UFMF4X-15-M Robotic Fundamentals

Coursework: Serial and Parallel Robot  Kinematics

This  document  explains   requirements  for  the  assessed  coursework  for  the   UFMF4X-15-M   Robotic Fundamentals module.

The module is assessed in one report that is worth 50% of your overall mark. The assessment will be based on a series of simulated experiments using a series and a parallel manipulator.

The coursework also includes suggestions of topics you may want to work on in order to demonstrate a fuller  understanding  of  the  more  advanced  parts  and  attain  a  higher  mark.  This  additional  work  is expressed here in an open-ended way, as appropriate for Masters level  study.

The deadline for submission is 16th of January 2025,Thursday, 2pm on UWE Blackboard. Both members of each/every group needs to make a submission (same coppy). Dont forget to include UWE student number of each member. Robotics Toolbox of MATLAB is NOT allowed.

PART I:

A. From material covered during lectures, lab exercises and examples, complete the following tasks:

1)   Derive a DH representation of forward kinematics for the Lynxmotion arm. Use MATLAB, lecture material and further reading. Include all your investigations and report this.

2)   Analyse the workspace of the centre of the wrist (5th joint) when each preceding joint moves through its range of motion and plot the 2D and 3D views of the  workspace.

3)   Derive the inverse kinematics model for the manipulator (analytical solution).

B.  Complete the following:

1)   Plan a task in MATLAB with at least 5 positions. This process should give you at least 5 sets of Cartesian coordinates specifying the end-effector position and orientation in 3D  space.

2)   Solve the Inverse Kinematics for these positions in 3D space and obtain sets of Joint Coordinates. Create an appropriate plot/animation in MATLAB for the motion of the  robot.

3)   Implement 3 different trajectories between the Cartesian Points identified above and create an appropriate plot to demonstrate them):

a.    Implement a free motion between the points

b.   Implement a straight line trajectory between the points

c.    Set an obstacle between any two points (e.g. a cylinder between point 3 and 4) and implement an object avoidance trajectory.

PART II:

consider a planar parallel robot used in a surgical procedure to position a needle above the patient, see Figure 1 .

Figure 1 . Needle positioning parallel Robot.

The parallel robot consists of a fixed Base plate, a Moving platform , six passive revolute joints (Mi and ppi where i=1:3) and three active revolute joints (PBi where i=1:3) . The ith strut of the robot consists therefore of three joints that are subdivided in the upper section SA, and the lower section L. For further information to the robot see its kinematic model in Figure 2 . Develop a kinematic simulation of the parallel robot in MATLAB to:

1)   solve and implement parallel robot Inverse kinematics. calculate the joint coordinates i where i=1:3 from the cartesian parameters of the platform ' S Centre {c} (where the needle is based) . These parameters are the (xcs Yc) coordinates and the orientation of the platform (a) . plot the kinematic model  in two different positions. changing the cartesian  input parameters should adapt each leg to the new cartesian position. An example plot is shown in Figure 3 .

2)   plot the  parallel robots workspace for a given orientation a. This is crucial for the mechanism synthesis analysis.

Figure 2: planar parallel Robot kinematic Model

Figure 3: simulated robot motion

PART III:

TO ATTAIN A HIGHER MARK CARRY OUT THE FOLLOWING:

choose a relevant topic that is not mentioned here, but relevant to the coursework subject domain, and carry out theoretical or experimental work on that topic. For example, this work could be analysing alternative  methods  of inverse  kinematics  calculation  such  as  motor  babbling,  optimisation,  screw theory, etc. , investigating methods and algorithms that can be used to avoid problems when operating close to a singularity in the robot's workspace etc. or something else. Discuss your chosen topic with the module tutors before you start.

Reporting Details

You have to write a report, using not more than 3000 words to describe your investigations and results. You need to:

1)   Demonstrate that you understand the theory behind the approaches you use to solve a problem.

2)   critical assessment and analysis of the relative merits of the approaches you have used

3)   show  that  you  have  appreciation  of  issues  and  principles  used  to  establish  safe  operation  of manipulators in the human environment

4)   present your conclusions.

5)   provide any references using the Harvard system

6)   provide any code you have written in an appendix AND the actual . m files (Matlab) as attachments.