Modelling and control of a 3-rrs parallel manipulator

Abstract

Bu tez çalışmasının amacı Rasim Alizade Mekatronik Laboratuvarı'nda (İzmirYüksek Teknoloji Enstitüsü - Makine Mühendisliği Bölümü) mekanik yapısı hazır bulunanparallel manipülatörün modellenmesi ve denetimidir. Üzerinde çalışılan manipülatörağır yüklerin taşınması için tasarlanmış olan bir hibrit manipülatörün taban kısmıdır.Tezin konusu 3 adet aynı kinematik yapıya sahip bacaktan oluşmus, 3-RRS kinematikzincir yapısına sahip bir paralel manipülatördür. Her bacakta bulunan döner mafsallarıneksenleri birbirine paraleldir. Eşkenar üçgen şekindeki taban ve hareketli platformlarbacakları birleştir. Hareketli platform 3 serbestlik derecine sahiptir: x ve y eksenlerietrafında dönebilir ve z ekseni boyunca öteleme hareketi yapabilir.Manipülatörü modellemek için öncelikle mobilite analizi yapılmıştır. Ardından,kısıt denklemleri kullanılarak bağımlı uç eleman parametreleri bağımsız parametler cinsinden ifade edilmiştir. Daha sonra, kinematik, tekillik ve çalışma uzay analizleri yapılmıştır. Geliştirilmiş formülasyonları doğrulamak için MATLAB/Simulink ortamında hazırlanmış simülasyonlar koşturulmuştur. Formülasyonların doğrulanmasını müteakiben denetim çalışmalarna başlanmştır.Manipülatörün hareketi stepper motorların aktive edilmesiyle denetlenmiştir. Bununiçin iki farklı denetleyici (bir CNC kontrolcü ve PCI kart) kullanılmıştır. İstenen hareketi elde edebilmek için, ters kinematik formülasyonlar kullanılarak, gereken motor hareketi hesaplanmştır. CNC kontrolcü ile trapezoidal hız, PCI kart ile trapezoidal sarsım profilleri oluşturulmuştur. Uygulanan denetimin testi için 3 adet manyetik döner sensör aktif mafsallara,1 adet jiroskop hareketli platforma bağlanmştr.

The focus of this thesis study is to model and control a parallel robot manipulatorlocated in Rasim Alizade Mechatronics Laboratory (Izmir Institute of TechnologyMechanical Engineering Department). The purpose of this robot is to manipulate heavypayloads. It is considered as the base part of a hybrid manipulator.This thesis study deals with a 3-RRS parallel manipulator with 3 identical limbs.Each limb comprises two parallel revolute joint axes. The manipulator has a base anda moving platform which are in the shape of equilateral triangles. The mobile platformof this manipulator has 3-degrees-of-freedom: it can rotate around x- and y-axes andtranslate along the z-axis.To obtain the mathematical model of the parallel manipulator, firstly the mobilityanalysis is performed. Then, a constraint analysis is performed to obtain the dependentpose parameters of the moving platform in terms of the independent parameters.Following that kinematic, singularity, workspace and inverse dynamic analyses are performed. To validate the mathematical model of the PM, several simulations are run inMATLAB/Simulink R environment. Once the mathematical model is validated, the controlstudies are carried out.The motion of the 3-RRS PM is controlled by activating stepper motors with twodifferent controllers (a CNC controller and a PCI card). To obtain a desired motion ofthe moving platform, firstly the desired task space coordinates of the moving platformare transformed into joint space coordinates using inverse kinematics. With the CNCcontroller a trapezoidal velocity, with the PCI card a trapezoidal jerk profile is generated.To test the control over the PM, 3 magnetic encoders are attached to the shafts of inputlinks at each limb. Furthermore, a 3-axis gyroscope is attached to the center of the movingplatform to track its rotational trajectory.