12
International Journal of Advanced Robotic Systems Performance Evaluation of Redundant Parallel Manipulators Assimilating Motion/Force Transmissibility Regular Paper Fugui Xie, Xin-Jun Liu * and Jinsong Wang The State Key Laboratory of Tribology & Institute of Manufacturing Engineering, Department of Precision Instruments and Mechanology, Tsinghua University, China *Corresponding author e-mail: [email protected] Received 03 Sep 2011; Accepted 03 Dec 2011 © 2011 Xie et al.; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract Performance evaluation is one of the most important issues in the field of parallel kinematic manipulators (PKMs). As a very important class of PKMs, the redundant PKMs have been studied intensively. However, the performance evaluation of this type of PKMs is still unresolved and a challenging endeavor. In this paper, indices that assimilate motion/force transmissibility are proposed to evaluate the performance of redundant PKMs. To illustrate the application of these indices, three PKMs with different kinds of redundancies are taken as examples, and performance atlases are plotted based on the definitions of the indices. Transmissibility comparisons between redundant PKMs and the corresponding nonredundant ones are carried out. To determine the inverse solutions of the PKMs with kinematic redundancy, an optimization strategy is presented, and the rationality of this method is demonstrated. The indices introduced here can be applied to the performance evaluation of redundant parallel manipulators. Keywords Performance evaluation, Redundant parallel manipulator, Motion/force transmissibility. 1. Introduction As an important complementary counterpart of serial manipulators, parallel kinematic manipulators (PKMs) have been studied intensively for more than twenty years for their advantages of compact structure, high stiffness, lower moving inertia, high loadtoweight ratio, high dynamic performance, and high accuracy potential. Usually, a PKM provides a stiff connection between the payload and the base, and has a complex structure in terms of its motion and constraints. These characteristics also constitute certain disadvantages, such as the relatively small workspace, low dexterity and abundant singularities. Of note is the finding that the singularity makes the limited workspace of PKMs even smaller [1]. Unfortunately, singularity exists for most PKMs. For example, the classic 3RRR PKM [24], singular loci exist in its workspace and the singularity of this manipulator is very complex. As is well known, a manipulator works at singular configurations may create serious problems and use of such a situation should be avoided. But even so, the properties such as stiffness and accuracy deteriorate quickly when working at near singular configurations. 113 ARTICLE www.intechweb.org Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 5, 113-124

Performance Evaluation of Redundant Parallel Manipulators

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Performance Evaluation of Redundant Parallel Manipulators

 

International Journal of Advanced Robotic Systems Performance Evaluation of Redundant Parallel Manipulators Assimilating Motion/Force Transmissibility

Regular Paper

Fugui Xie, Xin-Jun Liu* and Jinsong Wang  The State Key Laboratory of Tribology & Institute of Manufacturing Engineering, Department of Precision Instruments and Mechanology, Tsinghua University, China *Corresponding author e-mail: [email protected]  Received 03 Sep 2011; Accepted 03 Dec 2011 © 2011 Xie et al.; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract  Performance  evaluation  is  one  of  the  most important  issues  in  the  field  of  parallel  kinematic manipulators (PKMs). As a very important class of PKMs, the  redundant  PKMs  have  been  studied  intensively. However,  the  performance  evaluation  of  this  type  of PKMs  is  still unresolved and a  challenging endeavor.  In this  paper,  indices  that  assimilate  motion/force transmissibility are proposed to evaluate the performance of redundant PKMs. To illustrate the application of these indices, three PKMs with different kinds of redundancies are  taken  as  examples,  and  performance  atlases  are plotted  based  on  the  definitions  of  the  indices. Transmissibility  comparisons  between  redundant  PKMs and  the  corresponding  non‐redundant  ones  are  carried out. To determine the inverse solutions of the PKMs with kinematic  redundancy,  an  optimization  strategy  is presented,  and  the  rationality  of  this  method  is demonstrated.  The  indices  introduced  here  can  be applied  to  the  performance  evaluation  of  redundant parallel manipulators.  Keywords  Performance  evaluation,  Redundant  parallel manipulator, Motion/force transmissibility. 

1. Introduction  As  an  important  complementary  counterpart  of  serial manipulators,  parallel  kinematic  manipulators  (PKMs) have been studied intensively for more than twenty years for  their advantages of compact structure, high stiffness, lower  moving  inertia,  high  load‐to‐weight  ratio,  high dynamic  performance,  and  high  accuracy  potential. Usually,  a PKM provides  a  stiff  connection between  the payload  and  the  base,  and  has  a  complex  structure  in terms of  its motion and constraints. These characteristics also  constitute  certain  disadvantages,  such  as  the relatively  small workspace,  low dexterity  and  abundant singularities. Of  note  is  the  finding  that  the  singularity makes  the  limited workspace of PKMs  even  smaller  [1]. Unfortunately,  singularity  exists  for  most  PKMs.  For example,  the classic 3‐RRR PKM  [2‐4], singular  loci exist in its workspace and the singularity of this manipulator is very complex. As is well known, a manipulator works at singular configurations may create serious problems and use of  such  a  situation  should be  avoided. But  even  so, the properties  such as  stiffness and accuracy deteriorate quickly when working at near singular configurations. 

113Fugui Xie, Xin-Jun Liu and Jinsong Wang: Performance Evaluation of Redundant Parallel Manipulators Assimilating Motion/Force Transmissibility

www.intechweb.org

ARTICLE

www.intechweb.org Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 5, 113-124

Page 2: Performance Evaluation of Redundant Parallel Manipulators

 

The most  feasible methods  for  dealing with  singularity avoidance  and  singularity‐free  workspace  enlargement are  to  use  actuation  or  kinematic  redundancy  [3‐5]. Redundancy  can,  in  general,  improve  the  ability  and performance  of  PKMs  [2,  6,  7].  Actuation  redundancy means that the mobility of a manipulator is less than the number  of  its  actuated  joints,  while  kinematic redundancy means  that  the mobility  is  greater  than  the degrees  of  freedom  (DOFs)  needed  to  set  an  arbitrary pose of the mobile platform [4, 6, 8].  Recently, redundant actuation of robotic manipulators [7, 9‐12]  and  machine  tools  [13,  14]  has  become  a  field drawing  active  research. Actuation  redundancy  consists of  two  categories:  the  activation  of passive DOFs  in  the joint space, and the introduction of new and active DOFs in  the  joint  space  [15]. Actuation  redundancy  in  PKMs can  decrease  or  eliminate  singularity,  increase manipulability  [15],  increase payload and acceleration of the mobile platform  [16],  further  improve  the  efficiency and  reliability  by  eliminating  actuator  singularity  or force‐unconstrained  configurations  [4,17],  and  improve the  repeatability  by  controlling  the  direction  of  the internal  forces  to  reduce  the  effects  of  joint  backlashes [18]. Actuation redundancy can improve the transmission properties and yield an optimal  load distribution among actuators  by  increasing  the  homogeneity  of  force transmission  and manipulator  stiffness  [16].  It  can  also optimize  the  actuator  torque  and make  up  the  actuator fault  [19,  20].  Force‐moment  capabilities  of  redundantly actuated planar PKMs were investigated by appropriately adjusting  the  actuator  outputs  to  their  maximal capabilities,  as  described  in  Ref.  [21].  Actuation redundancy is used to eliminate singularity and improve the orientation ability of Eclipse in Ref. [22].  Actuation  redundancy  also  has  its  own  inherent drawbacks. It causes challenging internal force problems, i.e.,  the  force  inverse  problem  no  longer  has  a  unique solution, which will lead to deformation or even material failure if not tackled appropriately [2, 17].  As  a  counterpart  of  actuation  redundancy,  kinematic redundancy  has  been  widely  studied  in  serial manipulators, and the focus has been diverted to PKMs of late. Kinematic  redundancy  can  improve  the ability and performance  of  a  PKM  by  changing  the  geometric parameters of the PKM instead of its basic structure. Due to  the  extra  DOFs,  kinematically  redundant  PKMs  are inherently capable of more dexterous manipulation  [23], and can not only execute the original output task but also perform additional  tasks such as singularity elimination, workspace enlargement, dexterity improvement, obstacle avoidance,  force  transmission  optimization  and unexpected impact compensation [2, 6, 7].  

However, the PKMs with kinematic redundancy are more structurally complex  in  terms of design. This complexity makes  it  difficult  to  guarantee  a working  process with high precision and high dynamic performance, and  it  is also  difficult  to  control  because  a  motion‐planning algorithm  is  needed  to  choose  the  most  desirable configuration  from  the  infinite  possible  configurations that  satisfy  the  constraints  of  mobile  platform  [23]. Moreover,  in  order  to  achieve  real‐time  control performance,  this  process must  be  calculated  efficiently [23], but it is very difficult to realize in practice due to the structural  complexity,  and  therefore,  sometimes, actuation redundancy instead of kinematic redundancy is used to avoid this difficulty in control [24]. It is important to  note  that  the  inverse  kinematics  of  a  PKM with  this kind  of  redundancy  is  no  longer  unique, which  is  the main barrier  that needs  to be  removed  from  the  control process. Moreover, to achieve the mentioned potentials of kinematic  redundancy,  an  appropriate  optimization method of determining the inverse kinematics is required. Aiming at  solving  this problem,  the  concept of a  single, discrete, and continuous optimization, which is based on the maximization of  the determinant of  Jacobian matrix, was proposed in Ref. [25]. However, the study in Ref. [26] showed  that  the dimension of  Jacobian matrix does not conform in a PKM with translational and rotational DOFs. Therefore,  this  optimization  strategy  needs reconsideration.  In  this  paper,  a  new  optimization method,  based  on  the  locally  optimized  idea,  will  be suggested to be used in the generation of optimal inverse solutions for a PKM with kinematic redundancy.  The  two  types  of  redundancies  have  their  own application  fields,  and  utilizing  the  advantages  while avoiding  the  drawbacks  is  the  essential  pursuit  of designers.  Optimal  kinematic  design  is  always  an  important  and challenging  subject  in  designing  PKMs  due  to  the closed‐loop  structures,  and  this  problem  becomes more complex  with  the  introduction  of  redundancy  to non‐redundant  PKMs.  In  general,  there  are  two  issues involved:  performance  evaluation  and  dimension synthesis. Dimension synthesis  involves determining  the lengths of links of PKMs, which is a fundamental as well as  challenging  process  for  the  design.  In  the  field  of performance  evaluation,  the  popular  local  conditioning index  (LCI)  is  unsuitable  for  application  in  PKMs with mixed  type  of DOFs  [26],  and  it  is  also  defective when applied to the planar PKMs with only translational DOFs [27].  A  local  transmission  index  (LTI),  based  on  the transmission angle, was proposed by Wang et al.  [27]  to evaluate  the  motion/force  transmissibility,  which  is limited in planar non‐redundant PKMs or non‐redundant PKMs  with  decoupled  property.  Based  on  the  virtual coefficient  of  screw  theory, Chen  et  al.  [28]  proposed  a 

114 Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 5, 113-124 www.intechweb.org

Page 3: Performance Evaluation of Redundant Parallel Manipulators

 

generalized  transmission  index  as  an  index  to  evaluate  the transmissibility  in  one  limb  of  a  non‐redundant  PKM, and  only  the  output  performance  was  considered. Thereafter, Wang et al. [29] updated the definition of LTI based  on  the  concept  of  reciprocal  product  of  screw theory,  which  considered  both  the  input  and  output motion/force  transmissibility  and  evaluated  the motion/force transmissibility of all non‐redundant PKMs. To  the  best  of  our  knowledge,  the  majority  of contributions  focus  only  on  the  non‐redundant  PKMs [27‐32]  in  the  domain  of  optimal  kinematic  design,  the research  on  the  evaluation  of  motion/force transmissibility  of  redundant  PKMs,  which  is  an important and interesting issue to be figured out for their promising potentials and vast application prospects, has not been reported yet. This paper attempts to make some contributions to this field.  The remainder of this paper is organized as follows. The next  section,  firstly,  clarifies  the  classification  of redundancy, and, secondly, presents  the outcomes of  the motion/force transmissibility analysis within the range of non‐redundant  PKMs.  Based  on  this,  the  motion/force transmission  indices  for  redundant  PKMs  are  defined accordingly. In Section 3, three PKMs with different types of  redundancy  are  taken  as  examples  to  illustrate  the application  of  the  related  indices,  and  the  performance comparisons  between  the  redundant  PKMs  and  the non‐redundant ones are also carried out. Conclusions are provided in the last section. 

 2. Transmission indices of redundant PKMs  2.1 Classification of redundancy  Let us assume that the DOFs of the manipulator are n, i.e., the number of the input actuators is n, the mobility of the mobile platform  is m,  the number of mutual  interference actuators  is  k  (i.e.,  any  one  of  the  k motors  cannot  be moved  freely when  the  rest motors are  locked), and  the number of actuation‐redundancy actuators  is r,  then,  the number of redundant actuators  is n‐m. If  0n m , this manipulator  is  redundant.  If  0n m   and  r n m , this  redundancy  is  referred  to  as  actuation  redundancy, and  this  type  of  redundancy  can  be  classified  into  two categories:  redundantly‐actuated  and  branch‐redundant, i.e., the activation of passive DOFs in the joint space, and the  introduction  of  new,  active DOFs  in  the  joint  space [15].  If  0n m   and  0k ,  this  manipulator  is kinematically  redundant.  Further,  if  0n m   and 0 r n m ,  this  redundancy  is  called  a  mixed redundancy,  this  type  of  redundancy  is  rarely  used  in practice in view of the difficulty in avoiding the inherent drawbacks  of  both  actuation  and  kinematical redundancies.  

2.2 Transmissibility analysis of non‐redundant PKMs  Screw theory has been successfully used in the analysis of motion/force transmissibility of the non‐redundant PKMs [28‐30],  in  the analysis of both kinematics and dynamics [33‐35],  and  in  type  synthesis  [36].  It  is  also  the mathematical  foundation  for  indices  calculation  in  this article.  The  basic  concepts  of  screw  theory  have  been introduced  in  detail  in  Ref.  [28,  29],  and  can  be summarized as following.  The  twist  and wrench  screws  in  a manipulator  can  be expressed  by  1 1( ; )tS p ω r ω ω   and 

2 2( ; )wS f p f r f f ,  respectively,  and  the  reciprocal product  or  virtual  coefficient  can  be  expressed  as 

1 2 ( )cos sinw tS S p p d , which  is  the power of the  two screws  in  the physical meaning, where,    and f   represent  the  scalars  of  velocity  and  force,  ω   and f   are  unit  vectors  of  the  two  screw  axes,  1r   and  2r  represent  the  position  vectors,  d   and    are  the distance  and  angle  between  the  two  screw  axes, respectively.  Based  on  the  concept  of  reciprocal  product  or  virtual coefficient of screw  theory, a generalized  transmission  index (GTI)  considering  only  the  output  transmission performance was defined in [28], which can be expressed as  

1 2

2 21 2 max , ,

( ) cos sin

max ( )w t

w t

p p d w t

p p dS SGTI

S S p p d

,    (1) 

 and  this  expression  has  been  referred  to  as  the  power coefficient in Ref. [29].  In order  to evaluate both  input and output  transmission performance  of  a  non‐redundant manipulator,  the  input transmission index and output transmission index of the i‐th leg  based  on  the  concept  of  power  coefficient  have  been defined  in  Ref.  [29],  and  can  be  expressed  as 

max

Ti Iii

Ti Ii

S SS S

  and max

Ti Oii

Ti Oi

S SS S

, respectively. 

 Consequently, the local transmission index (LTI), which was suggested  to  be  the  evaluation  metric  of  motion/force transmissibility  of  non‐redundant  manipulators,  was defined in Ref. [29] as  

min ,i i   ( 1, 2, ..., )i n ,                    (2) 

 which  is  independent  of  any  coordinate  frame  ,  and 

[0, 1] .  

115Fugui Xie, Xin-Jun Liu and Jinsong Wang: Performance Evaluation of Redundant Parallel Manipulators Assimilating Motion/Force Transmissibility

www.intechweb.org

Page 4: Performance Evaluation of Redundant Parallel Manipulators

 

2.3 Definitions of transmission indices for redundant PKMs  2.3.1 Local minimized‐transmission index (LMTI)   for actuation redundancy manipulators  For this type of manipulators ( 0r n m ), there exists mutual  interference  among  the  k  actuators,  and  it  is difficult to predict force distribution among these mutual interference  actuators  in  advance  [2,  17].  Indeed, actuation  redundancy  has  the  ability  to  optimize  the internal  forces  in  the device, but  this  cannot be  realized only by kinematic optimum design. Within  the  scope of performance  evaluation,  we  cannot  evaluate  the motion/force  transmissibility  exactly  as  we  did  for non‐redundant manipulators. Hence, we  suggest  a  local minimized  transmission  index  (LMTI)  to  evaluate  the motion/force transmissibility of the actuation redundancy manipulators, which is summarized as follows.  By removing r actuation‐redundancy actuators from the k mutual  interference  actuators  (i.e.,  making  the  r actuation‐redundancy  actuators  passive),  q non‐redundant  manipulators  will  be  generated,  and 

rkq C . According  to  the definition  of  local  transmission 

index [29] mentioned above, there is an LTI value for each manipulator with respect to the designated pose, denoted by  i   ( 1, 2, ..., )i q .  From  the  q  non‐redundant manipulators, we  can  find  a non‐redundant  manipulator  which  can  transmit motion/force  better  than  others  in  a  given  pose  of  the mobile  platform,  and  take  the  LTI  value  of  this manipulator  as  the  local  minimized  transmission  index (LMTI), which can be expressed as  

1 2max , , ..., q ,  rkq C .              (3) 

 This  index  reflects  the  minimum  motion/force transmission  performance  in  a  designated  pose  of  the actuation‐redundancy manipulators. The  larger  value  of LMTI  indicates  that  the  more  efficient  motion/force transmission  would  take  place.  According  to  the definition of LTI, LMTI  is  frame‐free, and [0, 1] . For the  purpose  of  high  speed  and  high  quality  of motion/force  transmission,  the  most  widely  accepted range  for  LTI  is  sin45 1, or  sin40 1,   [27,  30]. 

Therefore,  the  corresponding  limit  for  LMTI  should  be sin45   or  sin40 . When the value of LMTI is 

within  this  range,  the  good  motion/force  transmission takes place for actuation redundancy manipulators.     

2.3.2 Local optimal‐transmission index (LOTI)   for kinematic redundancy manipulators:  There  is  no mutual  interference  actuator  for  kinematic redundancy  manipulators  ( 0n m ,  0k ),  but  the inverse kinematics is not unique [23], the solution set can be denoted by G, and,  for any potential positions of  the actuators, the value of the local transmission index, i.e.,  , will  be  different.  There  exists  a  maximal  value  g ( g G )  when  the  inputs  vary  in  the  range  of  the potential  positions,  and  take  this maximal  value  as  the local  optimal‐transmission  index  (LOTI)  to  evaluate  the motion/force transmission performance for the given pose of  a  kinematically  redundant  manipulator.  When  this maximal value  is  taken,  the  inputs,  i.e.,  the subset g, are referred  to as  the optimal  inverse kinematic solution  for  the given pose of the mobile platform. There is  

g ,  g G .                                  (4)  

This  index  indicates  the  best motion/force  transmission performance in a given pose of the kinematic redundancy manipulators.  Similarly,  the  larger  value  of  LOTI indicates  that  the  more  efficient  motion/force transmission would  take  place,  and  LOTI  is  frame‐free, 

[0, 1] .  To  have  good  motion/force  transmission performance for kinematic redundancy manipulators, the limit  for  LOTI  should  be  Θ sin45   or  Θ sin40  according to Section 2.3.1.  The optimal  inverse kinematic solution,  i.e., g, generated here can realize the best motion/force transmissibility of a PKM with kinematic redundancy in the given pose of its mobile  platform.  Over  a  considered workspace,  all  the optimal  inverse  kinematic  solutions  can  be  determined, and  these  solutions  can  be  applied  in  the  process  of control.  3. Examples  In  order  to  introduce  the  applications  of  the  proposed indices and demonstrate their effectiveness in the analysis of  the motion/force  transmissibility of  redundant PKMs, three PKMs with different kinds of redundancy are taken as examples and the corresponding atlases of the  indices are plotted. Based on  the proposed  indices and  the LTI, performance comparisons between  the  redundant PKMs and their non‐redundant ones are also presented. Due to space  constraints,  calculations  for  related  indices  are presented  in Appendixes  in  detail,  the main  procedure and  results  are  directly  presented  in  the  following sections.    

116 Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 5, 113-124 www.intechweb.org

Page 5: Performance Evaluation of Redundant Parallel Manipulators

 

3.1 Actuation redundancy: redundantly‐actuated  In Ref.  [27], we have presented  the  optimal design  of  a spatial  3‐DOF  parallel manipulator,  as  shown  in  Fig.  1. When  this  mechanism  was  used  in  a  5‐axis  prototype called SPKM165 [37] as a parallel module, we found that the accuracy and stiffness along the y‐axis are not as good as that along other directions. To overcome this weakness, a new redundantly‐actuated PKM, i.e., the joint along the y‐axis  is  actuated,  is  developed,  as  shown  in  Fig.  2. Theoretically,  the accuracy and  stiffness along  the y‐axis should be better because the motion/force transmissibility along the y‐axis has been improved by the introduction of actuation  redundancy.  To  verify  this,  we  will  use  the suggested  index  to  evaluate  the  performance  of  this redundant PKM, and compare this result with that of the non‐redundant one.  

       (a) 

 (b) 

Figure 1. A  spatial 3‐DOF PKM:  (a) CAD model;  (b) kinematic scheme. 

 Here,  the dimensional parameters  of  the  two PKMs  are specified as  

180 mmi i iB P l   ( 1, 2,3i ),  1 2 112 mmPP l , 

1 2 266 mmTT d ,  3 1 87 mmPP r   and 

1 3 2 3 133 2 mmTT T T .  Parameter  2r   represents  the  distance  from  point  P  to line  3 3B T , then  2 133 mmr .  For  this  mechanism,  k=3,  r=1,  n=4,  and  m=3,  then 

13 3r

kq C C .  By  removing  actuators  B1,  B2,  B3, respectively, three non‐redundant PKMs can be generated. 

For a given pose of  the mobile platform,  the LTI values can  be  calculated  and  represented  by  1 2,   and  3 , respectively.  The  corresponding  derivation  process  is presented in detail in Appendix A. Then, the LMTI of the redundant PKM can be generated as  

1 2 3max , , .                              (5) 

 When  the PKM moves along  the z‐axis,  i.e.,  three  inputs are  driven  in  synchronization  with  each  other,  the motion/force  transmissibility  remains  unchanged. Therefore,  z=0  is  assumed.  With  this  information,  the LMTI  distribution  atlas  of  the  redundant  PKM  and  the LTI  distribution  atlas  of  the  non‐redundant  one,  with respect  to  the  practical  workspace  defined  by 

50 mm, 50 mmy   and  25 , 90 ,  are 

generated as shown in Figs. 3 and 4, respectively. Due to the  decoupling  property  of  the  manipulators,  the distribution loci of the related indices are parallel.  

 (a) 

 (b) 

Figure  2.  The  redundant  3‐DOF  PKM:  (a)  CAD  model;  (b) kinematic scheme.  Comparing  Figs.  3  and  4,  it  is  evident  that  the transmission  performance  along  the  y‐axis  has  been improved dramatically by  the  introduction of redundant actuation, and this result is expected. In order to evaluate the  extent  of  improvement  of  the  transmissibility, 

LMTI LTI 100LTI

  is used  to express  it numerically, 

and  the distribution  of    in  the  identical workspace  is 

117Fugui Xie, Xin-Jun Liu and Jinsong Wang: Performance Evaluation of Redundant Parallel Manipulators Assimilating Motion/Force Transmissibility

www.intechweb.org

Page 6: Performance Evaluation of Redundant Parallel Manipulators

 

also plotted as shown  in Fig. 5, from which one may see that  in  the  area  defined  by  50 mm, 50 mmy   and 

10 , 50   the  improvement  of  transmissibility  is 

prominent.  

  

Figure 3. The LMTI atlas of the redundant PKM.  

  

Figure 4. The LTI atlas of the non‐redundant PKM.  

  

Figure 5. The atlas of in the workspace.  

By  this  comparison,  it  can  be  concluded  that  the redundantly‐actuated  redundancy  contributes  greatly  to the motion/force transmissibility of a manipulator.  Note  that,  the  value  of  LMTI  represents  the minimum motion/force  transmission  performance,  and  the  actual transmissibility of the redundant PKM may be better than that depicted in Fig. 3.   

3.2 Actuation redundancy: branch‐redundant  In  this  section,  an  extensively  studied  redundant  3‐RRR PKM  is  taken as an example, as  shown  in Fig. 6, which has been developed by  the  introduction of an additional identical limb to the classic 5R PKM.  

  

Figure 6. A redundant 3RRR PKM.  

The parameters of this manipulator used here are  

1 2 2 3 1 3 200 mmB B B B B B ,  100 mmi iB C  ( 1,2,3i ) and  100 mmiC P   ( 1,2,3i ).  For  this  manipulator,  k=3,  r=1,  n=3,  and  m=2,  then 

13 3r

kq C C . Removing  the actuators B1, B2, and B3, respectively,  three  non‐redundant  PKMs  (5R)  can  be generated as shown in Figs. 7(a), 8(a) and 9(a). For a given position of point P in the workspace, the LTI values of the three  non‐redundant  PKMs  can  be  calculated  and represented  by  1 ,  2   and  3 .  The  corresponding derivation process can be found in Appendix B. Then, the LMTI value of the redundant PKM can be generated as  

1 2 3max , , .                        (6) 

 The  corresponding  atlases  of  1 ,  2   and  3   have been  presented  in  Figs.  7(b),  8(b)  and  9(b),  respectively, and  the  LMTI  atlas  of  the  redundant  3‐RRR  PKM  is shown in Fig. 10.  Comparing  the atlases shown  in Figs. 7(b), 8(b) and 9(b) with  that  in  Fig.  10,  it  can  be  deduced  that  the branch‐redundant  redundancy  evidently  contributes  to the  improvement  of  the  motion/force  transmission performance.  The  atlas  in  Fig.  10  illustrates  that  the distribution  of  the  transmission  performance  index  is more uniform  in  the workspace, and  the  isotropy of  the manipulator  has  also  been  improved.  Note  that,  the atlases presented  in Figs. 7(b), 8(b) and 9(b) are actually 120   rotational  symmetry,  this  is  consistent  to  the configurations of the mechanisms presented in Figs. 7(a), 8(a) and 9(a).   

118 Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 5, 113-124 www.intechweb.org

Page 7: Performance Evaluation of Redundant Parallel Manipulators

 

3.3 Kinematic redundancy  By introducing an active slider P to the classic 5R PKM, a kinematically redundant manipulator can be generated as shown  in Fig. 11, the non‐dimensional parameters of the manipulator are  1 0.85r ,  2 1.6r   and  3 0.55r .  For  this  manipulator,  k=0,  i.e.,  there  is  no  mutual interference actuators. However,  the  inverse kinematics of this  manipulator  is  no  longer  unique,  i.e.,  for  a  given position of  the point C, numerous  solutions of  the  inputs subject to the constraints of the mechanism can be derived, and  among  all  the  potential  solutions,  there  exists  a solution g, which can make the LTI of the PKM achieve its maximum value  g , then the LOTI can be expressed as  

g ,                                      (7)  

and  g  is  the  optimal  inverse  kinematic  solution  for  the given position of point C. The  corresponding derivation process has been elaborated in Appendix C.  

 (a) 

 

 (b) 

Figure  7. Actuator  B1  is  removed:  (a)  kinematic  scheme  of  5R PKM; (b) The LTI atlas of the 5R. 

 The atlas of LOTI and singular loci is presented in Fig. 12. In order to depict the effect of the kinematic redundancy, the  corresponding  performance  of  a  non‐redundant  5R PKM, as  shown  in Fig. 13,  is evaluated, and  the atlas of singular loci and LTI is shown in Fig. 14.  Comparing the singular loci shown in Figs. 12 and 14, it can be  concluded  that  the  singularity‐free workspace has been dramatically enlarged due  to  the  introduction of kinematic redundancy.  The  workspace  with  good  transmission 

performance of the redundant PKM is obviously larger than that  of  the  non‐redundant  PKM.  Therefore,  kinematic redundancy contributes greatly to the singularity avoidance, singularity‐free  workspace  enlargement  and  motion/force transmission performance improvement.  

 (a) 

 

  

(b) Figure  8. Actuator  B2  is  removed:  (a)  kinematic  scheme  of  5R PKM; (b) The LTI atlas of the 5R.  

  

(a)  

  

(b) Figure  9. Actuator  B3  is  removed:  (a)  kinematic  scheme  of  5R PKM; (b) The LTI atlas of the 5R. 

 Generally,  the  inverse  kinematic  solution  is  unique  for  a specific working mode of a parallel manipulator. However, in the practical application of the kinematically redundant 

119Fugui Xie, Xin-Jun Liu and Jinsong Wang: Performance Evaluation of Redundant Parallel Manipulators Assimilating Motion/Force Transmissibility

www.intechweb.org

Page 8: Performance Evaluation of Redundant Parallel Manipulators

 

PKM shown in Fig. 11, the inverse kinematic solution is no longer unique. An appropriate optimization  strategy  is necessary  to determine  the  inverse  solutions. Based on the  optimization  of  the  motion/force  transmission performance,  the  optimal  inverse  kinematic  solutions generated  here  are  qualified  for  this  task.  In  order  to verify  the  rationality  of  this  method,  a  rectangular workspace,  as  shown  in  Fig.  15,  is  considered,  the positions of slider P are generated and plotted in Fig. 16. 

 

  

Figure 10. The LMTI atlas of the redundant 3RRR PKM.  

  

Figure 11. A manipulator with kinematic redundancy.  

  

Figure 12. The atlas of LOTI and singular loci of the kinematically redundant manipulator. 

 The  slider  P  moves  smoothly  over  the  rectangular workspace  of  the mobile  platform;  that  is,  no  jumps  or transient impacts occur during the locating process of the actuator. Therefore, this optimization method can be used to  determine  inverse  kinematic  solutions  in  the  control process,  and  these  optimal  kinematic  inverse  solutions can  maximize  the  motion/force  transmissibility  of kinematically redundant PKMs.   

  

Figure 13. The non‐redundant 5R PKM.  

  

Figure 14. The atlas of singular loci and LTI of the non‐redundant 5R.  

4. Conclusions  This  article  presents  the  classification  of  redundancy  and briefly  expounds  the  outcomes  of  the  motion/force transmissibility analysis of non‐redundant PKMs. Based on this,  the  local minimized  transmission  index  (LMTI)  and  local optimal‐transmission  index  (LOTI)  are  defined  as  the evaluation metrics of motion/force transmissibility for PKMs with  actuation  redundancy  and  that  with  kinematic redundancy,  respectively.  Aiming  at  determining  and optimizing  inverse  solutions  of  a  PKM  with  kinematic redundancy  for  the  control  process,  the  optimal  inverse kinematic  solution, which  can  realize  the  best motion/force transmissibility  for  this  type  of  PKMs,  is  proposed.  To illustrate  the  application  of  the  indices,  three  PKMs with different types of redundancy are taken as examples, and the corresponding performance atlases based on the indices are presented. The comparisons, between the redundant and the corresponding  non‐redundant  PKMs,  with  respect  to  the motion/force  transmissibility  are  carried  out.  The  optimal kinematic design method of redundant PKMs based on the proposed indices will be presented in our future work.  

  

Figure 15. A selected workspace. 

120 Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 5, 113-124 www.intechweb.org

Page 9: Performance Evaluation of Redundant Parallel Manipulators

 

  

Figure 16. The position distribution of the slider P based on the optimization method.  

5. Acknowledgements  This work was supported in part by the National Natural Science Foundation of China under Grant 51075222  and 51135008,  and  the  Fund  of  State  Key  Laboratory  of Tribology (Grant No. SKLT10C02 ).         

Appendix A: Indices derivation of the 3‐DOF PKM with actuation redundancy  Nomenclature  

IiS   input twist screw along the vertical direction of limb  i  

TiS   transmission wrench screw of limb  i  

OiS   output twist screw when all the actuators except that of limb  i   are locked 

TrS   transmission wrench screw of redundant actuation 

OrS   output twist screw when all the actuators except the redundant one are locked 

CijS   constraint wrench screw of limb  i ,  j   denotes the number of screws 

i   input transmission index of limb  i  

ik   output transmission index of limb  i  when actuator Bk is removed 

ir   output transmission index of limb  i  when the redundant actuator is removed 

rk   output transmission index of the redundant actuation when actuator Bk is removed  The CAD model and kinematic scheme of this redundant manipulator  are  shown  in  Fig.  2,  and  the  inverse kinematics can be generated as:  Given P  ( , , )y z   (   represents the rotational angle of mobile  platform  about  the  y‐axis),  and  the  positions  of sliders 1B , 2B , 3B and B can  be  represented  by  1B  

1(0, , )2d z ,  2B   2(0, , )

2d z ,  3B 2 3( , , )R y z   and 

B 2 3( , 0, )R z , where  

2 21 1 ( )

2 2l dz z l y ,                          (8) 

2 22 2 ( )

2 2l dz z l y ,                          (9) 

2 23 1 3 1 2sin ( cos )z z R l R R .          (10) 

 

With  regard  to  the  coordinate  system  o‐xyz,  the  twists and wrenches  in  the manipulator  can  be  expressed  by screws as follows:  

0, 0, 0; 0, 0, 1IiS   ( 1, 2, 3i ),                  (11) 

11 1, 0, 0; 0, ,2ClS z y

,                      (12) 

21 1, 0, 0; 0, ,2ClS z y

,                (13) 

31 0, 0, 0;1, 0, 0CS ,                        (14) 

2 0, 0, 0; 0, 0, 1CiS   ( 1, 2, 3i ),          (15) 

1 10, 1, 0; sin , 0, cosTrS r z r ,        (16) 

;i i i i iTi

i i i i

B P oP B PS

B P B P

  ( 1, 2, 3i ).        (17) 

 

where,  

11 1

12 2

1

0, , ; , 0, 02 2 2 2

( ) ( )2 2

T

lzl d zdy z z yzS

l dy z z

,    (18) 

22 2

22 2

2

0, , ; , 0, 02 2 2 2

( ) ( )2 2

T

lzl d zdy z z yzS

l dy z z

, (19) 

121Fugui Xie, Xin-Jun Liu and Jinsong Wang: Performance Evaluation of Redundant Parallel Manipulators Assimilating Motion/Force Transmissibility

www.intechweb.org

Page 10: Performance Evaluation of Redundant Parallel Manipulators

 

 

1 2 1 3 1 3 1 2 23 2 2

1 2 1 3

cos , 0, sin ; 0, cos sin , 0

( cos ) ( sin )T

r r r z z r z r r r zS

r r r z z

.                                            (20) 

 When  the actuator B1  is  removed, a new non‐redundant PKM is generated. Then,  

max

Ti Iii

Ti Ii

S SS S

  ( 2, 3i ),                  (21) 

1max

Ti Oii

Ti Oi

S SS S

  ( 2, 3i ),                  (22) 

1max

Tr Orr

Tr Or

S SS S

.                            (23) 

 Where,  2OS   and  3OS   can be determined by  

00

0

Oi Cmn

Oi Tj

Oi Tr

S SS S

S S

  ( , , , 2, 3i j m n ,  i j ),        (24) 

 and  OrS   can be determined by  

00

Or Cmn

Or Ti

S SS S

  ( , , 2, 3i m n ).                (25) 

 Then,  the  LTI  of  this  non‐redundant  PKM  can  be expressed as  

1 2 3 21 31 1min , , , , r .                (26) 

 Similarly,  when  the  actuator  B2  and  B3  are  removed, respectively,  the  LTIs  of  the  two  non‐redundant  PKMs can be expressed as  

2 1 3 12 32 2min , , , , r                 (27)  

and  

3 1 2 3 1 2 3min , , , , ,r r r .            (28) 

 Appendix B: Indices derivation of the redundant 3RRR PKM  The corresponding angular parameters used  in  this part are shown in Fig. 17, and values of these parameters can be easily derived when the position of point P is given.  Later, when  the  actuator  B1  is  removed,  the  LTI  of  the non‐redundant manipulator can be derived as  

1 2 3 23min sin , sin , sin .          (29) 

  

Figure 17. The redundant 3RRR PKM.  

Similarly, the other two indices, when actuators B2 and B3 are removed respectively, can be generated as  

2 1 3 13min sin , sin , sin ,          (30) 

3 1 2 12min sin , sin , sin .          (31)  

Appendix  C:  Indices  derivation  of  the  kinematically redundant 5R PKM  The  corresponding  angular  parameters  used  in  this section are shown in Fig. 18.  

  

Figure 18. The kinematically redundant 5R PKM.  

When the position of point C is given, the values of these parameters can be easily derived and positions of slider P that  satisfy  the  constraints  of  the  manipulator  can  be denoted by G. When the slider P is located at an arbitrary position  Pi   ( Pi G ),  the  transmission performance of this manipulator can be expressed as  

1 2 3 0min sin , sin , sin , cosPi         (32)  

In  the set G,  there exists a position  Pj   ( Pj G ) which makes the transmission performance of this manipulator achieve its optimal level, and this maximum value can be expressed as 

maxg PiPi G

,                              (33) 

 

Then,  the optimal kinematic  inverse solution  is given by g Pj . 

122 Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 5, 113-124 www.intechweb.org

Page 11: Performance Evaluation of Redundant Parallel Manipulators

 

 

6. References  [1] Z. Zhu, R. Dou, “Optimum design of 2‐DOF parallel 

manipulators  with  actuation  redundancy,” Mechatronics, vol. 19, pp. 761‐766, 2009. 

[2] S.‐H.  Cha,  T.A.  Lasky,  S.  A.  Velinsky, “Kinematically‐redundant  variations  of  the  3‐RRR mechanism and local optimization‐based singularity avoidance,” Mechanics based Design of Structures and Machines, vol. 35, pp. 15‐38, 2007. 

[3] S.‐H. Cha, T.A. Lasky, S.A. Velinsky, “Determination of the kinematically redundant active prismatic joint variable  ranges of  a planar parallel mechanism  for singularity‐free trajectories,” Mechanism and Machine Theory, vol. 44, pp. 1032‐1044, 2009. 

[4] B. Dasgupta, T.S. Mruthyunjaya, “Force redundancy in parallel manipulators: theoretical and practical issues,” Mech. Mach. Theory, vol. 33 (6), pp. 727‐742, 1998. 

[5] M. Alberich‐Carraminana, M. Garolera, F. Thomas, C. Torras,  “Partially  flagged  parallel manipulators: singularity  charting  and  avoidance,”  IEEE Transactions on Robotics, vol. 25 (4), pp. 771‐784, 2009. 

[6] M.G.  Mohamed,  C.M.  Gosselin,  “Design  and analysis  of  kinematically  redundant  parallel manipulators  with  configurable  platforms,”  IEEE Transactions on Robotics, vol. 21(3), pp. 277‐287, 2005. 

[7] J.A. Saglia,  J.S. Dai, D.G. Caldwell, “Geometry and kinematic  analysis  of  a  redundantly  actuated parallel mechanism that eliminates singularities and improves dexterity,” Journal of Mechanical Design, vol. 130, pp. 124501‐(1‐5), 2008. 

[8] H.L. Lee, et al., “Optimal design of a five‐bar finger with  redundant  actuation,”  in  Proc.  IEEE  Conf. Robotics and Automation, Leuven, Belgium, 1998, pp. 2068–2074. 

[9] Y.  Zhao,  F.  Gao,  W.  Li,  W.  Liu,  X.  Zhao, “Development  of  6‐DOF parallel  seismic  simulator with novel  redundant actuation,” Mechatronics, vol. 19, pp. 422‐427, 2009. 

[10] T.A. Hess‐Coelho,  “A  redundant  parallel  spherical mechanism for robotic wrist applications,” Journal of Mechanical Design, vol. 129, pp. 891‐895, 2007. 

[11] Y.‐X.  Zhang,  S.  Cong, W.‐W.  Shang,  Z.‐X.  Li,  S.‐L. Jiang,  “Modeling,  identification  and  control  of  a redundant  planar  2‐DOF  parallel  manipulator, International  Journal  of  Control,”  Automation  and Systems, vol. 5 (5), pp. 559‐569, 2007. 

[12] Y.  Zhao,  F.  Gao,  “Dynamic  formulation  and performance  evaluation  of  the  redundant  parallel manipulator,”  Robotics  and  Computer‐Integrated Manufacturing, vol. 25, pp. 770‐781, 2009. 

[13] L. Wang,  J. Wu,  J. Wang, Z. You, “An experimental study  of  a  redundantly  actuated  parallel manipulator  for  a  5‐DOF  hybrid  machine  tool,” IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 14 (1), pp.72‐81, 2009. 

[14] J. Wu, J. Wang, L. Wang, T. Li, Z. You, “Study on the stiffness  of  a  5‐DOF  hybrid  machine  tool  with actuation  redundancy,”  Mechanism  and  Machine Theory, vol. 44, pp. 289‐305, 2009. 

[15] J.F.  O’Brien,  J.T.  Wen,  “Redundant  actuation  for improving kinematic manipulability,” in Proceedings of the 1999 IEEE international Conference on Robotics & Automation, Detroit, Michigan, 1999. 

[16] M.H. Abedinnasab, G.R. Vossoughi,  “Analysis  of  a 6‐DOF  redundantly  actuated  4‐legged  parallel mechanism,”  Nonlinear  Dyn,  vol.  58,  pp.  611‐622, 2009. 

[17] S.B.  Nokleby,  R.  Fisher,  R.P.  Podhorodeski,  F. Firmani, “Force capabilities of redundantly‐actuated parallel  manipulators,”  Mechanism  and  machine theory, vol. 40, pp. 578‐599, 2005. 

[18] G.  Ecorchard,  R.  Neugebauer,  P.  Maurine, “Elasto‐geometrical  modeling  and  calibration  of redundantly  actuated  PKMs,”  Mechanism  and Machine Theory, vol. 45, pp. 795‐810, 2010. 

[19] W.  Shang,  S.  Cong,  F.  Kong,  “Identification  of dynamic  and  friction  parameters  of  a  parallel manipulator  with  actuation  redundancy,” Mechatronics, vol. 20, pp. 192‐200, 2010. 

[20] R.G.  Roberts,  H.G.  Yu,  A.A.  Maciejewski, “Fundamental  limitations  on  designing  optimally fault‐tolerant  redundant  manipulators,”  IEEE Transactions on Robotics, vol. 24 (5), 2008. 

[21] A. Zibil, F. Firmani, S.B. Nokleby, R.P. Podhorodeski, “An  explicit  method  for  determining  the force‐moment  capabilities  of  redundantly  actuated planar parallel manipulators,”  Journal  of Mechanical Design, vol. 129, pp. 1046‐1055, 2007. 

[22] J. Kim, F.C. Park, S.J. Ryu, et al., “Design and analysis of  a  redundantly  actuated  parallel  mechanism  for rapid machining,”  IEEE  Transactions  on Robotics  and Automation, vol. 17(4), pp. 423‐434, 2001. 

[23] A.A. Maciejewski, J.M. Reagin, “A parallel algorithm and  architecture  for  the  control  of  kinematically redundant  manipulators,”  IEEE  Transactions  on Robotics and Automation, vol. 10 (4), pp. 405‐413, 1994. 

[24] S.H. Kim, D. Jeon, H.P. Shin, W. In, J. Kim, “Design and analysis of decoupled parallel mechanism with redundant actuator,” International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, vol. 10 (4), pp. 93‐99. 

[25] J. Kotlarski,  T.D.  Thanh,  B. Heimann,  T. Ortmaier, “Optimization strategies  for additional actuators of kinematically  redundant  parallel  kinematic machines,”  in  Proceedings  of  IEEE  International Conference  on  Robotics  and  Automation,  Anchorage, Alaska, USA, 2010. 

[26] J.P.  Merlet,  “Jacobian,  manipulability,  condition number,  and  accuracy  of  parallel  manipulators,” Journal of Mechanical Design, vol. 128, pp. 199‐206, 2006. 

[27] J. Wang, X.J. Liu, C. Wu, “Optimal design of a new spatial  3‐DOF  parallel  robot  with  respect  to  a 

123Fugui Xie, Xin-Jun Liu and Jinsong Wang: Performance Evaluation of Redundant Parallel Manipulators Assimilating Motion/Force Transmissibility

www.intechweb.org

Page 12: Performance Evaluation of Redundant Parallel Manipulators

 

 

frame‐free  index,”  Science  in  China,  Series E‐Technological Sciences, vol. 52, pp. 986‐999, 2009. 

[28] C.  Chen,  J.  Angeles,  “Generalized  transmission index and transmission quality for spatial linkages,” Mechanism and Machine Theory, vol. 42, pp. 1225‐1237, 2007. 

[29] J. Wang, C. Wu, X.‐J. Liu, “Performance evaluation of  parallel  manipulators:  Motion/force transmissibility  and  its  index,”  Mechanism  and Machine Theory, vol. 45, pp. 1462‐1476, 2010. 

[30] C. Wu, X.‐J. Liu, L. Wang, J. Wang, “Optimal design of  spherical  5R  parallel  manipulators  considering the  motion/force  transmissibility,”  Journal  of Mechanical Design, vol. 132, pp. 031002‐(1‐10), 2010. 

[31] S.  Bai,  “Optimum  design  of  spherical  parallel manipulators for a prescribed workspace,” Mechanism and Machine Theory, vol. 45, pp. 200‐211, 2010. 

[32] J. W. Yoon,  J. Ryu, Y.‐K. Hwang, “Optimum design of  6‐DOF  parallel  manipulator  with translational/rotational workspaces for haptic device application,”  Journal  of  Mechanical  Science  and Technology, vol. 24(5), pp. 1151‐1162, 2010. 

[33] J. Gallardo, J.M. Rico, A. Frisoli, et al., “Dynamics of parallel manipulators  by means  of  screw  theory,” Mechanism and Machine Theory, vol. 38, pp. 1113‐1131, 2003. 

                              

[34] J.  Gallardo‐Alvarado,  C.R.  Aguilar‐Nájera,  L. Casique‐Rosas,  L.  Pérez‐González,  J.M. Rico‐Martínez,  “Solving  the  kinematics  and dynamics  of  a  modular  spatial  hyper‐redundant manipulator  by means  of  screw  theory,” Multibody Syst Dyn, vol. 20,pp. 307‐325, 2008. 

[35] J.  Gallardo‐Alvarado,  C.R.  Aguilar‐Nájera,  L. Casique‐Rosas,  J.M.  Rico‐Martínez,  M.N.  Islam, “Kinematics  and  Dynamics  of  2(3‐RPS) manipulators  by  means  of  screw  theory  and  the principle  of  virtual work,” Mechanism  and Machine Theory, vol. 43, pp. 1281‐1294, 2008. 

[36] Z. Huang, Q.C.  Li,  “General methodology  for  the type  synthesis  of  lower‐mobility  symmetrical parallel  manipulators  and  several  novel manipulators,”  International  Journal  of  Robotics Research, vol. 21, pp. 131‐145, 2002. 

[37] F. Xie, X. Liu, J. Wang, L. Wang, “Kinematic analysis of  the  SPKM165,  a  5‐axis  serial‐parallel  kinematic milling  machine,”  in  Proceedings  of  the  Second International  Conference  on  Intelligent  Robotics  and Applications, Singapore, 2009, pp. 592–602. 

            

124 Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 5, 113-124 www.intechweb.org