Design, modelling and implementation of a cable driven parallel robot

Abstract

In the present work, a novel class of planar cable driven parallel robots is designed, analyzed and mathematically modelled. For conventional cable driven robots, the cables are rigidly attached to the end effector. This results in a very limited capability of rotating the end effector. To overcome this limitation and allow an arbitrary amount of rotation, the proposed design uses cables which are wrapped around a cylindrical fixture on the end effector. In contrast to the state of the art, this results in a simple and robust design without any additional moving parts attached to the end effector.All possible cable configurations are subsequently analyzed using Burnside's lemma known from group theory. A closed-form solution for the number of all possible configurations is derived. The workspace of different configurations is analyzed in detail and a suitable cable configuration for a prototype is selected.Furthermore, a closed-form analytical solution for the inverse kinematics is derived and a solution for the forward kinematics is presented. Both the inverse and the forward kinematics are implemented on a real-time system and validated experimentally on a prototype robot. The convergence behavior and the robustness of the forward kinematic algorithm are studied in detail via simulations.Based on the robot kinematics, a control-oriented dynamical model is derived and a trajectory following controller for the robot is designed. Experiments are conducted to validate the theoretical considerations and demonstrate the performance and capabilities of the novel cable driven robot concept.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf sowie der mathematischen Modellierung eines neuartigen planaren Seilroboters. Bei klassischen Seilrobotern ist der Endeffektor an festen Punkten mit Seilen verbunden und wird von diesen bewegt, wodurch die Möglichkeit den Endeffektor zu drehen sehr eingeschränkt ist. Um diese Einschränkung zu überwinden und beliebig große Rotationen des Endeffktors zu ermöglichen, wird eine neue Klasse von Seilrobotern entwickelt, bei der die Seile den Endeffektor umschlingen. Dadurch entsteht ein sehr vielseitiger planarer Roboter, welcher sich durch einen einfachen, kostengünstigen und robusten Aufbau auszeichnet. Alle möglichen Seilkonfigurationen des Konzepts werden systematisch analysiert, und basierend auf Burnside's Lemma, welches aus der Gruppentheorie bekannt ist, wird eine Formel für die Anzahl aller möglichen Seilkonfigurationen hergeleitet. Der Arbeitsraum des Seilroboters wird anhand verschiedener Gütekriterien beleuchtet, um in weiterer Folge einen geeigneten Prototyp zu konzipieren. Eine geschlossene analytische Lösung für die Rückwärtskinematik wird hergeleitet, sowie eine Lösung der Vorwärtskinematik präsentiert. Sowohl die Rückwärtskinematik als auch die Vorwärtskinematik werden auf einem Echtzeitsystem implementiert und an einem Prototyp des Roboters validiert. Die Konvergenzeigenschaften der Vorwärtskinematik sowie die Robustheit gegenüber Messrauschen werden anhand von Simulationen untersucht. Basierend auf der Kinematik des Roboters wird ein dynamisches Robotermodell entwickelt und ein Trajektorienfolgeregler entworfen. Durch verschiedene Versuche und Messungen am experimentellen Prototyp werden die theoretischen Überlegungen validiert sowie die Leistungsfähigkeit des neuartigen Konzepts demonstriert.