Singularity-Free Fully-Isotropic Translational Parallel Manipulators

Parallel mechanisms show desirable characteristics such as a large payload to robot weight ratio, considerable stiffness, low inertia and high dynamic performances. In particular, parallel manipulators with fewer than six degrees of freedom have recently attracted researchers’ attention, as their employ may prove valuable in those applications in which a higher mobility is uncalled-for. The attention of this dissertation is focused on translational parallel manipulators (TPMs), that is on parallel manipulators whose output link (platform) is provided with a pure translational motion with respect to the frame. The first part deals with the general problem of the topological synthesis and classification of TPMs, that is it identifies the architectures that TPM legs must possess for the platform to be able to freely translate in space without altering its orientation. The second part studies both constraint and direct singularities of TPMs. In particular, special families of fully-isotropic mechanisms are identified. Such manipulators exhibit outstanding properties, as they are free from singularities and show a constant orthogonal Jacobian matrix throughout their workspace. As a consequence, both the direct and the inverse position problems are linear and the kinematic analysis proves straightforward.

I meccanismi paralleli possiedono caratteristiche vantaggiose, quali un elevato carico pagante rispetto al peso del robot, una considerevole rigidezza, bassa inerzia e alte prestazioni dinamiche. In particolare, i manipolatori paralleli con meno di sei gradi di libertà hanno recentemente attratto l’attenzione dei ricercatori, potendo il loro impiego risultare utile in applicazioni nelle quali non sia necessaria una più alta mobilità. L’oggetto della presente tesi è costituito dai manipolatori paralleli traslanti (TPM), così detti in quanto il proprio membro terminale (piattaforma) esibisce un moto di pura traslazione rispetto al telaio. La prima parte affronta, in termini generali, il problema della sintesi topologica, nonché della classificazione, dei TPM. In particolare, s’individuano le architetture che le gambe di un TPM devono possedere affinché la piattaforma del meccanismo possa traslare liberamente nello spazio senza alterare il proprio orientamento. La seconda parte studia le singolarità dei TPM, tanto quelle di vincolo quanto quelle dirette, e individua speciali famiglie di meccanismi completamente isotropi. Tali manipolatori mostrano proprietà notevoli, in quanto sono privi di singolarità e possiedono una matrice jacobiana ortogonale e costante in tutto lo spazio di lavoro. I problemi di posizione sia diretto che inverso risultano lineari e l’analisi cinematica immediata.