تحلیل سینماتیک و فضای کاری یک مفصل فعال نوین با بهره گیری از مکانیزم موازی کابلی

در این مقاله ساختار یک مکانیزم مفصل فعال نوین شش درجه آزادی با بهره گیری از مکانیزم های موازی کابلی طراحی، تحلیل و ارائه می شود. این مفصل از دو قاب ثابت و متحرک تشکیل شده است و برخلاف تمامی مکانیزم های موازی کابلی رایج، در اینجا برای اولین بار، قاب بیرونی متحرک و قاب داخلی ثابت در نظر گرفته شده است. قاب متحرک توسط 8 کابل تحت کشش به قاب ثابت متصل شده است و با تغییر نیروی کششی و طول کابل ها حرکت می کند. این ساختار کاملا جدید امکان بکارگیری در مکانیزم مچ، بالانس های نیرو، رابط های هاپتیک و غیره فراهم می سازد. از آنجا که مکانیزم موازی یک سیستم حلقه بسته است و معادلات آن نسبت به متغیرهای فضای دکارتی قابل جداسازی نیستند، سینماتیک مستقیم آن به راحتی و به صورت تحلیلی قابل حل نیست. برای حل سینماتیک مستقیم مکانیزم های موازی تاکنون روش های متعددی از جمله روش‌های بهینه‌سازی و عددی ارائه شده است که در اینجا روش عددی نیوتن رافسون بکار گرفته شده است. به علت خاصیت ذاتی، کابل ها باید همواره تحت کشش قرار داشته باشند. برای این منظور یک الگوریتم بهینه سازی مقدار کشش، ارائه شده است و با حل این الگوریتم برای تمامی موقعیت های ممکن قاب متحرک، فضای کاری مکانیزم بدست آمده است. نتایج بدست آمده نشان می دهد روش نیوتن رافسون دارای سرعت همگرایی مناسبی بوده و الگوریتم کشش به خوبی قادر است نیروهای کابل ها را در بازه دلخواه تعیین کند.

Design and Kinematics Analysis of a Novel Cable Driven Parallel Active Joint

Cable driven parallel mechanisms have a vast range of advantages and application due to their minimal mass and inertial effects. Normally they consist an outer fixed frame and an inner mobile platform. In this paper, a completely novel configuration of these mechanisms has been presented. In this configuration outer frame is considered as mobile platform and inner frame has been fixed. The mobile frame is attached to the fixed frame by the 8 cables and moves through the tensioning and lengthening of the cables. This new structure can be applied to the wrist mechanism, motion simulators, power balances, haptic interfaces, and etc. Since the parallel mechanism is a closed system, forward kinematics cannot be solved analytically. Several methods can be used to solve the forward kinematic of parallel mechanisms, including numerical optimization methods, in which the NewtonRaphson numerical method is used here. cables must always be in tension. Hence, a tension optimization algorithm is presented and, by solving this algorithm for all possible positions, the workspace of the mechanism is obtained. The results show that the NewtonRaphson method has an appropriate convergence rate and the tension algorithm is capable of determining the forces of the cables in the desired range.