I nte rna t io na l J o urna l o f   Ro bo t ics a nd   Aut o m a t io n   ( I J RA )   Vo l.   5 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 6 ,   p p .   3 5 ~ 4 8   I SS N:  2089 - 4856          35       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I J RA   A New  6 DO F  Ro bo tic  Ar m  w ith  L ink a g e Mo tion M echa nis m   a nd Act ua tors  P l a ced in  Ba se       M o hs en  Sh a hh o s s ein i ,   Ra m bo d Ra s t eg a ri ,   Ro o zbeh  Abba s i   De p a rtme n o f   M e c h a n ica En g in e e rin g ,   S c h o o o f   En g i n e e rin g ,   Isl a m ic  A z a d   Un iv e rsit y ,   P a ra n d   b ra n c h ,   P a ra n d ,   Ira n       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   No v   1 8 ,   2 0 1 5   R ev i s ed   J an   2 8 ,   2 0 1 6   A cc ep ted   Feb   22 ,   2 0 1 6       W e   e x a m in e d   m e c h a n ism   d e si g n   a n d   k in e m a ti c   si m u latio n   o f   a   n e w   si x   d e g re e o f   f re e d o m   ( DO F ro b o t ic  a r m   w it h   ro tatio n a jo i n ts  a n d   a   li n k a g e   m o ti o n   m e c h a n is m .   In   th e   d e sig n ,   a   p a ra ll e li n k a g e   m e c h a n is m ,   a c c o m p a n ied   b y   a n   a d d it io n a s e o f   b e v e g e a rs,  w a s   u se d   to   c re a te  th e   d e sire d   m o ti o n   f o a ll   six   li n k a lo n g   w it h   tran sfe o a ll   a c tu a t o rs  to   th e   ro b o t’s  b a se   to   re d u c e   th e   m a ss   o f   m o st  o f   th e   a r m s.  T h e se   c h a n g e re su lt e d   in   re d u c ti o n   o f   th e   to rq u e   re q u ir e d   f o jo in ts  1 ,   2 ,   a n d   3 .   Us in g   th is  p a ra ll e l   m e c h a n is m   e n su re d e p e n d e n c e   t o   m o t io n   li n k a n d   c re a tes   a   sp e c i a c a se   f o r   th e   c o n tro o f   th e   ro b o a n d   m o re   rig id it y   a g a in st  u n w a n ted   m o v e m e n t.   In it ially ,   w e   e x a m in e d   m e c h a n is m   d e sig n   m e th o d f o a   p a ra ll e li n k a g e   m e c h a n is m   a n d   c o n sid e re d   m e th o d f o a p p li c a ti o n   in   a n   o p e ra ti o n a r o b o t.   In   t h e   n e x ste p ,   w e   d e term in e d   th e   k in e m a ti c   re latio n sh ip s   th a w e re   e sta b li sh e d   b e tw e e n   th e   ro b o t’s   a c tu a to rs  a n d   j o i n ts  sp a c e d u e   t o   th e   u se   o f   th is  m e c h a n is m .   T h e n ,   w e   d e v e lo p e d   a n   e x a m p le  o f   th e   ro b o t’s  f u n c ti o n   in   a   p e rf o r m a n c e   si m u latio n .   T h e   sim u l a ti o n   re su lt i n d ica ted   t h a th e   m e c h a n is m   a n d   c o n tro l ler p e rf o rm a n c e   we re   a c c e p tab le.   K ey w o r d :   Kin e m atic  Si m u latio n     L i n k a g Me c h an i s m     P ar allel  Me ch an is m     R elate d   A ctu a to r s   R o b o tic  A r m s     Co p y rig h ©   201 6   In s t it u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Mo h s e n   Sh a h h o s s ei n i ,   Dep ar t m en t o f   Me ch a n ical  E n g in ee r i n g ,   Sch o o l o f   E n g i n ee r i n g ,   I s la m ic  A za d   U n iv er s it y ,   P ar an d   b r an ch ,   Sh a h id   B ah o n ar   B lv d ,   P ar an d ,   I r an .   E m ail:  m o h s en . s h . h o s s ei n i @ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   T h r o b o ts   u s ed   i n   m o s i n d u s tr ie s   ar 6   DO r o b o tic  ar m s   [ 1 ] ,   b ec au s t h e y   h av e   th ab ilit y   to   p o s itio n   an d   r o tate  f o r   t h eir   e n d   ef f ec to r s   w it h   h ig h   ac c u r a c y .   I n   th e   p ast  f e w   d ec ad es,  v ar io u s   m ec h a n i s m s   h av b ee n   co n s id er ed   to   p r o v id 6   d eg r ee s   o f   f r ee d o m   f o r   t h m o t io n   o f   r o b o tic  ar m s ,   w i th   t h r o b o tic  ar m s   w it h   r o tatio n a j o in ts   an d   w r i s ts   w it h   i n ter s ec ti n g   ax e s   b ein g   u s ed   m o s o f te n .   C u r r en tl y ,   m o s i n d u s tr ie s   u s e   s u c h   r o b o ts ,   an d   Fig u r 1   s h o w s   t h u s u a m ec h an is m   o f   m o tio n   f o r   th ese  r o b o ts .   Du to   th in ter s ec ti n g   a x e s   o f   th e   r o b o t’ s   w r is t,  th e   en tr a n ce   r o tatio n al  ax e s   f o r   j o in ts   4 ,   5 ,   an d   6   m u s t b s et  u p   b y   r e ctif ier   m ec h an i s m ,   s u c h   t h at   it  i s   p lace d   i n   ar m   3 .   T h er ef o r e,   th m o to r s   t h at   m o v t h ese  th r ee   j o in t s   m u s t   b p lace d   b esid ea ch   o th er   at  th b eg i n n in g   o f   ar m   3   ( Fig u r e   1 ,   No .   8 ) .   T h m o to r s   o f   th o t h er   th r ee   j o in ts   ( j o i n ts   1 ,   2 ,   an d   3 )   ar e   attac h ed   d ir ec tl y   to   th r o tatio n al  p ar t o f   th j o in ts .   No w ,   it  i s   o b v io u s   t h at,   i n   th e   u s u al  m ec h a n is m   o f   s u ch   r o b o ts ,   th m o to r s   o f   j o in t s   1 ,   2   a n d   3   m u s t   m o v m o to r s   o f   n e x j o in t s   a s   w ell  a s   t h li n k s   a f ter   t h e m .   T h er ef o r e,   m o v in g   t h m o to r s   o f   th e s j o in ts   r eq u ir es  m o r to r q u t h a n   w as   r eq u ir ed   to   m o v j u s t h s tr u ctu r o f   th l in k s   o f   t h r o b o t.  I n   p r ev io u s   y ea r s ,   d if f er e n m ec h a n is m s   h a v b ee n   s u g g es ted   to   i m p r o v th p er f o r m an ce   o f   s u ch   r o b o ts   s y s te m s   b y   d ec r ea s i n g   th p o w er   r eq u ir ed   b y   t h eir   m o to r s .   So m o f   t h ese  m ec h an i s m s   t h at  h a v b ee n   u s ed   ar th ca b le  m ec h a n is m   [ 2 ,   3 ,   4 ] ,   an d   th b elt  m ec h a n is m   [ 5 ,   6 ,   7 ] ,   w h ic h   h a v s i m ilar   f u n ctio n s ,   a s   w ell   as  h y d r a u lic  [ 8 ,   9 ,   1 0 ] ,   p n eu m atic  [ 1 1 ,   1 2 ,   1 3 ] ,   an d   li n k a g [ 1 4 ,   1 5 ,   1 6 ] ,   m ec h a n is m s .   T h ese  m ec h a n i s m s   ca n   ca u s m o tio n s   to   o cc u r   b y   tr an s f er r i n g   th r o b o ts   m o to r s   ( s u ch   as  ca b le,   b elt,   a n d   lin k ag m ec h an is m s )   o r   t h eir   m ai n   s o u r ce   o f   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4856   IJ RA    Vo l.   5 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 6 :   3 5     4 8   36   p r o d u cin g   p o w er   ( s u ch   as   h y d r au lic  an d   p n eu m at ic  m ec h a n is m s )   to   t h r o b o t’ s   b a s e,   t h er eb y   tr a n s f er r in g   m o tio n   f r o m   t h ese  m o to r s   to   th r o tatio n al  ax e s   o f   t h r elate d   jo in ts .           Fig u r 1 .   Usu al  m ec h an i s m   f o r   m o tio n   s tr u ctu r o f   6   DOF  R o b o tic  ar m s : 1 -   L i n k   1 ; 2 -   L in k   2 ; 3 -   L i n k   3 ; 4 -   R o b o w r is t i n cl u d in g   li n k s   4 ,   5 ,   an d   6 ; 5 -   p lace   o f   s etu p   m o t o r   f o r   j o in t 1 ; 6 -   m o to r   o f   j o in t 2 ; 7 -   m o to r   o f   j o in t 3 ; 8 -   m o to r s   o f   j o in ts   4 ,   5 ,   an d   6 .   ( T h p ictu r b elo n g s   t o   R o b o tic  ar m ,   p r o d u ct  o f   KU KA   C o m p a n y )       I n   t h is   ar ticle,   w e   d escr ib o u r   s u cc e s s f u m ec h an i s m   d esi g n   a n d   k in e m atic   s i m u latio n   to   cr ea te  s i x   d eg r ee s   o f   f r ee d o m   f o r   m o ti o n   in   r o b o tic  ar m ,   w h ich   a llo w ed   u s   to   ef f ec ti v el y   co n t r o i ts   m o tio n .   T h f u n ctio n alit y   o f   t h i s   s y s te m   i s   b ased   o n   p ar allel  m ec h an is m s   [ 1 7 ,   1 8 ] .   I n   th i s   m ec h an i s m   w h a v u s ed   s p ec iall y   f r o m   estab lis h m en o f   s o m 4 - b ar   lin k ag m ec h a n is m s   i n   p ar allel  co m b in a ti o n .   B y   s o   d o in g ,   w e   w er ab le  to   tr an s m it  t h r o tat io n al  m o t io n   o f   th e   m o to r s   o f   j o in ts   3 ,   4 ,   5 ,   an d   6   ( all  o f   w h ich   w er p lace d   in   th R o b o t’ s   b ase  a n d   in   t h li n k   1 )   to   its   o w n   m ain   r o tatio n al  ax i s   f o r   j o in 3   a n d   to   t h r ec tif ier   m ec h an is m   f o r   th o th er   j o in ts .   W s h o u ld   n o tice  to   th is   i s s u th a th h ig h   r ig id it y   o f   p ar allel  r o b o ts   ( an d   p ar allel  m ec h a n i s m s )   i s   o n o f   t h c h ar ac ter is tics   f o r   w h ich   th e y   ar s elec ted   f o r   s o m e   ap p licatio n s   [ 1 8 ] .   T h m ai n   r ea s o n   f o r   s elec tio n   o f   p ar allel  li n k a g m ec h a n i s m   b y   u s ,   w a s   to   ass is t h r o b o in   b ein g   r i g id   ag a in s t   u n w an ted   m o v e m en t,  w h ich   i s   v er y   i m p o r ta n in   ter m s   o f   r o b o t’ s   v ib r atio n   an d   co n tr o o f   its   m o tio n .   I n   f ac t,   th lo ca tio n   a n d   p er f o r m an c o f   th m o to r s   o f   j o in ts   1   an d   2   w er th s a m a s   th e y   ar in   t h u s u a l   m ec h a n i s m s   f o r   s u ch   r o b o ts ,   s in ce   ch a n g in g   th p o s itio n   o f   t h m o to r   o f   j o in 1   is   im p o s s i b le,   an d ,   in   jo in 2 ,   tan g ib le  ch a n g i n   t h a m o u n t   o f   i m p o r ted   to r q u o n   th m o t o r   o f   jo in t 1   is   in e f f ec tiv e.   I n   s ec tio n   t w o   o f   t h is   ar ticle,   w s h o w   th d esi g n   m et h o d   o f   th is   m o tio n   tr a n s f er   m ec h an is m ,   w e   d esig n ed   C A D   m o d el  f o r   an   o p er atio n al  6   DOF  r o b o ti ar m   b ased   o n   t h i s   m ec h a n i s m ,   a n d   at  la s w e   p r o v id th k i n e m a tic  r elatio n s h ip s   b et w ee n   th ac t u ato r s   s p ac an d   th j o in ts   s p ac o f   th r o b o w ith   t h i s   m ec h a n i s m .   I n   t h ir d   s ec tio n ,   an   o p en - lo o p   co n tr o m et h o d   u s ed   in   k i n e m atic  s i m u la ti o n   w as  r e v ie w ed .   Mo r eo v er ,   th k in e m at ic  s p ec if icatio n s   o f   t h s i m u lated   r o b o t,  s i m u latio n   p a y lo ad ,   an d   f i n all y ,   t h d esi g n   o f   s i m u latio n   p at h   an d   i m p le m en tatio n   ap p r o ac h ,   w er d o n in   M A T L A B   Si m Me c h a n ics  s o f t w ar w er r ev ie w ed .   I n   th s ec tio n   f o u r ,   w p r o v id t h r esu lts   o f   k i n e m atic  s i m u lat io n   o f   th r o b o tic  ar m s   f u n ctio n   i n   MA T L A B   Si m Me c h a n ics  s o f t w ar a n d   v ar io u s   g r ap h s   s h o w i n g   t h r es u lts   o f   t h s i m u la tio n ,   an d   i n   t h las t   s ec tio n   w w il l e x p r ess   t h co n clu s io n s   o b tain ed   f r o m   t h s i m u latio n   r es u lt s .       2.   MEC H A N ISM DE SIG N   O F  M O T I O N  T R A N SF E R  SY ST E M   T h b asis   o f   t h f u n ctio n alit y   o f   th m ec h a n is m   p r ese n te d   h er w as  e s tab lis h ed   o n   t h p ar allel  co m b i n atio n   o f   s o m o f   4 - b ar   lin k ag e   m ec h a n i s m s .   T h p r o ce s s   o f   tr a n s f er r in g   r o tatio n al  m o tio n   b y   th e   4 - b ar   lin k ag m ec h an i s m   ( C - C )   [ C r an k     C r a n k ]   i s   illu s tr ated   in   F ig u r e   2.     I n   F i g u r 2 ,   w ca n   s ee   tr an s m is s io n   o f   r o tar y   m o tio n   f r o m   t h ac t u ato r   m o to r   ( P o in t O 1 )   to   th f o llo w er   lin k s   ce n ter   o f   r o tatio n   ( P o in O2 ) .   Fu r th er ,   th lin k   is   r o tated   b y   th m o to r ,   b ec au s th p ar allelo g r a m   g eo m etr ic  m o d e l o f   th 4 - b ar   lin k a g ( C - C )   m ec h an i s m   an d   t h F l in k   w il l t u r n   ac co r d in g   to   its   ce n ter   o f   r o tatio n .   So   th a n d   F lin k s   al w a y s   w il l b p ar allel.   Fig u r e   3   s h o w s   t h e f f icac y   a n d   i n ter ac tio n   o f   th e   r o tatio n a m o tio n   o f   a n   in d ep en d en j o in th at s   co n ce n tr ic  w it h   t h r o tatio n al  ce n ter   o f   t h d r iv er   li n k   o f   4   b ar   lin k a g m ec h a n i s m   b ased   o n   t h p r o ce d u r o f   r o tatio n al  m o tio n   o f   t h at  4 - b ar   lin k a g m ec h an is m ,   w h ich   is   p lace d   in   t h i n ter n a s p ac o f   li n k ed   ar m .   I t   s h o u ld   b n o ted   th at  th d es ig n   a n d   u s o f   an   ap p r o p r iate  b ea r in g   in s tallat io n   w ill  m ak th r o tatio n al   m o v e m e n t o f   t h 4 - b ar   lin k a g m ec h a n i s m s   d r iv er   lin k   i n d ep en d en t o f   t h r o tatio n   o f   t h e   j o in t' s   a x is .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA   I SS N:  2089 - 4856       A   N ew 6   DOF   R o b o tic  A r w i th   Lin ka g Mo tio n   Mech a n is a n d   A ct u a to r s   ...  ( Mo h s en   S h a h h o s s ein i )   37       Fig u r e   2.   R i g h t:  T r an s itio n   p r o ce d u r o f   r o tatio n al  m o t io n   b y   th 4 - b ar   lin k a g m ec h a n is m   ( C r a n k     C r an k ) .   L e f t:  An   eq u i v ale n f u n ctio n al   s tr u ct u r w ith   t h i s   m ec h a n is m   w as  al s o   p r o v id ed   o n   th r ig h s id e,   at  th b as e   o f   th e   r o b o t’ s   m o t io n   m ec h a n is m .   I t s   li n k a g m ec h an i s m   o f   j o in 3   an d   f r o m   t h m o to r   o f   t h at  j o in u p   to   th j o in t 2   ax is .       A cc o r d in g   to   F i g u r 3 ,   w d eter m i n ed   th at  b y   r o tati n g   j o in a n d   th attac h ed   ar m   to   α   d eg r ee s ,   ass u m in g   t h at  th e   d r iv er   li n k   o f   4   b ar   lin k a g m ec h an i s m   ( D)   is   f i x ed   i n   t h ar m   o f   t h is   c o n s tr u ct io n ,   b ec au s e   o f   t h p ar allelo g r a m   s tr u ct u r o f   4   b ar   li n k a g m ec h an is m ,   th co u p ler   li n k   ( C )   w il r o tate  α   d e g r ee s   w i t h   r esp ec to   its   o r ig i n al  s tate.   T h is   m ea n s   th at  th er w i ll  b n o   r o tatio n   f o r   th f o llo w er   li n k   ( F),   an d   it  r e m ai n s   f i x e d   to   its   o r ig in a s tate.   A c co r d in g   to   th co n d itio n s   d es cr ib ed   ab o v e,   lin k s   an d   F,  w il al w a y s   r e m ai n   p ar allel  to   ea ch   o th er   ir r esp ec tiv o f   t h a m o u n o f   r o tatio n   o f   th ar m s   j o in t h at  co n tai n s   th 4 - b ar   lin k a g e   m ec h a n i s m .   T h u s ,   th p r o ce d u r o f   in ter ac tio n   an d   th e f f ec o f   r o tatio n al  m o tio n   o f   j o in o n   th p er f o r m an c e   o f   t h li n k ag e   m ec h a n is m   m a k it   p o s s ib le  to   tr an s f er   r o tat io n al  m o tio n   to   th e   n ex t   j o in o r   to   th r ec t if ie r   m ec h a n i s m .   Fi g u r e   4   s h o w s   a n   ex a m p le  o f   th is   i n   t h co n n e ctio n   b et w ee n   j o in t s   2   an d   3 .   I n   t h f ig u r ( r ig h t) ,   t w o   al ig n ed   ar m s   ar v i s ib le  i n   t h r ee   d if f er e n co n d it io n s   i n   w h ic h   w e   ca n   d e f i n t h o r ien tatio n   o f   li n k   No .   3   co n ce r n i n g   t h r o tatio n   o f   j o in t N o .   2   an d   b y   th r o tatio n   o f   t h m o to r   o f   j o in t 3 .             Fig u r 3 .   R i g h t P r o ce d u r o f   in f lu e n ci n g   th r o tatio n   o f   j o in 2   o n   t h p er f o r m a n ce   o f   t h m o t io n   tr an s f er   lin k ag m ec h a n i s m   o f   j o in 3   ( an d   s i m ilar l y   f o r   j o in ts   4 ,   5 ,   an d   6 ) Mo d 1   is   th in itial  m o d o f   th m o to r   o f   j o in 3   ( g r ee n ) Mo d 2   is   th m o to r   o f   j o in 3   a f ter   r o tatin g     d eg r ee s   ( b lu e) Mo d 3   is   t h m o to r   o f   j o in 3   af ter   r o tati n g   ( α + β)  d eg r ee s   ( r ed ) .   L ef t:   An   eq u i v ale n f u n ctio n al   s tr u ct u r w it h   t h i s   m ec h an i s m   w a s   al s o   p r o v id ed   o n   th r ig h s id e,   th m ec h a n i s m   w a s   ap p lied   f r o m   t h b ase  u p   to   ar m   ( L in k )   No .   3   o f   th r o b o t’ s   m o tio n   m ec h a n i s m .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4856   IJ RA    Vo l.   5 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 6 :   3 5     4 8   38   I n   F i g u r e   4 ,   g e n er all y ,   w w a n to   co n s id er   th r elatio n s h ip   b et w ee n   t h m o t io n   o f   th s aid   m ec h a n i s m   a n d   th r o tatio n   o f   th j o in ts   th a ar p lace d   in   th p ath   o f   m ec h an i s m   m o v e m en t.  T h is   Fig u r e   s h o w s   t h at  t h li n k a g m ec h a n is m   o f   j o in 3   f r o m   t h m o to r   o f   th at s   j o in to   j o in 2   h as  t h s a m co n d itio n s   as  in   Fi g u r 2 .   A l s o ,   th n e x p ar o f   th l in k a g m ec h a n i s m   i n s id l in k   2   a n d   f r o m   j o in 2   to   j o in 3   h as  t h e   s a m co n d itio n s   as  in   Fi g u r 3 .   Hen ce ,   ac co r d in g   to   w h at  w lear n ed   ab o u t h 4 - b ar   lin k a g m ec h an i s m   i n   Fig u r es  2   an d   3 ,   it  is   ap p ar en th at  t h f in al  f o llo w er   li n k   a n d   th i n itial  d r iv er   li n k   al w a y s   ar p ar allel  to   ea ch   o th er .   Si n ce   t h f i n al  f o llo w er   lin k   is   th e   d r iv er   f o r   j o in 3   in   th i s   f i g u r e   an d   d eter m in e s   h o w   th e   attac h ed   ar m   s h o u ld   b lo ca ted ,   ar m   3   al wa y s   w i ll  r e m ain   p ar allel  to   th f ir s d r i v er   li n k ,   a n d   it  i s   co n n ec ted   to   m o to r   o f   j o in t 3   in   th r o b o t’ s   b ase.   C o n s id er in g   t h th r ee   co n d it io n s   s h o w n   in   F ig u r 4 ,   w h av t h f o llo w in g :   Th fir s co n d itio n :   T h m o t o r   o f   jo in 3   is   in   t h in itial  s tate   an d   is   n o r o tatin g j o in 2   h as    d eg r ee s   r o tatio n   ( as s u m i n g   t h at  th d ir ec tio n   o f   n o r m al   v ec to r   o f   r o tatio n   is   in w ar d   th p late) .   No w ,   w ca n   s ee   th at  t h ar m   o f   j o in t 3   h as d ev iated   α   d eg r ee s   f r o m   lin k   No .   2 ,   th er ef o r w h a v e:                3 2 3 3 2 3 0 ( ) m a a a a m                     ( 1 )                 *   m : r o tatio n   r elate d   to   th m o to r   o f   jo in t;  a : r o tatio n   r elate d   to   th j o in t.       Th s ec o n d   co n d itio n :   T h m o to r   o f   j o in 3   h as   b ee n   r o tate d     d e g r ee s ,   a n d   j o in 2   al s o   h a s   + α   d eg r ee s   o f   r o tatio n .   No w ,   w ca n   s ee   th at   lin k s   No .   3   an d   No .   2   ar in   t h s a m d ir ec tio n .   T h er ef o r w h av e:       3 2 3 3 2 3 ( ) ( ) 0 m a a a a m                   ( 2 )            Th th ir d   co n d itio n :   T h m o t o r   o f   j o in 3   is   r o tated   +   ( α +β)   d eg r ee s ,   an d   j o in 2   is   r o tated     d eg r ee s .   No w ,   w ca n   s ee   t h at  th ar m   o f   j o in t 3   h as d ev iated   +β d eg r ee s   f r o m   t h ar m   o f   j o in t 2 .   T h er ef o r w h a v e:                         3 2 3 3 2 3 ( ) ( ) m a a a a m                       ( 3 )            No w ,   w h a v d is c u s s ed   th co n d itio n s   o f   t h r elatio n s h ip s   o f   m o t io n   b et w ee n   t h r o tati o n   o f   j o in t   3 ,   r o tatio n   o f   j o in t   2 ,   an d   r o tat io n   o f   t h m o to r   o f   j o in t   3   i n   a ll t h r ee   co n d itio n s .   Af ter   ca lcu latin g   t h eq u atio n   cr ea tin g   th e s co n d itio n s ,   if   w w an t   to   d is tr ib u te  t h is   r ela tio n s h ip   to   li n k ag e   m ec h a n is m s   o f   j o in t s   No .   4 ,   5   an d   6 ,   b ec au s th lin k a g m e ch an i s m s   o f   th e s j o in ts   f r o m   th b ase  o f   th r o b o u p   to   th jo in 3   ar e   s i m ilar   to   lin k ag m ec h a n is m   o f   j o in 3 ,   f o r   all  o f   t h li n k ag e   m e c h an i s m s   o f   t h ese  f o u r   j o in ts   ( 3 ,   4 ,   5   an d   6 ) ,   w e   h av r elatio n s h ip   b et w ee n   t h m o tio n   o f   li n k ag m ec h an i s m s   a n d   th r o tatio n s   o f   j o in ts   No .   2   an d   3 .                            32 aa                                         ( 4 )     T h is   eq u atio n   ( No .   4 )   is   eq u al  to   3 m   ( r eq u ir ed   r o tatio n   f o r   m o t o r   o f   j o in 3 )   f o r   j o in 3 s   r o tatio n   p r o ce d u r e,   an d   eq u al  to   th af f ec ted   an g le  o n   t h li n k a g m o t io n   m ec h an is m s   o f   j o in ts   No .   4 ,   5   an d   6   f r o m   r o tatio n s   o f   j o in ts   No .   2   an d   3 .   W m u s b ea r   in   m i n d   th at  t h r o tatio n   o f   j o in No .   1   h as  n o   in f l u en ce   o n   t h e   m o tio n   o f   t h co n n ec to r s   o f   t h 4 - b ar   lin k a g m ec h a n is m s .         Up   to   th is   s tep ,   w h av d is cu s s ed   h o w   th r o tatio n   o f   j o in ts   1 ,   2 ,   an d   3   o cc u r s ,   an d ,   also ,   th e   d ep en d en c y   o f   t h m o tio n   o f   j o in 3   to   j o in 2   w a s   ex p la in ed .   Fo r   o th er   lin k s   ( 4 ,   5 ,   a n d   6 ) ,   w tr a n s f er   r o tatio n al  m o tio n   b y   m ea n s   o f   lin k a g m ec h a n i s m   f r o m   t h eir   m o to r s   to   t h eir   co n n ec tio n   p o in ts   to   t h s et   o f   b ev el  g ea r s .   Fro m   th is   s tep   o n w ar d s ,   w h a v m ec h a n i s m   th at  i s   ap p r o x i m ate l y   s i m ilar   to   th u s u al   m ec h a n i s m   o f   t h ese  R o b o ts ,   i.e . ,   r ec tif ier   m ec h a n is m   w i th   t h r ee   co u p les  o f   b e v el  g ea r s   w h er t h r atio s   b et w ee n   th e m   ar p air w is eq u al  to   1   an d   all  ar f o r m ed   at  9 0 ˚   an g les.  T h is   m ec h an i s m   c h an g es  th r o tati o n a ax es   o f   th e   m o t io n   tr an s f er   s y s te m   o f   j o in ts   4 ,   5 ,   an d   6   f r o m   t h e   r elate d   li n k a g e   m ec h a n i s m   o n   3 - u n ia x ial,   n ested   s h a f ts .   Fi g u r e   5   s h o w s   t h s tr u ctu r o f   t h i s   m ec h a n is m   as a   C A m o d el.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA   I SS N:  2089 - 4856       A   N ew 6   DOF   R o b o tic  A r w i th   Lin ka g Mo tio n   Mech a n is a n d   A ct u a to r s   ...  ( Mo h s en   S h a h h o s s ein i )   39       Fig u r 5.   Stru ct u r o f   t h r ec ti f ier   m ec h a n is m   f o r   m o tio n   tr a n s f er   o f   j o in ts   4 ,   5 ,   an d   6 ,   w h i ch   lies   in   ar m   3 1 )   m o tiv e   g ea r   o f   j o in 6   co n n e cted   to   m o tio n   tr a n s f er   li n k 2 )   f o llo w er   g ea r   o f   j o in 6   c o n n ec ted   to   m o tio n   tr an s f er   s h a f t;  3 )   m o ti v g ea r   o f   j o in 5   co n n ec ted   to   m o tio n   tr an s f er   li n k ;   4 )   f o llo wer   g ea r   o f   j o in 5   co n n ec ted   to   th m o tio n   tr a n s f er   s h a f t;  5 )   m o ti v g ea r   o f   j o in 4   co n n ec ted   to   th m o ti o n   tr an s f er   li n k 6 )   f o llo w er   g ea r   o f   j o in 4   co n n e cted   to   th m o t io n   tr a n s f er   s h af t;  7 )   m o t io n   tr a n s f er   s h af o f   j o in 6 8 )   m o tio n   tr an s f er   s h a f o f   j o in 5 9 )   m o tio n   tr an s f er   s h a f o f   j o in 4 1 0 )   r elate d   m o tio n   tr an s f er   lin k   o f   lin k a g e   m ec h a n i s m   o f   j o in 6 1 1 )   r elate d   m o tio n   tr an s f er   lin k   o f   l i n k a g m ec h an is m   o f   j o in 5 1 2 )   r elate d   m o tio n   tr an s f er   lin k   o f   lin k ag m ec h an is m   o f   j o in 4 .   ( T h r o tatio n al  d ir ec tio n s   d r a w n   in   th is   f ig u r ar to   cr ea te  r o tatio n   in   t h p o s itiv d ir ec ti o n   f o r   j o in ts   4 ,   5 ,   an d   6 . )       Af ter   t h is   s tep ,   th e   m o tio n   tr a n s f er   s h a f r elate d   to   j o in 4   f r o m   th e   r ec tif ier   m ec h an is m   i s   co n n ec ted   d ir ec tl y   to   th lin k s   ar m   an d   to   th m o tio n   tr an s f er   s h a f t s   f o r   r o tatio n al  m o tio n   o f   j o in ts   5   an d   6   b y   m ea n s   o f   th r ee   co u p les  o f   b ev el  g ea r s   w h er th r atio s   b et w ee n   th e m   ar p air w is eq u al  to   1   an d   all  ar f o r m ed   at  9 0 ˚   an g le s .   T h ese  b ev el  g ea r s   f o r m   th s tr u ct u r o f   th r o b o t’ s   w r i s an d   r o tate  th j o in ts   No .   5   an d   6   ax es   [ 1 9 ] .   Fig u r 6   [ 1 9 ]   s h o w s   v ie w   o f   th s tr u ctu r o f   t h co m p o n e n t s   o f   th is   p ar ( R o b o t’ s   w r is t)   a s   C A m o d el.           Fig u r e   6   [ 1 9 ] .   Stru ct u r o f   R o b o t’ s   w r is t   m ec h a n i s m   to   i m p o s d esire d   m o tio n   o f   j o in ts   5   an d   6 1 )   m o t iv e   g ea r   co n n ec ted   to   th m ain   s h af o f   j o in 6 2 )   m id d le  g ea r   a n d   w a s te  r o tatio n   o f   j o in 6 3 )   g ea r   co n n ec ted   to   m o tio n   tr an s f er   s h a f o f   j o in 6 4 )   f ix ed   g ea r   w ith o u an y   r o tatio n   f o r   lo ad   s u p p o r o f   g ea r   No .   5 5 )   m o ti v e   g ea r   co n n ec ted   to   m a in   s h af t   o f   j o in 5 6 )   g ea r   co n n ec ted   to   m o tio n   tr an s f er   s h a f o f   j o in 5 .   ( T h cir cu lar   s id es   ill u s tr ated   in   t h i s   f i g u r ar e   to   cr ea te  r o tatio n   in   th p o s iti v d ir ec tio n   f o r   j o in ts   5   an d   6 . )       R eg ar d in g   t h is   p o in t,  it  is   ess en tial  to   k n o w   t h at  th er ar in ter ac tio n s   an d   d ep en d en c y   b et w ee n   th e   m o tio n   co m p o n e n t s   in   t h w r i s an d   th r ec ti f ier   m ec h an is m s   o f   th R o b o t,  i.e .   th g ea r s   o f   j o in ts   4 ,   5 ,   an d   6 .   T h is   ca s is   v er y   i m p o r tan to   co m p u te  th k in e m atic  co n tr o o r   s im u latio n   o f   R o b o t.  T h is   is s u is   d is c u s s e d   in   s ec tio n   2 . 2 .   T h w id esp r ea d   u s o f   b ev el  g ea r s   f o r   m o ti o n   tr an s f er   i n   th i s   m ec h a n i s m ,   an d   s in ce   t h er i s   al w a y s   b ac k la s h   w h en   u s i n g   g ea r s ,   a n d   ac t u all y ,   t h is   is s u e   h as   d ir ec e f f ec o n   r o b o t’ s   d y n a m ic  co n tr o l   p r o ce d u r e.   I t’ s   v er y   i m p o r ta n is s u t h at  w m u s u s f r o m   ze r o - b ac k la s h   g ea r b o x   s y s t e m s   a n d   s ets  i n   t h e   m an u f ac t u r in g   p r o ce s s   o f   th co m m er cial  an d   o p er atio n a r o b o ts   w it h   t h is   m ec h a n i s m .   Util izin g   t h i s   ap p r o ac h   allo w s   f o r   i m p r o v d y n a m ic  co n tr o l o f   th r o b o t a n d   p er f o r m a n ce   ac cu r ac y   to   a n   ac ce p tab le  lev el.   2 . 1 .     Desig nin g   a   CAD  M o de l   o f   a O pera t io na l   6   DO F   R o bo t ic  Ar m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4856   IJ RA    Vo l.   5 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 6 :   3 5     4 8   40   B ased   o n   th d is cu s s io n   o f   th lin k a g m ec h a n i s m   a n d   its   u s to   cr ea te  6   d eg r ee s   o f   f r ee d o m   i n   th e   m o tio n   o f   r o b o tic  ar m s   w it h   r o tatio n al  j o in ts ,   w atte m p ted   to   d esig n   C A m o d el  o f   6   DOF  r o b o tic  ar m   w it h   r o tatio n a j o in ts   an d   w r is w it h   i n ter s ec ti n g   ax e s .   Fi g s .   7 ,   8   an d   9   p r o v id p ictu r e s   o f   th C A m o d el  f o r   th i s   r o b o tic  ar m   a n d   ass o c iated   in f o r m atio n   ab o u t h m ain   p ar ts   t h at  f o r m   it.  Fo r   t h is   p u r p o s e,   th is   r o b o t   w a s   c h ec k ed   b y   m ea n s   o f   C AT I A   DM K in e m atic   s o f t w ar f o r   co n s id er in g   th i s   f ac t   th a t   n o n e   o f   i n ter n al   o r   ex ter n al  co m p o n e n t s   s h o u ld   co n f lict  w it h   ea ch   o th er .   W h av u s ed   d ata  f r o m   th tex tb o o k   en tit led   Ta b ellen b u ch   Meta ll ”  ( r ef er e n ce   No .   [ 2 0 ] ) ,   to   ch o o s m o d els  an d   s p ec if icatio n s   an d   to   ca lcu late  m ec h a n ical   p ar s izes  ( f o r   ex a m p le:  s cr e ws,  n u t s ,   b ea r in g s   an d   etc. ) .   T h ese  s p ec if icatio n s   w er u s ed   in   th d esi g n   o f   t h e   C A m o d el  f o r   th is   o p er atio n al  r o b o tic  ar m .   R o b o t’ s   c o m p o n en m ater ials   i n cl u d e:   ( 1 )   s teel  3 0 4 ,   ( 2 )   alu m in u m   ( A 2 2 1 9 -   T 8 7 )   a n d   ( 3 )   titan iu m   ( T it  T i - 8 Al - 1 Mo - 1 V)   an d   th eir   m ec h a n ical  p r o p er ties   ar e   p r esen ted   r esp ec t iv el y   in   r e f er en ce   No .   [ 2 1 ] .           Fig u r e   7.   Ov er all  v ie w   o f   th o u ter   s tr u ct u r o f   t h C A m o d el  o f   th 6   DOF  R o b o tic  ar m :   1 )   R o b o t’ s   b ase  ( lo ca tio n   o f   m o to r s   o f   j o in ts ) 2 )   lin k   No .   1 ; 3 )   lin k   No .   2 ; 4 )   lin k   No .   3 ; 5 )   lin k   No .   4 ; 6 )   li n k   No .   5 ; 7 )   lin k   No .   6   ( en d   ef f ec to r ) ; 8 )   j o in t 2 ; 9 )   j o in t 3 ;   1 0 )   m o to r   o f   j o in t 2 .             Fig u r e   8 .   v ie w   o f   t h in n er   s tr u ct u r o f   th r o b o t’ s   b ase  o n   w h ich   t h m o to r s   f o r   th j o in ts   ar p lace d 1 )   co n tain er   o f   m o to r s   an d   th l in k s   co n n ec ted   to   th e m   in   r o b o b ase;  2 )   lin k   No .   1   ( ar m   o f   j o in 1 ) 3 )   j o in 2 4 )   lin k   No .   2 5 )   m o to r   o f   j o in 1 6 )   m o to r   o f   j o in 2 7 )   m o to r   o f   j o in 3 8 )   m o to r   o f   jo in 4 9 )   m o to r   o f   j o in t 5 ; 1 0 )   m o to r   o f   j o in t 6 .                                                                                   Fig u r e   9 .   v ie w   o f   th in n e r   s tr u ct u r o f   l in k   No .   2 , u n til  t h en d   ef f ec to r   o f   r o b o w h er t h e   ar r an g e m en t   o f   m o ti v e   co m p o n en t s   o f   m ec h an i s m   i s   o b s er v ed 1 )   ar m   o f   j o in No .   2   an d   th e   li n k s   i n   it 2 )   j o in 3 3 )   lin k   No .   3   an d   s et  o f   g ea r s   o f   r ec ti f ier   m ec h a n i s m   i n   i t;  4 )   s et  o f   g ea r s   o f   m ec h a n is m   o f   r o b o t w r i s t; 5 )   lin k   No .   4 ; 6 )   li n k   No .   5 ; 7 )   lin k   No .   6   ( en d   ef f ec to r )   2 . 2 .     K inem a t ic  Rela t io ns hip s   bet w ee n J o ints Spa ce   a nd   Act ua t o rs Spa ce     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA   I SS N:  2089 - 4856       A   N ew 6   DOF   R o b o tic  A r w i th   Lin ka g Mo tio n   Mech a n is a n d   A ct u a to r s   ...  ( Mo h s en   S h a h h o s s ein i )   41   As  m en t io n ed   i n   t h I n tr o d u c tio n ,   th e   r o tatio n s   o f   t h j o in t s   in   th is   r o b o ar in ter r elate d ,   an d   th e   r o tatio n al  m o tio n s   o f   j o in ts   3   th r o u g h   6   ar d ep en d en o n   th r o tatio n s   o f   th o th er   j o in ts .   I is   v er y   i m p o r tan t   to   co n s id er   th i s   is s u in   t h k i n e m a tic  s i m u latio n   o f   t h r o b o t.  I n   f ac t,  w it h o u k n o w i n g   t h is   r elatio n s h ip ,   it  i s   n o p o s s ib le  to   co n tr o o r   s i m u late  r o b o w it h   s u c h   m o t io n   tr an s m i s s io n   m ec h a n is m .   T o   d o   th is   an d   to   c alcu late  t h r elatio n s h ip   b etw ee n   th j o in ts   s p ac an d   th ac tu ato r s   s p ac e,   w r ev ie wed   an d   ca lcu late  th e   latest  m o b ile  r o b o p ar ts ,   i.e . ,   th en d   ef f ec to r   to   its   b ase  an d   th m o to r s   o f   its   j o in ts .   A cc o r d in g   to   Fig u r 6 ,   w h ic h   s h o w s   th e   s tr u ct u r o f   t h r o b o t’ s   w r i s a n d   m et h o d   o f   r o tatio n   o f   j o in ts   5   an d   6 .   T h r o tatio n al  a n g le s   o f   g ea r s   No .   1   to   No .   6 ,   w h ich   ar th o n l y   e f f ec ti v p ar ts   in   th is   s ec tio n   a n d   r atio s   b et w ee n   th e m   ar p air w is e   eq u al  to   1 ,   ar eq u al  to f o r   g ea r s   No .   1 6 ,   No .   2 6 ,   No .   3 6 5 4 ,   No .   4 0 ,   No .   5 5   an d   No .   6 45   .   T h ese  am o u n ts   ar g iv en   b ased   o n   th p r ac tical  r o tatio n   an g le  o f   th r o b o t’ s   m a in   j o in ts .   An d   also   f o r   th r o tatio n   o f   j o in ts   5   an d   6   in   th p o s it i v d ir ec tio n .   I n   th f o llo w in g   an d   ac co r d in g   to   t h v al u es  d er iv ed   f r o m   Fi g u r 6 ,   w r ev ie w   Fi g u r 5   an d   th p er f o r m a n ce   o f   th r ec ti f ier   m ec h a n i s m .   I is   i m p o r tan to   n o te  in   th i s   s ec t io n   t h at  t h r o tatio n al  m o tio n   o f   g ea r s   No .   2   an d   4   in   Fi g u r 5   is   eq u al  to   th a m o u n o f   r o tatio n   o f   g ea r s   No .   3   an d   6   in   Fi g u r 6 ,   b ec au s t h e   g ea r s   ar j o in ed   m u tu al l y   to   e ac h   o th er   b y   m ea n s   o f   n ested   s h a f ts   7   an d   8 ,   as  s h o w n   i n   Fi g u r 5 .   C o n s id er in th is   f ac t,  w e x a m in ed   t h r o tatio n al  an g le s   o f   g ea r s   No .   1   th r o u g h   6   in   Fi g u r 5 ,   w h ic h   ar th o n l y   ef f ec t iv e   m o v i n g   p ar ts   in   t h r ec ti f ier   m ec h a n i s m .   T h r atio s   b et w e en   t h e m   ar p air w i s eq u al  to   1 .   T h ese  v alu e s   ar e   eq u al  to f o r   g ea r No .   1 6 5 4 ,   No .   2 6 5 4 ,   No .   3 54   ,   No .   4 54   ,   No .   5 :   4   an d   No .   6 :   4 .   T h ese  r o tatio n   v alu es  o f   t h g ea r s   ar g i v en   b as ed   o n   th p r ac tical  r o tatio n   an g le  o f   th e   r o b o t’ s   m ai n   j o in ts ,   w h ic h   ca n   r o tate  jo in ts   No .   4 ,   5 ,   an d   6   in   th p o s itiv d ir ec tio n .   I n   th n e x s tep ,   co n s id er in g   t h ca lcu latio n s   i n   th i s   s ec tio n   w h ich   h a v d eter m i n ed   th r o tatio n s   o f   g ea r s   No .   1 ,   3   an d   5   o f   Fig   5 ,   an d   th r elatio n s h ip s   o f   m o ti o n   b et w ee n   th ac tu a to r s   an d   th in ter n al  m o b ile   co m p o n e n t s   in   l in k s   No .   2 ,   No .   3   an d   th b ase  o f   r o b o t,  th ese  w er alr ea d y   ca lc u lated   i n   s ec tio n   2   an d   b ased   o n   Fig s .   2 ,   3   an d   4   ( eq u atio n s   No .   1   to   4 ) .   B ec au s th r o tatio n al  ax e s   o f   th o s g ea r s   ( g e ar s   No .   1 ,   3   an d   5 )   an d   th r o tatio n al  ax e s   o f   j o in ts   No .   2   an d   3   ar th s am an d   in   o n d ir ec tio n   w ca n   s u m   t h a m o u n ts   o f   th o s r o tatio n al  a n g les   s o   w e   ca n   ca lcu late  t h e   k i n e m atic   r elatio n s h ip   b et w ee n   t h e   m o b i le  co m p o n e n ts   a n d   th ac t u a to r s   f o r   all  s i x   j o in ts   o f   th 6 - DOF  r o b o tic  ar m   d is cu s s ed   in   t h is   p ap er ,   co n s i d er in g   t h p o s itiv e   d ir ec tio n   o f   r o tatio n   f o r   th ac tu ato r s   s h o w n   i n   Fi g u r 8 .   T h is   r elatio n s h ip   ca n   b ex p r ess e d   as sh o w n   b elo w :       ( 2 ) ( 3 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 3 ) ( 2 ) ( 2 ) ( 1 ) ( 1 ) aa aa aa a a m am am            +      ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 4 ) a a a aa a                           ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 6 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 5 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 4 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 3 ) ( 2 ) ( 2 ) ( 1 ) ( 1 ) a a a a a m a a a a m a a a m a a m am am          C o n cl u s io n s   f r o m   eq u atio n   4             C o n clu s io n s   f r o m   F ig s   5                       Kin e m atic  r elatio n s   b et w e en   ac tu ato r s   ap ac        ( f r o m   b ase  u p   to   j o in t 3 ) .                   an d   6   ( f r o m   j o in t 3   u p   to                                   an d   j o in ts   s p ac f o r   co m p lete  r o b o t.                         (5 - 1)                                                     en d   ef f ec to r ) .   (5 - 2)                                                                                                 (5 - 3)       *   m : r o tatio n   r elate d   to   th m o to r   o f   jo in t;  a r o tatio n   r elate d   to   th j o in t.     I n   th k i n e m a tic  s i m u latio n   o f   th i s   r o b o t,  it’ s   a n   i m p o r ta n f ac th a w ca n   ca lc u late  th r elate d   eq u atio n s   f o r   th e   an g u lar   v el o cities  a n d   t h a n g u lar   ac ce l er atio n s   b et w ee n   th e   ac tu a to r s   a n d   th e   i n ter n al   m o b ile   p ar ts   b y   ca lc u lati n g   th d er iv a tiv e   o f   b o th   s id es  o f   E q u atio n   ( 5 - 3 )   w i th   r esp e ct  to   ti m e.   T h ese   eq u atio n s   p r o v id t h r ee   s e ts   o f   in f o r m at io n   th at   ar n ec es s ar y   f o r   k in e m atic   s i m u latio n   o f   t h r o b o tic  ar m   t h at   w h av a s s es s ed   in   t h is   p ap er .       3 .           SI M UL AT I O P L AN   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4856   IJ RA    Vo l.   5 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 6 :   3 5     4 8   42   Ou r   g o al  in   th is   s ec tio n   is   to   ex a m i n t h k in e m atic   s i m u latio n   p r o ce d u r o f   t h r o b o tic  ar m   i n   MA T L A B   Si m Me ch a n ic s   p r o g r a m .   Kin e m at ic  s i m u latio n   o f   r o b o tic  ar m   m ea n s   t h at  w e   o n l y   s i m u lated   a n   o p en - lo o p   co n tr o s y s te m   f o r   th k i n e m atic  ele m e n ts   o f   t h e   r o b o t’ s   m o v e m en t,  w h ic h   ar p o s itio n ,   v elo cit y   an d   ac ce ler atio n   o f   th j o in ts   an d   th r o b o t’ s   en d   ef f ec to r ,   in   th C ar te s ian   s y s te m   a n d /o r   in   th R o tatio n al   s y s te m .   I n d ee d ,   w d o   n o n ee d   to   ch ec k   th o th er   t w o   m ai n   is s u es,  o n o f   w h ich   is   t h k in e tics   ele m en t   o f   r o b o m o tio n .   T h is   m ea n s   t h at  w d o   n o co n s id er   th e   lif ti n g   to r q u e x er ted   o n   t h j o in ts   a n d   th ei r   en f o r ce m en t.   Ot h er   is s u e s   ar th f le x ib ilit y   o f   t h j o in ts   an d   ar m s   a n d   co n d u cti n g   v ib r atio n   a n al y s is   o f   th e   r o b o t.  T o   ap p ly   k in e m at ic  s i m u latio n   o n   th r o b o tic  ar m ,   w e   s h o u ld   d o   th f o llo w in g   s tep s   in   o r d er :   [ 1 ]   C a lcu la te  th p a th   g en era tio n   o d esir ed   kin ema tic  elem en ts p r o ce s s   th at  h as  f o u r   in ter n al  s tag e s ,   i.e . ,   1 . 1 .   C alcu latio n   o f   t h i n v er s e   k i n e m atic;   1 . 2 .   C alcu latio n   o f   th e   v elo cit y   o f   j o in t s   b a s ed   o n   t h s p ee d   o f   th e n d   ef f ec to r   a n d   t h J ac o b ian   m atr ix ;   1 . 3 .   C alcu latio n   o f   t h p at h - g e n er atio n   f o r m u las   b ased   o n   th ir d   o r   f i f th   d e g r ee   p o l y n o m i als.  1 . 4 .   C alcu latio n   o f   t h d es ir ed   k in e m atic  ele m e n ts   to   s i m u late  r o b o t in   j o in ts   s p ac b ased   o n   th p at h - g e n er atio n   f o r m u la s   an d   th s i m u latio n   t i m e.   T h m e th o d s   o f   ca lcu lat io n   in   t h is   s ec tio n   ar t h s a m a s   th o s f o r   o th er   r o b o tic  ar m s .   T h er ef o r e,   to   av o id   ex ce s s i v an d   r ep etitiv in f o r m atio n ,   w d id   n o p r o v id th eq u atio n s   a n d   th eir   s o lu tio n s   h er e.   Fo r   m o r in f o r m atio n ,   s ee   r ef er en ce   No .   [ 1 9 ]   ( C h .   4 ,   5   a n d   7 ) .   [ 2 ]   C a lcu la tin g   th va lu es  o th kin ema tic  elem en ts   o f   th a ctu a to r s w h ich   ar en ter ed   to   th r o b o as   co m m a n d   v alu e s .   T h ese  a m o u n ts   w ill b ca lcu la ted   o n   t h b asis   o f   t h v al u es t h at   ar d ef i n ed   as   d es ir ed   v alu e s   f o r   th m o tio n   o f   j o in t s   f r o m   th e   p ath   g e n er atio n   b l o ck   an d   also   t h r elatio n s h ip s   b et w ee n   t h ac tu ato r s   s p ac an d   j o in ts   ( in ter n a m o ti v p ar ts )   s p ac e   th at  ar cr ea ted   b ec au s o f   th i s   m o tio n   tr an s m is s io n   m ec h an i s m   ( as e x p lain ed   i n   s ec tio n   2 . 2 ) .   [ 3 ]   R o ta tio n a p o s itio n   err o r W i m p le m en ted   k i n e m a tic  s i m u l atio n   o f   t h r o b o in   th r o tati o n al  s p ac o f   th j o in ts ,   s o   er r o r s   in   th r o tat io n al  p o s itio n   o f   t h j o in ts   ca n   b d ef in ed   as f o llo w s .     [ 1 9 ]   )                     d o E       *   o : o u tp u t o f   s i m u la tio n   v alu es,  d : d esire d   v alu e s       Fig u r 1 0 .   S h o w s   B lo ck   Dia g r a m   o f   t h Op en - L o o p   C o n tr o l S y s te m   o f   t h Ki n e m atic  Si m u latio n   o f   T h is   R o b o tic  A r m   B ased   o n   t h A b o v Dis c u s s io n .               Fig u r e   1 0 .   B lo ck   Diag r a m   o f   t h Op en - L o o p   C o n tr o l S y s t e m   o f     t h Kin e m at ic  Si m u latio n   o f   O u r   R o b o tic  A r m .   *   d : d esire d   v alu es,  c : c o m m a n d   v al u es,  o : o u tp u t o f   s i m u lat io n   v al u es a n d   e : e r r o r   v alu es.     T h s tr u ct u r o f   t h Si m Me c h an ic s   m o d el  f o r   t h k i n e m ati s i m u la tio n   o f   t h is   r o b o tic  ar m   a n d   th e   o p en - lo o p   co n t r o l p r o ce d u r in   th at  Si m Me ch a n ic s   m o d el  c an   b f o u n d   in   A p p en d i x     3 . 1 .     K inem a t ic  pro pert ies o f   s i m ula t ed  ro bo t ic  a r m   Fig u r 1 1   an d   T ab le   1   s h o w   t h f r a m es  r elate d   to   ea ch   o f   th j o in ts ,   w h ic h   in d icate   th eir   k in e m atic   p r o p er ties   alo n g   w i th   t h De n av it - Har ten b er g   n o tatio n   [ 2 2 ]   p ar am eter s   o f   th r o b o in   th is   ex a m p le.   ( Her e,   L 1   4 0 . 5   m m ,   L 2   4 2 0   m m ,   an d   L 3   4 4 2   m m ) .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA   I SS N:  2089 - 4856       A   N ew 6   DOF   R o b o tic  A r w i th   Lin ka g Mo tio n   Mech a n is a n d   A ct u a to r s   ...  ( Mo h s en   S h a h h o s s ein i )   43       Fig u r 1 1 .   A s s ig n m en t o f   Fra m es B et w ee n   E ac h   o f   t h M a n ip u lato r s .       T ab le  1 .   Den av i t - Har te n b er g   n o tatio n   p ar a m eter s   o f   t h r o b o t:  θ1   to   θ6   in   th i s   tab le  s h o w s   th e   an g le  o f   r o tatio n   f o r   th m o to r s   o f   ea c h   j o in t.     i   a   i - 1   α   i - 1   d   i   θ   i   ( d e g )   1   0   0   0   1   2   0   90   - L1   2 90   3   L2   0   0   3 90   4   0   90   L3   4 90   5   0   90   0   5   6   0   90   0   6       3 . 2 .     T o o Used in t he  Si m ula t io n   T h to o l   w u s ed   f o r   th is   s i m u latio n   w a s   cy lin d er   w it h   d iam eter   an d   h ei g h o f   6 0   m m .   T h c y li n d er   w as  f i lled   alu m in u m   ( AL   2 2 1 9 - T 8 7 )   b l o ck   an d   th d en s it y   o f   t h is   m etal  is   2 8 4 0   k g / m 3 .   R eg ar d i n g   th k i n e m a tic  p r o p er ties   o f   t h e   to o l r elate d   to   th r o b o t’ s   en d   ef f ec to r ,   w co n s id er ed   th r o tatio n   o f   t h f r a m e   lin k ed   to   th to o l to   b ex ac tl y   th s a m as t h r o tatio n   o f   t h e   f r a m o f   j o in t N o .   6 ,   an d   th er w as a   d is tan ce   o f   1 3 9   m m   b et w ee n   th m ee ti n g   p o in o f   to o ls   to   t h en d   e f f e cto r   an d   th f r a m o f   j o in N o .   6 th er ef o r e,   th d is tan ce   b et w ee n   to o l’ s   f r a m e   an d   th w r is t s   f r a m w a s   1 9 9   m m .   A cc o r d in g   to   th ex p l an atio n s   ab o u to o f r o m   t h ab o v e,   th p a y lo ad   o f   th r o b o t in   th is   s i m u la tio n   is   eq u al  to   4 8 2   g rs .     3 . 3 .     Desig nin g   t he  Si m ula t io n P a t h     T h m o tio n   p at h   w co n s id er ed   as  an   ex a m p le  to   s i m u late  th p er f o r m a n ce   o f   th r o b o tic  ar m   w a s   co m p o s ed   o f   f o u r   tar g et  f r a m es,  an d   T ab le  2   p r o v id es  th an g le s   t h at  g en er ated   t h ese  f r a m es  a n d   t h a n g le s   th at  g e n er ated   th o r ig i n   an d   d esti n atio n   f r a m es.  T h m o tio n   p ath   f o r   th is   s i m u latio n   w as   d esig n ed   s u c h   th at   th r o b o s to p s   f o r   0 . 5   s   in   th e   o r ig in   f r a m e,   m o v e s   f o r   1   s   t o w ar d s   tar g et  f r a m 1 ,   s to p s   th er f o r   0 . 5   s ,   an d ,   th en ,   co n ti n u es  f o r   1   s   ea ch   in   its   m o v e m en to w ar d s   tar g et  f r a m e s   2 ,   3 ,   an d   4 .   I n   ea ch   o f   th e m ,   w o b s er v ed   0 . 5   s   s to p   f o r   th en d   ef f ec t o r .   T h en ,   in   th r etu r n   p at h ,   th r o b o tic  ar m   ca m b ac k   i n   th s a m m a n n er   an d   w it h   t h s a m ar r an g e m e n t s ,   s o   th at  t h s i m u latio n   w a s   co m p leted   af ter   r ea ch i n g   th d e s tin a tio n   f r a m e,   i.e .   th o r ig i n   f r a m e,   an d   s to p p in g   f o r   0 . 5   s .       T ab le  2 .   Set o f   A n g le s   Used   t o   Gen er ate  Fra m es  f o r   th Or i g in ,   De s ti n atio n   a n d   Fo u r   T ar g et  P o in ts   D e s t i n a t i o n   4   3   2   1   O r i g i n   R o t a t i o n a l   A n g l e s   ° 0   2 0 5 . 4 7 °   1 1 5 . 4 7 °   2 5 . 4 7 °   - 6 4 . 5 3 °   ° 0   1 θ   ° 0   - 4 8 . 9 2 °   - 4 8 . 9 2 °   4 8 . 9 2 °   4 8 . 9 2 °   ° 0   2 θ   ° 0   - 3 5 . 3 7 °   3 5 . 3 7 °   - 3 5 . 3 7 °   3 5 . 3 7 °   ° 0   3 θ   ° 0   1 3 5 . 2 1 °   4 5 . 2 1 °   - 4 4 . 7 9 °   - 1 3 4 . 7 9 °   ° 0   4 θ   ° 0   - 7 2 . 1 7 °   - 3 6 . 0 8 °   3 6 . 0 8 °   7 2 . 1 7 °   ° 0   5 θ   ° 0   5 2 . 2 8 °   2 6 . 1 4 °   - 5 2 . 2 8 °   - 2 6 . 1 4 °   ° 0   6 θ       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4856   IJ RA    Vo l.   5 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 6 :   3 5     4 8   44   A cc o r d in g l y ,   t h s i m u latio n   ti m w a s   1 2 . 5   s ,   o f   w h ich   4 . 5   s   f o r   s to p p in g   n in e   ti m es   f o r   0 . 5   s   ea c h   i n   th f r a m e   lo ca tio n s ,   an d   8   s   wer r eq u ir ed   to   m o v in   th e   ei g h t   p ath s   ( 1   s   in   ea ch   p at h ) .   T h s i m u latio n   ti m e   s tep s   w er co n s id er ed   in   M AT L A B   Si m Me c h an ic s   s o f t w ar as  v ar iab les,  a n d   th m a x i m u m   ti m in ter v al  o f   th ese  s tep s   ta k e n   to   b 0 . 0 0 1 2 5   s .   T h s o lv er   f o r   t h is   s i m u latio n   also   w a s   c h o s en   as  a   tr ap ez o id al  s o lv er   f u n ctio n   a n d /o r   o d e2 3 in   MA T L A B .   T h len g t h s   o f   t h ti m s tep s   a n d   t y p o f   s o l v er   f u n ct io n   u s ed   h ad   s ig n i f ica n ef f ec ts   o n   t h q u al it y   o f   th r es u lt s   an d   th ac cu r ac y   o f   t h s i m u latio n   o f   t h r o b o t’ s   m o tio n .   W e   u s ed   t h e   0 . 5   s   s to p   f o r   ea c h   o f   t h e   f r a m es   f r o m   o r i g in   to   t h d esti n atio n   in   o r d er   to   d ec r ea s t h er r o r s   t h at   o cc u r r ed   in   s i m u late  t h r o b o t’ s   m o tio n   a n d   to   p r o v id th r o b o t’ s   s tr u ct u r ad eq u at ti m to   ac h ie v e   s tab ilit y .       4 .         SI M UL AT I O R E SU L T S   I n   th e   f o llo w i n g   a n d   in   Fi g .   1 2 ,   th o u tp u g r ap h ical  i m a g e s   o f   M A T L A B   Si m Me ch a n ic s   s o f t w ar e   ca n   b o b s er v ed   f r o m   th s i m u latio n   m o d el  o f   th r o b o t’ s   m o tio n   a s   w ell  as  t h m an n er   o f   p o s itio n in g   t h to o l’ s   f r a m o n   t h g o al s   f r a m es.           ( a)   P lace m e n o f   Fra m o   T o o l o n   Go al  P o in Fra m No . 1       ( c)       P lace m e n t o f   Fra m o f     T o o l o n   Go al  Po in F r a m No .   3       ( a )   P lace m e n t o f   Fra m o f     T o o l o n   Go al  P o in F r a m No .   2     ( d )   P lace m e n t o f   Fra m o f   T o o l o n   Go al  P o in F r a m No .   4     Fig u r 1 2 .   I m a g es    a”   T h r o u g h   d ”  S h o w s   P lace m e n t o f     th e   T o o l’ s   Fra m o f   t h R o b o t o n   Go al  P o in Fra m es     Fig u r e   1 3   s h o w s   th 3 d r a w i n g   o f   th m o tio n   o f   t h r o b o t’ s   en d   ef f ec to r   ( f r a m co n n ec t ed   to   j o in No .   6   o f   t h r o b o t) ,   b o th   th eo r etica ll y   a n d   o u tp u o f   s i m u la tio n ,   w h er t h o r ig i n   a n d   d es tin atio n   p o in t s   a n d   th p o in ts   r elate d   to   th tar g et  f r a m e s   ar n a m ed   an d   id en ti f i ed   in   ac co r d an ce   w it h   t h o r d e r   g iv e n   in   T ab le  2 .             Fig u r e   13.   I n   T h is   I m a g t h B lack   C o n ti n u o u s   L i n e s   I n d ic ate  th Desira b le  P ath ,   W h ile  t h Das h ed   R ed   L i n es S h o w   t h Ou tp u P ath   i n   th Si m u lat io n   f o r   th P o s itio n   o f   th R o b o t’ s   E n d   E f f ec to r .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.