Conseptual design of an electric four degrees of freedom mobile manipulator

Abstract

Mobile machinery has been moving towards more autonomous solutions to remove workers from hazardous areas and relocate them to places where work can be done safely. This has driven companies to develop machinery that can be controlled remotely. These machines are designed to do the jobs that people have carried out in the past in dangerous areas. At the same time, the world is electrifying due to legislation and environmental awareness. Hydraulic actuators have long dominated the market in the production of linear motion. Today’s emissions regulations as well as environmental awareness have driven companies to think about new approaches to reduce emissions and replace the oil used in machinery. Electromechanical linear actuators (EMLAs) are designed to replace hydraulic cylinders. These days EMLAs can produce forces that are suitable to replace hydraulic cylinders in many applications. This thesis utilizes theory and simulations to explain what to consider when designing a mobile manipulator with EMLAs. The paper presents the differences between hydraulic cylinders and EMLAs and how these differences are reflected in the behavior of the mobile manipulator’s arm under study. The work also reviews current industrial robots and mobile manipulators and evaluates their suitability for different environments and work tasks. The most important criterion in the design of a mobile manipulator is not only the forces that actuators can provide but also the stability of the mobile manipulator which limits the lifting capacity. Therefore, the lifting capacity of the actuators and the prevention of the mobile manipulator from overturning are things that need to be designed in parallel. The results of the thesis show that simulation is powerful tool for dimensioning EMLAs and gather information on the forces and velocities acting the actuators. Simulation can be used to design the manipulator and test the whole device and consider the stability at the same time. Simulation or analytic calculations allows to study the natural frequencies of the manipulator and to compare hydraulic cylinders and EMLAs. The results show that with EMLAs it is possible to improve the dynamics of the manipulator compared to hydraulic cylinders because the stiffness of hydraulic cylinder is many times lower than that of the corresponding EMLA.

Liikkuvat työkoneet ovat muuttuneet koko ajan autonomisempaan suuntaan, jotta työntekijät saataisiin pois vaarallisilta alueilta ja siirrettyä paikkoihin, joissa työ voidaan tehdä turvallisesti. Tämä on ajanut ihmiset kehittämään laitteita, joita voidaan ohjata etänä. Laitteet mahdollistavat työtehtävien teon, joita ihmiset ennen tekivät vaarallisilla alueilla. Samaan aikaan maailma on sähköistymässä lainsäädännön sekä ympäristötietoisuuden vuoksi. Hydrauliset toimilaitteet ovat hallinneet pitkään markkinoita lineaariliikkeen tuottamisessa. Nykypäivän päästömääräykset sekä ympäristötietoisuus ovat ajaneet yritykset miettimään uusia lähestymistapoja päästöjen vähentämiseen ja laitteissa olevan öljyn poistamiseen. Sähkösylinterit ovat suunniteltu korvaamaan hydraulisylinterit. Nykyään sähkösylinterit pystyvät tuottamaan voimia, jotka sopivat hydraulisylinterien korvaamiseksi monessa sovelluksessa. Tämä opinnäytetyö selittää teorian ja simulointien avulla, mitä pitää ottaa huomioon, kun suunnitellaan mobiilimanipulaattoria sähkösylintereillä. Työssä esitetään hydraulisylintereiden ja sähkösylintereiden eroja sekä kuinka nämä erot näkyvät tutkittavan manipulaattorin käyttäytymisessä. Työssä myös käydään läpi tämänhetkisiä teollisuusrobotteja sekä mobiilimanipulaattoreita ja arvioidaan näiden soveltuvuutta erilaisiin ympäristöihin ja työtehtäviin. Mobiilimanipulaattorin suunnittelussa tärkein kriteeri ei ole aina manipulaattorin voiman tuotto, vaan rajoitteena on myös laitteen stabiliteetti, joka rajoittaa nostettavien kuormien suuruuksia. Näin ollen toimilaitteiden nostokyky sekä laitteen kaatumisen estäminen ovat asioita, jotka pitää suunnitella rinnakkain. Tämän opinnäytetyön tulokset osoittavat, että simulointi on hyvä työkalu sähkösylintereiden mitoittamiseen ja toimilaitteisiin kohdistuvien voimien ja nopeuksien selvittämiseen. Simulaattorilla voidaan suunnitella manipulaattori tai koko laite ja huomioida myös sen stabiilisuus. Simulointi tai analyyttiset laskelmat mahdollistavat manipulaattorin ominaistaajuuksien tutkimisen sekä hydraulisylinterien ja sähkösylinterien vertailemisen. Tulokset kertovat, että sähkösylintereillä on mahdollista saada manipulaattori dynamiikka paremmaksi verrattuna hydraulisylintereihin, joiden jäykkyydet ovat monikerroin pienemmät kuin sähkösylintereiden jäykkyydet.