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Reconfigurable cable driven parallel mechanism

Youssef Khaled Mohamed. (2020). Reconfigurable cable driven parallel mechanism. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Due to the fast growth in industry and in order to reduce manufacturing budget, increase the quality of products and increase the accuracy of manufactured products in addition to assure the safety of workers, people relied on mechanisms for such purposes. Recently, cable driven parallel mechanisms (CDPMs) have attracted much attention due to their many advantages over conventional parallel mechanisms, such as the significantly large workspace and the dynamics capacity. In addition, it has lower mass compared to other parallel mechanisms because of its negligible mass cables compared to the rigid links. In many applications it is required that human interact with machines and robots to achieve tasks precisely and accurately. Therefore, a new domain of scientific research has been introduced, that is human robot interaction, where operators can share the same workspace with robots and machines such as cable driven mechanisms. One of the main requirements due to this interaction that robots should respond to human actions in accurate, harmless way. In addition, the trajectory of the end effector is coming now from the operator and it is very essential that the initial trajectory is kept unchanged to perform tasks such assembly, operating or pick and place while avoiding the cables to interfere with each other or collide with the operator. Accordingly, many issues have been raised such as control, vibrations and stability due the contact between human and robot. Also, one of the most important issues is to guarantee collision free space (to avoid collision between cables and operator and to avoid collisions between cables itself). The aim of this research project is to model, design, analysis and implement reconfigurable six degrees of freedom parallel mechanism driven by eight cables. The main contribution of this work will be as follow. First, develop a nonlinear model and solve the forward and inverse kinematics issue of a fully constrained CDPM given that the attachment points on the rails are moving vertically (conventional cable driven mechanisms have fixed attachment points on the rails) while controlling the cable lengths. Second, the new idea of reconfiguration is then used to avoid interference between cables and between cables and operator limbs in real time by moving one cable’s attachment point on the frame to increase the shortest distance between them while keeping the trajectory of the end effector unchanged. Third, the new proposed approach was tested by creating a simulated intended cable-cable and cable-human interference trajectory, hence detecting and avoiding cable-cable and cable-human collision using the proposed real time reconfiguration while maintaining the initial end effector trajectory. Fourth, study the effect of relocating the attachment points on the constant-orientation wrench feasible workspace of the CDPM.

En raison de la croissance de la demande de produits personnalisés et de la nécessité de réduire les coûts de fabrication tout en augmentant la qualité des produits et en augmentant la personnalisation des produits fabriqués en plus d'assurer la sécurité des travailleurs, les concepteurs se sont appuyés sur des mécanismes robotiques afin d’atteindre ces objectifs. Récemment, les mécanismes parallèles entraînés par câble (MPEC) ont attiré beaucoup d'attention en raison de leurs nombreux avantages par rapport aux mécanismes parallèles conventionnels, tels que l'espace de travail considérablement grand et la capacité dynamique. De plus, ce mécanisme a une masse plus faible par rapport à d'autres mécanismes parallèles en raison de ses câbles de masse négligeable comparativement aux liens rigides. Dans de nombreuses applications, il est nécessaire que l’humain interagisse avec les machines et les robots pour réaliser des tâches avec précision et rapidité. Par conséquent, un nouveau domaine de recherche scientifique a été introduit, à savoir l'interaction humain-robot, où les opérateurs peuvent partager le même espace de travail avec des robots et des machines telles que les mécanismes entraînés par des câbles. L'une des principales exigences en raison de cette interaction que les robots doivent répondre aux actions humaines d'une manière sécuritaire et collaboratif. En conséquence, de nombreux problèmes ont été soulevés tels que la commande et la stabilité dues au contact physique entre l’humain et le robot. Aussi, l'un des enjeux les plus importants est de garantir un espace sans collision (pour éviter les collisions entre des câbles et un opérateur et éviter les collisions entre les câbles entre eux). Le but de ce projet de recherche est de modéliser, concevoir, analyser et mettre en œuvre un mécanisme parallèle reconfigurable à six degrés de liberté entraîné par huit câbles. La principale contribution de ces travaux de recherche est de développer un modèle non linéaire et résolvez le problème de cinématique direct et inverse d'un CDPM entièrement contraint étant donné que les points d'attache sur les rails se déplacent verticalement (les mécanismes entraînés par des câbles conventionnels ont des points d'attache fixes sur les rails) tout en contrôlant les longueurs des câbles. Dans une deuxième étape, l’idée de la reconfiguration est ensuite utilisée pour éviter les interférences entre les câbles et entre les câbles et les membres d’un opérateur en temps réel en déplaçant un point de fixation du câble sur le cadre pour augmenter la distance la plus courte entre eux tout en gardant la trajectoire de l'effecteur terminal inchangée. Troisièmement, la nouvelle approche proposée a été évaluée et testée en créant une trajectoire d'interférence câble-câble et câble-humain simulée, détectant et évitant ainsi les collisions câble-câble et câble-humain en utilisant la reconfiguration en temps réel proposée tout en conservant la trajectoire effectrice finale. Enfin la dernière étape des travaux de recherche consiste à étudiez l'effet du déplacement des points d'attache sur l'espace de travail réalisable du CDPM.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:2020
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:140
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie mécanique
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Otis, Martin J.-D.
Mots-clés:cable interference, cable-driven robot, human robot interaction, parallel mechanism, workspace analysis, reconfigurable fully constrained cable driven parallel mechanism, cable interferences management, cables-human collision management
Déposé le:22 oct. 2020 11:52
Dernière modification:22 oct. 2020 22:27
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