Kinematic analysis of a novel 5-DOF Delta-type parallel robot

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Nowadays, various Delta-type robots are widely used in many technological fields. In this work, we propose a novel 5-DOF Delta-type parallel robot with four linear and one rotational actuators. The major part of the article is devoted to the kinematic analysis of the robot, including solving its inverse and forward kinematic problems. To demonstrate the developed techniques, we consider two numerical examples. In the first one, we solve the inverse kinematics and determine the actuator displacements required to realize a spatial trajectory of the output link. The forward kinematic analysis, presented in the second example, results in six different assembly modes of the robot for the given set of the actuator displacements. The proposed algorithms represent the basis for subsequent velocity, acceleration, and dynamic analysis of the robot, and they can be adapted to other Delta-type parallel robots.

About the authors

A. V. Antonov

Mechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: antonov.av@imash.ru
Russian Federation, Moscow

P. A. Laryushkin

Bauman Moscow State Technical University

Email: pav.and.lar@gmail.com
Russian Federation, Moscow

A. S. Fomin

Mechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: alexey-nvkz@mail.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Clavel R. Device for displacing and positioning an element in space. 1987. International Patent, № WO 87/03528. https://patents.google.com/patent/WO1987003528A1
  2. Zobel P.B., Di Stefano P., Raparelli T. The design of a 3 dof parallel robot with pneumatic drives // Proceedings of the 27th International Symposium on Industrial Robots. Milan. 1996. P. 707–710. https://scholar.google.com/scholar?cluster=3056625163939636285
  3. Wurst K.-H. LINAPOD – Machine tools as parallel link systems based on a modular design // Parallel Kinematic Machines. London: Springer. 1999. P. 377–394. https://doi.org/10.1007/978-1-4471-0885-6_27
  4. Bouri M., Clavel R. The linear Delta: developments and applications // Proceedings of the ISR 2010 (41st International Symposium on Robotics) and ROBOTIK 2010 (6th German Conference on Robotics). Munich: VDE. 2010. P. 1–8. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/5756938
  5. Miller K. Synthesis of a manipulator of the new UWA robot // Proceedings of the Australian Conference on Robotics and Automation. Brisbane. 1999. P. 228–233. https://scholar.google.com/scholar?cluster=8043028388201036794
  6. De Bie P.P. Load handling robot with three single degree of freedom actuators. 2014. US Patent Application, № 2014/0230594 A1. https://patents.google.com/patent/US20140230594A1
  7. Tsumaki Y., Eguchi H., Tadakuma R. A novel Delta-type parallel mechanism with wire-pulleys // Proceedings of the 2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Vilamoura-Algarve: IEEE. 2012. P. 1567–1572. https://doi.org/10.1109/IROS.2012.6385588
  8. Pierrot F., Company O. H4: a new family of 4-DOF parallel robots // Proceedings of the 1999 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics. Atlanta: IEEE. 1999. P. 508–513. https://doi.org/10.1109/AIM.1999.803222
  9. Krut S., Benoit M., Ota H., Pierrot F. I4: a new parallel mechanism for Scara motions // Proceedings of the 2003 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Taipei: IEEE. 2003. V. 2. P. 1875–1880. https://doi.org/10.1109/ROBOT.2003.1241868
  10. Nabat V., De la O Rodriguez M., Company O. et al. Par4: very high speed parallel robot for pick-and-place // Proceedings of the 2005 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Edmonton: IEEE. 2005. P. 553–558. https://doi.org/10.1109/IROS.2005.1545143
  11. Huang T., Li Z., Li M. et al. Conceptual design and dimensional synthesis of a novel 2-DOF translational parallel robot for pick-and-place operations // J. Mech. Des. 2004. V. 126. № 3. P. 449–455. https://doi.org/10.1115/1.1711822
  12. Wu Y., Yang Z., Fu Z. et al. Kinematics and dynamics analysis of a novel five-degrees-of-freedom hybrid robot // Int. J. Adv. Rob. Sys. 2017. V. 14. № 3. https://doi.org/10.1177/1729881417716634
  13. Vulliez M., Zeghloul S., Khatib O. Design strategy and issues of the Delthaptic, a new 6-DOF parallel haptic device // Mech. Mach. Theory. 2018. V. 128. P. 395–411. https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2018.06.015
  14. Uchiyama M., Tsumaki Y., Yoon W.-K. Design of a compact 6-DOF haptic device to use parallel mechanisms // Robotics Research. Berlin-Heidelberg: Springer. 2007. P. 145–162. https://doi.org/10.1007/978-3-540-48113-3_14
  15. Clavel R. Conception d’un robot parallèle rapide à 4 degrés de liberté: PhD thesis / EPFL. Lausanne. 1991. https://doi.org/10.5075/epfl-thesis-925
  16. Laryushkin P., Fomin A., Antonov A. Kinematic and singularity analysis of a 4-DOF Delta-type parallel robot // J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng. 2023. V. 45. № 4. P. 218. https://doi.org/10.1007/s40430-023-04128-7
  17. Wang G., Qi Z. Approximate determination of the joint reaction forces in the drive system with double universal joints // Proc. Inst. Mech. Eng. Part C J. Mech. Eng. Sci. 2017. V. 232. № 7. P. 1191–1207. https://doi.org/10.1177/0954406217702681
  18. Strang G. Introduction to Linear Algebra. 6th ed. Wellesley: Wellesley-Cambridge Press. 2023. https://scholar.google.com/scholar?cluster=13285834974906872344

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Development of parallel structure robots of the Delta type: (a) the original structure with three degrees of freedom [15]; (b) the modified structure with four degrees of freedom [16]; (c) the new structure with five degrees of freedom

Download (100KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. The studied five-motion robot of the parallel structure of the “Delta” type: (a) designations of links; (b) coordinate systems and kinematic designations

Download (132KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Trajectory of the robot output link motion when solving the inverse kinematics problem (coordinates x, y and z in meters)

Download (134KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Solution of the inverse kinematics problem (parameters ℎ1, …, ℎ4 in meters, α1 in radians)

Download (121KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Six robot configurations corresponding to six different solutions of the direct kinematics problem (Table 1); the central chain is hidden for clarity.

Download (148KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».