Design and control of a cable-driven 6-DOF loading simulator

Baba Zadeh Bedoustani, Yousef (2015). Design and control of a cable-driven 6-DOF loading simulator. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In this work, Cable-Driven Omnidirectional Loading Simulator (CabOLS) is designed and built to accurately control a 6-DOF wrench on a fixed or slow moving target. The CabOLS offers several important advantages: simplicity and efficiency of the mechanical structure and controller, precision in load simulation as well as the cost efficiency. The mechanical design of CabOLS is innovative in that it employs an accurate linear spring in each cable to estimate the tension in the cable instead of using a force sensor which adds complexity to the design. The spring also compensates for the nonlinear effect of backlash of the gearbox and thereby makes a simple control topology feasible.

The structure of the controller is managed to be as simple as possible without losing efficiency. In order to achieve accurate force control on the target object two levels of control in Cartesian and joint spaces were considered. Optimal projection of the tension in the cables i.e. redundancy resolution is examined in this work. It is proven that even though the redundancy resolution algorithm is nonlinear, the combination of the redundancy resolution algorithm and the model of the CabOLS is linear. Linearity makes it possible to apply robust method to simultaneously formulate the gains of the controller in both spaces. Moreover, the real-time redundancy resolution algorithm was successfully developed and utilized in closedloop control system.

The present work also demonstrates the application of the CabOLS for stiffness analysis of industrial robots. In an automated process the CabOLS is controlled to exert the desired wrench vector on an ABB robot and a laser tracker is employed to measure the related deflection. Simultaneously, the stiffness of joints is identified by means of the incoming data. In this work nonlinear and linear modeling of the joint stiffness are also formulated. CabOLS as a dynamic load simulator, makes it feasible to identify joint stiffness using either linear or nonlinear modeling. Moreover, the CabOLS makes it possible to validate the identified stiffness parameters.

This work also formulates the generalized, compact, and tractable closed-form of dynamics of cable-driven parallel manipulators. This formulation is innovative in that it employs Lagrangian variable mass analysis to exert the effect of mass streaming caused by cable elongation.

Titre traduit

Conception et commande d'un simulateur de charge basé sur un robot à câble à 6 degrés de liberté

Résumé traduit

Dans ce travail, un robot à câbles destiné à la simulation de charges mécaniques (CabOLS) est conçu et construit de façon à contrôler avec précision les efforts dans un espace à 6 degrés de liberté sur une cible fixe ou se déplaçant lentement. Le CabOLS offre plusieurs avantages: la simplicité et l’efficacité de la structure mécanique et du contrôleur, la précision dans la simulation de charge ainsi qu’un faible coût de fabrication. La conception mécanique du CabOLS est novatrice par l’utilisation de ressorts linéaires de précision installés sur chacun des câbles dans le but d’estimer la tension dans les câbles afin d’éviter la nécessité d’ajouter des capteurs de force. Les ressorts servent également à compenser certains effets non-linéaires comme les jeux d’engrenages des réducteurs de vitesses, permettant ainsi de faciliter l’asservissement du mécanisme.

La structure du régulateur est conçue pour être aussi simple que possible. Afin d’exercer un contrôle de force précise sur l’objet cible, deux niveaux de contrôle respectivement dans les espaces des articulations et cartésiennes ont été considérés. La projection optimale de la tension dans les câbles ainsi que la résolution de la redondance des actionneurs en temps réel sont également étudiés dans ce travail. Il est démontré que même si l’algorithme de résolution de la redondance n’est pas linéaire, la combinaison de cette résolution avec le modèle de contrôle du CabOLS est linéaire. Cette linéarité permet de facilité la formulation du calcul des gains dans les deux niveaux de contrôle simultanément.

Cette thèse présente également l'application du CabOLS pour analyser la rigidité d’un robot industriel. Dans un processus automatisé, le CabOLS est contrôlé de façon à exercer une suite d’efforts sur l’effecteur d’un robot ABB. Pour chacun de ces efforts, un laser de poursuite mesure la déviation correspondante de l’effecteur. Ces données sont alors utilisées pour identifier la raideur des articulations du robot. Des modèles linéaire et non- linéaire de raideurs articulaires sont étudiés. Les données obtenues grâce au CabOLS permettent également de valider les paramètres de rigidité identifiés.

Ce travail propose également une formulation généralisée, compact et maniable de la dynamique des manipulateurs à câbles. Cette formulation est novatrice puisqu’elle emploie l’analyse de masse variable s’appuyant sur une approche de Lagrange pour tenir compte de l'effet d’augmentation et de diminution de la masse dû à la variation de longueur des câbles.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement [i.e. fulfillment] of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 111-117.
Mots-clés libres:	Robots parallèles Conception et construction. Charges Simulation par ordinateur. Redondance (Ingénierie) Robots industriels. robot parallèle actionné par câbles, simulation de chargement, résolution de la redondance, contrôle de la force, rigidité du robot, formulation de Lagrange pour masses variables
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bigras, Pascal
Codirecteur:	Codirecteur Bonev, Ilian
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	23 avr. 2015 16:22
Dernière modification:	14 mars 2017 01:10
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1462

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