End-effector compliance index for optimizing cable anchor points in redundant cable-driven parallel robots : design, construction, and control for cement based additive manufacturing

Abstract

This thesis presents a Cable-Driven Parallel Robot (CDPR) for additive manufac- turing that has been designed, constructed, and controlled based on an introduced methodology for cable anchor point selection. The design and construction procedure of the CDPR was explained. The designed CDPR is a suspended type and redun- dantly actuated system. The robot comprises various components, including a frame for building the robot, cables connected to the end-effector, pulleys redirecting the cables to the end-effector from winches, winches for controlling cable length, an end- effector for printing, and an electrical panel to house electrical equipment. The cable tensions and stiffness of the end-effector were analyzed to achieve the desired size of the robot. To achieve this, the end-effector compliance index (ECI) was proposed to assess the stiffness of the end-effector within the workspace. This novel index uses cable direction vectors and cable lengths to determine the compliance of the given robot pose. Simulation results led to the development of a relation for obtaining an improved CDPR frame size, applicable to both suspended and constrained type CDPRs. Based on these simulations, a redundantly actuated suspended cable-driven parallel robot was constructed for a 1 m base length print part. Motion tracking ex- periments were conducted to assess the mobility and accuracy of the designed robot. The robot's working accuracy was evaluated by testing various printing paths. The experimental results verified that the developed system can achieve printing with an accuracy margin of less than 0.2%.

Bu tez, kablo bağlantı noktası seçimi için tanıtılan bir metodolojiye dayalı olarak tasarlanmış, inşa edilmiş ve kontrol edilmiş, eklemeli imalat için bir Kabloyla Sürülen Paralel Robot (KSPR) sunmaktadır. KSPR'nin tasarım ve yapım prosedürü açıklanmıştır. Tasarlanan KSPR, askıya alınmış tipte ve artıksıl sınırlandırılmış olarak çalıştırılan bir sistemdir. Robot, robotu inşa etmek için bir çerçeve, son eğleyiciye bağlı kablolar, kabloları vinçlerden son eyleyiciye yönlendiren makaralar, kablo uzunluğunu kontrol etmek için vinçler, baskı için bir son eyleyici ve bir elektrik panosu dahil olmak üzere çeşitli bileşenlerden oluşmaktadır. Robotun istenen boyutunu elde etmek için son eyleyicinin kablo gerilimleri ve kararlılığı analiz edilmiştir. Bunu başarmak için, son eyleyicinin çalışma alanı içindeki kararlılığını değerlendirmek için son eyleyici uyumluluk indeksi (SUİ) önerilmiştir. Bu yeni indeks, verilen robot duruşunun uygunluğunu belirlemek için kablo yönü vektörlerini ve kablo uzunluklarını kullanır. Simülasyon sonuçları, hem askıya alınmış hem de kısıtlanmış tip KSPR'lere uygulanabilen, gelişmiş bir KSPR çerçeve boyutu elde etmek için bir ilişkinin geliştirilmesine yol açmıştır. Bu simülasyonlara dayanarak, 1 m taban uzunluğundaki bir baskı parçası için askıda artıksıl olarak kabloyla sürülen bir paralel robot inşa edilmiştir. Tasarlanan robotun hareketliliğini ve doğruluğunu değerlendirmek için hareket izleme deneyleri yapılmıştır. Robotun çalışma doğruluğu, çeşitli yazdırma yolları test edilerek değerlendirildi Deneysel sonuçlar, geliştirilen sistemin %0,2'den daha düşük bir doğruluk payı ile yazdırmayı başarabildiğini doğrulamıştır.