Reconfiguration of a parallel kinematic manipulator with 2T2R motions for avoiding singularities through minimizing actuator forces

要約

この論文は、負傷した膝の診断とリハビリテーションのタスクに取り組むために設計された 4 つの自由度 (DoF) を持つ平行運動学マニピュレーター (PKM) の再構成のアプローチを開発することを目的としています。
4-DoF マニピュレータの元のレイアウトでは、ワークスペース内に Type-II の特異構成が表示されます。
したがって、我々は、典型的なリハビリテーション軌道中にそのような特異点（PKM の順ヤコビアンによる）を回避するためにマニピュレータを再構成することを提案しました。
設計変数が固定プラットフォームと移動プラットフォーム上のロボットの四肢の固定点に対応する最小化問題を通じて、PKM の再構成を実現します。
目的関数は、特定の軌道に対してアクチュエータによって加えられる力の最小化に依存します。
最小化問題では、タイプ II の特異点を回避するための制約方程式が考慮され、特定のパスに対するアクティブな一般化座標の実現可能性が保証されます。
提案された概念戦略を評価するために、固定プラットフォームと移動プラットフォームに開けられた穴にアンカーポイントの位置を移動することによって再構成が発生するプロトタイプを構築します。
いくつかの研究ケースのシミュレーションと実験により、戦略のパフォーマンスをテストできます。
結果は、再構成戦略により、タイプ II の特異点を持たずに最小の作動力を持つ軌道を取得できることを示しています。

要約(オリジナル)

This paper aims to develop an approach for the reconfiguration of a parallel kinematic manipulator (PKM) with four degrees of freedom (DoF) designed to tackle tasks of diagnosis and rehabilitation in an injured knee. The original layout of the 4-DoF manipulator presents Type-II singular configurations within its workspace. Thus, we proposed to reconfigure the manipulator to avoid such singularities (owing to the Forward Jacobian of the PKM) during typical rehabilitation trajectories. We achieve the reconfiguration of the PKM through a minimization problem where the design variables correspond to the anchoring points of the robot limbs on fixed and mobile platforms. The objective function relies on the minimization of the forces exerted by the actuators for a specific trajectory. The minimization problem considers constraint equations to avoid Type-II singularities, which guarantee the feasibility of the active generalized coordinates for a particular path. To evaluate the proposed conceptual strategy, we build a prototype where reconfiguration occurs by moving the position of the anchoring points to holes bored in the fixed and mobile platforms. Simulations and experiments of several study cases enable testing the strategy performance. The results show that the reconfiguration strategy allows obtaining trajectories having minimum actuation forces without Type-II singularities.

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