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

Calibration of high-precision flexure parallel robots

Fazenda Carriço, Nuno Ricardo ; Clavel, Reymond (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3712.

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    Summary
    Over the last decades, calibration techniques have been widely used in robotics since they represent a cost-effective solution for improving the accuracy of robots and machine-tools. They only involve software modification without the necessity of revising the robot design or tightening the manufacturing tolerances. The goal of this thesis is to propose a procedure that guides the engineer through the calibration of a given multi-DOF flexure parallel robot within sub-µm accuracy. Two robots having 3 and 6 degrees of freedom have been considered as a case-study throughout the work. As in any calibration procedure, the work has been conducted on three different fronts: measurement, data processing and validation. The originality of this thesis in respect to published material lies in these three points. Measurements were carried out in a chamber inside which the measuring environment was protected against mechanical and thermal perturbations. In particular, the temperature variations experienced by the different parts of the measuring loop during a typical measurement session were stabilized within less than ± 0.1 °C. Proposed procedures allow the collection of reliable sets of data on the two robots. Delicate aspects of practical implementation are discussed. In particular, the problem of collecting a complete set of 6D data within accuracies in the nanometre range, for which there is still a lack of standard equipment, is solved using a procedure comprising several steps and making use of existing instrumentation. Suggestions for future investigations are given, regarding either long-term research problems or short-term industrial implementation issues. Data processing was performed using two different techniques in order to reach absolute accuracies after calibration better than ± 100 nm for translations and ± 3 arcsec for rotations (± 0.3 arcsec inside a more restricted range of ± 0.11°). The first method is called the "model-based approach" and requires the use of a known analytical relationship between the motor and operational coordinates of the robot. This relationship involves a certain number of parameters that can be related to the geometry of the robot (physical models) or simply mathematical coefficients of an approximating mathematical function (behavioural models). In the case of high-precision multi-DOF flexure parallel robots, we show that polynomial-based behavioural models are preferable to physical models in terms of accuracy for data processing tasks. In the second method, called the "model-free approach", the user does not need to model explicitly the main error sources (or their effect) affecting the robot accuracy. A model-free approach has been implemented using Artificial Neural Networks. We show that, using a heuristic search based on a decision-tree, the architecture of a network with satisfactory prediction capability can be found systematically. In particular, this algorithm can find a network able to predict the direct correspondence between the motor and operational coordinates (within the desired accuracy) without the help of the Inverse Geometric Model of the robot, i.e. even if the nominal geometry of the robot being calibrated remains unknown. This result contradicts conclusions reported by previous researchers. It is claimed that any robot (not necessarily a high-precision flexure parallel mechanism) can be calibrated by means of a "neural approach" in which the architecture of an appropriate network is determined with the help of our algorithm. Two examples (other than the robots measured in this thesis) are given to illustrate this universality. In the last part of this work, we provide a feasibility study on the use of indentation, a technique traditionally used for material testing, as a validation procedure to assess the accuracy of the calibrated degrees of freedom. The industrial interest of this technique lies in the fact that the robot is asked to execute similar motions to those involved in a real micro-machining operation.
    Résumé
    Dans les dernières décennies, les techniques d'étalonnage ont connu un succès fulgurant en robotique. Elles sont en effet une solution attractive pour améliorer la précision d'un manipulateur industriel donné puisqu'elles ne demandent qu'une modification au niveau du logiciel. Le but de cette thèse est de proposer une procédure visant à guider l'ingénieur dans l'étalonnage des robots parallèles de précisions sub-µm à articulations flexibles et ayant plusieurs degrés de liberté. Deux robots à 3 et 6 degrés de liberté sont pris comme cas d'étude. Comme dans n'importe quelle procédure d'étalonnage, le travail a été conduit sur plusieurs fronts: procédés de mesure, traitement de données et validation. L'originalité de cette thèse réside dans ces trois aspects. Les mesures ont eu lieu à l'intérieur d'une chambre visant à garantir une bonne isolation mécanique et thermique de l'environnement métrologique. En particulier, les variations de température subies par les différentes parties de la boucle de mesure pendant la durée d'une mesure typique, ont été stabilisées avec une tolérance meilleure que ± 0.1 °C. Des procédures ont été proposées permettant l'acquisition de données fiables sur les deux robots. Les aspects délicats liés à l'implémentation pratique de ces procédures sont discutés. En particulier, le problème de l'acquisition de mesures 6D avec des précisions nanométriques (pour lequel il n'y a toujours pas d'équipement standard) est résolu par l'intermédiaire d'une procédure en plusieurs étapes et faisant intervenir des instruments existants. Des suggestions sont formulées pour la suite des travaux soit sur le long terme, au niveau de la recherche fondamentale, soit dans une perspective d'implémentation industrielle à court terme. Deux techniques ont été proposées pour le traitement des données permettant d'atteindre des précisions absolues après étalonnage meilleures que ± 100 nm pour les translations et ± 3 arcsec pour les rotations (± 0.3 arcsec à l'intérieur d'une plage plus restreinte de ± 0.11°). La première méthode requiert un modèle analytique décrivant la correspondance entre les coordonnées articulaires et les coordonnées opérationnelles du robot. Ce modèle fait intervenir un certain nombre de paramètres pouvant être liés à la géométrie du robot (modèles à représentation physique) ou simplement des coefficients d'une fonction mathématique (modèles de comportement). Dans le cas des robots parallèles à articulations flexibles, il a été démontré que des modèles de comportement basés sur des fonctions polynomiales priment sur des modèles à représentation physique en termes de précision dans le traitement de données. Dans une deuxième approche, l'utilisateur n'a pas besoin de modéliser explicitement les différentes sources d'erreur (ou leur effet). Une approche de ce type a été implémentée en utilisant des réseaux de neurones artificiels. On démontre qu'une heuristique de type "arbre de décision" permet de déterminer systématiquement l'architecture d'un réseau pouvant fournir une précision satisfaisante au problème. En particulier, il est possible d'obtenir un réseau pouvant prédire la correspondance directe entre coordonnées opérationnelles et articulaires avec la précision escomptée sans l'aide du modèle géométrique inverse du robot, c'est-à-dire même en ne connaissant pas a priori la géométrie nominale du robot à étalonner. Ce dernier résultat contredit les résultats obtenus par d'autres chercheurs. Il est dit que tout robot (pas nécessairement un robot parallèle de haute précision à articulations flexibles) peut être étalonné par le biais d'une "approche neuronale" dans laquelle l'architecture d'un réseau approprié est déterminée par l'algorithme proposé. Cette universalité est illustrée sur 2 exemples autres que les robots mesurés dans ce travail. Dans la dernière partie de cette thèse, on fait une étude de faisabilité sur l'utilisation de l'indentation, une technique employée traditionnellement dans la caractérisation des propriétés mécaniques des matériaux, en tant que procédé de validation pour contrôler la qualité de l'étalonnage effectué. L'intérêt industriel de cette technique réside dans le fait que le robot y exécute des mouvements semblables à ceux qu'il serait amené à faire lors d'un procédé typique de micro-usinage.