthoglide）を評価・比較すること。
• 同一の長方形ワークスペースおよびキネマティックスタティック制約下で、どのアーキテクチャが最良のコンパクト性と動的性能を達成するかを特定すること。
• 所定のワークスペースおよび性能基準を満たす最適なリンク寸法とジョイント範囲を同定すること。
• 幾何的設計が、特にストラット長とアクチュエーターストロークの観点から機械サイズに与える影響を評価すること。
• 今後の研究において3軸PKM構成への拡張の基盤を提供すること。

提案手法

• 本研究では、1 m²の固定された長方形カルテシアンワークスペースと明示されたキネマティックスタティック性能要件に基づく比較的設計手法を用いた。
• 3つの2-DOF並列機構が分析対象であり、それぞれがストラット長L、ベース間隔L₀、アクチュエーターストロークΔρの3つの設計変数で定義される。
• 速度増幅係数を主要な性能指標とし、ワークスペース全体で最大3以下、最小1/3以上を満たす制約が課された。
• ベクトル運動学とヤコビアン解析を用いた解析的導出により、ジョイント範囲とリンク寸法を計算し、シンボリック計算にMAPLEを用いた。
• CADパラメトリックスケッチを用いてカルテシアンワークスペースを評価し、各機構に対して最大内接長方形面積Sを特定した。
• 機構寸法を調整して共通の1 m²の長方形ワークスペースを達成し、その結果得られる機械のエンベロープサイズを主な比較指標とした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 所定の長方形カルテシアンワークスペースに対して、3つの2-DOF並列運動学アーキテクチャ（Biglide1、Biglide2、Orthoglide）の中でどの構造が最小の機械サイズを達成するか？
• RQ2 同じキネマティックスタティック性能およびワークスペース制約を満たすために、幾何パラメータ（L₀、L、Δρ）は各アーキテクチャでどのように変化するか？
• RQ3 等方性と運動学的対称性が機械のコンパクト性および動的性能に与える影響は何か？
• RQ4 速度増幅係数は各構成でどのように変化し、それが機構設計にどのような制約をもたらすか？
• RQ5 2-DOFの比較結果を、切削加工用途における3軸PKM構成への拡張が可能か？

主な発見

• Orthoglide機構は、1 m²の長方形カルテシアンワークスペースに対して、3.91 m²の最小の機械エンベロープサイズを達成し、Biglide1（16.45 m²）およびBiglide2（8.50 m²）を上回った。
• Orthoglideは最短のストラット長（L = 1.06 m）と最小のアクチュエーターストローク（Δρ = 1.18 m）を有しており、動いている質量が低く、より優れた動的性能を示している。
• Biglide2機構は最大のエンベロープサイズ（8.50 m²）と最長のストラット長（L = 2.00 m）を示したが、Orthoglideと同程度のアクチュエーターストロークであった。
• Orthoglideは完全な正方形の内接ワークスペースを達成したのに対し、Biglide2の内接長方形は顕著に非正方形であり、幾何的利用度が低いことが示された。
• 速度増幅係数の制約（≤3および≥1/3）は、L₀およびΔρの決定に重要であり、各機構で最大・最小値を異なる条件で達成した。
• 本研究は、等方的設計（Orthoglideの例）が優れたコンパクト性と性能をもたらすことを確認し、高速切削加工用途への適用を支持する結果となった。