Validation of a virtual prototyping method using computed torque and ILC as controllers on a parallel robot

Nourbakhsh, Sayed Salman (2016). Validation of a virtual prototyping method using computed torque and ILC as controllers on a parallel robot. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This thesis validates a new method of virtual prototyping: a macro that automatically generates a dynamic model from CATIA V6 and exports the model to SimMechanics. Until now, engineers who need to verify their design with a dynamic model have either had to calculate it by hand, or manually input all the necessary parameters in SimMechanics or other software. Both of these methods are time-consuming and often lead to mistakes. To demonstrate the relative difficulty of the hand-calculation method, we begin by presenting our dynamic model of a four-bar parallel robot that we calculated using the Lagrange method. At this stage we also calculated a computed torque controller that is used later when comparing the performance of the macro-generated dynamic model to the actual robot. The rest of our thesis shows how the new macro replaces both the hand-calculation and manualentry methods of dynamic modeling, and vastly simplifies the task of calculating the computed-torque controller. We used the macro to export a dynamic model to SimMechanic, where we then added a sensor and actuator to complete the dynamic model of our four-bar parallel robot. The macro-generated model was tested in simulations using three combinations of controller: computed torque alone, computed torque with P-type iterative learning control (ILC), and computed torque with PD-type ILC. The third combination produced the best results, that is, the lowest error value. To validate the performance of the model, we then tested the performance of the real robot using the same three combinations of controllers. Note that the computed torque used here is the one that was generated by the macro. Again the results show that the combination of PD-type ILC and computed torque functions best. However, the error was bigger in the practical experiment than it was in thesimulation, which used the macro-generated dynamic model. This difference is likely because our dynamic model does not consider several factors that affect the real robot, such as friction, the mass of screws and bolts, the moment of inertia of the rotor and pulleys, and the stiffness of the timing belt. For the sake of simplicity, our dynamic model was not intended to take all these factors into account. Therefore, the fact that the simulation results closely match those of the practical experiment serves to validate this new method of virtual prototyping.

Titre traduit

Validation d'une méthode de prototypage virtuel en utilisant couple pré-calculé et ILC comme contrôleurs sur un robot parallèle

Résumé traduit

Ce mémoire valide une nouvelle méthode de prototypage virtuel: une macro qui génère automatiquement un modèle dynamique de CATIA V6 et exporte le modèle vers SimMechanics. Jusqu'à présent, les ingénieurs qui avaient besoin de vérifier leur conception d'un modèle dynamique devaient effectuer les calculs à la main, ou saisir manuellement tous les paramètres nécessaires à SimMechanics ou d'autres logiciels. Ces deux méthodes sont longues et conduisent souvent à des erreurs. Pour démontrer la difficulté relative de la méthode analytique, nous commençons par présenter notre modèle dynamique d'un robot à quatre barres parallèles, que nous avons calculé en utilisant la méthode de Lagrange. A ce stade, nous avons aussi calculé un contrôleur de commande de couple pré-calculé qui sera utilisé par la suite pour être comparé avec les performances du modèle dynamique généré par la macro au robot réel. La suite de ce mémoire montrera comment la nouvelle macro remplacera à la fois le calcul analytique et la saisie manuelle des paramètres du modèle dynamique, et simplifiera ainsi considérablement la tâche de calcul de contrôleur de couple pré-calculé. Nous avons utilisé la macro pour exporter le modèle dynamique vers SimMechanic, où nous avons ajouté un capteur et un actionneur pour compléter le modèle dynamique de notre robot à quatre barres parallèles. Le modèle généré par la macro a été testé dans des simulations différentes, utilisant trois combinaisons de contrôleur : couple précalculé seul, couple pré-calculé avec la commande d'apprentissage itératif (ILC) de type P, et le couple pré-calculé avec l’ILC de type PD. La troisième combinaison a produit les meilleurs résultats en donnant la valeur d'erreur la plus faible. Pour valider les performances du modèle, nous avons ensuite testé les performances du robot réel en utilisant les trois mêmes combinaisons de contrôleurs. A noter que le couple pré-calculé utilisé ici est celui qui a été généré par la macro. Là encore, les résultats montrent que la combinaison de l’ILC de type PD avec le couple pré-calculé est la meilleure des trois combinaisons. Cependant, l'erreur est plus grande dans l'expérience pratique qu’elle ne l’est dans la simulation qui a utilisé le modèle dynamique généré par la macro. Cette différence vient probablement du fait que notre modèle dynamique ne considère pas certains facteurs qui influent sur le robot réel, tels que le frottement, la masse des vis et des boulons, le moment d'inertie du rotor et des poulies, et la rigidité de la courroie de distribution. En effet par souci de simplicité, nous avions choisi de ne pas prendre en compte tous ces facteurs pour notre modèle dynamique. Par conséquent, le fait que les résultats de la simulation correspondent étroitement à celles de l'expérience pratique permet de valider cette nouvelle méthode de prototypage virtuel.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements fo a master's degree with thesis in automatic manufacturing engineering". Bibliographie : pages 119-121.
Mots-clés libres:	Prototypes Simulation par ordinateur. Robots parallèles Modèles mathématiques. Régulateurs électroniques. Couple (Mécanique) apprentissage, commande, itératif, prototypage, virtuel, validation, Couple pré-calculé, ILC, CATIA V6, SimMechanics
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Gauthier, Guy
Codirecteur:	Codirecteur Bigras, Pascal
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de la production automatisée
Date de dépôt:	31 mars 2016 14:27
Dernière modification:	10 déc. 2016 17:26
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1651

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