Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de microtechnique, Institut de production et robotique IPR (Laboratoire de systèmes robotiques 2 LSRO2)

Conception de robots de très haute précision à articulation flexibles : interaction dynamique-commande

Bacher, Jean-Philippe ; Clavel, Reymond (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2003 ; no 2907.

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    Summary
    High precision positionning and assembly as well as micro-machining require dedicated devices. These devices have to provide high repeatability and precision on several degrees of freedom (dof). High dynamic characteristics are also sought to reach short task execution time and a good robustness. This work shows how to design parallel robots with flexure joints that allow nanometric positionning repeatability and high dynamics. After a description of the state of the art, a design methodology is proposed. The state of the art is focused on several topics (analyses and design of flexure joints, parallel micro-robots, dynamic and control of high precision dynamic devices). The methodology guides the engineer through the different design-steps. The design of elementary flexures is studied and the concept of functionaly equivalent flexures is given. This concept consists in a comparison criterion for elementary flexures. The idea is to compare elements that allow a given displacement (for instance a bending angle) at maximal stress. The caracteristics of flexure joints are described. Stiffness and compliance matrix, accurary, eigen-frequencies and eigen-modes determine the behaviour of a joint. The flexure profile, mass-geometry and material choices are analysed. The links between a structure, its dynamic model and the controller are investigated. Several examples are proposed to assess the effect of the mechanical properties of the chosen structures. Two devices have been built to emphasize important issues encountered in the design and control of high precision flexure robots. The first one is a linear stage that highlights the importance of identification, sensitivities, algorithms, quantifications (control and mesure) and sampling on a single dof structure. The second one is a 3 dof parallel robot used as a micro electro-discharge machine. The properties and caracteristics of this robot are illustrated. Some questions like the calibration or the choice of the kinematics are still open.
    Résumé
    Le positionnement et l'assemblage de très haute précision, ainsi que le micro-usinage, requièrent des manipulateurs dédiés. Ces manipulateurs doivent présenter une bonne répétabilité et une bonne précision de positionnement sur plusieurs degrés de liberté (ddl). Afin d'atteindre des temps de cycle réduits aussi bien qu'une bonne robustesse vis à vis des perturbations extérieures, des performances dynamiques élevées sont recherchées. Ce travail traite de la conception de robots à articulations flexibles (également appelées articulations élastiques) dans le but d'atteindre des répétabilités de positionnement d'ordre nanométrique et les caractéristiques dynamiques désirées. L'état de l'art est présenté dans plusieurs domaines en rapport étroit avec le sujet traité : dimensionnement des articulations élastiques, conception des liaisons, utilisation des cinématiques parallèles en robotique de haute précision, modélisation dynamique et commande des structures à articulations élastiques. Une méthodologie de conception propose une démarche à suivre lors du développement d'un robot. Les différentes phases de la conception sont détaillées et commentées. Une étude du dimensionnement des articulations élémentaires permet d'introduire le concept d'articulations fonctionnellement équivalentes. Ce concept consiste à définir un critère de comparaison pour les articulations élémentaires. L'idée est de comparer des éléments dans lesquels la contrainte atteint la valeur maximale admissible pour un déplacement donné. Les propriétés des liaisons à articulations élastiques (matrices de raideur et de compliance, précision de positionnement, fréquences et formes propres) déterminent leur comportement. Ces propriétés dépendent des choix du profil des articulations, de la géométrie des masses et du matériau. Les liens entre une structure, son modèle dynamique et la commande sont étudiés. Plusieurs exemples montrent l'influence des propriétés mécaniques des structures choisies. Deux systèmes ont été conçus afin de mettre en évidence les points critiques de la conception et de la commande des robots de haute précision à articulations élastiques. Le premier système est un guidage à lames parallèles qui illustre, pour un système à un ddl, l'importance de l'identification, des sensibilités, des algorithmes de commande, des quantifications (de la commande et de la mesure) et de l'échantillonnage. Le second système est un robot parallèle à 3 ddl utilisé comme machine dédiée à la micro électro-érosion. Les propriétés et caractéristiques de ce robot sont illustrées. Certains aspects connexes aux études proposées dans ce travail font actuellement l'objet de travaux de thèse au Laboratoire de Systèmes Robotiques (LSRO) à l'EPFL. Il s'agit en particulier de la question du choix d'une cinématique et le problème du calibrage de robots de très haute précision. D'autres questions, comme l'identification, pourraient encore être approfondies. Ce travail propose une vision d'ensemble des différentes étapes de la conception d'un robot parallèle de très haute précision à articulations élastiques.