Nonlinear analysis of high precision construction cable-driven parallel robots

This thesis deals with Cable-Driven Parallel Robots (CDPR) in building construction environments. The costs related to construction sites in high density urban areas are pushing the research towards new robotic solutions. Nevertheless, the strong variability in building characteristics is slowing down the implementation of new automated machines. Cable driven robots may be the winning strategy to increase speed and safety in building construction. However, these parallel robots are sensitive to vibrations induced by external disturbances such as wind or operating tools. A knowledge of robot vibrational modes is mandatory to develop effective and reliable vibration suppression strategies. In the literature, several studies are found where no account is made for a complete cable model. In this work a nonlinear model of a typical CDPR is developed which incorporate cable dynamics. In particular, two cable models of different complexity and accuracy are proposed and compared. The results are validated by comparison with some experimental results relative to the CoGiro cable robot. Moreover, the nonlinear models are linearised to focus on vibrations in a neighbourhood of equilibrium positions. This thesis has been done in cooperation with the Technische Universität München (TUM) at the Chair of Building Realisation and Robotics under the supervision of Professor Thomas Bock. TUM is a member of the Hephaestus project funded by the European research program Horizon 2020.

Questa tesi tratta dell'utilizzo dei Cable-Driven Parallel Robots (CDPR) nel settore dell'edilizia. Gli alti costi dei cantieri in ambiente urbano stanno spingendo la ricerca verso lo sviluppo di nuove soluzioni robotiche che riducano i tempi di costruzione. Tuttavia l'alta variabilità nelle caratteristiche degli edifici sta rallendando l'implementazione di nuove strategie automatiche. L'uso dei cable driven robots potrebbe essere la strategia vincente per aumentare velocità e sicurezza nel settore edilizio. Tuttavia questo particolare tipo di robot paralleli è estremamente sensibile alle vibrazioni indotte da disturbi esterni come l'azione del vento. La conoscenza dei modi di vibrare è un passaggio obbligato per sviluppare nuove e performanti strategie di controllo. La letteratura è caratterizzata da diversi studi che semplificano o trascurano l'effetto dei cavi sulla dinamica del robot. In questo lavoro sono stati sviluppati due modelli non lineari di validità generale che tengono conto della dinamica dei cavi. Nello specifico, i cavi sono stati modellati in due diversi modi caratterizzati da differenti livelli di complessità e accuratezza. Il modello è stato quindi validato confrontando i risultati numerici con i test condotti sul cable robot CoGiro. Inoltre i due modelli sono stati linearizzati per focalizzare lo studio sui modi di vibrare del robot. Questa tesi magistrale è stata portata avanti in cooperazione con la Technische Universität München (TUM) presso the Chair of Building Realisation and Robotics sotto la supervisione del professore Bock Thomas. Il TUM è uno dei partner dell' Hephaestus project finanziato dal programma di ricerca europeo Horizon 2020.