Task Optimization of Functionally Redundant Parallel Kinematics Machines

Nowadays, the use of industrial robots is increasingly popular because of their versatility. Frequently, these manipulators have a full ability to position and to orient the end-effector so as to cover a more varied range of tasks to be performed. However, there is a large class of industrial tasks in which the orientation of the terminal in one direction makes no influence to the achievement of the task, e.g. in milling, welding and deburring operations. Clearly this implies a redundancy situation between the manipulator and the task at hand, leading to the question: which orientation along this axis should the end-effector take during the task? Redundancy is a potential and the need for better performances has recently driven research into the formulation of the questions in an optimization problem and the subsequent resolution by means of algorithms. In the definition of the problem, we entrust to an objective function, often linked to indices that quantify the kinematic-static or dynamic performances of the robot and which depend on the posture assumed by the manipulator. The main subject of the thesis is functional redundancy which, so far, has involved serial manipulators; although the extension of the theories to the parallel kinematic machines (PKM) class is often deducted, a comprehensive study is missing. PKM are known to have strengths like higher rigidity, precision and load capacity than serial robots, features that make them more attractive for machining purposes. This thesis addresses the formulation and the resolution of the optimization problem to and the best posture of PKM in functional redundancy situations. The focus is on a particular class of parallel robots, able to the pure rotation of their mobile platform, and it allows to detect the advantages related to the particular architecture that they share. The topic is then extended to the optimal planning of pointing trajectories, with special emphasis on manufacturing tasks.

Ad oggi, l'impiego di robot industriali è sempre più diffuso per via della loro versatilità. Spesso tali macchine hanno una completa abilità nel posizionare e orientare il terminale in modo da coprire un campo di compiti da eseguire più variegato. Tuttavia esiste una vasta classe di compiti industriali che rendono ininfluente, al fine della realizzazione del compito, l'orientamento del terminale in una direzione, come ad esempio le operazioni di fresatura, saldatura e sgrossatura. Chiaramente questo implica una situazione di ridondanza tra robot e compito da eseguire, che porta alla domanda: quale orientamento attorno tale direzione conviene far adottare al terminale? La ridondanza costituisce un potenziale e l'esigenza di risultati sempre più stingenti ha guidato la ricerca verso la formulazione di tale domanda in un problema di ottimizzazione, trovando risposta nella sua successiva risoluzione. Nella definizione del problema ci si affida ad una funzione obiettivo spesso legata ad indici che quantificano le prestazioni del robot e che dipendono dalla configurazione assunta. L'argomento principale della tesi è la ridondanza funzionale che finora ha coinvolto i manipolatori seriali; nonostante l'estensione di queste teorie alla classe dei robot paralleli sia spesso dedotta, uno studio esaustivo non è ancora presente. I robot paralleli sono conosciuti per avere alta rigidezza, precisione e capacità di carico, caratteristiche che le rendono allettanti per le lavorazioni meccaniche. La tesi affronta la scrittura e la risoluzione numerica del problema di ottimizzazione per individuare la configurazione migliore di manipolatori paralleli in situazioni di ridondanza funzionale. Lo studio ha come oggetto la classe di robot paralleli il cui terminale può puramente ruotare per mettere in luce i vantaggi legati alla loro architettura; il problema viene esteso fino alla pianificazione ottima di traiettorie di puntamento con speciale enfasi sui compiti manifatturieri.