Kinematic and dynamic analysis of a curved link robot arm

Abstract

Robotik çalışmalarda cisimlerin uzaydaki konumları ve yönelimleri ele alınmaktadır. Robot sistemleri, robot kolları, robotun ilişkide olduğu cisimler, kontrol sistemleri, algılayıcı sistemlerden oluşmaktadır. Konum ve yönelim özelliklerinin genel olarak ele alındığı robotik sistemlerde, bu değerleri tanımlayabilmek için matematiksel modellemelerden faydalanılır. Manipülatör, eklemlerle birbirine bağlanmış, rijid uzuvların açık uçlu kinematik zinciri olarak kabul edilir. Zincirin bir ucu yere bağlı iken diğer ucu sonlandırıcıya bağlıdır. Sonuçta bu yapının hareketi, her bir uzvun diğerine göre hareketlerinin toplamından oluşturulur. Bu hesaplamalarda rijid bir cismin uzaydaki konumunu ve yönelimini belirtmek amacıyla dönme matrisi ve öteleme vektörü oluşturulur. Manipülatörler bulundurdukları eklem tiplerine göre genel olarak kartezyen, silindirik, küresel ve eklemli (articulated) olmak üzere, çalışma uzayları da göz önünde bulundurularak sınıflandırılırlar. Bahsi geçen bu tip manipülatörlerde uzuvlar genelde düz profillerden seçilmektedirler. Bu çalışmada genel uzuv tiplerinden farklı olarak eğri uzva sahip ve bütün eklemleri döner tip olan bir manipülatörün kinematik ve dinamik denklemleri hesaplanmıştır. Eğri uzva sahip manipülatör, birbirinin aynı üç adet uzuv ve döner tip eklemlerden oluşmaktadır. Bu özellikleriyle manipülatör, eşdeğerlerinden farklı olarak modüler bir yapısal özellik kazanmaktadır. Çalışma uzayında hareket yeteneği tez çalışması boyunca ele alınan çeşitli simülasyonlarla incelenmiş, düzlemsel ve üç boyutlu hareketlerdeki yeteneği, cisimlere her noktadan yaklaşabilme özelliği, boyutlarından daha geniş bir çalışma uzayına sahip olması ile avantajları, kompleks bir ters kinematiğe sahip olmasıyla dezavantajları ele alınmıştır. Manipülatörün modüler bir yapıya sahip olması vurgulanmıştır. The study of robotics is concerned with the position and the orientation of objects in three-dimensional space. Robotic systems are consist of robot arms, tools which it deals, control systems and recognition systems. At a crude but important level, the objects in the system are described by just two attributes: their position and their orientation. Naturally, one topic of immediate interest is the manner in which we represent these quantities and manipulate them mathematically. Manipulators consist of nearly rigid links, which are connected with joints that allow relative motion of neighboring links. These joints are usually instrumented with position sensors, which allow the relative position of neighboring links to be measured. In order to define the position and the orientation of a rigid body in the space a rotational matrix and a transformation vector is needed to be determined. Several types of arm mechanisms can be listed as; the cartesian type, the cylindrical type, the spherical type, and the articulated type robot manipulators. The conventional link types are generally rigid plain rods, which are used in these kinds of manipulators. In this study, the kinematic and dynamic analysis of the robot arm which is designed with curved links and revolute joints are examined. The curved link robot arm is selected to be design with three identical curved links and three revolute joints. With these properties the robot arm gained a modular design capability. The flexibility of the robot arm is examined with the simulations and ability to follow the planar and the three dimensional trajectories are demonstrated. The curved link robot arm has advantages of covering a large work space relative to volume of robots, and having an ability to reach over and under the objects, while having a complex inverse kinematic as a drawback. The modularity of the curve link robot arm is the most important property that was examined.