Caractérisation, modélisation et contrôle vibratoire d’une articulation rotoïde flexible, dédiée à un système robotique

Lessard, Joël (2012). Caractérisation, modélisation et contrôle vibratoire d’une articulation rotoïde flexible, dédiée à un système robotique. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce mémoire présente la caractérisation, la modélisation et les expérimentations d’une articulation robotique flexible dans le but de développer un contrôleur permettant d’en réduire les vibrations. Le travail a été réalisé sur un banc d’essais à un degré de liberté représentant une articulation du futur robot SCOMPI, utilisé, entre autres, pour des opérations de meulage.

Une caractérisation de la rigidité, de l’effet d’hystérésis, du frottement et de l’erreur cinématique du réducteur harmonique a été réalisée et analysée. Une modélisation mathématique et numérique (Simulink) du système a aussi été menée en tenant compte des non-linéarités intrinsèques du réducteur harmonique.

Le banc d’essai expérimental comprend deux capteurs de position : un, du côté moteur et l’autre, du côté membrure. Puisque ces capteurs sont utilisés pour mesurer la vibration, leur précision est cruciale. Ainsi, le capteur de position du côté membrure a été amélioré d’un facteur 8 pour atteindre une précision de 50 μrad. La correction de l’erreur s’effectue en temps réel, suite à une caractérisation réalisée avec l’appareil de poursuite laser. Cette amélioration a permis de réduire la vibration d’un facteur 7.

Quatre rosettes de jauges de déformation installées sur la flexspline, qui est la composante flexible du réducteur harmonique, ont permis de mesurer le couple transmis par l’articulation. L’erreur du capteur due à la fluctuation, initialement de 2 %, a été réduite à 0,3 % suite à une correction en temps réel. De plus, la linéarité du capteur est de 1 %. Le capteur de couple développé a aussi été utilisé comme source de mesure en substitution au capteur de position du côté membrure. L’utilisation de ce capteur a donné des résultats aussi bons que ceux obtenus par l’utilisation d’un capteur de position angulaire.

Deux types de contrôle considérant la flexibilité ont été développés, soit un, basé sur la technique des perturbations singulières et l’autre, avec l’approche de commande prédictive (feed-forward). Les contrôleurs s’avéraient prometteurs lors de simulations numériques, mais en situation réelle, la technique de perturbation singulière n’a pas donné de bons résultats. Cependant, la méthode de commande prédictive s’est avérée, dans tous les cas, plus efficace qu’un contrôleur ne considérant pas la flexibilité. Le contrôleur de commande prédictive permet de stabiliser plus rapidement la membrure.

Titre traduit

Characterization, modeling and vibration control of flexible joint dedicated to robotic system

Résumé traduit

This thesis presents a characterization, modeling and experimental research work on vibration control of a flexible robotic system. Within the scope of this work, we build a one degree of freedom experimental set-up in order to characterize different components of a joint and design control algorithms for minimizing the vibration. The ultimate goal is to generalize the proposed approach for implementation in the next generation of the SCOMPI robot at IREQ Hydro-Québec’s research institute.

Characterization of stiffness, hysteresis effect, friction and kinematic error of the harmonic drive was performed and a mathematical model (Simulink) taking into accounts the nonlinearities inherent to the harmonic drive was developed.

The experimental set-up was a single-arm robot with a rotational joint including two rotating encoders; one on the motor at the input and another one on the at output link. Since the measurement difference between the two encoders is used to evaluate the vibrational behaviour of the test rig, the accuracy of encoders is critical. Therefore, a laser tracker was used to characterize the error of the output encoder. The results showed that the error was repeatable and it is thus possible to compensate it in real-time. This correction allowed reaching an accuracy of 50 μrad (8 time better then without).

Four Rosette strain gauges were fixed on the flexible spline of the harmonic drive to determine its torsion. To reduce the torque ripple (about 2% of the maximum torque of the harmonic drive), a real-time correcting function was applied. It was therefore possible to reduce the error down to 0.3% of the full scale error. The torque sensor was also used to replace the reading of the output rotating encoders and experimental results were found very well matching.

Vibration control was performed implementing two strategies, namely the singular perturbation and feed-forward control. Simulation results showed a considerable suppression of vibration response compared to a common rigid control for the two types of control schemes implemented. However, experimental results showed a considerable suppression of vibration response only with the feed-forward approach while the singular perturbation methodology generated too much torque ripple to the motor. Feedforward controller can quickly stabilize the link for the same response time as with the rigid control algorithm.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique". Bibliogr. : f. [106]-110.
Mots-clés libres:	Robots. Commande en temps réel. Contrôle vibratoire, Articulation flexible, Réducteur harmonique, Capteur de couple, Calibration de capteur
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Liu, Zhaoheng
Codirecteur:	Codirecteur Bigras, Pascal
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	09 juill. 2012 18:18
Dernière modification:	04 mars 2017 01:58
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1019

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