The aim of this thesis is the stiffness analysis of cable-driven parallel robots. Cable-driven parallel robots have drawn considerable attention because of their unique abilities and advantages such as the large workspace, light weight of cable actuators, easy disassembly and transportation of the robot. The mobile platform of a cable-driven parallel robot is attached to the base with multiple cables. One of the parameters that should be studied to make sure a robot is able to execute a task accurately is stiffness of the robot. In order to investigate the stiffness behaviour of a robot, the stiffness matrix can be calculated as the first step. Because cables act in tension, keeping the positive tension in cables becomes a challenge. In order to have a fully controllable robot, an actuation redundancy is needed. These complexities are addressed in the thesis and simulations. In this thesis, the complete form of the stiffness matrix is considered without neglecting any terms in calculation of the stiffness. Some stiffness indices such as single-dimensional stiffness based on stiffness ellipse, directional stiffness and condition number of the stiffness matrix are introduced and calculated and stiffness maps of the robot are developed. In addition, the issue of unit inconsistency in calculating the stiffness index is addressed. One of the areas which is also addressed in this thesis is failure analysis based on the stiffness of robot. The effect of the failure in one or more cables or motors is modelled and stiffness maps are developed for the failure situation. It is shown that by changing the anchor position and mobile platform orientation, the lost stiffness after failure of a cable or motor can be retrieved partially. Optimum anchor position and mobile platform orientation are identified to maximize the area of the stiffness map. Condition number of the stiffness matrix while robot is following a trajectory is optimized. In addition, when one cable fails during the path planning, the recovery of the robot is studied. Finally, these analyses on stiffness and failure provide the designer with the necessary and valuable information about the anchor positions and actuator toques. / Thesis (Ph.D, Mechanical and Materials Engineering) -- Queen's University, 2013-04-27 08:47:26.297

Dans cette thèse, un stabilisateur actif est conçu pour être embarqué sur la plate-forme d'un Robot Parallèle à Câbles (RPC) et compenser les vibrations de la plate-forme en produisant un torseur d’effort sur celle-ci. Tout d’abord, une modélisation mécanique de divers dispositifs de stabilisation actifs permet de choisir une solution appropriée à la compensation des vibrations. La solution sélectionnée consiste en un stabilisateur composé de bras en rotation. Ensuite, ce modèle est utilisé pour optimiser la structure du stabilisateur en recherchant quelle disposition de ses bras permet de maximiser la puissance fournie par le stabilisateur à la plate-forme mobile du RPC.Une stratégie de commande est alors proposée pour contrôler le système composé de la plate-forme mobile du RPC et du stabilisateur actif embarqué. Ce système étant constitué de deux parties fonctionnant à des échelles de temps différentes, la théorie de la perturbation singulière est utilisée pour prouver la stabilité de la commande proposée.Enfin, des expériences en simulation permettent de valider l’utilisation d’un stabilisateur actif embarqué pour la compensation des vibrations de la plate-forme mobile d’un RPC et commandé avec la loi de commande proposée dans cette thèse. / In this thesis, an active stabilizer is designed to be embedded on the platform of a Cable-Driven Parallel Robot (CDPR) and to damp vibrations affecting the platform by producing a wrench on it.First, a mechanical modeling of various active stabilization devices allows the choice of an appropriate solution for vibration damping. The selected solution consists of a stabilizer composed of rotating arms. Then, this model is used to optimize the stabilizer structure by looking at which arm arrangement maximizes the power delivered by the stabilizer to the CDPR mobile platform.A control strategy is then proposed for the system consisting of the CDPR mobile platform and the embedded active stabilizer. As this system consists of two parts operating at different time scales, the singular perturbation theory is used to prove the stability of the proposed control.Finally, simulation experiments make it possible to validate the use of an on-board active stabilizer to damp the vibrations of the mobile platform of a CDPR, and controlled with the control law proposed in this thesis.

Cette thèse contribue à l'analyse des raideurs statique et dynamique des robots parallèles à câbles dans un objectif d'amélioration de la précision de positionnement statique et de la précision de suivi de trajectoire. Les modélisations statique et dynamique proposées des câbles considèrent l'effet du poids du câble sur son profil et l'effet de masse du câble sur la dynamique de ce dernier. Sur la base du modèle statique de câble proposé, l'erreur de pose statique au niveau de l'organe terminal du robot est définie et sa variation en fonction de la charge externe appliquée est utilisée pour évaluer la raideur statique globale de la structure. Un nouveau modèle dynamique vibratoire de robots à câbles est proposé en considérant le couplage de la dynamique des câbles avec les vibrations de l'organe terminal. Des validations expérimentales sont réalisées sur des prototypes de robots à câbles. Une série d'expériences de statique, d'analyses modales, d'analyses en régime libre et de suivi de trajectoire sont réalisées. Les modèles statiques et dynamiques proposés sont confirmés. Les dynamiques des câbles et du robot ainsi que leur couplage sont discutées montrant la pertinence des modèles développés pour l’amélioration des performances des robots à câbles en termes de design et le contrôle. Outre l'analyse des raideurs statique et dynamique, les modèles proposés sont appliqués dans l'amélioration du calcul de la distribution des efforts dans les câbles des robots redondants. Une nouvelle méthode de calcul de la distribution des efforts dans les câbles basée sur la détermination de la limite inférieure des forces dans les câbles est présentée. La prise en compte de la dépendance à la position dans l'espace de travail permet de limiter les efforts dans les câbles et ainsi d'améliorer l'efficience des robots d'un point de vue énergétique. / This thesis contributes to the analysis of the static and dynamic stiffness of cable-driven parallel robots (CDPRs) aiming to improve the static positioning accuracy and the trajectory tracking accuracy. The proposed static and dynamic cable modeling considers the effect of cable weight on the cable profile and the effect of cable mass on the cable dynamics. Based on the static cable model, the static pose error of the end-effector is defined and the variation of the end-effector pose error with the external load is used to evaluate the static stiffness of CDPRs. A new dynamic model of CDPRs is proposed with considering the coupling of the cable dynamics and the end-effector vibrations. Experimental validations are carried out on CDPR prototypes. Static experiments, modal experiments, free vibration experiments and trajectory experiments are performed. The proposed static and dynamic models are verified. Cable dynamics, robot dynamics and their coupling are discussed. Results show the relevance of the proposed models on improving the performances of CDPRs in terms of design and control. Besides stiffness analysis, the proposed models are applied on the force distribution of redundant actuated CDPRs. A new method on the calculation of the cable forces is proposed, where the determination of the lower-boundary of the cable forces is presented. The consideration of the pose-dependence of the lower force boundary can minimize the cable forces and improve the energy efficiency of CDPRs.

Cette thèse vise à améliorer le positionnement statique et la précision de suivi de trajectoire des Robots Parallèles à Câbles (RPC) tout en prenant en compte leur élasticité globale. A cet effet, deux stratégies de commandes complémentaires valables pour toute configuration de RPC sont proposées.Tout d'abord, une analyse de robustesse est réalisée pour aboutir à une commande robuste des RPC référencée modèle. Un modèle de RPC approprié est défini en fonction de l'application visée et les principales sources d'erreurs de pose de la plate-forme mobile sont identifiées.Une première méthode de commande est proposée sur la base des résultats de l'analyse de robustesse. Cette première méthode réside dans le couplage d'une commande référencée modèle d’un contrôleur PID.Dans le cadre de cette thèse, un modèle élasto-dynamique de RPC est exprimé afin de compenser le comportement oscillatoire de sa plate-forme mobile dû à l'élongation des câbles et de son comportement dynamique.La deuxième méthode de commande utilise des filtres "input-shaping" dans la commande référencée modèle proposée afin d'annuler les mouvements oscillatoires de la plate-forme mobile. Ainsi, le signal d'entrée est modifié pour que le RPC annule automatiquement les vibrations résiduelles. Les résultats théoriques obtenus sont validés expérimentalement à l'aide d'un prototype de RPC non redondant en actionnement et en configuration suspendue. Les résultats expérimentaux montrent la pertinence des stratégies de commande proposées en termes d'amélioration de la précision de suivi de trajectoire et de réduction des vibrations. / This thesis aims at improving the static positioning and trajectory tracking accuracy of Cable- Driven Parallel Robots (CDPRs) while considering their overall elasticity. Accordingly, two complementary control strategies that are valid for any CDPR configuration are proposed.First, a robustness analysis is performed to lead to a robust model-based control of CDPRs. As a result, an appropriate CDPR model is defined as a function of the targeted application and the main sources of CDPR moving-platforms pose errors are identified.A first control method is determined based on the results of the robustness analysis. This first method lies in the coupling of a model-based feed-forward control scheme for CDPR with a PID feedback controller.Here, an elasto-dynamic model of the CDPR is expressed to compensate the oscillatory motions of its moving-platform due to cable elongations and its dynamic behavior.The second control method uses input-shaping filters into the proposed model-based feed-forward control in order to cancel the oscillatory motions the movingplatform. Thus, the input signal is modified for the CDPR to self-cancel residual vibrations.Experimental validations are performed while using suspended and non-redundant CDPR prototype. The proposed feed-forward model-based control schemes are implemented, and their effectiveness is discussed.Results show the relevance of the proposed control strategies in terms of trajectory tracking accuracy improvement and vibration reduction.

At the beginning of this master’s thesis the definition of types of robots using parallel kinematics are presented, its possibilities of usage and current prototypes are described. The second chapter focuses on the proposal of robot construction and sizing electric and non-electric components of robot hardware. Derivation of direct and inverse transform mechanisms with creating flowcharts of their algorithms are stated in the two following chapters. The state machine controlled from user interface is then programmed based on these flowcharts. At the end of the work, cable-driven robot positioning accuracy is evaluated and platform workspace, together with motion and electric parameters, are measured.