Optimal design of a kinesthetic haptic device mechanism for enhancing its impedance characteristics

Abstract

In this work, the optimal design of modified version of 3 degrees of freedom RCUBE mechanism has been studied in order to develop a high-performance haptic device mechanism. A high-performance haptic mechanism is achieved by having high transparency and high-frequency range. These two properties are determined by the mechanical impedance of the mechanism. Hence, to increase the quality of a haptic mechanism, its mechanical impedance performance must be enhanced. This refers to have low inertia, low friction, high back-drivability, high force output, high structural stiffness, and high manipulability for the mechanism. All these properties are designated by kinematic, stiffness, and dynamic properties of the mechanism. Hence, as a first step of this thesis, kinematic, stiffness and dynamic models of the mechanism are analytically procured. The analytical model of stiffness is achieved via the virtual joint method. Then, in order to obtain the objective function for the design procedure, performance metrics affecting the above-mentioned properties are reviewed and produced. Since these metrics have common parameters such as link lengths and the cross-section area of the links, there is a highly non-linear and contradictory relationship between the metrics. In order to deal with the non-linearity and to determine the global optimum design, an evolutionary optimization method, genetic algorithm, is preferred. The optimization time is reduced by investigating the most critical poses of the workspace and reducing the performance metrics to simpler forms. The link lengths and the cross-section areas are optimized. Carbon fiber tubes are used as links. The Pareto-front solution set is obtained as a result of the optimization procedure.Finally, an optimal solution is proposed and evaluated for the design of this modified R-CUBE mechanism to be used in haptic applications.

Bu çalışmada, yüksek performanslı bir haptik cihaz mekanizması geliştirmek için 3 serbestlik dereceli R-CUBE mekanizmasının yeni bir sürümünün en-iyilenmiş tasarımı incelenmiştir. Yüksek performanslı bir haptik mekanizması, yüksek geçirgenlik ve yüksek frekans aralığı ile sağlanabilir. Bu iki özellik mekanizmanın mekanik empedansı ile belirlenir. Bu nedenle, bir haptik mekanizmanın kalitesini artırmak için mekanik empedans performansı artırılmalıdır. Bu, düşük eylemsizliğe, düşük sürtünmeye, yüksek geri-sürülebilirliğe, yüksek kuvvet çıkışına, yüksek yapısal direngenliğe ve mekanizma için yüksek manipüle edilebilirliğe sahip olmak demektir. Bütün bu özellikler, mekanizmanın kinematik, direngenlik ve dinamik özellikleri ile belirlenir. Bu nedenle bu tezin ilk adımı olarak, mekanizmanın kinematik, direngenlik ve dinamik modelleri analitik olarak elde edildi. Analitik direngenlik modeli, sanal mafsal yöntemi ile elde edildi. Daha sonra, tasarım prosedür için amaç fonksiyonunu elde etmek amacıyla, yukarıda bahsedilen özellikleri etkileyen performans ölçütleri gözden geçirildi ve oluşturuldu. Uzuv boyutları ve uzuvların kesit alanı gibi ortak parametrelere sahip olduklarından, bu metrikler arasında son derece doğrusal olmayan ve çelişkili bir ilişki vardır. Doğrusal olmayan sorunla başedebilmek ve genel en-iyilenmiş tasarımı belirleyebilmek için, evrimsel bir en iyileştirme yöntemi olan genetik algoritma tercih edildi. Çalışma alanının en kritik pozlarının incelenmesi ve performans metriklerinin daha basit şekle indirgenmesiyle en-iyileştirme süresi azaltıldı. Uzuv boyutları ve kesit alanları en-iyileştirildi. Uzuv olarak karbon fiber tüpler kullanıldı. Pareto çözüm seti, en iyileştirme sürecinin bir sonucu olarak elde edildi. Son olarak, haptik uygulamalarda kullanılacak olan yeni R-CUBE mekanizması için en-iyilenmiş çözüm belirlendi ve değerlendirildi.