Design of Stewart Platform for Wave Compensation

Madsen, Anders Lolk Lohmann ; Kristensen, Søren Giessing

4. term

Electro-Mechanical System Design, Master

2012

2012-06-01

82 pages

Dette kandidat speciale er skrevet i foråret 2012 i forbindelse med afslutningen af civilingeniøruddannelsen inden for 'Elektro-Mekanisk System Design' på Aalborg Universitet. Specialet omhandler design metode, forståelse og optimering af en Stewart platform til kompensering af bølgebevægelsers påvirkning af skibskraner. Projektet er udarbejdet i samarbejde med HYDAC A/S, en større producent indenfor hydraulik komponenter, som har ønsket et dybere kendskab til Stewart platformen, dens kinematik og dimensionerende faktorer. HYDAC A/S har derfor stillet projektforslaget om Stewart platformens brug til bølgekompensering af skibskraner. Skibskraner bruges ikke kun til at laste og losse i rolige havnemiljøer, men bruges også til offshore operationer og begrænses derved af de aktuelle havforhold, da bølgepåvirkninger af kranfartøjet kan forårsage store svingninger i kranlasten. Dette sker selv i forholdsvis roligt vejr med bølgehøjder ned til under 1 m \cite{schaub}, og søgangen kan dermed let udsætte arbejdsopgaver og koste operatøren penge. Det ønskes derfor at designe en Stewart platform som skal fungere som stabilt fundament for kranen, så svingningerne i kranen minimeres. Det initierende problem for projektet er derfor defineret som: Hvordan designes en Stewart platform optimalt til bølgekompensering? En Stewart platform er en seksbenet parallel robot med 6 frihedsgrader. Dette er optimalt til bølgekompensering, da skibsbevægelser netop har 6 frihedsgrader og Stewart platformen har dermed potentiale til at kompensere for den totale skibsbevægelse. Yderligere har Stewart platformen den fordel, at den kan yde store kræfter, da der er 6 hydrauliske cylindere til at aktuere den samme platform. Dermed kan den også opnå stor positioneringsnøjagtighed, da en positionsfejl på en cylinder ikke akkumuleres i robotten som tilfældet er for serielle robotter. Stewart platformen er et komplekst kinematisk system, hvor fordele og ulemper ved et givent design kan være svære at gennemskue. Derfor er en dybdegående teoretisk gennemgang af kinematikken og dens performance kriterier samlet i dette speciale. Ud fra gennemgangen kan relevante kriterier udvælges til det ønskede design. Det vælges, at designe Stewart platformen ud fra et krav om 'dexterity', hvilket beskriver robottens evne til at arbejde med ens kræfter og hastigheder i alle retninger og orienteringer. Yderligere er der for at sikre et realiserbart design af Stewart platformen opstillet en række designkrav der skal tages højde for i designprocessen. Disse skal bl.a. sikre, at de hydrauliske cylindre ikke kolliderer indenfor arbejdsområdet og at aktuatorerne til systemet udnyttes optimalt. For at udregne et optimalt design ift. 'dexterity' og indenfor de givne designrammer, opstilles et optimeringsproblem som løses vha. en ' Sequential Quadratic Programming' (SQP) algoritme. Der bestemmes en optimal løsning for den almindelige Stewart Platform og et modificeret design kaldet den koncentriske cickel Stewart platform. Det viser sig, at der ved brug af det modificerede design kan opnås 13.55 % bedre 'dexterity', hvorfor dette design anses som det bedste til bølgekompensering. Oversigten over performance index er universel for både serielle og paralle robot-typer og kan dermed anvendes generelt for robot design. Desuden er hele den angivne designprocedure overførbar til Stewart platforme til andre applikationer. Afslutningsvis dimensioneres udvalgte hydrauliske komponenter til det optimerede Stewart platform design, samt opstilles en fuld simuleringsmodel af det hydrauliske og mekaniske system. For at bestemme de maksimale kræfter, hastigheder, flow samt effekt i systemet, opstilles endnu flere optimeringsproblemer. Dette gøres da systemkræfterne og bevægelserne er funktioner af mange variable. En optimering har bl.a. beregnet at systemets maksimale effekt ved bølgekompensering er 155 kW. Det kan fra det ovenstående konkluderes, at den endelige Stewart platform opfylder alle designkrav. Desuden kan der fra HYDACs Stewart platform prototype opnås en 59 % forbedring i 'dexterity' til single cirkle designet og yderligere 13.5 % til koncentrisk cirkle designet.

Ship mounted cranes has a limited workability on the seas due to wave exited pendulation of the hoisted load. This poses a problem as crane operations are aborted and time is lost. The motion of ships and the pendulation of the hoisted load can be counteracted by a Stewart platform due to its 6 DOF motion capacity. The Stewart platform is a complex parallel manipulator which kinematics is difficult to design by hand. The design procedure involves selecting the type of Stewart platform, creating a design capable of generating forces and velocities in all direction, ensure the prescribed workspace can be reached, and many physical constraints on the design. To solve these problems a thorough theoretical review of kinematics and kinematic performance indices are included in this thesis. Mathematical optimization using Sequential Quadratic Programming (SQP) is used to create the best design for wave compensation. Methods of ensuring feasible actuator relations and avoidance of leg collision are developed and are incorporated into the optimization of kinematic performance indices. All methods described can equally be used for other applications than wave compensation. Two types of Stewart platforms are selected and optimized to find that the traditional type is inferior to a slightly more complex type. The more complex type is smaller and has 13.5 % better dexterity. The demands for a hydraulic actuation system are determined using optimization methods, and finally a complete simulation model of the hydraulic and mechanical system is derived.

Download
View record in AAU Student Projects