Control of a parallel planar manipulator with kinematic redundancy

Manipuladores paralelos são aqueles que possuem mais de uma cadeia cinemática que liga a base ao efetuador final. Esta característica proporciona vantagens sobre os manipuladores em série, como maior robustez, maior carga útil e maior velocidade. Por outro lado, as singularidades presentes nos manipuladores paralelos diminuem a área de trabalho prejudicando o desempenho dos mesmos. Uma técnica para evitar as singularidades é a redundância cinemática, que consiste em adicionar atuadores às cadeias cinemáticas possibilitando a reconfiguração do manipulador. Além disso, a redundância cinemática pode melhorar também a rigidez, a robustez, a precisão do sistema, entre outras características, provando ser uma boa alternativa para melhorar o desempenho de manipuladores. Entretanto, alguns dos problemas encontrados em manipuladores paralelos com níveis de redundância altos são os modelos com dinâmica acoplada, que dificultam a implementação de simulações, e o controle ainda mais complexo do que manipuladores paralelos não redundantes. Portanto, esta tese apresenta um estudo sobre o controle de um manipulador paralelo versátil redundante e o impacto dos níveis de redundância cinemática sobre seu desempenho dinâmico. O protótipo consiste de um manipulador paralelo planar atuado por três motores rotacionais e três guias lineares acionadas por motores rotacionais. O acionamento ou não do movimento da guia linear define a redundância do sistema garantindo a versatilidade do protótipo, que pode apresentar de nenhum a três níveis de redundância cinemática. Essa variação permite a avaliação do impacto de diferentes níveis de redundância cinemática no manipulador. Além disso, dois controles baseados no modelo do manipulador, o controle torque calculado e o controle com linearização por retroalimentação, foram implementados para minimizar o impacto da dinâmica acoplada e não linearidades. Estes controles foram comparados com um controle tradicional como referência de comparação. Os resultados demonstraram que o desempenho do manipulador é melhorado utilizando três níveis de redundância e o controle torque calculado em termos de erro de posição e torques executados.Parallel manipulators are those that have more than one kinematic chain linking the base to the end-effector. This feature provides advantages over serial manipulators, such as greater robustness, higher payload and higher speed. On the other hand, the singularities present in the parallel manipulators decrease the workspace and impair their performance. One technique to avoid the singularities is the kinematic redundancy, which consists of adding actuators to the kinematic chains allowing the reconfiguration of the manipulator. In addition, kinematic redundancy can also improve stiffness, robustness, accuracy, and other features proving to be a good alternative to improve the performance of manipulators. However, some of the problems encountered in parallel manipulators with high levels of redundancy are models with coupled dynamics, that hamper simulations, and even more complex control than non-redundant parallel manipulators. Therefore, this thesis presents a study on the control of a versatile redundant parallel manipulator and the impact of kinematic redundancy levels on its dynamic performance. The prototype consists of a parallel planar manipulator actuated by three rotational motors and three linear guides driven by rotational motors. Whether or not linear motion is triggered defines the redundancy of the robotic system, ensuring the versatility of the prototype, which can vary from no to three levels of kinematic redundancy. This variation allows the impact evaluation of different levels of kinematic redundancy in the manipulator. In addition, two controls based on the manipulator model, the computed torque control and the feedback linearization control were implemented to minimize the impact of coupled dynamics and nonlinearities. These controls were compared with a traditional control as reference. The results demonstrated that the manipulator performance is improved by using three levels of redundancy and the computed torque control in terms of position error and executed torques