[論文レビュー] Kinematic and Dynamic Analysis of the 2-DOF Spherical Wrist of Orthoglide 5-axis

Raza Ur-Rehman, Stéphane Caro+2 more|ArXiv.org|Apr 1, 2009

Robotic Mechanisms and Dynamics参考文献 17被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、デルタ型3-DOF並進マニピュレータと球形ワイヤスを組み合わせた並列運動学機構であるOrthoglide 5軸機械工作機械に内蔵された2-DOF球形ワイヤスについて、包括的な運動学的・動力学的解析を提示する。CADから抽出した幾何的および慣性的パラメータを用いて、さまざまな軌道、切削力、工具長さ下での性能を評価し、動的軌道における必要トルクと速度に基づいた初期アクチュエータ選定を結論づけている。

ABSTRACT

This paper deals with the kinematics and dynamics of a two degree of freedom spherical manipulator, the wrist of Orthoglide 5-axis. The latter is a parallel kinematics machine composed of two manipulators: i) the Orthoglide 3-axis; a three-dof translational parallel manipulator that belongs to the family of Delta robots, and ii) the Agile eye; a two-dof parallel spherical wrist. The geometric and inertial parameters used in the model are determined by means of a CAD software. The performance of the spherical wrist is emphasized by means of several test trajectories. The effects of machining and/or cutting forces and the length of the cutting tool on the dynamic performance of the wrist are also analyzed. Finally, a preliminary selection of the motors is proposed from the velocities and torques required by the actuators to carry out the test trajectories.

研究の動機と目的

• Orthoglide 5軸機械工作機械に内蔵された2-DOF球形ワイヤスの運動学的および動力学的挙動を分析すること。
• 切削力および変動する工具長さを含む現実的な加工条件下でのワイヤスの性能を評価すること。
• CADソフトウェアを用いてワイヤスの幾何的および慣性的パラメータを特定し、正確なモデル化を実現すること。
• 動的荷重下で定められた軌道を実行するために必要なアクチュエータの要件（トルクおよび速度）を特定すること。
• ワイヤス機構の動的性能要件に基づいて、初期モータ選定を支援すること。

提案手法

• CADソフトウェアから抽出した正確な幾何的および慣性的パラメータを用いてワイヤスをモデル化すること。
• エンドエフェクタの位置、速度、加速度を特定するために前向きおよび逆運動学的解析を実施すること。
• さまざまなテスト軌道下でのアクチュエータトルクおよび力の計算のための動力学的モデルを適用すること。
• 外部の切削力および工具長さの変動がワイヤスの動力学的挙動に与える影響をシミュレートすること。
• 複数のテスト軌道を通じた性能評価により、ワークスペース、機動性、および動的応答を評価すること。
• 得られた結果を基に、必要とされるアクチュエータ出力を推定し、初期モータ選定を可能にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 切削力および工具長さは、2-DOF球形ワイヤスの動的性能にどのように影響するか？
• RQ2 定められたテスト軌道を正確に追跡するために必要なアクチュエータのトルクおよび速度は何か？
• RQ3 ワイヤスの運動学的構造は、その機動性およびワークスペース特性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 幾何的および慣性的パラメータの正確さは、動力学的モデルの結果にどのような影響を与えるか？
• RQ5 リアルタイム制御および機械工作機械統合を考慮した場合、アクチュエータ要件はどのように推定できるか？

主な発見

• ワイヤスの動的性能は、切削力および切削工具の長さの両方の影響を顕著に受ける。
• 軌道依存のアクチュエータトルクおよび速度が計算され、適切なモータの初期選定が可能になった。
• CADから抽出された幾何的および慣性的パラメータにより、ワイヤスの正確な運動学的および動力学的モデル化が実現した。
• テスト軌道を通じた性能評価から、特に高力条件下で動的負荷にばらつきが生じることが明らかになった。
• 本研究は、高精度加工におけるアクチュエータサイズ決定において、工具長さおよび外部力の要因を考慮する必要があることを示している。
• 動的モデルは、Orthoglide 5軸機械工作機械における制御システム設計およびリアルタイム性能最適化の基盤を提供する。