23
MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING VIETNAM ACADEMY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY GRADUATE UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY ……..….***………… NGUYEN DINH DUNG INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA PARALLEL ROBOT Major: Engineering Mechanics Code: 9 52 01 01 SUMMARY OF THE DOCTORAL THESIS Hanoi – 2018

INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

  • Upload
    others

  • View
    5

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

 

 

MINISTRY OF EDUCATION 

AND TRAINING 

 

 

VIETNAM ACADEMY OF SCIENCE 

AND TECHNOLOGY 

GRADUATE UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

……..….***…………

 

NGUYEN DINH DUNG

 

 

INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL

OF DELTA PARALLEL ROBOT

                          Major: Engineering Mechanics 

Code: 9 52 01 01

SUMMARY OF THE DOCTORAL THESIS

Hanoi – 2018

Page 2: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

 

 

The  thesis  has  been  completed  at  Graduate  University  of  Science  and 

Technology, Vietnam Academy of Science and Technology 

 

 

Supervisor 1: Prof. Dr. Sc. Nguyen Van Khang 

Supervisor 2:  Assoc. Prof. Dr. Nguyen Quang Hoang 

 

 

 

Reviewer 1: Prof. Dr. Dinh Van Phong 

Reviewer 2: : Prof. Dr. Tran Van Tuan 

Reviewer 3: :  Assoc. Prof. Dr. Le Luong Tai 

 

 

 

 

The thesis is defended to the thesis committee for the Doctoral Degree, at 

Graduate  University  of  Science  and  Technology  -  Vietnam  Academy  of 

Science and Technology, on  Date    Month         

Year 2018 

 

 

 

   

Hardcopy of  the thesis can be found at: 

- Library of Graduate University of  Science and Technology 

- National Library of  Vietnam 

Page 3: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

 

 

 

INTRODUCTION

The rationale for the thesis

Parallel robots are robots with closed kinematics structure in which the 

links  are  connected  by  joints.  Although  the  parallel  robot  has  a  complex 

dynamic  structure,  and  is  difficult  to  design  and  control,  but  it  has  some 

outstanding  advantages  over  the  serial  robot:  high  load  bearing  capacity, 

high rigidity due to configuration. They can perform complex operations and 

operate  with  high  accuracy.  Therefore,  study  on  the  problem  of  dynamics 

and control of the parallel robot in order to take advantage of it is a scientific 

and practical matter. 

2. The objective of the thesis

The  objective  of  this  thesis  is  to  apply  Lagrange  equations  with 

multipliers  to  study  dynamics  and  control  of  Delta  parallel  robots. 

Particularly, mechanical model, mathematical model, and control algorithms 

for Delta parallel robots are developed as a scientific basis for  the research 

and development of parallel Delta robots. 

3. The object and the main content of the thesis

Research objects: Dynamics and control of two Delta parallel robots are 

3RUS robots and 3PUS robots. 

The  main  content  of  the  thesis  includes:  Study  of  mathematical  and 

mechanical  modeling  problems,  study  of  dynamics  and  control  algorithms 

for Delta parallel robot. The thesis does not study the problem of design and 

manufacture of Delta parallel robots. 

4. The outline of the thesis

The  outline  of  the  thesis  contains  Introduction,  Four  main  chapters, 

Conclusions and findings of the thesis. 

Chapter  1:  Overview  of  the  study  of  dynamics  and  control  of  Delta 

parallel  robot  in  and  outside  the  country  is  first  presented.  Since  then,  the 

Page 4: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

 

 

 

direction of the thesis has been selected to address scientific significance and 

practical application. 

Chapter  2:  Presents  the  construction  of  mechanical  models  and 

application  of  Lagrangian  equations  with  multipliers  to  formulate 

mathematical models  for  two Delta Parallel Robots. Each  robot  offers  two 

mechanical models for study and comparison. 

Chapter 3: Presents some improvements in numerical methods to solve 

the  inverse  kinematics  and  inverse  dynamics  of  parallel  robots.  Inverse 

kinematic  problem    is  solved  by  applying  the  improved  Newton-Raphson 

method.  Inverse  dynamics  problem  is  solved  by  reducing  Lagrange 

multipliers to calculate moments or driving forces in active joints. 

Chapter  4:  Presents  tracking  control  of  parallel  robot  manipulators  

based  on  the  mathematical  model  of  parallel  robots,  which  is  a  system  of 

differential – algebraic   equations. The trajectory of serial  robots described 

by differential equations is often well studied. While the Delta parallel robot 

trajectory  is  based  on  the  mathematical  model,  the  differential  –  algebraic 

equations  system  is  rarely  studied.  Control  law  such  as  PD  control,  PID 

control, sliding mode control, sliding mode control using neural network are 

studied in this chapter. 

CHAPTER 1. OVERVIEW OF DYNAMICS AND CONTROL

PARALLEL ROBOT

1.1. Parallel robot

Parallel  robots  usually  consist  of  a  manipulator  connected  to  a  fixed 

frame, driven  in multiple parallel branches also called  legs. The number of 

legs is equal to the number of degrees of freedom. Each leg is controlled by 

the  actuator  on  a  fixed  frame  or  on  the  leg.  Therefore,  parallel  robots  are 

sometimes referred to as platformed robots. 

1.2. Comparison between Serial and Parallel Manipulators

Page 5: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

 

 

 

Parallel  robot  has  high  rigidity  and  load  bearing  capacity  due  to  load 

sharing of each actuator operating in parallel. The accuracy of the position of 

the parallel robot is high because there are no cumulative joint errors as the 

serial  robot.  While  kinematic  chains  create  kinematic  constraints  and 

workspace  limitations,  typical designs have  low  inertia  characteristics. The 

fields  of  parallel  robot  application  include:  CNC  machine,  high  precision 

machine,  automation  machine  in  semiconductor  and  high  speed  and  high 

acceleration  electronics  assembly  industry.  A  comparison  between  parallel 

and serial robots is given in the following table: 

Table 1.1: Comparison between Serial and Parallel Manipulators

STT Features Serial robot Parallel robot

1  Accuracy  Lower  Higher 

2  Workspace  Large  Small 

3  Stiffness  Low  High 

4  Payload  Low  High 

5  Inertial  Large  Small 

6  Speed  Low  High 

7  Design/control 

complexity 

Simple  complex 

8  Singularity problem   Some  Abundant 

1.3. Research on dynamics and control of parallel robots outside of

the country

1.3.1. Inverse dynamics of parallel robots

On  the  mechanical  side,  parallel  robots  are  closed-loop  multibody 

system.  Dynamic  computation  is  essential  to  designing  and  improving  the 

control quality of parallel robots. The literature on the theory and calculation 

method of robot dynamics is quite substantial [47, 73, 85-88, 96, 103]. The 

methods  of  establishing  the  dynamic  equations  of  closed-loop  multibody 

Page 6: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

 

 

 

system  are  well  documented  in  [88,  103].  The  kinematics  and  dynamics 

problems  are  then  more  specifically  mentioned  in  the  literature  on  parallel 

robots [67, 96]. 

In  the  above  studies  on  Delta  parallel  robots,  the  methods  used  to 

establish equation of motion are Lagrange equations with multipliers, virtual 

work principle, Newton-Euler equation, subsystem ... When establishing the 

equation, the bar between the actuating link and the manipulator is modeled 

with a uniform bar or with a zero-mass bar and two masses at the ends of the 

bar. Up to now, there have been no comparative work on these two types of 

models. 

1.3.2. Tracking control of parallel robots

The  documentation  on  robot  control  is  very  rich.  There  are  various 

approaches  to  controlling  robots  given  by  Spong  and  Vidyasagar  [90], 

Sciavicco and Siciliano [87]. However,  these works are less focused on the 

specific problems of parallel robots. 

Recently, the works on improving the control quality of Delta robot was 

also  published  quite  a  lot.  These  works  develop  control  law  based  on  the 

equations of motion, which are obtained by simplifying the dynamics model 

of each parallelogram by a zero-mass bar with two mass points at both ends. 

Model  linearization  methods  are  used  to  establish  simple  control  laws. 

Hemici et al.  [80-82] designed PID, H controllers based on linear models 

to robustly control Delta robot. This model was also used by A. Mohsen [68] 

to establish PD and PID control laws in combination with fuzzy supervision 

to perform motion tracking control of  manipulator. 

These  works  use  different  controllers  for  the  purpose  of  forcing  the 

movement  of  the  manipulator  to  follow  a  desired  trajectory.  These 

controllers partly meet the desired requirements. However, there is a lack of 

Page 7: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

 

 

 

comparative  studies of controllers and  recommendations on how to choose 

an appropriate ones. 

1.4. Studies in Vietnam

The  research  in  Vietnam  mainly  focuses  on  solving  the  kinematics 

problem, establishing  the equation of motion and presenting  the method of 

solving the equations of motion. Control problems are little researched. 

1.5 The research problem of the thesis

From  the  review  and  evaluation  of  the  work  that  scientists  have  been 

working on in Delta parallel robot, this thesis will investigate the following 

issues: 

Development of the solution for the inverse dynamics problem with the 

aim of improving numerical accuracy. 

Study and comparison of different dynamic models for a parallel robot, 

the  complexity  of  the  models  and  their  effect  on  the  computational  torque 

moment. On that basis, it is advisable for the user to use a suitable model. 

Design of direct control law based on differential – algebraic  equations. 

Research  comparing  the  quality  of  the  controllers  using  different 

mechanical models. 

Conclusions of chapter 1

Based on the results obtained from domestic and foreign researches, the 

thesis has  identified  the need  for  in-depth research  in order  to  improve  the 

quality of control for parallel robots, mechanical and mathematical modeling 

and numerical algorithms for solving dynamic and control problems for two 

parallel robots, 3RUS and 3PUS. 

CHAPTER 2. BUILDING THE MECHANICAL MODEL AND

MATHEMATICAL MODEL FOR DELTA PARALLEL ROBOT

In  this  thesis,  the  new  matrix  form  of  the  Lagrange  equations  with 

multipliers  [51]  is used  to  establish  the  equation of motion of  two parallel 

Page 8: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

 

 

 

robots, the 3RUS robot and the 3PUS robot. With the MAPLE or MATLAB 

software,  we  obtain  the  analytic  form  of  differential  –  algebraic  equations 

describing the movement of parallel robots. 

 

2.1. Dynamic model of Delta parallel robot

2.1.1. Dynamic model of Delta parallel robot 3RUS

From realistic models of robots from Figure 2.1, it can be seen that the 

parallelogram  will  make  the  kinematic  and  dynamic  computation  on  the 

robot quite complex. For simplicity we build two models of robot dynamics 

based on real model as follows: 

 

 

 

 

 

 

 

    

 

  

Figure 2.1: Delta parallel robot 3RUS

Model  1:  The  parallelogram  mechanisms  is  modeled  by  a  bar  with  a 

uniformly distributed mass over the length of the bar. The mass and length 

of the bars correspond to the mass and length of the parallelogram. 

Model  2:  The  parallelogram  mechanisms  is  modeled  by  a  weightless 

bar with a concentric mass at both ends, the mass of each bar end equals half 

the mass of the parallelogram. 

R1

m1,L1, I1

mp

m2, L2, I2

r

Page 9: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

 

 

 

2.1.2. Dynamic model of 3PUS Delta parallel robot

Spatial  3PUS  Delta  robot  is  a  variant  of  the  3RUS  robot    when 

replacing  rotary  actuation  joints  linear  actuation  joints  as  shown  in  Figure 

2.4. The 3PUS robot  is also equipped with  two dynamic models  similar  to 

the 3RUS. 

 

 

 

 

 

 

Figure 2.4: Delta parallel robot 3PUS

2.2. Establish equations of motion of the Delta parallel robot

Applying  the  new  matrix  form  of  the  Lagrange  equation  with 

multipliers [4, 51], the equation of motion of two 3RUS and 3PUS robots is 

the differential - algebraic equations of the following general form: 

  , T

s M s s C s s s g s Φ s λ τ   (2.20) 

  f s 0   (2.58) 

2.3 Compare the equations of motion of robot models

From the equation of motion of model 1 and model 2 of each robot we 

have the comparison table as follows: 

Page 10: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

 

 

 

Table 2.1. Compare the equations of motion of Models 1 and 2 

Number of..  Model 1.  Model 2. 

Degree of freedom  3  3 

generalized 

coordinates 3x3 + 3 = 12  3 + 3 = 6 

Constrained equations  9  3 

Lagrangian multipliers  9  3 

equations  21  9 

Matrices M and C  ( ),   ( , )M M s C s s 0   ( ) ,   ( , ) 0constM s C s s  

 

From  Table  2.1  we  find  that  the  equation  of  motion  of  model  2  is 

simpler  and  easier  to  establish  than  model  1,  but  the  inertia  effect  is  not 

clear. 

2.3. Conclusions of chapter 2

The establishment of analytical equation of the equation of motion of Delta 

parallel robot is a very complex problem. Using the symbolic programming 

technique, this thesis has achieved some new results as follows: 

Using the new matrix form of equations Lagrange with multipliers [51], 

the differential - algebraic equations describing the motion of the two kinds 

Delta  parallel  robot  (robot  3RUS  and  robot  3PUS)  has  established 

analytically. 

In  addition  to  establishing equations of motion  in view of  rigid body, 

the thesis also provides a simple equation for motion equation by replacing 

the  parallelogram  mechanisms  by  two  mass  points.  These  mechanical 

models  are  the  basis  for  computational  dynamics  and  control  of  parallel 

robots 3RUS and 3PUS. 

Page 11: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

 

 

 

CHAPTER 3. NUMERICAL SIMULATION OF INVERSE

KINEMATICS AND INVERSE DYNAMICS FOR DELTA

PARALLEL ROBOT

Based on the explicit analytical form of the differential - algebraic equations 

description of the motion of the Delta parallel robot set up in Chapter 2, this 

chapter  applies  and  develops  numerical  algorithms  to  solve  the  inverse 

kinematic and inverse dynamic problem for parallel robots 3RUS and 3PUS. 

3.1 Calculation of inverse kinematic parallel robot by improved

Newton-Raphson method

The constrained equations of  robot are rewritten in vector form as follows: 

  ( ) ( , )f s f q x 0   (3.1) 

where:   ,   ,  r n mf q x  

Contents of the inverse dynamics problem: Given the motion law of the 

manipulator,  it  is necessary  to  find  the  law of motion of  the driving  joints. 

Here, we will present an improved Newton-Raphson method [4] to solve the 

inverse kinematic problem: 

Step 1: Correct the increment of the vector of generalized coordinates at 

time  t0 = 0. First, we can determine  the approximate vector  0q  by drawing 

method  (or  experiment). Then  apply  Newton  -  Raphson  methods  to  find  a 

better solution of 0q  from nonlinear equations (3.1). 

Step 2: Correct the increment of of the vector of generalized coordinates 

at  time  tk+1.  The  approximate  initial  value  of  qk+1  is  approximated  by  the 

formula: 

   2

1

1( )

2k k k kt tq q q q      

In  the  robot  kinematics  computation  [87],  the  infinitesimals  of  order 

n≥2 are often neglected in the initial approximation of Newton-Raphson. In 

this  thesis, we take  into account the second order  infinitesimals, neglecting 

Page 12: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

10 

 

 

 

the  infinitesimals  of  order  3  and  taking  the  formula  (3.14)  as  the 

approximation of the original Newton-Raphson loop. 

After  each  step  of  calculating  the  coordinates  of  the  joints  using  the 

improved  Newton-Raphson  method,  the  generalized  velocity  and 

acceleration of the joints are calculated by the following formulas: 

 1

q xq J J x   (3.4) 

  1q q x xq J J q J x J x   (3.6) 

3.2 Numerical method for solving the inverse dynamics problem of

parallel robots

3.2.1 Inverse dynamics problem

The general equations of motion of the robot is as follows: 

 TsM(s)s +C(s,s)s +g(s)+Φ (s)

  (3.20) 

 ( )f s 0    (3.21) 

Let  f

a q   be the vector of coordinates of active joints,  rz    is  the 

vector  of  redundant  coordinates  (including  passive  coordinates  and    end-

effector coordinates). Symbol: 

, , ,   ,   ,  

TT T n f r

a a n f r s q z s q z  

The  inverse  dynamics  problem  of  the  parallel  robot  is  expressed  as:  The 

equation  of  motion  of  the  robot  is  known  as  in  (3.20),  (3.21),  given  the 

motion  law  of  the  operation  ,   mt x x x .  Determine  f

a τ  the 

driving momen / force required to produce the desired motion. 

3.2.2 Solving the inverse dynamics problem by eliminating the Lagrange

multipliers [4]

Through  the  inverse kinematic with  the given  trajectory of  the mobile 

platform center, we have found the vector  ,   ,  t t ts s s . From this, mass 

matrices, centrifugal  inertia and Coriolis matrices, matrices  sΦ ,  as well  as 

the vector g(s) have been completely determined. Thus, Equation (3.20) is a 

linear  algebraic  equation  with  unknown  driving  torque  vector  aτ and 

Page 13: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

11 

 

 

 

Lagrange  multipliers  λ  with  equal  numbers  of  equations  and  numbers. 

Thus, we can directly  solve  this  system of equations  and  then  separate  the 

resulting momen. 

In  this  thesis,  we  will  not  directly  solve  equation  (3.20)  but  try  to 

eliminate Lagrange  multipliers  λ , transforming the system of differential - 

algebraic  equations  (3.20),  (3.21)  into  the  system  of  equations  of  only 

unknowns of only joint moments  aτ  as follows: 

We put the symbol [4, 47]: 

 

1( , )az q

sE

R R q zΦ Φ

 

 (3.24) 

where E is the unit matrix size  f f  and   ,  a

z af f

Φ Φz q

 

Left  multiplying  both  sides  of  (3.20)  by  matrix  T sR  and  simplying  it 

yields  

  ,T T Tas s sR M s s R C s s s R g s τ    (3.29) 

The expression in  the left-hand side of equation (3.29) are known from the 

results  of  the  inverse  kinematics  problem.  Thus,  active  joint  moments  are 

calculated according to this equation. 

3.3. Numerical simulation of inverse kinematics and inverse dynamics of

Delta parllel robot

3.3.1. Numerical simulation of 3RUS inverse kinematics of robot

To evaluate the correctness of algorithms and calculations of the thesis, 

we  computed  the  inverse  dynamics  problem  of  3RUS    robot    with  the 

DELTA-IMECH  program  developed  based  on  MATLAB  software.  For 

comparison, the robot parameter data and manipulation motion are given in 

[61] of Y. Li and Q. Xu. 

Using  the  DELTA-IMECH  program  we  obtain  the  results  of  the 

numerical  simulation  of  inverse  kinematics  and  have  the  following 

comparison table: 

Page 14: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

12 

 

 

 

 

The results of the thesis  The results of work [61] 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

Figure 3.11: Comparison of the results of the inverse kinematic problems against

the literature [61]

0 0.5 1 1.5 220

40

60

80

100

t[s]

[deg

ree]

Joint1

Joint2

Joint3

0 0.5 1 1.5 2-2

-1

0

1

2

t[s]

[ra

d/s

]

0 0.5 1 1.5 2-4

-2

0

2

4

6

8

t[s]

[rad/s

2]

Page 15: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

13 

 

 

 

Comment: Figure 3.11  shows  that  the  results of  the  inverse kinematics of 

the thesis are consistent with the results of the paper [61]. 

3.3.1. Numerical simulation of inverse dynamics of robot 3PUS

The robot parameter data and movement of the manipulator as follows: 

1 20.242,   0.16,   0.029( ),   0.12,   2 0.15,   0.2(kg)PL R r m m m m  

  

Numerical simulation results were computed based on models 1 and 2 of the 

3PUS robot using the DELTA-IMECH program. 

Model 1  Model 1 

T = 1 (s), (Fast motion manipulator) 

   

T = 10 (s), (Slow motion manipulator) 

   

Figure 3.22: Results of numerical simulation inverse dynamics robot 3PUS

2 20.05cos ;   0.05sin ;   0.5 ( )P P Px t y t z m

T T

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-6

-5.5

-5

-4.5

-4

t[s]

[N]

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-5.2

-5

-4.8

-4.6

-4.4

t[s]

[N]

0 2 4 6 8 10-7

-6

-5

-4

-3

t[s]

[N]

0 2 4 6 8 10-7

-6

-5

-4

-3

t[s]

[N]

Page 16: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

14 

 

 

 

Comment: When motion of  the manipulator  is  fast,  the  results  of  the  two 

models are different. When motion of the manipulator is slow, the results of 

the two models are the same.

Conclusions of chapter 3

The contribution of the thesis in this chapter is: 

1.  Develop  a  program,  called  DELTA-IMECH  program,  to  calculate 

numerically inverse kinematics and inverse dynamics problems of 3RUS and 

3PUS.  The  results  computed  by  this  program  are  consistent  with  the 

literature [61], [92]. This proves that the equations of motion of robots that 

have been established and the algorithms and programs in DELTA-IMECH 

are correct. 

2.  The  numerical  simulation  results  show  that  when  the  movement  of  the 

manipulator  is  not  fast,  a  simple  robot  model  can  be  used  to  compute  the 

dynamics  of  two  types  of  research  robots.  However,  when  using  simple 

models  the  inertial  effects  of  spatial  rigid  bodies  are  not  reflected  in  the 

equation. That is the limitation that should be considered.  

CHAPTER 4. TRAJECTORY TRACKING CONTROL OF THE

DELTA PARALLEL ROBOT BASED ON MECHANICAL MODELS

The use of inverse dynamic methods to control position of  serial robot  has 

been discussed extensively in engineering [1, 87]. In  this chapter, based on 

the differential - algebraic equations written explicitly in Chapter 2 and the 

numerical  method  for  solving  the  inverse  dynamics  problem  in  Chapter  3, 

the  PD,  PID,  Sliding  mode  control,  Sliding  mode  control  using  neural 

network controller is built for 3RUS and 3PUS Delta parallel robots. 

4.1. Overview of the tracking control of the manipulator

         The task of the trajectory tracking control problem of the manipulator: 

To guarantee that the end-effector moves along the desired trajectory in the 

Page 17: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

15 

 

 

 

work space. Given the desired trajectory d(t)x ,  it  is required  to control  the 

actual trajectory x to satisfy the following condition: 

 d|| ||x x    (4.1) 

4.2. Trajectory tracking control of the parallel robots in joint space

based on Lagrange equations with multipliers

4.2.1. Background of dynamics of closed-loop multibody systems

Using  the  Lagrange  equations  with  multipliers,  equation  of  motion  of 

parallel  robots  in  the  form  of  (3.20)  and  (3.21)  and  equation  (3.20)  is 

transformed into (3.29), we proceed to modify this equation in the following 

form: 

    ( , ),a a aq q d s sM s C s s g s τ    (4.12) 

 

Where :     

 

 

 

Equation  (4.12)  is  the  basis  for  establishing  the  control  law  for  parallel 

robots. 

4.2.2. Development of control algorithms

In this thesis the trajectory  tracking control algorithms are built based 

on  the  differential  -  algebraic  equations  describing  the  motion  of  parallel 

robots.  The  stability  and  tracking  properties  of  the  control  algorithms  are 

well proven. 

4.2.2.1. PD control

  , ,at s s su M ν C s sq dsg

  (4.18) 

with: da D a P aν q K e K e

  (4.19) 

: ( ) ( )

: ( ) ( , ) ( )

: ( )

( , ) : ( ) ( , )

, ,

T

T

T

T

s s

s s s s

s

d s s s d s s

M s R M s R

C s s R M s R C s s R

g s R g s

R

Page 18: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

16 

 

 

 

1 2 1 2, , , ,   , , , , 0 ,  0P P P Pna D D D Dna Pi Didiag k k k diag k k k k kK K   

4.2.2.2. PID control

  , ,at s s su M ν C s sq dsg

  (4.26) 

With: 0

( )t

da a a I aD P deν q K e K e K

 

 (4.27) 

            1 2 1 2 ,, , , ,   , , ,P P P Pna D D D Dnadiag k k k diag k k kK K

 

            1 2, , ,I II Inadiag k k kK

  where:    0, 0;     1,2,..., 0, ,0

aDi Pi Ii Di Pi Ii i nk k k k k k   

4.2.2.3. Sliding Mode control

  ( ) ( , ) ( )d d

a a at s q s su M C q g d s ΛM e   (4.45) 

                         ( , ) D Sa P signC e Ks s Λ Kν ν   

where:    1 2,   , ,T

nasign sign v sign v sign vν    (4.46) 

        1 2, , ,  ,      0PD PD PPD Dna PDidiag k k k kK   (4.47) 

         1 2, , ,  ,      0S S SnS a Sidiag k k k kK

 

4.2.2.4. Sliding mode control using neural network

( ) ( , ) ( (

 

)

     

)

 

,

1

d da a a as q s s su M C q g d M Λe C es s Λ ν

ν

ν

K

     (4.62) 

iiw ν    (4.63)   

in  which  K  is  positive  definite  symmetric  matrix  of  size  ,an  and  0 , 

0 . 

4.3. The numerical simulation of the control law of the Delta parallel

robot based on the mechanical models

4.3. 2. The numerical simulation of the control laws of the robots 3RUS

and 3PUS Delta parallel

Page 19: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

17 

 

 

 

Table 4.1: Comparison of robot trajectory errors

Using model 1 in controller Using model 1 in controller

PD control, the robot errors and disturbance 

 

PID control, the robot errors and disturbance 

Sliding mode control, the robot errors and disturbance 

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-0.01

-0.005

0

0.005

0.01

0.015

t[s]

[m]

ex

ey

ez

0.6 0.7 0.8

-505

x 10-4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-0.01

-0.005

0

0.005

0.01

0.015

t[s]

[m]

ex

ey

ez

0.6 0.7 0.8

-5

0

5x 10

-4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-0.01

-0.005

0

0.005

0.01

0.015

t[s]

[m]

ex

ey

ez

0.6 0.7 0.8-4-202

x 10-3

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-0.01

-0.005

0

0.005

0.01

0.015

t[s]

[m]

ex

ey

ez

0.6 0.7 0.8-2

0

2x 10

-3

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-0.01

-0.005

0

0.005

0.01

0.015

t[s]

[m]

ex

ey

ez

0.6 0.7 0.8-2

0

2x 10

-3

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-0.01

-0.005

0

0.005

0.01

0.015

t[s]

[m]

ex

ey

ez

0.6 0.7 0.8-4

-2

0

2x 10

-3

Page 20: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

18 

 

 

 

Sliding mode control using neural network, the robot errors and disturbance 

4.3.3. Comments on numerical simulation results

It  is easier to design the control law based on the model 1 than on the 

model  2  because  the  model  1  has  larger  number  of  equations  and  is  more 

complicated than model 2 (see Table 2.1) 

When using the PD, PID to control the real robot with exact knowledge 

of  the dynamic parameters  and no disturbance,  the use of model  to design 

the control law produces less accurate results compared to when using model 

1. 

When  using  PD  and  PID  control  laws  to  control  real  robots  without 

knowing exactly the dynamic and disturbance parameters, both models give 

inaccurate results (~10-3  m see Figures 4.11, 4.12). , 4.19 and 4.20). 

When  using  the  sliding  mode  controller,  controller  based  on  the 

principle of sliding using neural network for the robot, with exact knowledge 

of  the  dynamic  parameter  and  without  disturbances,  and  without  exact 

knowledge  of  the  dynamic  parameter  and  with  disturbances,  same  good 

results are obtained (accuracy of ~10-4 m is shown in Figure 4.27 to Figure 

4.36). 

So when using  the  sliding mode control  law and sliding mode control 

using  neural  network,  we  only  need  to  use  simple  model  to  design  the 

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-0.01

-0.005

0

0.005

0.01

0.015

t[s]

[m]

ex

ey

ez

0.6 0.7 0.8-2

0

2x 10

-4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-0.01

-0.005

0

0.005

0.01

0.015

t[s]

[m]

ex

ey

ez

0.6 0.7 0.8-4

-2

0x 10

-4

Page 21: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

19 

 

 

 

control rules. The control law will be very simple but still give good results 

like when we use complex models. 

The comments for control law design for the 3PUS robot are similar to 

those of the 3RUS robot when simulating the tracking trajectory. 

Conclusions of chapter 4

The contribution of the thesis in this chapter is: 

1. To prove theoretically the stability of PD, PID, sliding mode control 

and  sliding  mode  control  using  neural  networks  laws  of  the  parallel  robot 

based on the differential  -  algebraic equations describing  the motion of  the 

robot. 

2. When  the mechanical model of a  robot  is correctly constructed and 

there is no force disturbance during operation, the PD and PID control laws 

can be used but must be set up from a complex mechanical model (model 1), 

so that it still ensures the desired trajectory of operation. 

3. When the mechanical model of the robot is not properly constructed 

and  in  the  presence  of  disturbance  during  the  working  process,  modern 

control rules such as sliding mode control sliding mode control using neural 

network are used. It  is required to design the controller only from a simple 

mechanical  model  (model  2)  but  the  controller  still  ensures  the  desired 

traction of the operation. 

CONCLUSIONS AND FINDINGS OF THE THESIS

1. The findings of the thesis

1)    Applying  the  new  matrix  form  of  the  Lagrangian  Equation  with 

multipliers  establishes  differential  -  algebraic  equations  describing  the 

movement of 3RUS and 3PUS Delta parallel  robots. Equations are explicit 

analytical equations but are quite complex. 

Page 22: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

20 

 

 

 

2) Transformation  the differential  -  algebraic equations  is  transformed 

into  a  system  of  ordinary  differential  equations  based  on  the  idea  of    W. 

Schiehlen and colleagues [28]. Then the driving moment/ force is calculated. 

This method is used to solve the inverse dynamic problem of parallel robot 

3RUS and 3PUS. The simulation results obtained according to the proposed 

algorithm are consistent with known results. 

3)  Transformation  the  differential-  algebraic  equations  of  motion  of 

parallel  robots  into  the  ordinary  differential  equation  with  redundant 

coordinates  the new mass matrices  )M(s ,  the  inertial  force matrix and  the 

new  coriolis  and  centrifugal  matrix  ( , )C s s  are  obtained.  The  PD,  PID, 

sliding  mode  control,  and  sliding  mode  control  using  neural  network  

algorithms developed for serial robots then can be applied to control parallel 

robots.  Stability  of  PD,  PID,  sliding  mode  control,  sliding  mode  control 

using neural network is proven based on mathematical model of robot which 

is the system of differential- algebraic equations.

4)  Writing  a  program  named  DELTA-IMECH  for  calculating  inverse 

kinematics,  inverse  dynamics,  and  motion  control  of  two  parallel  robots 

3RUS  and  3PUS.  Some  examples  calculated  by  the  DELTA-IMECH 

program  are  consistent  with  known  results. The  algorithm  and  program  of 

DELTA-IMECH are correct and reliable. 

5) In engineering, the rigid body moving in space is sometimes replaced 

by  a  model  of  mass  points.  In  this  thesis,  the  dynamic  and  control 

calculations with this model are presented for the Delta parallel robot 3RUS 

and  3PUS.  Caution  should  be  taken,  because  in  the  simplest  model  the 

inertial effect of the system is not reflected accurately.  

2. Suggestions

Passive-based control of parallel robots. 

Dynamics and control of parallel robots taking into account the elasticity of 

the links. 

Page 23: INVERSE DYNAMICS AND MOTION CONTROL OF DELTA …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26204.pdf · Research on dynamics and control of parallel robots outside of the country 1.3.1

 

 

 

 

LIST OF PUBLISHED WORKS

1. Nguyen Van Khang, Nguyen Quang Hoang, Nguyen Duc Sang, Nguyen 

Dinh Dung  (2015),  “A comparison  study of  some control  methods  for 

Delta  spatial  parallel  robot”.  Journal of computer science and

cybernetics, VAST, Vol. 31, pp 71-81. 

2. Nguyen  Van  Khang,  Nguyen  Quang  Hoang,  Nguyen  Dinh  Dung, 

Nguyen  Van  Quyen  (2016),  “Model-based  Control  of  a  3-PRS  Spatial 

Parallel  Robot  in  The  Space  of  Redundant  Coordinates”.  Journal of

Science and Technology Technical Universities, Vol. 112, pp. 49-53. 

3. Nguyen Quang Hoang, Nguyen Van Khang, Nguyen Dinh Dung (2015), 

Influence of models on computed  torque of delta spatial parallel  robot. 

Proceedings of the 16th Asia Pacific Vibration Conference,  Hanoi,  pp. 

791-798 

4. Nguyen Dinh Dung, Nguyen Van Khang, Nguyen Quang Hoang (2016), 

Modelling  and  sliding  mode  control  based  models  of  a  3RUS  spatial 

parallel.  Proceedings of International Conference on Engineering

Mechanics and Automation (ICEMA4), Ha Noi, pp. 198-205. 

5. Nguyen Van Khang and Nguyen Dinh Dung (2013), Về một dạng thức 

mới  phương  trình  chuyển  động  của  robot  song  song,  The 2nd Vietnam

Conference on Control and Automation VCCA-2013, Da Nang, pp. 457-

466. 

6. Nguyen  Van  Khang,  Nguyen  Quang  Hoang,  Nguyen  Dinh  Dung,  Mai 

Trong  Dung  (2015),  Xây  dựng  mô  hình  cơ  học  cho  robot  song  song 

Delta  không  gian  3PUS.  National Conference on Engineering

Mechanics, Da Nang, pp. 398-406. 

7. Nguyen  Van  Khang,  Nguyen  Dinh  Dung,  Nguyen  Van  Quyen  (2016), 

Điều khiển bám quỹ đạo robot song song Delta không gian 3-PRS dựa 

trên  mô  hình  hệ  các  phương  trình  vi  phân-đại  số.  The Vietnam

Conference on Mechatronics 2016  (VCM  2016),  Can  Tho,  pp.  830  – 

840.