The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable PKMdsun/pubs/The... · International...

10
International Journal of Advanced Robotic Systems The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable PKM Regular Paper Xiaoqiang Tang 1,* , Dengfeng Sun 2 and Zhufeng Shao 1 1 The State Key Laboratory of Tribology, Department of Precision Instruments and Mechanology, Tsinghua University,Beijing, P.R. of China 2 School of Aeronautics and Astronautics Engineering, Purdue University, West Lafayette, IN,USA * Corresponding author E-mail:[email protected] Received 4Oct 2012; Accepted 26Oct 2012 DOI: 10.5772/54696 © 2013 Tanget al.; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract Parallel Kinematic Machines (PKMs) have many advantages and have been widely used in the machine industry. Benefitting from its modular structure, a PKM is more reconfigurable than traditional serial machines. In this paper, a new type of driving strut module and innovative joints are designed for the Reconfigurable Parallel Kinematic Machine (RPKM). The new driving strut module can be changed from linear drive mode to telescopic drive mode easily, and the new spherical joint and universal joint are designed to achieve a large rotation angle. The inverse kinematics problems in relation to the 6DOF RPKM are analysed, and the Workspace Volume Index (WVI) and the Global ConditionIndex (GCI) are adopted to design the RPKM. According to the WVI and GCI analysis of the selected parameters for two types of 6DOF PKM, the dimensional parameters of the RPKM are designed. In the end, the new type of RPKM prototype is built, with which a wax pattern is machined. Keywords Structure Design, Dimensional Design, Reconfigurable PKM 1. Introduction In recent years, the everchanging manufacturing environment caused by intensive competition on a global scale and rapid changes in process technology has led to the requirement for an increasingly efficient production system. In order to achieve this, a reconfigurable manufacturing system characterized by modularity, integrability, customization, convertibility and diagnosability, which can easily be reconfigured and respond to unpredictable market changes costeffectively, is highly preferred. The earliest largescale research on reconfigurable manufacture systems reported in the literature is the Flexible Manufacture Cell (FMC) project launched in 1977 by MITI in Japan. Other reconfiguration projects, such as MOSYN, KERNEL and MOTION, focused on modular machine tools. After the foundation of the Engineering Research Center of Reconfigurable Machining Systems (ERC/RMS) at the University of Michigan in 1996, researchers began to develop the theory and technology of reconfigurable manufacturing systems systematically[13]. A Parallel Kinematic Machine (PKM) has many advantages and has been widely used in machine industry. Thanks to its modular structure, a PKM is more reconfigurable than the traditional serial machine. With the modular design, several modules of PKMs can be integrated into a module set so that the modules can be reassembled rapidly for different applications. As a result, the recent trend in reconfigurable manufacturing 1 ARTICLE www.intechopen.com Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 267:2013

Transcript of The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable PKMdsun/pubs/The... · International...

Page 1: The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable PKMdsun/pubs/The... · International Journal of Advanced Robotic Systems The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable

International Journal of Advanced Robotic Systems

The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable PKM Regular Paper

Xiaoqiang Tang1,*, Dengfeng Sun2 and Zhufeng Shao1 1 The State Key Laboratory of Tribology, Department of Precision Instruments and Mechanology, Tsinghua University,Beijing, P.R. of China 2 School of Aeronautics and Astronautics Engineering, Purdue University, West Lafayette, IN,USA * Corresponding author E-mail:[email protected]  Received 4Oct 2012; Accepted 26Oct 2012 DOI: 10.5772/54696 © 2013 Tanget al.; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract Parallel Kinematic Machines  (PKMs) have many advantages  and  have  been  widely  used  in  the machine industry. Benefitting from its modular structure, a PKM is more  reconfigurable  than  traditional  serial machines.  In this  paper,  a  new  type  of  driving  strut  module  and innovative  joints  are  designed  for  the  Reconfigurable Parallel Kinematic Machine (RPKM). The new driving strut module  can  be  changed  from  linear  drive  mode  to telescopic drive mode  easily,  and  the new  spherical  joint and universal joint are designed to achieve a large rotation angle. The inverse kinematics problems in relation to the 6‐DOF  RPKM  are  analysed,  and  the  Workspace  Volume Index  (WVI)  and  the  Global  ConditionIndex  (GCI)  are adopted  to design  the RPKM. According  to  the WVI and GCI analysis of the selected parameters for two types of 6‐DOF PKM,  the dimensional parameters of  the RPKM are designed.  In  the end,  the new  type of RPKM prototype  is built, with which a wax pattern is machined.  Keywords  Structure  Design,  Dimensional  Design, Reconfigurable PKM 

 1. Introduction 

In  recent  years,  the  ever‐changing  manufacturing environment caused by intensive competition on a global 

scale and rapid changes in process technology has led to the  requirement  for  an  increasingly  efficient production system.  In  order  to  achieve  this,  a  reconfigurable manufacturing  system  characterized  by  modularity, integrability,  customization,  convertibility  and diagnosability,  which  can  easily  be  reconfigured  and respond to unpredictable market changes cost‐effectively, is  highly  preferred.  The  earliest  large‐scale  research  on reconfigurable  manufacture  systems  reported  in  the literature  is  the Flexible Manufacture Cell  (FMC) project launched in 1977 by MITI in Japan. Other reconfiguration projects,  such  as  MOSYN,  KERNEL  and  MOTION, focused on modular machine  tools. After  the  foundation of  the  Engineering  Research  Center  of  Reconfigurable Machining  Systems  (ERC/RMS)  at  the  University  of Michigan  in  1996,  researchers  began  to  develop  the theory  and  technology  of  reconfigurable manufacturing systems systematically[1‐3].  A  Parallel  Kinematic  Machine  (PKM)  has  many advantages  and  has  been  widely  used  in  machine industry. Thanks to its modular structure, a PKM is more reconfigurable  than  the  traditional  serial machine. With the  modular  design,  several  modules  of  PKMs  can  be integrated  into a module set so  that  the modules can be reassembled  rapidly  for  different  applications.  As  a result,  the  recent  trend  in  reconfigurable manufacturing 

1Xiaoqiang Tang, Dengfeng Sun and Zhufeng Shao: The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable PKM

www.intechopen.com

ARTICLE

www.intechopen.com Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 267:2013

Page 2: The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable PKMdsun/pubs/The... · International Journal of Advanced Robotic Systems The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable

systems has promoted the research and development of a novel  type  of  machine  tool  called  a  Reconfigurable Parallel Kinematic Machine (RPKM) [4‐5], which is based on the parallel manipulator.   More  recently,  the  research  on  RPKMs  has made  some substantive progress, but  some problems  that  should be solved  for  its  further  application  still  exist  [6‐7].  Firstly, according  to  drive  mode,  the  PKM  can  be  mainly classified  into  two  kinds:  the  telescopic  drive  PKM, whose  struts  are  extendable with  one  end mounted  on framework or base platform and the other on the moving platform;  the  linear  drive  PKM,  whose  struts  have constant length with one end mounted on a slider and the other on the moving platform. Because both these PKMs have  their pros and cons,  they are designed and applied in respective cases: the linear drive PKM is inclined to be adopted  in  machining  long‐shaped  parts  along  its dominant movement  direction,  and  the  telescopic  drive PKM  is  suitable  to  machine  more  complicated  shapes other than those of a longshape [8]. It would therefore be ideal  if  the RPKM  can  realize  these  two  types of PKMs with the same modular set. Moreover, these two types of PKMs  need  to  use  the  universal  joints  and  spherical joints. A universal  joint  can work with 2‐DOFs  rotation, and  a  spherical  joint  with  3‐DOFs  rotation.  With  the classic manufacturing process, it is difficult to fabricate a high precision spherical  joint with a  large rotation angle. To solve this problem, an integrated joint with either two DOFs or three DOFs should be designed.   The  dimensional  design  is  another  important  and challenging problem  for RPKMs. Two major  issues need to  be  addressed  in  the  optimal  design  of  a  PKM: performance evaluation and synthesis. After the design of a  RPKM,  it  is  necessary  to  evaluate  its  main characteristics.  The  second  problem  is  to  determine  the dimensions  (link  lengths) of  the RPKM,  to make  it most suitable for the specific task. The latter problem is one of the most difficult issues to solve in the field of RPKM. As is  well  known,  the  performances  of  parallel  kinematic machines  mainly  depend  upon  the  dimensions. Therefore, the process of mechanism dimensional design for  a manipulator  is  largely  based  on  the  usage  of  the criteria,  such  as  workspace,  dexterity,  payload, conditioning  index  and  stiffness  [9‐11].  Approaches  in previous work  dealing with  the  dimensional  design  of PKMs can be classified into two categories. One category refers  to  the  local  optimal  design  [11‐13],  focusing  on finding a family of dimensional parameters that generate an  isotropy  configuration, where  the  platform  presents the  desirable  characteristics  in  terms  of  kinematics accuracy,  noise  rejection  and  singularity  avoidance. However,  due  to  the  possible  strut  interference,  this family of design parameters would not be useful  in  the design where  the  desirable  orientation  capability  of  the moving  platform  is  also  required.  The  other  category 

refers to the global optimal design [14,15], which attempts to find a set of design parameters to minimize a weighted cost  function  in  terms  of  the  specified  dexterous performance  and  workspace  volume.  The  reason  for implementing  global  optimal  design  would  be  that kinematics performance could not be guaranteed simply by conducting  local optimal design. However,  the above two  dimensional  design methods  are  only  used  for  the telescopic  drive  PKM  or  the  linear  drive  PKM respectively.  In  this paper, we will  try  to use  the global optimal design method to designthe RPKM.  In  this  paper,  a  new  type  of  driving  struts moduleand joints are designed for the RPKM. The inverse kinematics problems with regard to the two types of 6‐DOF parallel manipulators are described and a global optimal design index  is used to design the RPKM, which can satisfy the requirement  of  the  RPKM  and  realize  workspace  and dexterity  capability.  In  the  end,  we  show  two  wax patterns milled by the RPKM.

2. Structure design 

The structure of reconfigurable PKMs is similar to that of some ordinary PKMs. They consist of common parts like: a  base  platform,  a  moving  platform  on  which  ending executor  is  installed,  and  some  parallel‐actuated extendible  legs or movable  legs between  the mobile and base platforms. Universal  joints  and  spherical  joints  are mounted  on  either  the  moving  platform  or  the  base platform  to  connect  platforms  and  legs,  and  to  provide multi‐position and versatile attitude.  The key modular designs of reconfigurable PKMs include strut modules and joint modules. 

2.1 Strut modules design [16] 

According  to  driving  mode,  PKMs  can  mainly  be catalogued into two kinds: telescopic drive PKMs, whose struts  are  extendable  with  one  end  mounted  on  the framework or base platform and the other on the moving platform;  linear drive PKMs, whose struts have constant length with one end mounted on a slider and the other on the moving platform.  In  figure  1,  the  telescopic  drive mode  is  represented:  a driving motor (1) is mounted at one end of the telescopic drive module.   The motor drives  the ball  screw  (2), and the work‐piece module  (3) moves  along  the  axis  of  the ball  screw  (2). A  rod‐fix module  (4)  is  connected  to  the work‐piece module along the direction of the screw in the linear drive module,  then a  constant‐length  rod module (5)  and  a  spherical  joint  (6)  are mounted  in  turn.  The length of the rod module (5) is represented by  kl , and the maximal move  distance  of  the  telescopic  drive mode  is denoted by  l . 

2 Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 267:2013 www.intechopen.com

Page 3: The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable PKMdsun/pubs/The... · International Journal of Advanced Robotic Systems The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable

In figure 2, lidriving motomodule,    thwork‐piece mscrew(2). A upiece modulthe  constant‐(6) are mounrepresented represented b According tochanged  intconstant‐lengwork‐piece measy and can

Figure 1.Telesc

Figure 2.Linea

2.2 Joint modu

In  a  RPKM,spherical  jomanufacturinprecision  sphangle  of  the 20 . To  res

either two DOfigure  3. Therotation axesthree  DOFs. 

inear drive mor(1) is mountehe  motor  drivmodule(3) mouniversal  joine,  then a  rod‐‐length  rod mnted  in  turn. Tby kl ,  and  thby l .  

o the design, thto  linear  drigth  rod modumodule  (3).  Tn be finished in

copic drive mod

ar drive mode. 

ule design [17] 

,  a  universaloint  has  thrng  process,  itherical  joint. Mtraditional  s

solve  this  issuOFs or three De  new  type  os, which are CAs  shown  i

ode is represeed at one end ves  the  ball  soves  along  thnt  (7)  is moun‐fix module  (4

module  (5) andThe  length of he  maximal 

he telescopic dive  mode  bule  (5)at  anotThe  assemblinn a short perio

de 

l  joint  has  twree  DOFs.  Wt  is difficult  toMoreover,  thepherical  jointue,  integratedDOFs are desif  spherical  joC‐ axis, A‐axiin  figure  4,  w

ented as followof the linear dscrew(2),  andhe  axis  of  thented on  the w4)  is  connected a  spherical rod module  (move  distanc

drive mode caby  mounting ther  place  onng  process  is od of time. 

 

 

wo  DOFs,  anWith  the  clo  fabricate  a e  general  rotat  is  no more d  joints possesigned, as showoint  includes  ts and C‐axis whenwe  use 

ws: a drive d  the   ball 

work‐ed  to joint (5)  is ce  is 

an be the 

n  the very 

nd  a lassic high ation than ssing wn in three with two 

rotauniv

Figu

Theanglthe n

Figu

2.3 T

Bothhavdesidrivshaptelescomshowwith

ation axes onlyversal joint wi

C-axis

ure 3. Spherical j

  rotation  angle of A‐axis  isnew type sphe

C-axi

ure 4. Universal 

Two types of 6‐

h the  linear de  their  pros  aigned  to  be ve PKM  is  incped parts alonscopic  drive 

mplicated  shapwn in figures h the same mo

y, the sphericaith two DOFs.

A-axs

joint 

gle  of  C‐axis s  60 ,  so  theerical joint and

is

joint  

‐DOF PKMs  

rive PKM andand  cons.  Theapplied  in  reclined  to be adng its linear mPKM  is  su

pes other  than5 and 6, we asodule set. 

al joint will be  

xis C-axi

is  90   ande general  rotad universal jo

A-axis

d the telescoperefore,  they espective  casedopted  in ma

movement direuitable  to  mn  those of  a  lssemble two ty

e changed into

is

 

 

d  the  rotationation angle ofint is  60 . 

 

 

pic drive PKMare  generallyes:  the  linearachining  long‐ction, and the

machine  moreongshape. Asypes of PKMs

n f 

M y r ‐e e s s 

3Xiaoqiang Tang, Dengfeng Sun and Zhufeng Shao: The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable PKM

www.intechopen.com

Page 4: The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable PKMdsun/pubs/The... · International Journal of Advanced Robotic Systems The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable

Figure 5.The te

Figure 6. The l

3. Dimension

As soon as wmost  importRPKM.  It  is design methothe  criteria  athe kinematicindexes  are results  throu(WVI) and th

3.1 Kinematic

Kinematics developed  amoving  plat( i 1, 2, 3,...,denoted  as system  : o

1 6B ...B  with y axis  in coiof  points  Bframe, definithe  centre perpendiculato  the  vecto

1 6A ...A  is de( i 1, 2, 3,...,denoted as  lstructure 

A 2 / 3

elescopic drive P

linear drive PKM

nal design 

we have the strtant  step  is  toof  primary  imod  that can reand  link dimecs model of thformulated. 

ugh  analysinghe Global Cond

s model 

models  of  thas  shown  in tform  are  de6 ),  and  the 

iB   ( i 1, 2, 3,o xyz   is  locathe  z  axis vencidence with

1 6...B is  denoting  the  top fraof  the  circlar to the movior 1OA .  The enoted as  AR6 ),  and  the l , where i iA Bis  symm

A . 

PKM 

ructure designo  decide  the  dmportance  to eveal  the relatensions of  thehe RPKM is buThen  we  get

g  the Workspaditioning Inde

hese  two  typfigure  7.  Th

enoted  as  plavertices  of  th,...,6 ). A  fixedated  at  the  ceertical to the bh  1OB . The cited  as  BR .  Aame  : o ʹ xle  1 6A ...A . ng platform acircumcircle . Vector   iA Blink  length l ,  ( i 1, 2,

metrical, B 2

 

 

n of the RPKMdimensions  ofdevelop  a  utionships betwe machine. Firuilt and the crit  the  dimensiace Volume  Inex (GCI) [14].

pes  of  PKMhe  vertices  ofatform  jointshe  base  plated  global  referentre  of  the  cbase plate andircumcircle raAnother  referx y z ,  is  locateThe  z   axi

and  y axis parradius  of  po

i  is denoted afor  each  le

...,6 ). Because

B2 / 3

M, the f  the seful ween rstly, iteria ional ndex 

  are f  the   iA  e  are rence circle d the adius rence ed at is  is rallel oints as  iL  eg  is e  the and 

Figuman

Thedefiin thordeof  tposiorie

Theexpr

The c

a

ure 7. The geomnipulators. 

  objective  of ine a mappinghe Cartesian ser to achieve the moving  pition  is  givenentation is give

 rotation of coressed by the

c cs cs  

R

 vectors  i Ban be written 

a. The telescopic

b. The linear d

etric architectur

the  inverse g  from  the pospace to the sethe aim pose.platform  is  asn  by  the  positen by a matrix

ʹ x

O

oordinate systerotation matri

  c s s s c  s s s c c            c s    

 in the base pas: 

c drive PKM 

drive PKM 

re of the 6‐DOF 

kinematics  sose of  the movet of actuated For this analssumed  to  betion  vector  OxR . Then it is 

Tx y z         

em  ʹ  relativix 

c   c s c sc   s s c c               c c

platform coord

 

 

parallel 

solution  is  toving platformd leg inputs inlysis, the posee  known.  TheOʹ

  and  the

shown 

                   (1)

e to   can be

s sc s

         

(2)

dinate system

o m n e e e 

4 Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 267:2013 www.intechopen.com

Page 5: The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable PKMdsun/pubs/The... · International Journal of Advanced Robotic Systems The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable

i B B iR cos((i 1) / 3),R sin((i 1) / 3),z ,(i 1,3,5)

B  

 

B Bi

B B i

R cos((i 2) / 3 ),R sin((i 2) / 3 ),z

(i 2,4,6)

B

              

(3)                      

where iz 0,i 1...6 , for PKM with telescopic drives.   The  vectors  i A   in  the  moving  platform  coordinate system  can be written as: 

i A AR cos((i 1) / 3),R sin((i 1) / 3),0 ,(i 1,3,5)

A

 

 A A

iA A

R cos((i 2) / 3 ),,

R sin((i 2) / 3 ),0(i 2,4,6)

A

           

(4) 

Therefore, the vectors  i A  can be expressed in the base platform coordinate system   as: 

  i i RA A O ,       (i 1,2,...,6)          (5) 

The  relationship  between  vectors  i A , iB and  strut vectors has the following form according to the geometric constraint of the architecture: 

  i i i il B A L , (i 1,2,...,6)

(6) 

where  i kl l ,i 1,2,...,6   if  the  PKM  is  equipped  with linear drives.  The  inverse  kinematics  problem  of  the machine  can  be solved by Eq. (6), where the unknown items are either  il  ( i 1,2,...,6 )  for  the  PKM with  telescopic  drives,  or  iz  ( i 1,2,...,6 ) for the PKM with linear drives.  Hence, for a given mechanism and prescribed position and  orientation  of  the moving  platform,  the  required actuator inputs can be directly computed from Eq. (6).  Eq. (6) can be differentiated with respect to time to obtain the velocity equation. This leads to an equation as:  

  p qJ J p q                                   (9) 

where  q   is  the  velocity  vector  of  the moving  platform defined in the Cartesian coordinate systemas  

 T

x,y,z, , , q                           (10) 

and  p   is  the  vector  of  input  velocities. As mentioned earlier,  there  are  two  different  types  of  drive  modes. When  the PKM  is equipped with  telescoped  legs, p  can be expressed as  

  T1 2 3 4 5 6[l ,l ,l ,l ,l ,l ] p                       (11) 

while  when  the  PKM  is  actuated  with  slider  legs,  its expression is 

 T

1 2 3 4 5 6[z ,z ,z ,z ,z ,z ] p                     (12) 

Matrices  pJ   and  qJ   are  the  6 6   forward  and  inverse Jacobian  matrices  of  the  mechanism,  and  can  be expressed as 

 

p1

p2

p3p

p4

p5

p6 6 6

J

J 0

J

J

0 J

J

J   (13) 

 

1 1 1

2 2 2

3 3 3q

4 4 4

5 5 5

6 6 6 6 6

( )( )( )( )( )( )

w v ww v ww v ww v ww v ww v w

J  (14) 

where  iw   is  the  unit  vector  of  iL   and  i 1 i ʹ v R A . 

q J I ,  qi 1,(i=1,2,...,6)J ;   When  the  PKM  is  actuated  with  telescoped  legs, 

qi 1,(i 1,2,...,6) J   and  q J I ;  if  the  PKM  is  equipped with  slider  legs,  qi i z( )J w , where    i z( )w   is  the  third element  of  vector  iw   with  respect  to  the  z  axis coordinate. If the q 0J  , the equation can be written as: 

 1

p q p q q J J J                             (15) 

3.2 Workspace and index 

The workspace  of  a PKM  is  the work  region which  the tool  can  reach,  and  is  an  important  indication  of  the PKM’s  performance.  In  this  section,  the  Workspace Volume  Index  (WVI)  is used  to represent  the workspace volume  of  the RPKM. A  numeric method  is  applied  to compute  the  PKM’s  reachable  points  to  integrate  the workspace  surface. According  to  the  earlier  research  of Huang [13], the same optimal design result for workspace can  be  obtained  by  setting  the  rotation  angles  of  the moving platform to zero or other values. To simplify the analysis, the three rotation angles of the moving platform are all set to zero in this calculation.    If we are given the  initial value as shown  in Table 1, the workspaces of the two kinds of PKMs are shown in figure 8  and  their  WVIs  are  1.5x108  mm3  and  1.2x107  mm3 

respectively.  

5Xiaoqiang Tang, Dengfeng Sun and Zhufeng Shao: The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable PKM

www.intechopen.com

Page 6: The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable PKMdsun/pubs/The... · International Journal of Advanced Robotic Systems The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable

DimensionaVariable 

AR (mm) 

BR (mm) 

l (mm) 

A (o) 

B (o) 

minl  (mm)

maxl = minl +(mm) 

minz  (mm)

maxz = minzl (mm) 

kl (mm) 

Table 1. The d

Figure 8. RPKM

3.3 Conditiona

The conditioto  evaluate expression is

al D

Radius

Radius o

The maxi

The strutmoving The strut

base plPKM with 

)  Minimal l

l   Maximal 

PKM wi

)  Maximapi

+ Minimapi

Length

dimensional vari

a. The teles

b. The lin

M workspace su

al number and 

on number of the  dexterity

s written as: 

Description  

 of base platform

of moving platfo

imal move rangstrut 

t mounted angleplatform(figuret mounted anglelatform(figure 7 telescopic legs length of telesco

legs 

length of telescolegs 

th linear legs al height of woriece module 

al height of woriece module 

h of rod module

iables 

scopic drive PKM

near drive PKM 

urface 

GCI index 

Jacobian maty  [18].  The  c

InitialValue

m  200

orm  400

ge of 200

e on  e 7) 

60( / 3

e on 7) 

30( / 6

opic 500

opic 700

rk‐200

rk‐400

e  600

trix  J can be condition  num

l e 

3 ) 

6 ) 

 

 

used mber 

wheJaco Accvalu

The

Noweval

It  hindiplatvarican 

Figu

Howplan

ere  i   (i=1,2,obian matrix  J

ording  to  theue  

 singularity va

w,  the  Local luating the pe

has  been  acknicates  a  betttform. As  shoiables  in  Tablbe shownin o

a

ure 9.LCI of RPK

wever,  the LCne  forthe  PK

1 1k

…,6)  are  the J .  

e  characterist

6det( E

alue is 

Ti i( ) J J

Conditioningrformance of 

1LCI 1 / k

nowledged  thter  motion  down  in  figurele1,  the  changone X‐Y plane 

a. The telescopic

b. The linear d

KM 

CI can only evKM  workspac

6/                  

singularity  v

tic  equation  o

T ) J J =0          

) , (i=1…6)       

g  Index  (LCIthe RPKM, wh

1 6 1/          

hat  a  larger dexterity  of e  9,  given  thege  trends  of  tof the worksp

c drive PKM 

drive PKM 

valuate  the dexce,  and  we  a

                 (16)

values  of  the

of  singularity

                 (17)

                 (18)

I)  is  used  tohich is: 

                 (19)

value  of  LCIthe  moving

e  dimensionalthe  LCI  valuepace.   

 

 

xterity of X‐Yadopt  Global

I g l e 

Y  l 

6 Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 267:2013 www.intechopen.com

Page 7: The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable PKMdsun/pubs/The... · International Journal of Advanced Robotic Systems The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable

Condition  Index  (GCI)  [14]  to  evaluate  the  dexterity  of whole workspace, a promising approach defined as 

  1W WGCI 1 / k dW dW                     (20) 

where  dW is a differential workspace volume, and  1k  is the  condition number  of  the  Jacobian matrix  at  a  given moving  platform  pose, which  is  defined  as  the  ratio  of maximum  and  minimum  singularity  values  of  the manipulator  Jacobian  matrix.  It  is  well  known  that  a larger value  of GCI  reveals  a  better motion dexterity  of the moving platform. 

3.4 Workspace and GCI analysis  

From  Table  1,  we  can  know  that  ten  dimensional variables  should  be designed.  It will  be very difficult to  analyse  all  the  variables  at  one  time.  So  the discussed  design  variables  are  defined  as 1 A ,

2 B ,  3 AR / l ,  4 BR / l   ,  5 minl / l   and

6 kl / l ,  where  3 ,  4   ,  5   and 6   are  all dimensionless variables. Based  on  the workspace  and formula of GCI,  the  effects of  the design variables on the  dexterity  and  workspace  can  be  discussed  and evaluated.  The  ball  screw  length  limitation  givesl 200mm .  Other  design  parameters  that  are  not 

discussed  below  are  the  same  as  specified  in  Table 1. 

3.4.1 Workspace effect analysis 

Figure 10 shows the WVI curve when 1  and 2 are given different values.  It  indicates  that  the workspace expands as  1   increases. When  2 30 , the maximal workspace volume  can  be  obtained.  Because  the  proposed  RPKM structures are symmetrical, the value of  1  should not be larger  than 60 ,  so we will  let  1 60   and  2 30 for the following analysis.   

 a. The telescopic drive PKM 

 b. The linear drive PKM 

Figure 10. Workspace volumes of RPKM with different  1 & 2  

As  shown  in  figure 11,  the workspace volumes  increase with  3  increasing and  4 decreasing. If we only want to get  the  largest workspace  volume,  selecting  the  largest value of  3  and  the smallest value of 4  will be a good choice.  

 a. The telescopic drive PKM 

 

 b. The linear drive PKM 

Figure 11. Workspace volumes of the RPKM with different  3and 4  

7Xiaoqiang Tang, Dengfeng Sun and Zhufeng Shao: The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable PKM

www.intechopen.com

Page 8: The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable PKMdsun/pubs/The... · International Journal of Advanced Robotic Systems The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable

As  shown  in  figure 12,  the design variable  5  only has impact on the workspace volumes of the telescopic drive PKM,  while  the  design  variable  6   only  affects  the workspace volumes of  the  linear drive PKM. Workspace increases  with  5   increasing  and  4 decreasing. Workspace  volumes  increase  as  6   increases  and  4decreases.  If we only want  to get  the  largest workspace, selecting  the  largest values of  5 and  6 will be  a good choice. However, the increasing values of  5  and 6 will decrease the stiffness of the machine.  

 a. The telescopic drive PKM 

 

 b. The linear drive PKM 

Figure12. Workspace volumes of the RPKM with different 4  ,

5  and 6  

3.4.2 GCI effect analysis 

As  shown  in  figure  13, we  can  get  the maximal GCI  as long as the value of  3 is close to one, and the values of GCI increase as  4 decreases.   As  shown  in  figure  14,  the  design  variable  of  5   only affects  the  GCI  of  the  telescopic  drive  PKM, while  the design variable of  6 only  affects  the  linear drive PKM. The maximal value of GCI can be obtained as the value of 

5  and  6  are near 2.5. The values of GCI increase when 

4 increases. 

 a. The telescopic drive PKM 

 b. The linear drive PKM 

Figure 13.GCI of the RPKM with different 3  and  4  

 a. The telescopic drive PKM 

 b. The linear drive PKM 

Figure14.GCI of the RPKM with different 4  , 5  and 6  

8 Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 267:2013 www.intechopen.com

Page 9: The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable PKMdsun/pubs/The... · International Journal of Advanced Robotic Systems The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable

3.5 Dimension

The  dimensishown in Tab 

Dimensionvariables

Getting larWVI  

Getting largeDimensionvariables

Getting larWVI  

Getting large

Table 2. The d

According toof WVI and Ga better motianalyse  the selected as  and  6 4 . PKM’s perfoand  then  eTherefore, acdesign variaband  6 2.5 when 3 1.2 will get a largThen  the dimratio  of  desdimensional shown in Tab Dimensional

Valu

Dimensional

Valu

Table 3.The di

Based  on  Tmanufacture16(a),  the  telpattern,  andprototype  wproved the fe

4. Conclusion

In  this paperassembled  inlinear drive Pcan be drawn 

nal variables de

ional  variableble 2.  

nal s  1  

ger  60  

r GCI ‐‐ nal s  4  

ger  The smalvalue

r GCIThe larg

value

dimensional vari

o the definitionGCI indicate aion dexterity oworkspace, 

1 60 ,  2 3 However,  thermance, so wendeavour  toccording to thebles are select5 .  According 25 ,  4 2 ,  ger workspacemensional varsign  parametvariables of  tble 3.  

l variables  ARue  250 

l variables  maxlue  800 

imensional para

Table  3,  a  6d  in  2010,  aescopic drive d  in  figure was  machiningeasibility of th

n  

r, a 6‐DOF RPnto  either  thePKM with then as follows:  

esign 

es  effects  on 

2  

30

‐‐ 

5  

llest e 

The largvalue

gest  e 

Near 2

iables effects on

n of WVI and a larger worksof moving pladesign  vari

30 ,  3 1.5 ,e GCI  is  verye should cons  obtain  a  lae GCI effect anted as  3 1 , to  figures  1

5 3   and  e and reasonariables can be ters i ,i 1,2,. the RPKM can

  BR l  400  200 

  minz   maxz  

200  400 

ameter of the RP

6‐DOF  RPKMs  shown  infiPKM was m16(b),  the  lig  another  wahe 6‐DOF RPK

PKM  is propoe  telescopic  de same modul

WVI  and  GC

3

  The largvalueNear 

6

gest  e 

The largvalue

2.5  Near 2

n WVI and GCI

GCI, larger vaspace volumeatform. If we iables  should  4 1.5 , 5 y  important  insider the GCI arger  workspnalysis results

4 2.5 , 5 1,  12,  13  and

6 3 ,  the  RPable GCI relativcalculated by...,6 .  Finally, n be obtained

A (o)  B (o) l60  30  6

kl   A (o) 600  60 

PKM prototype

M  prototype igure  15.In  fi

machining onenear  drive  Pax  pattern,  wKM prototype.

sed, which cadrive  PKM  orle set. Conclus

CIare 

gest  e 1 

gest  e 

2.5 

alues e and only d  be 3.5  

n  the first, pace. s, the 2.5  

d  14, PKM vely. y  the the 

d and 

minl600 

B (o)

90 

was igure wax PKM which 

an be r  the sions 

(1)

(2)

(3)

 Howpapotheinde 

Figu

A  new  typetelescopic  drmodules,  whchanged intoperiod of timA  compounddesigned  to universal  jorotation  is  lothe  general spherical  joinand can reachThe indices odesign the vato WVI and Gare obtained,experiments implement th

wever,  only  ter.  In  the  futer RPKMswithex.   

a

ure 15. The 6‐DO

e  of  strut  is rive  or  linearhere  the  teleso linear drive me. d  joint with  tbe  a  sphericaint  can  alsoocked. Comparotation  ang

nt or universah  60 . of WVI and GCariables of theGCI analysis, t, and then theproved that the machining 

wo  6‐DOF  PKture work, weh  the  same d

a. The telescopic

b. The linear d

OF RPKM proto

designed  to r  drive  withoscopic  drive  mmode easily a

three  rotational  joint,  basedo  be  obtainedared with  tradgle  of  the  nal  joint is three

CI are used toe 6‐DOF RPKMthe dimensione prototype is the new type function. 

KMs  are  disce will design drive mode  an

c drive PKM 

drive PKM 

otype 

realize  eitherout  any  othermode  can  beand in a short

n  freedoms  isd  on which  ad  when  oneditional  joints,new  type  ofe times larger

o evaluate andM. Accordingnless variablesbuilt. Millingof RPKM can

cussed  in  thisand  research

nd  evaluation

 

 

r r e t 

s a e , f r 

d g s g n 

s h n 

9Xiaoqiang Tang, Dengfeng Sun and Zhufeng Shao: The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable PKM

www.intechopen.com

Page 10: The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable PKMdsun/pubs/The... · International Journal of Advanced Robotic Systems The Structure and Dimensional Design of a Reconfigurable

Figure 16. Mill

5. Acknowled

This  researcScience  Founand  the  Na2011ZX04015

6. References

[1] Y. Koren,Systems,ReconfigReport  #Ml, 1997

[2] Y.  KorenSystems,

[3] Farhad,   LockableRobotics,

[4] F.  JovaneDesign Parallel Germany

[5] V. Angeloa  reconf

 

Milling by tel

Milling by l

ling wax pattern

dgments 

ch  is  sponsorndation  of Chational  S&T 5‐011). 

, A. G. Ulsoy, ,  Engineerigurable  Ma#1,  The Unive7. n,  Computer, McGraw‐HilP.  Kourosh, 

e  Cylindrical vol. 25,2009, pe,  S.  P.  NegriIssues  for  RKinematics  My, 2002, pp. 69o, L. Giovannifigurable  redu

lescopic drive P

linear drive PKM

red  by  the hina  (nos.  111Major  Projec

Reconfigurabing  Researcachining  Syersity  of Mich

r  Control  oll, New York, 1A  Reconfigul  Joints,  IEEEpp. 785‐797.. i,  I.  Fassi,  L. ReconfigurableMachines  Intern9‐82..  i, et al., Perforundant paralle

PKM 

M  

National  Na178012,  50975ct  of  China 

ble Manufactuch  Center ystems(ERC/Rhigan, Ann A

of  Manufactu1983. rable  Robot WE  Transactions

Molinari  Toe  PKMs,  in national  Confer

rmance analysel manipulato

tural 149), (no. 

uring for 

RMS), rbor, 

uring 

With s  on 

satti, 2002 rence, 

sis of or,  in 

[6] X

[7] G

[8] X

[9] K

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

 

The  2009  ASReconfigurablLondon, LonX.  Tang,C. Planning  ofMachines  SInternational and  Robots,   2009, pp. 175G.  Patrick,  DReconfigurabRevolute  Joinon Robotics an2010, pp. 469X.  Tang,  J. Wgantry hybridand  local  mJournal of Adv2005, pp. 382K.  H.  Hunt,actuated AutomationDFattah and Gparallel  maRobotica, Vol.X. Tang, R. Ydriven  paraMechanical DK. H. Pittensplatforms  wSystems, vol.T. Huang, D.optimum arcmachine toolC. Grosselin,for  the  kmanipulators1991, pp. 220C.  Grosselimanipulator Mechanical DJ. Wang, X. drive  strut  akinematics m2003. X.  Tang,  J.S. joint for recoChinese PatenJ.  P.  Merletmanipulatorsand Robotics York: Springe

SME/IFToMM e Mechanisms ndon, UK, 2009Lin,  et  al.,  Sf  ReconfigurSystem,in  TConference  onKing’s  Colle

5‐182. D.  G.  Raffaelble  Parallel Mnts,  in 2010  IEnd Automation97‐4702. Wang, M.  Gaod machine toomeasurement vanced Manufa2‐390. ,  Structural robot  armesign, Vol. 4, 1G. Kasaei, Kinanipulator  wi. 18, 2000, pp. Yao, Dimensioallel  manipulaesign,vol. 133,s, R.P. Podhordith  optimal  d10, 1993, pp.  . J. Whitehouschitecture andls. CRIP Annal,  J. Angels, A kinematic  os.    Journal of M0‐226. in,  M.  Guiwith  prescriesign, vol 113,Tang, C.  Lin,architecture  fmachine. Chine

Wang, C.  S. nfigurable pants, No. 200410t,  Singular  cs and Grassm(Lecture Noteser‐Verlag, vol.

International and Robots, K9, pp. 647‐655.Structure  Desirable  ParalleThe  2009  An  Reconfigurablege  London, 

le,  Planning Manipulator  wEEE  Internation, Anchorage, 

o,  Kinematic ol based on estinformation, acturing Techno

kinematics  om,  ASME 1983, pp. 705–7ematics and dith  a  new 535‐543.. 

onal design onator  of  FAS 2011, pp. 1‐12dedski, A famdexterity.  Jour463‐479. se, J. Wang, Lod design  criterls, vol. 47,1998

A global perforoptimization Mechanical De

illot,  The  sibed  workspa 1991, pp. 451 G. Duan,  J. for  reconfigurese Patents, No

Lin,  et  al.,  “Arallel kinemat0000008.4, 200configurations

mann geometry  in Computer . 391, 1989, pp

Conference  onKing’s College. ign  and  Taskel  KinematicSME/IFToMMle MechanismsLondon,  UK,

for  a  Novelwith  Lockablenal ConferenceAlaska, USA,

calibration  oftimation errorInternational

ology,  vol. 26,

of  in‐parallel‐Transaction,

712.  dynamics of aarchitecture,

n the six‐cableT,  Journal  of2. 

mily of Stewartrnal  of  Robotic

ocal dexterity,ria of parallel8, pp. 347‐351.rmance  indexof  roboticsign, vol. 113,

synthesis  oface,  Journal  of‐455. Shi, Modularrable  parallelo. 03137758.0,

An  integratedtics machine”,6. s  of  parallely,  in GeometryScience), Newp. 194‐212. 

n e 

k c M s , 

l e e , 

f r l , 

‐, 

a , 

e f 

t c 

, l 

x c , 

f f 

r l , 

d , 

l y w 

10 Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 267:2013 www.intechopen.com