طراحي بهينه چندهدفه ربات‌ موازي-كابلي سه‌بعدي مجهّز به بازوي رباتيك سري

Multi-objective optimization design of spatial cable-driven parallel robot equipped with a serial manipulator

ربات‌هاي موازي-كابلي داراي مزاياي زيادي هستند؛ اما مشكلاتي نظير برخورد كابل‌ها با يكديگر و محيط، عدم استفاده از ساختار مناسب و نياز به تحت كشش بودن كابل‌ها از گسترش آن‌ها جلوگيري مي‌كند. لذا اتصال يك بازوي رباتيك سري به سكوي متحرك آن‌ها، موجب هم‌افزايي در قابليت جابه‌جايي اجسام مي‌گردد. اين مقاله به طراحي بهينه چندهدفه، و بررسي مقايسه‌اي دو ساختار مقيد و معلق از ربات موازي-كابلي سه‌بعدي مي‌پردازد تا با نصب يك بازوي سري قابليت‌هاي كاري يك ربات هيبريد كامل را دارا باشد. جهت بهينه‌سازي از سه دسته معيار فضاي كاري، سختي سينماتيكي و حساسيت استفاده مي‌شود. فضاي كاري از روش نويني محاسبه مي‌گردد كه حاصل تركيب قيدهاي جلوگيري از برخورد كابل‌ها با يكديگر، برخورد كابل‌ها با سكوي متحرك، كنترل ناپذيري و تكين بودن ربات است. ابتدا به بررسي تقريبي نيرو و گشتاور عكس‌العمل بازوي رباتيك سري به سكوي متحرك پرداخته مي‌شود. سپس به بهينه‌سازي چندهدفه با استفاده از الگوريتم بهينه‌سازي تكاملي ژنتيك جهت دستيابي به جبهه پرتو مناسب پرداخته مي‌شود. جبهه پرتو با تقابل و مصالحه سه دسته معيار اصلي به دست مي‌آيد. دو ساختار مقيد و معلق در شرايط كاملاً يكسان و با يك هدف واحد بهينه‌سازي و مقايسه مي‌شوند. نتايج حاصل از اين بهينه‌سازي نشان مي‌دهد در ساختار معلق، انرژي مصرفي جهت حمل مجموعه به‌طور قابل‌توجهي نسبت به ساختار مقيد كاهش‌يافته است. همچنين طبق نتايج شبيه‌سازي ساختار مقيد، فضاي كاري و مهارت بيشتري در مقايسه با ساختار معلق دارد. از اين نتايج در ساخت و توسعه يك نمونه آزمايشگاهي ربات موازي-كابلي سه‌بعدي استفاده‌شده است.

Cable-Driven Parallel Robot has many advantages. However, the problems of cable collision between each other and environment, the lack of proper structure and non-positive cable tension prevent the spread of them. Therefore, connecting a serial manipulator to mobile platform improves the ability of object manipulation. This paper investigates the multi-objective optimization structure design and comparative study of spatial constrained and suspended cable-driven parallel robot. Installed serial manipulators possess a full hybrid robot’s features. The workspace volume, kinematic stiffness and sensitivity are three sets of optimization criteria. The workspace volume is calculated by a novel approach of combination constraints to prevent cables colliding with each other, cable collision with moving platform, uncontrollability and singularity of the robot. First, the range of forces and torque reaction of the serial manipulator to moving platform is examined. Then, the evolutionary optimization genetic algorithm is used for the multi-objective optimization of constrained and suspended spatial cable-driven parallel robot structure to achieve proper Pareto front confrontation. The Pareto front reconciliation of these three criteria will be discussed. The constrained and suspended optimized by the same criteria will be compared in the same conditions. It is confirmed that the constrained structure significantly reduced actuation energy to manipulate a serial robot, supply greater workspace and manipulability. The result of this study used for manufacturing and development of a prototype spatial cable-driven parallel robot (RoboCab).