[論文レビュー] Internal joint forces in dynamics of a 3-PRP planar parallel robot

Stefan Staicu, Damien Chablat|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2012

Robotic Mechanisms and Dynamics参考文献 17被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、仮想仕事の原理を用いて逆運動学的問題を解くことで、3-PRP平面並列ロボットの完全な動的挙動を計算する再帰的行列式を提示する。主な貢献は、内部ジョイント力およびアクチュエータ入力パワーの導出であり、プラットフォームの運動および運動学的構成に依存することをシミュレーションで検証した。

ABSTRACT

Recursive matrix relations for the complete dynamics of a 3-PRP planar parallel robot are established in this paper. Three identical planar legs connecting to the moving platform are located in the same vertical plane. Knowing the motion of the platform, we develop first the inverse kinematical problem and determine the positions, velocities and accelerations of the robot. Further, the inverse dynamic problem is solved using an approach based on the principle of virtual work. Finally, some graphs of simulation for the input powers of three actuators and the internal joint forces are obtained.

研究の動機と目的

• 3-PRP平面並列マニピュレータの完全な動的モデル化のための再帰的行列アプローチを開発すること。
• 逆運動学的問題を解き、プラットフォームの位置、速度、加速度プロファイルを特定すること。
• 仮想仕事の原理を用いて逆動的問題を解き、正確なジョイント力の計算を実現すること。
• さまざまな運動軌道における3つのアクチュエータの入力パワーおよび内部ジョイント力のシミュレーションと分析を行うこと。
• 3-PRP並列ロボットの動的制御および構造的設計の基盤を提供すること。

提案手法

• プラットフォームの運動に基づいて、3-PRPロボットの運動学的挙動を計算する再帰的行列関係を定式化すること。
• 仮想仕事の原理を適用して逆動的モデルを導出し、内部ジョイント力を計算すること。
• 対称的な動的挙動を確保するために、垂直平面に配置された同一の平面脚を用いること。
• 運動学的チェーン全体にわたる運動および力の伝播をシステマティックに扱う再帰的アルゴリズムを用いてロボットの動的挙動をモデル化すること。
• 既知のプラットフォーム軌道下でシステムをシミュレートし、アクチュエータの入力パワーおよび内部力を計算すること。
• ジョイント力および消費電力のグラフィカルなシミュレーション出力を通じて結果を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再帰的行列関係を用いて、3-PRP平面並列ロボットの完全な動的挙動をどのようにモデル化できるか？
• RQ2 所定のプラットフォーム運動下で、ロボットのアーム内に働く内部ジョイント力は何か？
• RQ3 3つのアクチュエータが要請する入力パワーは、プラットフォームの軌道および構成にどのように依存するか？
• RQ4 仮想仕事の原理は、このロボットの逆動的問題を効率的に解くために果たす役割は何か？
• RQ5 3-PRPロボットの動的特性は、そのアクチュエータ設計および制御戦略にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 再帰的行列式により、3-PRPロボット構造全体における運動学的および動的変数の効率的計算が可能となった。
• 仮想仕事の原理を用いた正確な内部ジョイント力の計算により、動的平衡が確保された。
• シミュレーションにより、プラットフォームの軌道および姿勢に応じて3つのアクチュエータにおける消費電力のパターンに顕著な差が生じることが明らかになった。
• 内部力はプラットフォームの加速度および角速度に顕著に依存しており、特定の構成下で高負荷がかかることが示された。
• 本手法は、類似した平面並列マニピュレータに適用可能なスケーラブルな動的解析フレームワークを提供する。
• 結果は、3-PRPロボットのリアルタイム制御および構造的最適化に再帰的行列動力学を用いることが実現可能であることを示している。