Asimetrik Paralel Manipülatörlerin Tasarımı

Abstract

Bu çalışma, geleneksel simetri anlayışının ötesine geçerek asimetrik paralel manipülatörlerin tasarımına odaklanmaktadır. Literatürde dağınık biçimde yer alan tanımlar sistematikleştirilmiş ve paralel manipülatörlerde asimetri kavramı ilk kez yapısal, boyutsal, konstrüksiyonel ve operasyonel olmak üzere dört temel kategori altında sınıflandırılmıştır. Böylece paralel manipülatör tasarımına özgün ve bütüncül bir metodolojik çerçeve kazandırılmış, bu çerçeve yalnızca kavramsal sınıflandırmayı değil performans temelli tasarım sürecini de yönlendirmiştir. Performans değerlendirmesi sürecinde, manipülatörlerin anizotropik davranışlarını ölçmek amacıyla Jacobian temelli yönlü metrikler geliştirilmiştir. Bu kapsamda, izotropiyi ifade eden yönlü koşul sayısı ve belirli yönlerde erişilebilirliği değerlendiren yönlü hareket kabiliyeti indeksi olmak üzere iki yeni metrik tanımlanmış; ayrıca kuvvet–hız hizalanmasını ölçmek için genelleştirilmiş iletim indisi kullanılmıştır. Çalışma uzayı üzerinde bu metriklerin dağılımları incelenmiş ve elde edilen değerler çok amaçlı bir genetik algoritma ile optimizasyon problemine entegre edilmiştir. Böylelikle tasarım süreci, anizotropik hareket üretimi, yönlü hareket iletim kapasitesi ve kalitesi kriterlerini birlikte gözeten bir yaklaşımla yürütülmüştür. Yöntem, yardımlı el yazısı görevi için tasarlanan düzlemsel asimetrik 5R paralel manipülatör üzerinde uygulanmıştır. Tasarım sürecinde ergonomik kısıtlar ve gerçek el yazısı verilerinden elde edilen karakter hız profilleri dikkate alınmıştır. Genetik algoritma tabanlı optimizasyon sonucunda elde edilen Pareto çözümleri görev yönleriyle uyumlu hız elipsoitleri üretmiş ve literatürdeki simetrik prototiplere kıyasla daha dengeli bir performans sergilemiştir. Elde edilen sonuçlar, asimetrik paralel manipülatörlerin görev yönlü gereksinimlere uygun şekilde tasarlanabileceğini göstermiştir. Geliştirilen sınıflandırma, tanımlanan yeni metrikler ve bütünleşik optimizasyon süreci, literatüre hem kuramsal hem de uygulamalı katkılar sağlamış ve özelleştirilmiş görevler için yüksek performanslı manipülatör tasarımlarının önünü açmıştır.This study focuses on the design of asymmetric parallel manipulators, going beyond the conventional understanding of symmetry. The scattered definitions in the literature are systematized, and the concept of asymmetry for parallel manipulators is classified for the first time into four categories: structural, dimensional, constructional, and operational. This approach provides an original and comprehensive methodological framework for parallel manipulator design, supporting both conceptual classification and performance-based optimization. For the performance evaluation, Jacobian-based metrics are developed to characterize the anisotropic behavior of manipulators. Within this scope, two novel indices are introduced: the directional condition number, which represents isotropy by indicating the sensitivity of velocity transmission with respect to task directions, and the directional manipulability index, which evaluates motion capability along specific directions. In addition, the generalized transmission index is adopted to assess the alignment between velocity and force transmission. The distributions of these metrics across the workspace are analyzed and integrated into a multi-objective genetic algorithm optimization framework. Through this integration, the design process is carried out by optimizing anisotropy, motion capability, and transmission quality. The proposed method is applied to a planar asymmetric 5R parallel manipulator designed for assisted handwriting tasks. In the design stage, ergonomic constraints and character velocity profiles obtained from real handwriting data are considered. The Pareto-optimal solutions derived from the genetic algorithm produce velocity ellipsoids aligned with task directions and demonstrate more balanced performance compared to symmetric prototypes. The findings show that asymmetric parallel manipulators can be systematically designed to meet task-oriented requirements. The proposed classification, newly defined metrics, and integrated optimization framework provide both theoretical and practical contributions, paving the way for high-performance manipulator designs tailored to specialized tasks.