یک روش ترکیبی جدید برای مدل‌سازی سینماتیک مستقیم روبات‌های موازی

نوع مقاله : مقاله کوتاه

نویسندگان

• ایمان کاردان
• علیرضا اکبرزاده

فردوسی مشهد

10.22067/fum-mech.v27i1.22772

چکیده

برخلاف روبات‌های سری، مسئلۀ سینماتیک مستقیم روبات‌های موازی بسیار پیچیده است و در حالت کلی نمی‌توان یک پاسخ تحلیلی برای آن پیدا کرد. به‌همین دلیل در بیشتر موارد از روش‌های عددی برای حل این مسئله استفاده می‌شود که نسبتاً زمان‌بر می‌باشند. از طرفی کاهش زمان صرف‌شده برای محاسبات سینماتیکی، در کاربردهایی مانند کنترل بلادرنگ، از اهمیت بسیار زیادی برخوردار می‌باشد. در این مقاله، با ترکیب شبکه‌های عصبی مصنوعی و یک تکنیک عددی مرتبه 3، یک روش ترکیبی جدید برای تحلیل سینماتیک مستقیم روبات‌های موازی پیشنهاد شده‌است که سرعت حل این مسئله را به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای افزایش می‌دهد. در این روش ابتدا با استفاده از شبکه‌های عصبی یک پاسخ تقریبی از مسئلۀ سینماتیک مستقیم روبات ایجاد می‌شود. سپس این پاسخ تقریبی به‌عنوان حدس اولیۀ روش عددی مرتبه 3 در نظر گرفته می‌شود که با حل معادلات سینماتیک مستقیم، پاسخ مورد نظر را با دقت دل‌خواه محاسبه می‌کند. کارآیی روش پیشنهادی در ارتباط با یک روبات موازی فضایی از نوع 3-PSP بررسی شده و نشان داده شده است که استفاده از این روش می‌تواند در دقت‌های بالا تعداد تکرارها را به‌میزان 35 درصد و زمان تحلیل سینماتیک مستقیم روبات را به اندازۀ 12 درصد کاهش دهد.

کلیدواژه‌ها

• سینماتیک مستقیم
• روبات موازی
• شبکه عصبی
• روش عددی مرتبه 3
• روبات موازی 3-PSP

---

عنوان مقاله [English]

A New Hybrid Strategy for Forward Kinematic Analysis of Parallel Robots

نویسندگان [English]

• iman kardan
• Alireza Akbarzadeh

Ferdowsi University of Mashhad

چکیده [English]

Unlike serial manipulators, forward kinematic problem (FKP) of parallel robots is highly complicated and its analytical solution is not generally le. Therefore, in most cases numerical methods are used to solve this problem which are relatively time consuming. On the other hand, reducing the duration of FKP analysis is an essential task for applications like real-time control. In this paper, artificial neural networks and a 3rd-order numerical algorithm are combined and a new hybrid strategy is proposed for forward kinematics analysis of parallel manipulators which significantly increases the speed of the FKP solution. In the proposed method, an approximate solution of the FKP is first produced by the neural network. This solution is next considered as an initial guess for the 3rd-order numerical technique which solves the nonlinear forward kinematics equations and obtains the answer with a desired level of accuracy. The proposed method is applied to a spatial 3-PSP parallel manipulator. The results show that using this method will lead to a 35 percent reduction in number of iterations and a 12 percent reduction in the FKP analysis time, while maintaining high level of solution accuracy.

کلیدواژه‌ها [English]

• Forward Kinematics Analysis
• Parallel Robot
• Artificial neural networks
• 3rd-order Numerical Algorithm
• 3-PSP Parallel Robot

مراجع

1. Ottaviano, E. and Ceccarelli, M., "Application of a 3-DOF parallel manipulator for earthquake simulations", Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on, Vol. 11(2), pp. 241-246, (2006).

2. Wang L., Wu, J., Wang, J. and You, Z., "An Experimental Study of a Redundantly Actuated Parallel Manipulator for a 5-DOF Hybrid Machine Tool", Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on,

Vol. 14(1), pp. 72-81, (2009).

3. Rezaei, A. and Akbarzadeh, A., "Position and stiffness analysis of a new asymmetric 2PRR–PPR parallel CNC machine", Advanced Robotics, Vol. 27(2), pp. 133-145, (2013).

4. Enferadi, J. and Akbarzadeh, A., "A novel approach for forward position analysis of a double-triangle spherical parallel manipulator", European Journal of Mechanics-A/Solids, Vol. 29(3), pp. 348-355, (2010).

5. Merlet, J.P., "Direct kinematics of parallel manipulators. Robotics and Automation", IEEE Transactions on, Vol. 9(6), pp. 842-846, (1993).

6. Der-Ming, K., "Direct displacement analysis of a Stewart platform mechanism", Mechanism and Machine theory, Vol. 34(3), pp. 453-465, (1999).

7. Sadjadian, H. and Taghirad, H.D., "Numerical methods for computing the forward kinematics of a redundant parallel manipulator", Proceedings of the IEEE Conference on Mechatronics and Robotics, Aachen, Germany, (2004).

8. Liu, K., Fitzgerald, J.M. and Lewis F.L., "Kinematic analysis of a Stewart platform manipulator", Industrial Electronics, IEEE Transactions, Vol. 40(2), pp. 282-293, (1993).

9. Li, Y. and Xu, Q., "Kinematic analysis of a 3-PRS parallel manipulator", Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Vol. 23(4), pp. 395-408, (2007).

10. Cheng, H.H., Lee, J.J. and Penkar R., "Kinematic analysis of a hybrid serial-and-parallel-driven redundant industrial manipulator", International Journal of Robotics and Automation, Vol. 10(4),

pp. 159-166, (1995).

11. McAree, P.R. and Daniel, R.W., "A fast, robust solution to the Stewart platform forward kinematics", Journal of robotic systems, Vol. 13(7), pp. 407-427, (1996).

12. Yang, C., Huang, Q., Ogbobe, P.O. and Han, J., "Forward kinematics analysis of parallel robots using global newton-Raphson method", Intelligent Computation Technology and Automation (ICICTA’09), Second International Conference on, Vol. 3, pp. 407-410, 10-11 Oct., (2009).

13. Yang, C.F., Zheng, S.T., Jin, J., Zhu S.B. and Han, J.W., "Forward kinematics analysis of parallel manipulator using modified global Newton-Raphson method", Journal of Central South University of Technology, Vol. 17(6), 1264, (2010).

14. Guez, A., and Ahmad Z., "Accelerated convergence in the inverse kinematics via multilayer feed forward networks", Proceedings of Neural Networks (IJCNN), International Joint Conference on IJCNN, pp. 341–344, 18-22 Jun., (1989).

15. Parikh, P.J. and Lam, S.S., "A hybrid strategy to solve the forward kinematics problem in parallel manipulators", Robotics, IEEE Transactions, Vol. 21(1), pp.18-25, (2005).

16. Chapra, S.C. and Canale, R., "Numerical methods for engineers", Vol. 2, McGraw-Hill, New York, (2005).

17. Darvishi, M.T. and Barati, A., "A third-order Newton-type method to solve systems of nonlinear equations", Applied Mathematics and Computation, Vol. 187(2), pp. 630-635, (2007).

18. رضایی، امیر، "راه‌اندازی و کنترل روبات موازی 3-PSP"، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، (1390).

19. Rezaei, A., Akbarzadeh, A., Nia, P.M. and Akbarzadeh-T, M.R., "Position, Jacobian and workspace analysis of a 3-PSP spatial parallel manipulator", Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Vol. 29(4), pp. 158-173, (2013).

20. Chun, C., "A new iterative method for solving nonlinear equations", Applied Mathematics and Computation, Vol. 178, pp. 415–422, (2006).

21. Laosiritaworn, W. and Chotchaithanakorn, N., "Artificial Neural Networks Parameters Optimization with Design of Experiments: An Application in Ferromagnetic Materials Modeling", Chiang Mai Journal of Science, Vol. 36(1), pp. 83-91, (2009).

22. Sekar, B.D., Dong, M.C., Shi, J. and Hu X.Y., "Fused Hierarchical Neural Networks for Cardiovascular Disease Diagnosis", Sensors Journal, IEEE, Vol. 12(3), pp. 644-650, (2012).

23. Boudreau, R., Levesque, G. and Darenfed, S., "Parallel manipulator kinematics learning using holographic neural network models", Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Vol. 14(1), pp. 37-44, (1998).

24. Sadjadian, H., Taghirad, H.D. and Fatehi, A., "Neural networks approaches for computing the forward kinematics of a redundant parallel manipulator", International Journal of Computational Intelligence, Vol. 2(1), pp. 40-47, (2005).

25. Kang, R., Chanal, H., Bonnemains, T., Pateloup, S., Branson, D.T. and Ray, P., "Learning the forward kinematics behavior of a hybrid robot employing artificial neural networks", Robotica,

Vol. 30(5), pp. 847-855, (2012).