Experimental design and control of a suspended cable driven parallel robot

The aim of this thesis is the development and the experimental realization of an under-constrained suspended Cable Driven Parallel Robot (CDPR), starting from the necessary design and verification of the hardware to the development of real time control architectures. More specifically, the design has been accomplished according to given dynamic requirements and physical constraints. The resulting CDPR is made of 2 winches with a translational threaded drum, which assures an accurate uncoiled cable length estimation. The other end of the cables is attached to an End-Effector (EE), which is able to move between the winches. Due to the system flexibility and lack of controllability in the plane, the EE motion suffers from unwanted oscillations which can be critical for engineering applications. For this reason, an inverse geometricstatic analysis of the CDPR workspace and a model, which accounts for end-effector, actuators and flexible cables dynamics, are proposed and used to study the system dynamics. To this end, cables are discretized according to a lumped parameters approximation, while the equations of motion of the system are obtained coupling the cable model to the EE dynamics through a multibody approach. The model is validated comparing numerical and experimental frequency responses of the EE under hammering excitation, in different positions of the available workspace. After, a feed-back Independent Joints Control approach (IJC) and feed-forward Input Shaping (IS) are proposed (and experimentally realized) for simultaneously trajectory tracking and vibration reduction.

Lo scopo di questa tesi è lo sviluppo e la realizzazione sperimentale di un manipolatore parallelo sotto vincolato movimentato per mezzo di cavi (CDPR), partendo dalla progettazione e verifica dei componenti necessari all’ implementazione di architetture di controllo in tempo reale. Nello specifico, il design è stato realizzato considerando determinati requisiti dinamici e cinematici. Il CDPR risultante è composto da due argani con un tamburo filettato traslante, che assicura una stima accurata e lineare della lunghezza del cavo avvolto. L’ altra estremità di ciascun cavo è quindi collegati a una piattaforma mobile (End-Effector), in grado di spostarsi tra gli argani. A causa della flessibilità dei cavi e della ridotta controllabilità dell’ EE nel piano, la piattaforma mobile può essere soggetta ad oscillazioni indesiderate, causandone criticità nelle applicazioni ingegneristiche. Per questo motivo, un’ analisi geometrico-statica dell’ area di lavoro del CDPR e un modello, che comprende la dinamica della piattaforma mobile, degli attuatori e dei cavi flessibili, sono proposti al fine di studiare la dinamica dell’intero sistema. A tal fine, i cavi sono discretizzati secondo un approccio a parametri concentrati, mentre le equazioni di moto del sistema sono ottenute accoppiando il modello dei cavi alla dinamica della piattaforma mobile nel piano attraverso un approccio multibody. Il modello risultante è stato validato confrontando le risposte numeriche e sperimentali del sistema attraverso eccitazioni impulsive, tramite martello strumentato, in diversi punti dell’ area di lavoro del CDPR. Successivamente, una strategia di controllo retroazionata denominata “Independent Joint Control” (IJC), unita ad una in anello aperto, “Input Shaping” (IS), sono proposte (e realizzate sperimentalmente) per il tracciamento della traiettoria desiderata e la simultanea riduzione delle vibrazioni.