Development, Analysis and Synthesis of a Three-degree-of-freedom Translational Tensegrity Mechanism

Abstract

This thesis presents a novel robotic mechanism based on the structural concept of Tensegrity. Winch-driven cables are used to actuate the mechanism in such a way that it experiences only translational motion of its end-effector. This behaviour, and the reduction of the mechanism's inertia due to the use of cables, could be beneficial for certain industrial operations.

A comprehensive study was conducted to investigate the behaviour of the proposed tensegrity mechanism. Kinematic analysis was performed to explore the relationship between actuator and end-effector coordinates, kinematic singularities, reachable workspace volume, and mechanical interferences between internal components. Models of the mechanism were derived to verify that tension is maintained within all cables for both static and dynamic cases. These models were used to determine external forces or accelerations that the mechanism can attain without losing cable tension, and thus controllability. Stiffness was also investigated, as it relates to the accuracy of the end-effector's position.

Additionally, the construction of a functional prototype is outlined. The design challenges faced when manufacturing this proof-of-concept are examined and a discussion of the chosen design approaches is included. Recommendations are made for future experimental work to evaluate the mechanism performance and validate the theoretical work of this thesis. The finished prototype may act as a platform for further development.

Dans cette thèse, un mécanisme robotique novateur qui est développé à partir du concept de tenségrité est présenté. Le mécanisme est actionné à partir de câbles dont les longueurs sont modifiées par des treuils de manière à obtenir un mouvement en translation de sa plate-forme mobile. Ce type de mouvement, combiné avec une réduction de l'inertie du mécanisme en raison de l'utilisation de câbles, font du mécanisme un candidat intéressant pour certaines applications industrielles.

Une étude approfondie du mécanisme de tenségrité proposé est présentée. D'une part, une analyse cinématique permet d'établir le lien entre les longueurs des câbles et la position de la plate-forme mobile, d'identifier les singularités du mécanisme, de calculer les limites de son espace atteignable et de déceler l'existence d'interférences entre ses composants mécaniques. D'autre part, des modèles statique et dynamique du mécanisme permettent de vérifier les conditions nécessaires pour que ses câbles demeurent tendus pendant son opération. Ces modèles sont également utilisés pour calculer les forces externes pouvant être supportées par le mécanisme ou encore les accélérations qu'il peut exécuter lors de ses mouvements tout en gardant ses câbles tendus. Une analyse de la raideur du mécanisme est présentée de manière à évaluer l'exactitude avec laquelle la plate-forme mobile peut être positionnée dans son espace atteignable.

Finalement, la conception et la fabrication d'un prototype fonctionnel du mécanisme sont décrites. Les défis rencontrés pendant la fabrication du prototype sont expliqués et les décisions de conception sont justifiées. Certaines recommandations sont faites concernant des travaux futurs visant à mieux évaluer la performance du mécanisme et la validité de certains résultats théoriques obtenus dans cette thèse. Le prototype, pour sa part, est apte à être utilisé comme point de départ pour des recherches plus approfondies dans le domaine des mécanismes de tenségrité.