Optimization and control of lightweight flexible mechanisms with additional actuators and sensors

Disertační práce je zaměřena na řízení aktivních struktur s přidanou hodnotou. U řady vyráběných strojů a mechanismů mohou být zlepšeny jejich vlastnosti přidáním dodatečného odměřování či jiné aktivní struktury. Tímto lze s relativně malým úsilím dosáhnout znatelného zlepšení požadovaných parametrů, nejčastěji se jedná o tuhost a přesnost daného mechanismu. Většinou jde o individuální úlohy pro daný stroj. Ovšem pro mechanismy s podobnou strukturou a se znalostí jejich předností a nedostatků lze utvořit jednotný koncept, který je s malými úpravami možné použít i u ostatních mechanismů podobné konstrukce. V této disertační práci jsou prvotně představeny mechanismy s typickou kinematickou strukturou pro použití v průmyslu a vývoji. Jsou rozebrány jejich přednosti, v čem naopak zaostávají a zda je možná jejich kombinace. První typický příklad pro mechanické struktury, které jsou agilní a mají velkou variabilitu, jsou konstrukce se sériovou kinematickou strukturou. Jejich nevýhodou však bývá velká poddajnost a s tím spojená nepřesnost pracovního bodu. Druhou vybranou strukturou jsou vláknové paralelní mechanismy, které mají velký pracovní prostor, ovšem ovládání vlákny/lany s sebou nese specifické frekvenční charakteristiky a nižší přesnost způsobenou poddajností vláken a složitým ovládáním. Následně je disertační práce strukturovaná do dvou větších sekcí. Každá sekce se věnuje jedné z výše popsaných problematik. První sekce se věnuje sériovým kinematickým strukturám a bližšímu rozebrání zdrojů nepřesností, které jsou způsobeny poddajností převodovek a ramen. Následně jsou zde představeny možné koncepty přídavného odměřování a experimentální demonstrátor, na kterém bude zkoušena teorie řízení. Je vybrán koncept přídavného odměřování, který nejméně omezuje kladné vlastnosti robota. Následně je zde představena teorie řízení, která zahrnuje do řídícího algoritmu všechny přidané senzory. A v poslední řadě bude tato teorie vyzkoušena na experimentálním demonstrátoru. Druhá sekce je věnovaná další typické struktuře, která vyniká v oblasti pracovního prostoru, a to vláknovým mechanismům. Tyto mechanismy mají obrovský pracovní prostor díky pohánění pracovní platformy na velkou vzdálenost lany/vlákny. To ale způsobuje rozkmit pracovní platformy díky poddajnosti lan a nižší frekvence, než které jsou běžné u tuhých strojů. Proto se tato sekce věnuje vyvinutí konceptu přidané aktivní struktury a její optimalizace mechanických vlastností pro daný účel. Je zde představen experimentální demonstrátor, na kterém bude přídavná struktura testována. Pro tuto platformu jsou navrženy syntézy řízení jak pro případy, kdy do optimalizačního procesu syntézy řízení není zahrnuta přídavná struktura, tak pro případ, kdy je. Výsledné regulátory z obou případů jsou pak porovnány na reálném demonstrátoru.The dissertation is focused on the control of active structures with added value. For many manufactured machines and mechanisms, their properties can be improved by adding additional metering or other active structure. This makes it possible to achieve a noticeable improvement in the required parameters with relatively little effort, most often the rigidity and accuracy of the mechanism. These are usually individual tasks for a given machine. However, for mechanisms with a similar structure and with knowledge of their advantages and disadvantages, it is possible to create a unified concept, which can be used with other modifications for other mechanisms of similar construction. In this dissertation, mechanisms with a typical kinematic structure for use in industry and development are introduced. Their advantages are discussed, in what way they lag behind and whether their combination is possible. The first typical example for mechanical structures that are agile and have great variability is a structure with a serial kinematic structure. However, their disadvantage is usually great flexibility and the associated inaccuracy of the working point. The second selected structure is fiber parallel mechanisms, which have a large working space, but fiber / rope control carries specific frequency characteristics and lower accuracy due to fiber flexibility and complex control. Subsequently, the dissertation is structured into two larger sections, each of which deals with the issues described above. The first section deals with serial kinematic structures. A closer look at the sources of inaccuracy caused by the flexibility of the gearboxes and arms. Subsequently, possible concepts of additional metering and an experimental demonstrator on which control theory will be tested are presented. The concept of additional measuring is chosen, which least limits the positive properties of the robot. Subsequently, the control theory is presented here, which includes all added sensors in the control algorithm, and last but not least, this theory is tested on an experimental demonstrator. The second section is devoted to another typical structure that excels in the field of workspace, namely fiber mechanisms. These mechanisms have a huge working space thanks to the updating of the working platform over long distances by ropes / fibers. However, this causes the work platform to vibrate due to the flexibility of the ropes and the lower frequency than is common with rigid machines. Therefore, this section is devoted to the development of the concept of added active structure and its optimization in terms of mechanical properties for a given purpose. An experimental demonstrator is presented here, on which the additional structure will be tested. Control syntheses are designed for this platform for cases where the additional structure is not included in the optimization process of control synthesis and the case when it is. The resulting controllers from both cases are then compared on a real demonstrator