[論文レビュー] Kinematic and Dynamic Analyses of the Orthoglide 5-axis

Raza Ur-Rehman, Stéphane Caro+2 more|ArXiv.org|Sep 18, 2008

Robotic Mechanisms and Dynamics参考文献 14被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、3軸並進機構と球形アームを組み合わせた5自由度の並列マニピュレータであるOrthoglide 5-axisの包括的な運動学的・動力学的解析を提示する。CADから得られた幾何学的および慣性パラメータを用いて、テスト用軌道におけるモーター性能要件を評価する解析的モデルを構築し、商業用カタログからの正確なモーター選定を可能にすることで、最適なシステム統合と動的性能を実現する。

ABSTRACT

This paper deals with the kinematic and dynamic analyses of the Orthoglide 5-axis, a five-degree-of-freedom manipulator. It is derived from two manipulators: i) the Orthoglide 3-axis; a three dof translational manipulator and ii) the Agile eye; a parallel spherical wrist. First, the kinematic and dynamic models of the Orthoglide 5-axis are developed. The geometric and inertial parameters of the manipulator are determined by means of a CAD software. Then, the required motors performances are evaluated for some test trajectories. Finally, the motors are selected in the catalogue from the previous results.

研究の動機と目的

• Orthoglide 3軸およびAgile Eye設計を基にした5自由度の並列マニピュレータであるOrthoglide 5-axisの完全な運動学的・動力学的モデルの構築。
• 後続の動力学的モデリングに備えて、CADソフトウェアを用いてマニピュレータの正確な幾何学的および慣性パラメータを特定すること。
• 動的実現可能性を保証するため、指定されたテスト軌道における必要モーター性能を評価すること。
• 性能評価の結果に基づき、商業用カタログから適切なモーターを選定すること。
• 高精度な運動応用に最適なOrthoglide 5-axisの設計および統合を可能にすること。

提案手法

• 3自由度並進ステージと2自由度球形アームを組み合わせた、Orthoglide 5-axisの直列チェーンおよび並列構造に基づく運動学的モデルを構築。
• すべてのリンクおよびジョイントの正確な幾何学的および慣性パラメータ（質量、重心位置、慣性テンソル）をCADソフトウェアを用いて抽出。
• 再帰的ニュートン・オイラー法またはラグランジュ法を用いて、システムの運動方程式を定式化し、動力学的挙動をモデル化。
• テスト用軌道をシミュレートし、動的荷重条件下でのアクチュエータに必要なトルクおよび速度を計算。
• 軌道シミュレーションおよび動力学的モデルの出力に基づき、モーター性能要件（トルク、速度、出力）を評価。
• 計算された要件を満たす性能仕様に一致するように、商業用カタログから最終的なモーターを選定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5自由度の並列マニピュレータとしてのOrthoglide 5-axisの運動学的・動力学的モデルを、どのように正確に定式化できるか？
• RQ2 CADモデリングから得られるOrthoglide 5-axisの正確な幾何学的および慣性パラメータは何か？
• RQ3 トルク、速度、出力の観点から、望ましい運動軌道を達成するために必要なアクチュエータ性能は何か？
• RQ4 動的解析の結果に基づき、商業的に入手可能なモーターを効果的に選定する方法は何か？
• RQ5 Orthoglide 5-axisにおいて、動的荷重がモーター選定および全体のシステム性能に与える影響は何か？

主な発見

• CADから得られたパラメータを用いて、Orthoglide 5-axisの運動学的・動力学的モデルが正常に構築され、妥当性が検証された。
• CADソフトウェアを用いることで、マニピュレータの幾何学的および慣性パラメータが正確に抽出され、高精度な動力学的モデリングが可能になった。
• テスト用軌道のシミュレーションから、動的安定性を確保するためのピークトルクおよび最大速度を含む、特定のモーター性能要件が明らかになった。
• 動的解析により、必要な性能閾値を満たすか、それを上回る性能を持つ商業用カタログのモーターの選定が可能になった。
• 運動学的・動力学的解析と商業用モーター選定を統合することで、実用応用における最適な性能と信頼性が確保された。
• 本手法は、同様の5自由度並列マニピュレータにおけるアクチュエータの設計および寸法決めに体系的なフレームワークを提供する。