Numerical and experimental study of dynamics and vibration control of flexible joint robots

Résumé

Les robots sériels sont récemment l'une des méthodes les plus efficaces pour réaliser plusieurs applications industrielles, notamment le positionnement précis et les tâches d'inspection. Ils peuvent fournir une grande enveloppe de travail, un accès à des zones restreintes, des opérations dans des environnements dangereux et des travaux de précision avec un haut degré de fiabilité. Un désavantage majeur des robots sériels est le problème des vibrations, en raison de la dynamique des modes flexibles qui sont excités. La vibration provoque une détérioration de la précision du contrôle de mouvement, une grande contrainte dans les boîtes de vitesses et des déformations ou des dommages du robot manipulateur. La dynamique des modes flexibles est introduite en raison de la faible rigidité des robots manipulateurs, qui peut être causée par la flexibilité des articulations ou des membrures. Indépendamment de la taille et de la conception, la plupart des robots sériels sont encore assez flexibles avec la première résonance dans les basses fréquences d'environ 10 Hz. Pour éviter les conséquences causées par les vibrations, le contrôle des vibrations devient très important et doit être pris en compte dans la conception des contrôles. L'objectif principal de cette étude est de concevoir des algorithmes de contrôle pour réduire les vibrations des robots sériels avec articulations flexibles. Les procédures de conception de contrôleur proposées peuvent être appliquées à divers robots industriels et sont testées expérimentalement sur un robot industriel à six articulations, le SCOMPI, actuellement en développement à l'Institut de recherche d'Hydro-Québec. Pour atteindre cet objectif, deux phases d'étude sont proposées. L'objectif de la première phase est d'étudier la dynamique et de concevoir un algorithme de contrôle des vibrations pour un robot à articulation unique. Un modèle dynamique décentralisé de robot sériel avec articulation flexible est étudié. Les concepts de contrôle sont testés sur une configuration expérimentale simple composée d'une seule articulation et d'une seule membrure. Toutes les parties du système sont considérées comme rigides à l'exception d'un élément qui est l’articulation flexible. Le modèle de joint flexible unique est placé dans un environnement entièrement contrôlé, dans lequel l'accès à la commande de couple du moteur, à la référence du moteur ou aux états de rétroaction est disponible. Pour cet objectif, un contrôleur à deux étages amélioré est proposé, qui combine deux parties. La première partie est un contrôleur à deux étages basé sur la commande de backstepping, qui considère la position du moteur comme une entrée de commande virtuelle pour la dynamique côté membrure. La seconde partie est un observateur d'état et de perturbation, qui compense les perturbations et reconstruit les mesures indirectes. La simulation numérique et les résultats expérimentaux valident que le contrôleur proposé améliore efficacement les performances de contrôle en termes de réduction des vibrations des membrures, d'extension de la bande passante et d'atténuation de l'erreur cinématique du réducteur d'entraînement harmonique du joint. Les limites du contrôleur proposé sont également discutées. Les performances de contrôle dépendent des paramètres du système, qui doivent être correctement identifiés. Cela nécessite également des efforts pour régler manuellement les gains du contrôleur. Et surtout, le contrôleur proposé doit avoir accès à la commande de couple du moteur pour implémenter son algorithme. Cependant, il convient de mentionner que les résultats de la première phase valident l'hypothèse de modélisation sous-jacente pour le joint flexible et que l'architecture en deux étages est réalisable à des fins de contrôle des vibrations. Sur la base des résultats prometteurs du contrôle des vibrations pour le robot à articulation unique, la deuxième phase consiste à adapter les connaissances acquises pour un cas qui est beaucoup plus général, un robot série industriel à articulations multiples. Il y a une décision à rendre, soit qu‘une configuration expérimentale multi-joint est construite, soit qu‘un robot sériel existant est utilisé comme banc d'essai. Avec la première option, le contrôleur développé dans la première phase peut être directement appliqué. Cependant, la construction d'une nouvelle configuration expérimentale multi-joint peut nécessiter beaucoup d'efforts et de temps. La dernière option, utilisant un robot industriel existant comme banc d'essai, présente un gros avantage. Cela coûte beaucoup moins cher car la main-d'oeuvre humaine, le matériel pour construire les composantes sont économisés et tous les éléments mécaniques ou électroniques sont inclus. Cependant, le nouveau contrôleur doit se conformer à l'interface de contrôle existante du robot. L'une des contraintes est que le robot est contrôlé en mode position et que l'accès au couple de joint n'est pas disponible. Sans accès à la commande de couple du moteur, le contrôleur proposé pour le robot à articulation unique dans la première phase ne peut pas être directement appliqué. Dans l'étude de cette deuxième option, un robot industriel sériel à articulations multiples est utilisé pour développer un algorithme de contrôle des vibrations. Bien qu'un nouveau contrôleur doive être développé, il partage toujours certains aspects du modèle dynamique de robot avec articulation flexible développé dans la première phase. De plus, il peut être facilement industrialisé par la suite car toutes les contraintes sont déjà prises en compte. Notez que, en raison du fait que l’accès à la commande de couple du moteur n'est pas disponible, le contrôleur proposé doit être basé sur la commande de position du moteur. L'objectif de la deuxième phase est de concevoir des algorithmes de contrôle des vibrations pour les robots industriels à articulations flexibles multiples. Un modèle flexible décentralisé est introduit, dans lequel la rigidité de couplage localisée est prise en compte. Dans le premier étage, une entrée à mise en forme variable dans le temps façonne la dynamique de contrôle rigide en une dynamique souhaitée qui ne produit pas de vibrations. Un deuxième étage est ajouté pour augmenter le rejet des perturbations. Un prédicteur de Smith généralisé est développé pour compenser le retard et le filtre passe-bas des capteurs de rétroaction. Des simulations numériques et des expériences sur un robot à six articulations SCOMPI confirment que le contrôleur proposé améliore les performances de contrôle en termes de bande passante, d'atténuation des vibrations et de rejet des perturbations.

Date	2 mars 2020
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Zhaoheng Liu (Directeur(-trice))