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

Pham, Minh Nha (2020). Numerical and experimental study of dynamics and vibration control of flexible joint robots. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Serial robots are recently one of the most effective methods to realize several industrial applications including precision positioning and inspection tasks. They can provide a large working envelope, access to restricted areas, operations in hazardous environments, and precision works with high degree of reliability. A major issue of serial robots is vibration, due to flexible modes dynamics that are excited. The vibration causes deterioration of motion control accuracy, large stress in the joint gearboxes, and deformations or damages of the robot manipulator. The flexible modes dynamics are introduced due to the low rigidity of robot manipulators, which may be caused by the flexibility of joints or links. Regardless of size and design, most serial robots are still quite flexible with the first resonance in low frequencies of about 10 Hz. To avoid the consequences caused by vibrations, vibration control becomes very important and needs to be taken into account in control design.

The main objective of this study is to design control algorithms to reduce vibration of flexible joint robots. The proposed controller design procedure can be applied for various industrial robots and is tested experimentally on an industrial six-joint robot namely SCOMPI, developed at Hydro-Québec’s Research Institute. In order to achieve that end, two phases of study are proposed.

The objective of the first phase is to study the dynamics of a single flexible joint robot and design a control algorithm to reduce the vibration. Decentralized dynamic model of flexible joint robot is studied. Control concepts are tested on a simple experimental setup consisting of only one joint and one link. All parts of the system are considered rigid except for one element that is the flexible joint. The single flexible joint model is placed in a fully-controlled environment, in which access to motor torque command, motor reference, or feedback states are available. For this objective, an enhanced two-stage feedback controller is proposed, which combines two parts. The first is a two-stage feedback loop based on back stepping control, which considers the motor position as a virtual control input for the link side dynamics. The second is a disturbance-state observer, which compensates disturbances and reconstructs indirect measurements. Numerical simulation and experimental results validate that the proposed controller effectively improves control performance in terms of reducing link vibration, extending control bandwidth, and attenuating the kinematic error from the joint’s harmonic drive reducer. Limitations of the proposed controller are also discussed. The control performance relies on system parameters, which need to be properly identified. It also requires effort to manually tune controller gains. And most importantly, the proposed controller needs access to motor torque command to implement its algorithm. However, it is worth mentioning that the results of the first phase validate the underlying modelling assumption for the flexible joint and that the two-stage architecture is feasible for vibration control purpose.

Based on promising results of vibration control on single flexible joint test bench, the second phase is to adapt the acquired knowledge for a much more general case, industrial serial robot with multiple joints. There is a decision to make, either a multi joint experimental setup is built or an existing serial robot is used as a test bench. With the former option, the controller developed in the first phase can be directly applied. However, building a new multi-joint experimental setup costs a lot of effort and time. The latter option, using an existing industrial robot as a test bench, has a big advantage. It costs much less since man power, material to build things are saved and all mechanical or electronic elements are included. However, a new controller must be designed to comply with the existing robot control interface. One of the constraints is that the industrial robot is controlled in position mode and that the access to the motor torque command is not provided. Without access to the motor torque command, the controller proposed for single joint test bench in the first phase can not to be directly applied.

Considering these two options, an existing industrial multiple joint serial robot is used to develop vibration control algorithms. Although a new controller needs to be developed, it still shares some aspects of the dynamic model of flexible joint robot developed in the first phase. Also, it can be easily industrialized afterward since all constrains are already taken into account. Note that, due to the fact that access to motor torque command is unavailable, the proposed controller needs to be based on the access to motor position command.

The objective of the second phase is to design vibration control algorithms for industrial robots with multiple flexible joints. A two-stage flexible joint discrete controller is presented, where the decentralized approach is extended with a lumped stiffness to take into account the dominant coupling mode. In the first stage, a time-varying input shaping feedforward shapes the rigid closed-loop dynamics into a desired dynamics that does not produce link vibrations. A second stage is added to increase disturbance rejection. A generalized Smith predictor is developed to compensate for delay and link feedback sensor filtering. Numerical simulations and experiments on a six-joint robot manipulator SCOMPI confirm that the proposed controller improves control performances in terms of bandwidth, vibration attenuation, and disturbance rejection.

Titre traduit

Étude numérique et expérimentale de la dynamique et du contrôle des vibrations des robots articulations flexibles

Résumé traduit

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.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 131-140).
Mots-clés libres:	robot articulation flexible, contrôle des vibrations, contrôleur à deux étages, observateur de perturbation, observateur d'état, formation d’entrée variant dans le temps, prédicteur de Smith
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Liu, Zhaoheng
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	29 juin 2020 18:36
Dernière modification:	29 juin 2020 18:36
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2488

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