In the trend that robots are required to operate at increasingly high speeds and in large workspaces, dynamic trajectories of fully actuated cable-suspended parallel robots (CSPRs) that can extend beyond the robots’ static workspace are designed. Due to the unilateral property of cables, strategies to explore trajectories during which cable tensions can be guaranteed to remain positive are proposed.

The planning and synthesis of dynamic periodic trajectories are first investigated for threeDOF point-mass, three-DOF planar, and six-DOF CSPRs. Based on an analytical approach, pure translation trajectories and more complex motion that includes changes in position and orientation are produced. A passive mechanical system that is equivalent to a CSPR is introduced to provide insight and facilitate the design of such trajectories. The dynamic differential equations that govern the translational component of the trajectories are shown to become linear under some conditions. Natural frequencies of the equivalent linear system are obtained and a generalization of periodic trajectories is accomplished by the integration of the linear system of differential equations. Natural trajectories associated with equivalent springs of constant stiffness and without any restriction of the amplitude are obtained. Using this formulation, the rotational component of three-DOF planar CSPRs becomes a nonlinear spring whose trajectories can be found in literature, which largely reduces the complexity of its trajectory planning. For six-DOF CSPRs, tilt and torsion angles are used to define the rotational component of the trajectories and the mathematical conditions corresponding to the linear trajectories are obtained.

The above periodic trajectories provide insight into the fundamental properties of the mechanism and can be used in some specific applications. However, most practical situations require that the robot moves from one target point to another. Thus, a point-to-point dynamic trajectory planning technique for reaching a series of points for a point-mass three-DOF CSPR is proposed. Each trajectory segment is designed to have zero velocity at its endpoints. This formulation allows for trajectories that extend beyond the static workspace of the robot. A basis motion is introduced, which is a mathematical function that can be adapted for each coordinate direction along each trajectory segment. Kinematic constraints are satisfied through the selection of the coefficients for this function. Dynamic constraints are imposed by defining feav sible regions within the workspace for each segment endpoint, based on the previous endpoint. This scheme is expanded to the trajectory planning of a six-DOF CSPR. Each trajectory segment is designed to have zero translational and rotational velocity at its endpoints;​ transitions between segments have translational and rotational acceleration. Additionally, smooth interpolation and singularity avoidance is achieved by using a unit quaternion to represent the rotational component of the trajectories.

Then, a dynamic transition trajectory planning technique for three-DOF point-mass CSPRs is proposed to satisfy a real application where the robot is required to move from one trajectory to the next. This trajectory is designed to automatically chain multiple pre-generated trajectories beyond the static workspace in sequence with different starting points, as well as have the ability of starting from/ending with a resting position, while ensuring continuity up to the acceleration level. Two consecutive target trajectories are involved in the transition trajectory by using proper time functions, such that a goal trajectory is gradually reached by approaching the amplitude parameters and frequencies from those of a source trajectory. Additionally, each transition is based on the optimization of the departure point from its source trajectory and a minimum time for the transition to its goal trajectory. An example is provided to demonstrate the novel trajectory-planning technique. The robot is requested to start from the state of rest, merge into two consecutive ellipses, a straight line and a circle in sequence and then go back to the state of rest.

Finally, experimental validation of the periodic and point-to-point trajectories is implemented on the prototype of a three-DOF point-mass CSPR and a six-DOF CSPR. Supplementary video files are included to demonstrate the results.

Les tendances actuelles de la robotique requièrent une opération de plus en plus rapide dans un grand espace de travail. Afin d’adresser ces exigences, la conception de trajectoires dynamiques pour des robots parallèles suspendus entraînés par des câbles (RPSC) qui peuvent s’étendre à l’extérieur de l’espace de travail statique des robots est présentée. Des stratégies sont présentées pour explorer des trajectoires pendant lesquelles les tensions de tous les câbles est garantie d’être positive afin de respecter la propriété unilatérale des câbles.

Tout d’abord, la planification et la synthèse des trajectoires dynamiques périodiques sont investiguées pour des robots à trois degrés de liberté (DDL) de masse ponctuelle, des robots à trois DDL plans et des RPSC à six DDL. Sur la base d’une approche analytique, des trajectoires de translation pure et un mouvement plus complexe qui inclut des changements de position et d’orientation sont produits. Un système mécanique passif qui équivaut à un RPSC est présenté pour donner un aperçu et faciliter la conception de ces trajectoires. Il est démontré que les équations différentielles dynamiques qui gouvernent la partie de translation du mouvement pendant une trajectoire sont linéaires pour certaines conditions. Les fréquences naturelles du système linéaire équivalent sont obtenues et une généralisation des trajectoires périodiques est développée en intégrant ce système d’équations différentielles linéaires. Des trajectoires naturelles découlant d’un système à ressorts ayant une raideur constante et dont l’amplitude n’est pas restreinte sont obtenues. En utilisant cette formulation, la partie de rotation des RPSC à trois DDL plans devient un ressort non-linéaire dont la trajectoire peut être trouvée dans la littérature, ce qui réduit largement la complexité de la planification de la trajectoire. Pour les RPSC à six DDL, les angles d’inclinaison et de torsion sont utilisés pour définir les composantes de rotation des trajectoires et les conditions mathématiques correspondant aux trajectoires linéaires sont obtenues.

Les trajectoires périodiques ci-dessus donnent un aperçu des propriétés fondamentales du mécanisme et peuvent être utilisées dans certaines applications spécifiques. Cependant, la plupart des situations pratiques exigent que le robot passe d’un point cible à un autre. Une technique de planification de trajectoire dynamique point à point pour obtenir une série de points pour une masse ponctuelle de trois DDL est donc proposée. Chaque segment de trajectoire est conçu pour avoir une vitesse nulle à ses points d’extrémité. Cette formulation permet des trajectoires qui s’étendent au-delà de l’espace de travail statique du robot. Un mouvement de base est introduit, qui est une fonction mathématique qui peut être adaptée pour chaque direction de coordonnées le long de chaque segment de trajectoire. Les contraintes cinématiques sont satisfaites grâce à la sélection des coefficients pour cette fonction. Les contraintes dynamiques sont imposées en définissant des régions réalisables à l’intérieur de l’espace de travail pour chaque point d’extrémité du segment, en fonction du point final précédent. Cette procédure est étendue à la planification de la trajectoire des RPSC à six DDL. Chaque segment de trajectoire est conçu pour avoir une vitesse de translation et de rotation nulle à ses points d’extrémité ;​ Les transitions entre chaque segment ont une accélération de translation et de rotation. En outre, une interpolation lisse et un évitement des singularités sont obtenus en utilisant une quaternion unitaire pour représenter la composante de rotation des trajectoires.

Ensuite, une technique de planification de la trajectoire de transition dynamique pour les RPSC de masse ponctuelle à trois DDL est proposée pour satisfaire une application réelle où le robot doit passer d’une trajectoire à une autre. Cette trajectoire est conçue pour faire la transition automatiquement entre plusieurs trajectoires pré-générées au-delà de l’espace de travail statique en séquence avec différents points de départ, ainsi que pour offrir la capacité de démarrer à partir de, et de terminer par, une position de repos tout en assurant un mouvement continu jusqu’au niveau de l’accélération. Deux trajectoires consécutives sont impliquées dans la transition, une trajectoire source et une trajectoire cible. En utilisant des fonctions de temps appropriées, la trajectoire cible est progressivement atteinte en approchant les paramètres d’amplitude et les fréquences de ceux de la trajectoire source. En outre, pour chaque transition, le point de départ de la trajectoire source, le point d’arrivée sur la trajectoire cible et le temps de transition est optimisé pour minimiser le temps de transition tout en respectant les contraintes du robot. Un exemple est fourni pour démontrer la nouvelle technique de planification de la trajectoire dans lequel le robot doit commencer à partir d’un état de repos, exécuter deux différentes ellipses consécutives, une ligne droite et un cercle en séquence, puis revenir à l’état de repos.

Enfin, une validation expérimentale des trajectoires périodiques et point-à-point est implémentée sur le prototype d’un RPSC à masse ponctuelle à trois DDL et d’un RPSC à six DDL. Des fichiers vidéo supplémentaires sont inclus pour démontrer les résultats.