Dynamics of cable-driven parallel robots with elastic and flexible, time-varying length cables

Abstract

Cable-driven parallel robots are a special class of parallel manipulators with prismatic rigid-link actuators replaced by flexible and elastic fiber cables. However, this in nature simple replacement of motion and force transmitting components, results in drastic implications on the kinematics and dynamics of such robots. Not only are cables noticeably lighter than their rigid-link counterparts, but they are also more elastic and flexible which becomes very apparent when spanning a cable between two points: cable sag is induced by the cable’s own weight, a behavior that cannot be compensated for completely. Incommodiously, these two properties - elasticity and flexibility - of fiber cables makes operating cable-driven parallel robots more involved than anticipated from their rigidlink counterparts and is still an active research field. In this thesis, particular focus is placed on the dynamics of cable-driven parallel robots under explicit consideration of cables and their spatial and axial dynamics. For the purpose of designing and controlling cable robots, we derive a full multibody model of cable robots describing spatial cable motion by means of Cosserat rod theory. Borrowed from classical mechanics, Cosserat rods capture large elastic deformations such as strain and bending allowing for describing motion of cables in space. The equations of motion are discretized using Rayleigh-Ritz’s approach to turn the continuum “cable” into a finite-dimensional model. Reference for evaluation of the cable and robot model are classical beam theory much like well-established methods of cable robot kinetostatics and of cable force distribution calculations. Numerical results of the robot dynamics are obtained with an energy and momentum conserving mechanical integrator for constrained multibody systems. Axial stress-strain dynamics of fiber cables show hysteretic and nonlinear behavior which cannot be represented by a purely linear spring. We propose theoretically and investigate experimentally an analogous model based on multiple springs and dampers, that captures hysteretic behavior and stress relaxation well. Its elastic and viscous material parameters are estimated using transfer function identification. Both contributions provide valid models for further considerations in modeling, simulation, and control of cable-driven parallel robots.

Parallele Seilroboter sind eine spezielle Ausführung paralleler Manipulatoren, bei denen prismatische Antriebe durch elastische und flexible Kunststofffaserseile ersetzt werden. Das Ersetzen der bewegungs- und kraftübertragenden Komponenten impliziert jedoch drastische Auswirkungen auf Kinematik und Dynamik der Roboter. Seile sind nicht nur spürbar leichter als prismatische Antriebe, sie sind auch elastischer und flexibler, was sich beim Spannen eines Seils zwischen zwei Punkten zeigt: Seildurchhang durch Eigengewicht des Seils ist unvermeidbar. Beide Eigenschaften - Elastizität und Flexibilität - von Faserseilen machen den Betrieb von Seilrobotern herausfordernder als von Manipulatoren mit starren Antrieben bekannt. In dieser Arbeit wird besonderer Fokus auf die Dynamik paralleler Seilroboter gelegt, unter expliziter Berücksichtigung der Seile und ihrer räumlichen und axialen Dynamik. Für Entwurf und Steuerung dieser Roboter wird ein vollständiges Mehrkörpermodell aus Plattform und Seilen hergeleitet, welches die räumliche Seilbewegung durch die Cosserat-Balkentheorie beschreibt. Auf Basis dieser Theorie der klassischen Mechanik können große elastische Verformungen wie Dehnung und Biegung beschrieben werden, was ein Formulieren der Seilbewegung im Raum ermöglicht. Bewegungsgleichungen werden mittels Rayleigh-Ritz-Ansatz diskretisiert, um das Kontinuum “Seil” in eine endlich-dimensionale Form zu überführen. Referenzmodell zur Bewertung der Güte des Seil- und Robotermodells ist die klassische Balkentheorie ebenso wie etablierte Methoden der Roboterkinetostatik und der Seilkraftverteilungsalgorithmen. Numerische Ergebnisse der Roboterdynamik erfolgt mit einem energie- und impulserhaltenden mechanischen Integrator für Mehrkörpersysteme. Die axiale Seildynamik, d. h. Kraft und Dehnung, von Kunststofffaserseilen zeigt hysteretisches und nichtlineares Verhalten auf, das durch eine rein lineare Feder nicht dargestellt werden kann. Ein analoges Kraftdehungsmodell wird auf Basis experimenteller Untersuchungen entwickelt, welches auf mehreren Federn und Dämpfern basiert und das hysteretische Verhalten und die auftretende Spannungsrelaxation gut erfasst. Elastische und viskose Materialparameter werden durch die Identifikation der Übertragungsfunktion bestimmt. Beide Beiträge liefern gültige Modelle zum Einsatz in der Modellierung, Simulation und Steuerung paralleler Seilroboter.