Optimal reconfiguration of a parallel robot for forward singularities avoidance in rehabilitation therapies. A comparison via different optimization methods

Abstract

[ES] Este trabajo presenta un algoritmo eficiente para la reconfiguración de un robot cinemático paralelo con 4 grados de libertad. La reconfiguración del manipulador paralelo se plantea como un problema de optimización donde las variables de diseño corresponden a los puntos de anclaje de las extremidades del robot a la plataforma fija. La función de penalización minimiza las fuerzas aplicadas por los actuadores durante una trayectoria específica. Se imponen una serie de restricciones para evitar singularidades directas y garantizar la viabilidad de las coordenadas generalizadas activas para una determinada trayectoria. Los resultados se comparan entre diferentes enfoques de optimización con el objetivo de evitar quedar atrapados en un mínimo local y experimentar singularidades. La comparación abarca algoritmos evolutivos, métodos heurísticos, algoritmos de estrategias múltiples y procedimientos basados en gradientes. La metodología propuesta se ha probado con éxito en un robot paralelo real para diferentes trayectorias.

[EN] This work presents an efficient algorithm for the reconfiguration of a parallel kinematic robot with 4 degrees of freedom. The reconfiguration of the parallel manipulator is posed as a non-linear optimization problem where the design variables correspond to the anchoring points of the limbs of the robot on the fixed. The penalty function minimizes the forces applied by the actuators during a specific trajectory. Some constraints are imposed to avoid forward singularities and guarantee the feasibility of the active generalized coordinates for a certain trajectory. The results are compared among different optimization approaches with the aim to avoid getting trapped into a local minimum and to undergo forward singularities. The comparison covers evolutionary algorithms, heuristics methods, multi-strategy algorithms, and gradient-based procedures. The proposed methodology has been successfully tested on an actual parallel robot for different trajectories.

[CA] Aquest treball presenta un algorisme eficient per a la reconfiguració d’un robot cinemàtic paral·lel amb 4 graus de llibertat. La reconfiguració del manipulador paral·lel es planteja com un problema d’optimització on les variables de disseny corresponen als punts d’ancoratge de les extremitats del robot a la plataforma fixa. La funció de penalització minimitza les forces aplicades pels actuadors durant una trajectòria específica. S’imposen una sèrie de restriccions per a evitar singularitats directes i garantir la viabilitat de les coordenades generalitzades actives per a una determinada trajectòria. Els resultats es comparen entre diferents enfocaments d’optimització amb l’objectiu d’evitar quedar atrapats en un mínim local i experimentar singularitats. La comparació abasta algorismes evolutius, mètodes heurístics, algorismes d’estratègies múltiples i procediments basats en gradients. La metodologia proposada s’ha provat amb èxit en un robot paral·lel real per a diferents trajectòries.