Analysis and development of cable-driven robotic devices

The design of a mechanical system is often the result of an optimization process, aimed to obtain the best performances inside a given task space under fixed constraints. Due to the unilateral actuation, cable-based devices possess specific features that make some of the tools commonly used in robotics completely unsuitable, thus requiring the definition of specific tools for analysis and design rules. Even though several examples of geometrical, kinematic and dynamic performance indices have been introduced as analysis tools in the last years, only few authors proposed rigorous design methodologies. Traditional approaches seek to find the optimal set of design parameters by maximizing the robot capabilities inside a given reference workspace. However, since most of the properties of cable-based devices depend on both robot geometry (i.e., number and disposition of cable attachment points) and cable configuration (i.e., directions of cables in the end-effector reference frame), the capabilities of a given robot are extremely variable throughout the workspace. Thus, the structure of traditional devices often appears cumbersome if compared to the useful workspace they have been designed for. The aim of this work is first to present a set of local, configuration dependent performance indices that properly characterize cable-based devices. Then, a new methodology is described to obtain effective, well-tailored designs. The formulated design paradigm takes advantage of the introduction of moving pulley-blocks, leading to the definition of a new class of cable devices defined as adaptive cable-based devices. In the first half of this thesis, the new methodology is described in detail, and a numerical validation is performed by solving simple case-studies. In order to empirically validate the proposed methodology, the first prototype of Adaptive cable-based device has been designed and developed. The second half of this thesis deals with layout definition, mechanical design and control system design of the Sophia-3 prototype. Finally, results from the first experimental tests on the new device are reported.

La progettazione di un sistema meccanico è spesso il risultato di un processo di ottimizzazione, il cui scopo è quello di massimizzare le performance all'interno di un dato workspace rispettando una serie di vincoli. A causa dell'attuazione unilaterale, i dispositivi cable-driven possiedono caratteristiche specifiche, cosicch è gli strumenti di analisi tradizionalmente impiegati in robotica risultano inadeguati o poco efficaci. Di qui la necessità di definire indici di analisi e metodologie di progettazione specifici. Sebbene siano stati sviluppati nel corso degli anni svariati indici di performance (geometrici, cinematici e dinamici), solo pochi autori hanno finora proposto metodi di progettazione rigorosi. Negli approcci tradizionali, lo scopo è quello di determinare il set di parametri di progetto che massimizza le performance del dispositivo all'interno di una data regione dello spazio di lavoro. Tuttavia, poichè molte delle proprietà dei dispositivi cable-based dipendono sia dalla geometria del manipolatore (numero di cavi, disposizione delle pulegge alla base, ecc..) sia dalla disposizione dei cavi (cioè dalla direzioni assunte dai cavi rispetto all'end-effector), le performance di un manipolatore risultano estremamente variabili all'interno dello spazio di lavoro. Di conseguenza, l'ingombro complessivo di un robot cable-driven risulta spesso decisamente maggiore rispetto allo spazio di lavoro per il quale è stato progettato. Lo scopo di questo lavoro consiste dapprima nel presentare un set di indici di performance locali, in grado di caratterizzare le proprietà principali di un dispositivo. Successivamente, viene presentata una nuova metodologia di progettazione basata su questi indici, che permette di ottenere soluzioni progettuali più efficaci, cioè sviluppate su misura in base alle specifiche. La metodologia proposta si basa sull'introduzione di passacavi mobili, ed ha condotto alla definizione di una nuova classe di dispositivi cable-based denominati adattativi. Al fine di validare numericamente la procedura, nella prima parte di questa tesi vengono presentati alcuni semplici esempi di progettazione. Allo scopo di dare una validazione empirica alla metodologia introdotta, è stato inoltre progettato e sviluppato il prototipo Sophia-3, primo esempio di sistema a cavi adattativo. Nella seconda parte di questa tesi viene presentato il prototipo, descrivendone il layout, la progettazione meccanica e l'architettura del controllo. Vengono inoltre presentati i primi risultati sperimentali dei test effettuati sul nuovo prototipo.