Design improvement and modal analysis of a 6 DoFs parallel kinematic dynamic robot

The Growing demand for high-fidelity motion reproduction in automotive, aerospace, civil engineering, and related fields has accelerated the development of advanced motion simulators, essential for training, human‑response studies, autonomous‑vehicle validation, seismic testing, and robotics platforms. In this context, Parallel Kinematic Machines (PKMs) represent a suitable solution thanks to their high structural stiffness, positioning accuracy, and dynamic performance. However, their Complex kinematic chains, configuration-dependent structural behaviour, singularities, joint compliance, and payload-induced inertia introduces major design and dynamic challenges that complicate both structural optimisation and modal characterisation. As a result, achieving high dynamic performance while ensuring stability across the workspace remains a demanding task. This thesis investigates and improves the dynamic performance of a 6-DoF PKM intended for motion simulation. Experimental analysis of the initial prototype revealed that the fundamental natural frequency approached the lower bound of the required operational bandwidth, limiting the system’s ability to accurately track high-acceleration commands. Increasing structural stiffness — and thus the fundamental frequency — therefore became a primary design objective, not only to ensure operational safety but more importantly to enable a wider operational workspace and more demanding dynamic trajectories. The study begins with kinematic modelling to determine joint positions from the platform pose, followed by a redesign phase based on finite element modal analysis to improve global rigidity while maintaining manufacturability and mass constraints. The improved design is subsequently implemented in a flexible multibody model, and an automated parametric simulation framework is developed to evaluate the configuration-dependent dynamic response across 43 operational poses. For each configuration, eigenvalue analyses are performed and vibration modes are extracted. Reliability of numerical predictions are validated through an Experimental Modal Analysis campaign, enabling the assessment of modelling assumptions and quantification of the achieved increase in fundamental frequency. By combining structural redesign, configuration-dependent modal analysis, and experimental validation, this work establishes a structured methodology for improving and characterising the dynamic performance of large-scale PKMs.

La crescente domanda di riproduzione del moto ad alta fedeltà nei settori automobilistico, aerospaziale, dell’ingegneria civile e in ambiti affini ha accelerato lo sviluppo di simulatori di movimento avanzati, essenziali per la formazione, gli studi sulla risposta umana, la validazione dei veicoli autonomi, le prove sismiche e le piattaforme robotiche. In questo contesto, le Parallel Kinematic Machines (PKM) rappresentano una soluzione adeguata grazie alla loro elevata rigidezza strutturale, precisione di posizionamento e prestazioni dinamiche. Tuttavia, le loro complesse catene cinematiche, il comportamento strutturale dipendente dalla configurazione, le singolarità, la cedevolezza degli attuatori e l’inerzia indotta dal carico introducono importanti sfide progettuali e dinamiche che complicano sia l’ottimizzazione strutturale sia la caratterizzazione modale. Di conseguenza, ottenere elevate prestazioni dinamiche garantendo al contempo la stabilità sull’intero spazio di lavoro rimane un compito molto richiesto. Questa tesi analizza e migliora le prestazioni dinamiche di una PKM a 6 gradi di libertà destinata alla simulazione di movimento. L’analisi sperimentale del prototipo iniziale ha mostrato che la frequenza naturale fondamentale si avvicinava al limite inferiore della banda operativa richiesta, limitando la capacità del sistema di seguire accuratamente comandi ad alta accelerazione. L’aumento della rigidezza strutturale — e quindi della frequenza fondamentale — è quindi diventato un obiettivo progettuale primario, non solo per garantire la sicurezza operativa, ma soprattutto per consentire uno spazio di lavoro più ampio e traiettorie dinamiche più impegnative. Lo studio inizia con la modellazione cinematica per determinare le posizioni degli attuatori a partire dalla posa della piattaforma, seguita da una fase di riprogettazione basata su analisi modale agli elementi finiti per migliorare la rigidezza globale mantenendo i vincoli di producibilità e massa. La configurazione migliorata viene successivamente implementata in un modello multibody flessibile, e viene sviluppato un framework di simulazione parametrico automatizzato per valutare la risposta dinamica dipendente dalla configurazione in 43 pose operative. Per ciascuna configurazione vengono eseguite analisi agli autovalori ed estratte le forme modali. L’affidabilità delle previsioni numeriche è validata tramite una campagna di Analisi Modale Sperimentale, che consente di valutare le ipotesi di modellazione e quantificare l’aumento ottenuto della frequenza fondamentale. Combinando riprogettazione strutturale, analisi modale dipendente dalla configurazione e validazione sperimentale, questo lavoro stabilisce una metodologia strutturata per migliorare e caratterizzare le prestazioni dinamiche di PKM di grande scala.