Dynamic modeling and modal analysis of multiple degrees of freedom robot manipulators with flexible joints

Do, Thanh Trung (2021). Dynamic modeling and modal analysis of multiple degrees of freedom robot manipulators with flexible joints. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Thanks to of their production flexibility and safety in human interactions, robots with rigid links and flexible (elastic) joints have recently received the attention from researchers and application engineers. In the past, the elasticity of the joints was often neglected due to the complexity of the robot dynamic models. In addition, the limitations in the ability to measure and calculate the dynamics led to the robot model with rigid joints being often used for simulation and control purposes. However, this approach can lead to the robot instability during its functioning.

The first objective of this research is to develop relevant mathematical models for flexible joint robots in order to simulate and predict their dynamic behavior. In addition to experimental methods such as modal analysis, we established an analytical model to compute the natural frequencies and damping ratios for arbitrary robot configurations. We showed that the proposed model could consider the effect of gravity and the parameters of the robot’s controller.

The second objective is to contribute an optimization procedure to identify the stiffness and damping parameters of joints in which the incomplete modal information is assumed to be measured in several robot configurations. For flexible joint robots, these parameters are essential to understanding their dynamic behavior. We showed that the proposed procedure could identify unknown parameters, even when the damping ratios are estimated with deviations.

The last objective is to propose an efficient algorithm to solve the inverse dynamics problem in real-time applications. The output of this algorithm, including a list of mathematical expressions written in optimized C/Matlab code, can be used in the design of advanced model-based control laws. We demonstrated that our algorithm can be used to control flexible joint robots with the feedforward control laws.

Titre traduit

Modélisation dynamique et analyse modale de robots manipulateurs à plusieurs degrés de liberté avec articulations flexibles

Résumé traduit

En raison de leur flexibilité dans la production et du fait de leur interaction sécuritaire avec l’humain, les robots à maillons rigides et à articulations flexibles (élastiques) ont reçu récemment beaucoup d’attention de la part des chercheurs et des ingénieurs au milieu d’application. Auparavant, l’élasticité des articulations était souvent négligée à cause de la complexité des modèles dynamiques. En outre, les limites de la capacité à mesurer et à calculer la dynamique ont fait en sorte que le modèle de robot avec des articulations rigides soit souvent utilisé à des fins de simulation et de contrôle. Cette approche peut cependant entraîner l’instabilité du robot pendant le travail.

Le premier objectif de cette recherche est de développer des modèles mathématiques pertinents pour les robots à articulations flexibles afin de simuler et de prédire leur comportement dynamique. Outre des méthodes expérimentales telles que l’analyse modale, nous avons établi un modèle analytique pour calculer les fréquences naturelles et les rapports d’amortissement pour des configurations de robots arbitraires. Nous avons montré que le modèle proposé prenait en compte l’effet de la gravité et les paramètres du contrôleur du robot.

Le deuxième objectif est de contribuer à une procédure d’optimisation afin d’identifier les paramètres de rigidité et d’amortissement des joints dans lesquels les informations modales incomplètes sont supposées être mesurées dans plusieurs configurations de robots. Pour les robots à articulation flexible, ces paramètres sont essentiels pour comprendre leur comportement dynamique. Nous avons montré que la procédure proposée pouvait identifier des paramètres inconnus malgré que les rapports d’amortissement soient estimés avec des écarts.

Le dernier objectif est de proposer un algorithme efficace pour résoudre le problème de la dynamique inverse dans des applications en temps réel. Le produit de cet algorithme qui comprend une liste d’expressions mathématiques écrites en code C/Matlab optimisé, peut être utilisé dans la conception de lois de contrôle avancées basées sur des modèles. Nous avons démontré que notre algorithme pouvait être utilisé pour contrôler des robots articulaires flexibles avec les lois de contrôle d’action prédictive.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 101-109).
Mots-clés libres:	robot à joint flexible, linéarisation, analyse modale, identification, dynamique inverse, différenciation symbolique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Liu, Zhaoheng
Codirecteur:	Codirecteur Vu, Viet-Hung
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	20 mai 2022 18:42
Dernière modification:	20 mai 2022 18:42
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2984

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