DYNAMICS OPTIMIZATION OF A NOVEL HIGH SPEED AND HIGH PRECISION 3-DOF MANIPULATOR.PDF

G H T E C HN 0I DG Y I E I T E RS l Vo 1 1 2 N o 1 1 J a n 2 0 0 6 6 3 Dy n a m i c s o p t i mi z a t i o n o f a n o v e l h i g h s p e e d a n d hig h p r e c i s i o n 3 DOF ma n i pu l a t o r L a n P e n g 兰朋 L u N i a n l i S u n L i n i n g D i n g Q i n g y o n g f h o o l o f M h a t r o n i c s E n g i n e e r i n g H a r b i n I n s t i t u t e o f T h n o l o g y H a r b i n 1 5 0 0 0 1 P R C h i n a R o b o t i c s I n s t i t u t e H ar b i n I nst i t u t e o f T e c h n o l o g y H ar b i n 1 5 0 0 0 1 P R C hi n a A f t e r i n t r edu c i n g a n o v e l 3 一 D OF h i g h s p e e d a n d h i g h p r e c i s i o n ma n i p u l a t o r w h i c h c o m b i n e s d i rec t d r i v e n p l an a r p ara l l e l m e c h ani s m and l i n e ar a c t u a t o r wa y s o f i n c r e a s i n g i t s s t i f f n e s s a r e s t u d i e d t h r o u g h d y n a mi c s s i mu l a t i o n i n AD AMS s o f t wa r e e n v i r o n me n t De s i g n s t u d y i s c a r r i e d o u t b y p ara me t ri c analy s i s t x l s t o analy z e t h e a p p rox i ma t e s e n s i t i v i t y o f t h e d e s i gn v a r i a b l e s i n c l u d i n g t h e e ff e c t s o f p a r a me t e r s o f e a c h b e a n e ros s s e c t i o n and rel a t i v e p o s i t i o n o f l i n e ar a c t u a t o r o n mo d e l p e rf o rm anc e C o n c l u s i o n s a r e d m w n o n t h e a p p ro p ri a t e w a y o f d y n a mi c s o p t i m i z a t i o n t o g e t a l i g h t w e i ght and s m al l d e f o r m a t i o n m a n i p u l a t o r A p l anar p a r a l l e l me c h ani s m w i t h d i ff e ren t C roS S s e c t i o n i s u s e d t o an i mp r o v e d ma n i p u l a t o r R e s u h s 0 f d y n a mi c s s i mu l a t i o n o f t h e i mp rov e d s y s t e m and ano t h e r u n r e fi n e d o n e are c o mp a r e d T h e s t i f r h e s s o f the m i s a l mo s t e q u a1 b u t the ma s s o f the i mp rov e d o n e d e c r e a s e s g r e a t l y w h i c h i l l u s t r a t e s t h e wa y s e ffic i e n t Ke y wo r d s ma n i p u l a t o r AD A MS o p t i mi z a t i o n d y n a mi c s s i mu l a t i o n 0 I n t r o d u c t i o n P a r al l e l k i n e m a t i c m a n i p u l a t o r s P K M a r c a c l ass o f p romi s i n g ma c h i n e f o r the ma n i p u l a t i o n and ass e mb l e o f e l e c t ron i c d e v i c e b e c a u s e t h e y h a v e s o me a d v ant a g e s o v e r t h e s e ri al m a n i p u l a t o r s u c h as h i gh l o a d c a r r y i n g c a p a c i t y g o o d d yna mi c p e rf o r m a n c e and p rec i s e pos i t i o n i n g L A n o v e l h y b r i d 3 一 DO F mani p u l a t o r wh i c h c o m b i n e s t h e a d v ant a g e s o f p a r a l l e l ma n i p u l a t o r and s e ri al ma ni p u l a t o r i s s t u d i e d i n thi s p a po r As s h o w n i n F i g 1 t h e man i p u l a t o r i s c o mp o s e d o f p l an ar p a r a l l e l m e c h ani s m P P M i n c l u d i n g p a r a l l e l o g r a m s t r u c t u r e and l i n e ar a c t u a t o r mo u n t e d o n t h e e n d o f PP M T wo AC d i ree t d ri v e n mo t o r s i n t e g r a t e d h i g h res o l u t i o n e n c ode r a l e sel e c t ed as d ri v e n p a r t o f p l a n a r p arall e l mech ani s m Lin e ar a c t u a t o r i s d riv e n b y v o i c e c o i l mo t o r whi c h i s c o n s i d e r e d a s i d e al d ri v e n p a r t f o r s h o r t t r a v e 1 As a k i n d o f n o n c o mmu t a t e d d i rec t d r i v e h y s t e res i s f r e e c o g f r e e d e v i c e v o i c e c o i l m o t o r c an p ro v i d e b o th h i gh pos i t i o n sen s i t i v i t y an d p e rf e c t for c e v e rsu s s t rok e c h ara c t e r Hi g h p r e c i s i o n l i n e a r e n c o d e r i s u s ed as f e e d b a c k p a r t s t o g u ar a n t e e the rep e a t abi l i t y i n v e r t i c al d i r ect i o n C o m p a r e d w i t h h i ghe r d e g r e e o f f r e e d o m p a r a l l e l m a n i p u l a t o r for e x a mp l e S t e wa r d p l a tf o r m o r T r i c e p t robot k i n e ma t i c an d d y n a mi c mod e l s o f P P M a r e s i mp l e L l 3 J T h a t ma k e s real t i me c o n t rol pos s i b l e a n d i s mo re p r e c i s e O n the o the r h and i t h as h i g l 1 e r s t i e s s than the seri al ma n i p u l a t o r b e c a u s e o f i t s c l o s e l o o p f e a tu r e and l o w mo me n t o f i n e r t i a Me anw h i l e t l 1 e s y s t e m c an o v e r c o me t h e me c h an i c al e l ast i c i t y i n t r o d u c e d b y fl e x i b l e c o u p l i n g g e ar t e e t h bea r i n g be a r i n g s u p port c o n n e c t i n g s h a f t and o t h e r p a r t s i n c l u d e d b y c l ass i c al d ri v e s y s t e m S o thi s ma n i p u l a t o r i s mo r e e asi l y t o g e t we l l d yn a mi c s perf o r ma n c e a n d h i gh p r e c i s i o n I P l a n a r p a r a l l e M o t o r F i g 1 3 DO F h y b r i d s t r u c t u r e m mfi p u l a t o r Wh e n t h e l e n g t h o f e a c h I i n k o f p l anar p a r a l l e l me c h an i s m i s d e c i d e d b y k i n e ma t i c s analy s i s a n t l s ynt h e s i s 圳 t h e p r i ma r y t a s k o f o p t i ma l d e s i g n s h o u l d b e i n c rea s i n g t h e s t i ff n e s s an d d e creasi n g the ir la s s W i t h re g a r d t o mode l w i t h s e v e r a l p a r a me t e r s i t i s i mpo r t ant and n ec e s s a r y t o s t u d y t h e i n fl u e n c e o f e a c h p a r a me t e r o n S u p p o r te d b y I le H 岫 T e c h n o l o g y R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t P r o g r a mm e o f C h i n a N o 2 0 0 3 A A 4 0 4 0 6 0 r n w h o m c o r r e s p o n d e n c e s h o u l d b e a d e s s ed E m a i i 1 a f t P s i n a c o rn R e c e i v e d o n S e p t 2 9 l 4 维普资讯 HI G H T E C HNO L OG Y I T I ER Sl V o 1 1 2 N o 1 l J a n 2 0 0 6 mo d e l p e r f o r ma n c e i n o r d e r t o m a k e f u r t h e r o p t i mi z a t i o n T h i s p a per w i l l c a r r y o u t d e s i g n s t u d y b y p a r a r a e t r i c a n a l y s i s t o o l s o f AD AMS a n d t h e n p r e s e n t a p p r o p ri a t e w a y s o f o p t i mi z a t i o n t o g e t a l i g h t w e i g h t a n t i s m a l l d e f o rm a t i o n s y s t e m 1 S i mu l a t i o n mo d e l A D A M S A u t o m a t i c D y n a mi c A n a l y s i s 0 f Me c h a n i c a l S y s t e m i s a p e rf e c t s o f twa re t ool f o r d y n a mi c s s i mu l a t i o n o f me c h ani c a l s y s t e m h c a n d e al wi t h mech a n i s m c o n s i s t i n g o f b o t h ri g i d and fl e x i b l e p a r i s S i mu l a t i o n mo d e l o f t h e ma n i p u l a t o r c a n b e c rea t e d i n t h e AD A MS e n v i ron me n t a s s h o w n i n F i g 2 o X Y z i s t h e g l o b a l r e f e r e n c e f r am e a n d o x y z i s l o c a l ref e r e n c e f r am e T w o A C d i rec t d r i v e n mo t o r s e x p r e s s e d a s O1 A a n d 02 M a n d l i n e a r a c t u a t o r C H a r e t rea t e d a s ri g i d b o d y T h e rot o r i n e r t i a o f mo t o r i s 1 2 0 k g e m2 T h e mass o f l i n e a r a c t u a t 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v e l d e f o r ma t i o n o f e n d e ff e e t o r and t h e l i n e a r a c t u a t o r i s s u p port e d b y two i o i n t s C a n d H S o w e c a l c u l a t e t h e d i f f e ren c e o f Z c o 0 rdi n a t e bet we e n poi n t C a n d H A s s h o w n i n F i g 4 t o rsi o n a l c o n s t a n t o f l i n k D E a ff e c t s t h e d i ff e r e n c e the mo s t e ffic i e n t l y N e x t i S bea m G M an d l i n k 13 i n o rde r L i n k O F and b e am G K h a v e t h e l e a s t e f f e c t Th e ref o r e l i n k s AB and D E s h o u l d a d o p t s e c t i o n i o I 聋罟 8 旦d s 量 维普资讯 H I G H T E C H N O I DG Y I Zlq ER S I V o 1 1 2 N o 1 I J a n 2 0 o 6 6 5 w i t h b i g t o r s i o n a l c o n s t a n t t o e n h an c e t h e v e r t i c a l s t i ff n e s s Bi g g e r t o r s i o n al c o n s t an t o f l i n k DE als o c a u s e s l e s s u n e v e n n e s s o f t h e l i n e a r a c t u a t o r De c r e a s i n g t h e u ne v e n n e s s c an r e d u c e t h e l e v e l d e f o rm a t i o n F i g 4 E ff e c t o f t o r s i o n a l c o n s t a n t o n u n e v e n n e s s Wh a t F i g s 5 and 6 s h o w a r e the e f f e c t s o f a r e a Mo me n t s o f i n e r ti a 1 0 S m m 5 E f I c t o f mo me n t s o f i n e r t i a o n v e rt i a l d e f o r ma t i o n Mo m e n t s o f ine rt i a 1 0 mm Hg 6 Eff e c t o f mo me n t s o f i n e r t i a o n u n e v e n n e s s mo me n t o f i n e r t i a o n t h e s t i f f n e s s T h e d e s i g n v ari abl e i s a r e a mo me n t o f i n e rt i a l a n d l z o f e a c h l i n k a n d b e a m F i g 5 s h o w s tha t i n c r e ase o f l w C a r l red u c e t h e v e rt i c al d e f o r ma t i o n n l I r e r a p i d l y t h an i n c rease o f t o r s i o n a l c o n s t a n t T h e o f l i nk AB b e am K M a n 1 l j n k F a r e the t h r e e ma i n f a c t o rs t h a t d e c i d e t h e v e rt i c al s t i ff n e s s F i g 6 s h o w s t h e o f l i n k AB bea m K M and l i n k 0 3 F a r e als o t h e thr e e m a i n f a c t o rs t h a t d e c i d e the u n e v e nn e s s o f t h e l i n e ar a c t u a t o r Di ff e r e n t ana l y s i s s h o w s t h a t h as the l e a s t e ff e c t o n b o th v e rt i c a l a n d l e v e l s t i f f n e s s T h a t me a n s t h i s k i n d o f s t r u c t u r e h as e n o u g h l e v e l s t i f f n e s s S o d e c reasi n g l o f l i n k s an d i n c rea s i n g l o f l i n k A B beam K M and l i n k O s F a r e t h e g o o d w a y s t o o p t i mi z e the s y s t e m 2 2 E ffe c t o f t h e r e l a ti v e p o s i t i o n o f l i n e a r a c t u a t o r Th e i n e rti a o f l i n e a r a c t u a t o r i s o n e o f t h e ma i n l o a d s d u r i n g the mo t i o n o f m an i p u l a t o r D i ff e r e n t r e l a t i v e v e rt i c al p o s i t i o n s h o u l d p r o d u c e d i ff e ren t d e f o rm a t i o n F i g 7 s h o w s t h e a b s o l u t e a v e r a g e v e rt i c a l d i s p l a c e me n t o f e n d e ff e c t o r wh e n t h e d ri v e n mo t o rs r o t a t e a t a c o n s t ant a c c e l e r a t i o n We c a n s e e t h a t t o o l o w o t t oo h i g l r e l a t i v e p 0 s j t i o n wil l c a u s e b i gge r d e f o rm a t i o n T h e bes t pos i t i o n i s a t a b o u t Z 一2 4 mm w h e r e i s a p p r o x i ma t e t h e mi d s t f r o m l i n k AB t o l i nk O s F Fig 7 E ff e c t o f r e l a t i v e p o s i t i o n o f l i n e a r a c t u a t o r 3 Ana l y s i s o f a n i mpr o v e d ma n i p ul a t o r A c c o r d i n g t o a b o v e s i mu l a t i o n res u l t a l l i mp r o v e d ma n i p u l a t o r i s d e s i g n e d LK S f o l l o ws c r o s s s ect i o n s o f l i nk s A B DE l J a r e h o l l o w r e c t a n g l e wit h 3 0 mm b a s e a n d h e i g h t 1 0 mm thi c k n e s s l i n k O 3 F and be am KM are I beam wi t h 3 0 mm b a s e a n d h e i g h t l 0 mm fl ang e and 6 mm we b b e a ms GK GM a r e s o l i d r e c t a n g l e wi t h 8 mm b a s e a n t 3 0 ram h e i g h t T r a p e z o i d al mo t i o n p r o fi l e s s 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ff i c i e n t I n t h i s p a p e r d e s i g n s e n s i t i v i t y s t u d y o f t h e v a r i a b l e o f a n o v e l 3 D OF m a n i p u l a t o r i s c a r r i e d o u t i n A D AMS e n v i ron me n t Th e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s c a n b e d r a w n 1 Th e ma n i p u l a t o r h a s b i g l e v e l s t i f f n e s s 1 1 1 e l e v e l d i s p l a c e me n t o f e n d e f f e c t o r i s ma i n l y c a u s e d b y v e rt i c al d e f o r ma t i o n o f t h e ma n i p u l a t o r Th e ref o re i t i s I I lO re i m port ant t o i n c r e a s e v e rt i c a l s t i f f n e s s t h a n t o i n c rease l e v e l s t i ff n e s s 2 Th e p a r am e t e r s I 1 w an d I o f l i n k s C roS S s e c t i o n h a v e d i ff e ren t e ff ec t o n s t i f f n e s s 1 w h a s t h e g r e a t e s t e f f e c t o n v e rt i c al s t i f f n e s s and i s i n t h e s e c o n d p l a c e h as the l e a s t e f f e c t o n v e rt i c al s t i f f n e s s Al o f t h e m h as l e