Kinematic and Dynamical Modelling for Control of a Parallel Robot-based Surveillance/Sentry Device

Modelado cinemático y dinámico para el control de un dispositivo de vigilancia / centinela basado en robot paralelo

Contribuimos con un sistema de vigilancia y defensa basado en un manipulador paralelo 3SPS-1S. La pata de restricción central del mecanismo aumenta la rigidez del sistema y obliga al manipulador a tener tres grados de libertad de rotación pura. La determinación de la cinemática inversa es trivial, pero la resolución de la cinemática directa se realiza mediante un enfoque numérico-geométrico que obtiene una solución única a través de redes neuronales artificiales (ANN) y el método de Newton-Raphson. Se calcula un espacio de trabajo optimizado con un algoritmo genético (GA) y también se calculan las singularidades. La dinámica inversa y hacia adelante del manipulador también se resuelve con fines de control. Se presentan tres diseños diferentes: uno es un controlador PID clásico y los otros dos son controladores PD difusos. Uno de ellos funciona en modo deslizante.

1. Introducción

Los manipuladores paralelos han recibido mucha atención por parte de los investigadores en las últimas dos décadas, debido a las ventajas que presentan sobre sus homólogos en serie, como una mayor precisión, una mayor relación capacidad de carga/masa del robot y una mayor rigidez. Los investigadores se han interesado por los robots paralelos con menos de seis grados de libertad (DOF), porque en algunas aplicaciones no es necesario poder mover y girar el efector final en todas las direcciones, y el uso de menos de seis manipuladores DOF disminuye los costos. Tres manipuladores esféricos DOF, también conocidos como muñecas paralelas, pueden ser utilizados como una alternativa a las muñecas con tres articulaciones revolventes para aplicaciones donde hay necesidad de orientar algo. La nomenclatura de ese robot paralelo se basa en los tipos de articulaciones que constituyen el mecanismo. Así, 3SPS-1S significa que nuestro manipulador tiene tres extremidades, cada una de las cuales consiste en una articulación esférica (S) más una prismática (P) más una esférica (S). Además, un miembro central que se mueve por medio de otra articulación esférica (S) forma parte de la estructura (ver Fig. 1). Se han estudiado las muñecas paralelas con y sin limitación. Los manipuladores paralelos demasiado restringidos en robots basados en articulaciones rotacionales (R), como el manipulador 3-RRR de Gosselin [1], tienen la ventaja de realizar siempre movimientos esféricos; sin embargo, cuando se producen errores geométricos, sufren grandes cargas internas y a veces pueden atascarse [2]. Las muñecas paralelas que no están demasiado apretadas pueden dividirse en dos grupos. El primer grupo consiste en mecanismos que sólo tienen movimientos esféricos si se cumplen algunas condiciones geométricas [3-5]. El segundo grupo tiene la base y la plataforma unidas directamente por una junta esférica [7] que obliga al manipulador a girar a su alrededor. Los manipuladores del primer grupo tienen configuraciones singulares que deben evitarse durante el movimiento del mecanismo, ya que de lo contrario pueden perder su movimiento esférico puro y obtener algunos movimientos de traslación [2, 6]; además, el movimiento esférico depende en gran medida de la correcta fabricación y montaje de cada pieza; los errores en estos procesos pueden dar lugar a movimientos no esféricos de la plataforma.