Soutenance mémoire
Causes de manque de précision des robots industriels et approches d’étalonnage appropriées
Robots sériels
Ces robots sont composés de plusieurs liens montés en séries, entre une base et un élément terminal , formant ainsi une chaîne cinématique ouverte. Le mouvement de chacun de ces liens est effectué au niveau d’une articulation par un servomoteur, via un système de réduction de vitesse (boîte d’engrenages). Les mouvements sont asservis grâce à des signaux de rétroaction provenant d’encodeurs. La similarité morphologique entre la structure des robots sériels et celle du bras humain, offre plus de versatilité à ces manipulateurs. Cependant, leur structure sérielle fait en sorte que chacun des servomoteurs supporte les liens subséquents, ce qui explique le fait que les actionneurs sont de plus en plus gros, en allant de l’effecteur vers la base du robot. Ce phénomène d’accumulation de la charge cause une amplification non-souhaitable des erreurs, en allant de la base vers l’effecteur.
Robots parallèles
Ces robots sont composés de plusieurs chaînes cinématiques indépendantes (jambes ou segments) montées en parallèle. Celles-ci lient la base du manipulateur à son organe terminal, formant par conséquent une chaine cinématique fermée. Cette structure fermée permet une meilleure répartition des charges du robot sur ses différentes composantes et lui donne plus de rigidité, tout en restreignant son espace de travail. En outre, la morphologie de cette catégorie de robots offre une excellente répétabilité et éventuellement, une meilleure précision, suite à leur étalonnage. Notons ici que le facteur de répétabilité influence directement la précision après étalonnage.
Contrairement aux robots sériels, les articulations des robots parallèles ne sont pas toutes motorisées (actives); certaines d’entre elles sont passives. Ainsi, pour les mêmes mouvements commandés aux articulations actives, l’effecteur du robot peut se trouver dans des positions différentes.. La position atteinte varie selon un élément introduit aux équations du robot : on parle ici du mode d’assemblage.
Modes de programmation des robots et intérêt de l’étalonnage
La programmation des robots manipulateurs s’effectue selon deux principaux modes, soit la programmation par enseignement (en ligne) et la programmation hors ligne. Le choix du type de programmation dépend principalement de l’application à laquelle le robot est destiné.
Programmation par enseignement (en ligne)
Une des principales raisons qui pourrait expliquer le peu d’intérêt accordé à la précision des robots, par certaines industries, est l’approche de programmation adoptée. En effet, plusieurs utilisateurs de robots industriels ne font recours qu’à la méthode de programmation par enseignement. Cette méthode, appelée communément teach-in, consiste à déplacer l’effecteur du robot sur plusieurs poses et de les enregistrer au fur et à mesure. Par la suite, cet ensemble de poses devient la trajectoire du mouvement du robot. Ainsi, les adeptes de cette méthode sont satisfaits des résultats, à condition que le robot ait une assez bonne répétabilité pour effectuer ces trajectoires sans trop de variations. Bien que ce type programmation soit facile, et ne requiert que peu de connaissances en robotique, il n’est approprié que pour les opérations qui n’exigent pas une précision élevée, comme la soudure ou la peinture. Par ailleurs, cette approche représente un inconvénient majeur : pendant l’enseignement des poses de la trajectoire, le robot n’est pas disponible pour la production, ce qui occasionne des coûts élevés pour les entreprises. En outre, l’utilisation des commandes manuelles rend la programmation des mouvements de haute précision presqu’impossible.
Programmation hors ligne
Pour contrer les désavantages de la programmation par enseignement, il existe une alternative appelée méthode de programmation hors ligne. Celle-ci consiste à programmer le robot et simuler ses mouvements en utilisant des logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO) dédiés. Le robot n’est pas physiquement utilisé lors de la programmation, ne causant aucun arrêt de production. Cette méthode bien qu’avantageuse, particulièrement dans la phase de conception des cellules robotisées, présente un inconvénient non négligeable : les résultats obtenus par simulation sont difficiles à reproduire sans erreurs en pratique. Ce désavantage est attribué principalement au fait que les modèles nominaux des robots, utilisés dans la simulation, ne correspondent pas parfaitement à leurs modèles réels.
Les différences entre les résultats de la simulation et ceux obtenus affectent la précision des robots. Pour y remédier, un ÉG est nécessaire. Cette opération permet de rapprocher le modèle mathématique du modèle réel du robot et d’améliorer ainsi sa précision absolue.
Critères de performance des robots industriels
Espace de travail: D’une manière générale, l’espace de travail d’un robot peut être définit comme étant l’ensemble des positions pouvant être atteintes par son effecteur, sans passer par des configurations de singularité. Comme nous l’avons mentionné précédemment, les robots sériels ont des volumes de travail plus larges que leurs pairs parallèles. La structure sérielle de ces robots leur permet de couvrir plus d’espace, avec moins de singularités. Toutefois, un grand espace de travail présente une difficulté : la précision des robots n’est pas uniforme dans tout cet espace, ce qui rend la tâche d’étalonnage assez complexe. En fait, un étalonnage destiné à améliorer la précision absolue, ne peut être complètement efficace que s’il couvre tout l’espace de travail. Dans ce contexte, une comparaison entre trois robots sériels à six ddl (Romat 310, ABB IRB 6400S et KUKA KR 125) effectuée par Young et al. (2000) a permis de démontrer que la précision de chacun de ces robots présente des anomalies qui se manifestent par des irrégularités dans les enveloppes d’essai.
Domaines nécessitant une bonne précision absolue
Un robot doté d’une bonne répétabilité n’est pas nécessairement efficace dans toutes les tâches qu’on lui demande d’exécuter, s’il n’a pas une bonne précision. En fait, les robots industriels, par rapport à leur répétabilité, ont une précision faible (Young et al., 2000). Une telle situation ne cause pas d’inconvénients pour les cas où la programmation est effectuée selon la méthode traditionnelle, basée sur l’enseignement des poses. Par ailleurs, il existe une multitude d’applications (Greenway, 2000; THÉSAME, 2012) où la précision des robots a autant d’importance que leur répétabilité :
• la programmation hors ligne;
• l’interchangeabilité des robots sans devoir refaire l’enseignement des positions;
• l’utilisation d’un robot comme machine à mesurer;
• l’utilisation des robots dans les interventions chirurgicales;
• l’utilisation des robots dans l’usinage de précision;
• l’utilisation des robots dans des manipulations de haute précision ;
• la production cellulaire, où plusieurs robots se trouvent dans le même espace de travail.
Une bonne précision permet d’éviter les collisions et de rendre l’ensemble des robots plus efficace.
Catégories d’étalonnage
Selon les sources d’imprécision à compenser, Elatta et al. (2004) présentent deux grandes familles d’étalonnage des robots, soit l’ÉG, destiné à améliorer le modèle cinématique du robot et l’étalonnage non géométrique qui vise à traiter les erreurs d’origine non géométrique. Quant aux erreurs articulaires, elles sont généralement incluses dans l’ÉG.
Étalonnage géométrique (niveau 2):
Cette approche appelée aussi étalonnage cinématique considère que les liens du robot sont parfaitement rigides et que celui-ci n’est pas en mode dynamique, c.-à-d. sans considérer l’impact des mouvements du robot sur sa précision. Par conséquent, l’opération d’étalonnage consiste à introduire des corrections uniquement sur le modèle cinématique du robot, en identifiant les valeurs de ses paramètres.
Cette méthode apporte une meilleure amélioration de la précision pour les robots parallèles, car leurs erreurs non géométriques sont assez faibles, vu la rigidité élevé de leurs structures.
Ceci justifie le fait que la majorité des travaux de recherche destinés à l’étalonnage de cette catégorie de robots se base sur des approches géométriques, par exemple : Wu et al. (1988), Oliviers et al. (1995), Masory et al. (1997), Zhuang et al. (1998) et Gatla et al. (2007).
Étalonnage non géométrique (niveau 3):
Ce type d’étalonnage, aussi appelé étalonnage non cinématique, est utilisé pour compenser les erreurs non géométriques. Il consiste à développer des modèles mathématiques pour compenser ces erreurs. Ces modèles sont souvent très complexes et selon Judd et Knasinski (1990) et Damak (1996), ils apportent peu d’amélioration à la précision, comparativement à l’ÉG. Ceci pourrait expliquer la rareté des travaux de recherche effectués dans ce domaine.
Néanmoins, effectuer un étalonnage non géométrique après avoir effectué un étalonnage cinématique pourrait permettre d’atteindre des précisions élevées chez les robots sériels, notamment (ces derniers étant davantage affectés par les erreurs non géométriques).
Étalonnage articulaire (niveau 1):
Selon Roth et al. (1987), aux deux catégories d’étalonnage citées précédemment, s’ajoute l’étalonnage dit de niveau 1. Celui-ci consiste à compenser les erreurs des articulations actives du robot, i.e. modéliser la relation entre les valeurs affichées par les capteurs (théoriquement les consignes) et les déplacements réels des articulations correspondantes par rapport à leurs positions zéro (home position). Cependant, dans la majorité des travaux de recherche, ces erreurs sont traitées dans l’ÉG (niveau 2). À titre d’exemple, Durango et al. (2010) proposent une méthode d’ÉG d’un robot parallèle cinq-barres qui compense aussi les erreurs articulaires. Celles-ci ont été, modélisées par l’introduction, dans le modèle cinématique, d’un gain et un offset à leurs valeurs théoriques.
|
Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 GÉNÉRALITÉS ET REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Généralités
1.1.1 Robots industriels..
1.1.1.1 Robots sériels
1.1.1.2 Robots parallèles
1.1.1.3 Comparaison des robots parallèles et sériels
1.1.2 Modes de programmation des robots et intérêt de l’étalonnage
1.1.2.1 Programmation par enseignement (en ligne)
1.1.2.2 Programmation hors ligne
1.1.3 Critères de performance des robots industriels
1.1.3.1 Espace de travail
1.1.3.2 Répétabilité de pose
1.1.3.3 Précision absolue de pose
1.1.4 Domaines nécessitant une bonne précision absolue
1.2 Revue de littérature
1.2.1 Causes de manque de précision des robots industriels et approches d’étalonnage appropriées
1.2.1.1 Facteurs articulaires
1.2.1.2 Facteurs géométriques
1.2.1.3 Facteurs non géométriques
1.2.2 Catégories d’étalonnage
1.2.2.1 Étalonnage géométrique (niveau 2)
1.2.2.2 Étalonnage non géométrique (niveau 3)
1.2.2.3 Étalonnage articulaire (niveau 1)
1.2.3 Méthodes d’étalonnage géométrique
1.2.3.1 Étalonnage par la méthode directe
1.2.3.2 Étalonnage par la méthode inverse
1.2.3.3 Étalonnage sous contraintes
1.2.3.4 Autres méthodes d’étalonnage
1.2.4 Procédure d’étalonnage
1.2.4.1 Modélisation
1.2.4.2 Mesures
1.2.4.3 Identification
1.2.4.4 Compensation
1.2.5 Difficultés de l’étalonnage
1.2.5.1 Choix des poses d’étalonnage et de leur nombre
1.2.5.2 Détection de sources majeures d’imprécision des robots
1.3 Conclusion
CHAPITRE 2 ARTICLE1: A NOVEL XY-THETA PRECISION TABLE AND A GEOMETRIC PROCEDURE FOR ITS KINEMATIC CALIBRATION 43
2.1 Introduction
2.2 Kinematic analyses
2.2.1 Direct and inverse kinematic analysis
2.2.2 Workspace analysis
2.3 Prototype
2.4 Assessment of the position repeatability
2.5 Determination of lead errors
2.6 Kinematic calibration
2.6.1 Determination of the base reference frame
2.6.2 Determination of mobile reference frame
2.6.3 Determination of the distance s
2.6.4 Determination of the offsets d1 and d3
2.7 Experimental validation
2.8 Conclusions
2.9 Acknowledgements
CHAPITRE 3 ARTICLE 2: KINEMATIC CALIBRATION OF A 3-DOF PLANAR PARALLEL ROBOT
3.1 Introduction
3.2 Nominal kinematic model
3.3 Prototype
3.4 Calibration model
3.4.1 World frame
3.4.2 Base and mobile reference frames
3.4.3 Orientation measurement error
3.5 Calibration method
3.6 Calibration poses
3.7 Simulated calibration
3.8 Actual calibration and validation
3.9 Conclusions
CHAPITRE 4 ARTICLE 3: KINEMATIC CALIBRATION OF A FIVE-BAR PLANAR PARALLEL ROBOT USING ALL WORKING MODES
4.1 Introduction
4.2 Description of the robot prototype and the magnetic tooling balls
4.3 Calibration model
4.3.1 World and base reference frames
4.4 Calibration method
4.5 Observability analysis
4.6 Simulated calibration
4.7 Actual calibration and validation
4.8 Conclusions
4.9 Acknowledgments
CONCLUSION GÉNÉRALE
Télécharger le rapport complet
