Conception et commande d'un robot à câbles pour la manipulation dextre de pièces sur des chaînes de production

Design and Control of an underactuated cable-driven robot for agile handling of parts in a manufacturing line

• Auteur / Autrice : Atal Anil Kumar
• Direction : Gabriel Abba, Jean-François Antoine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Traitement du signal et des images, Génie informatique
• Date : Soutenance le 07/12/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LCFC - Laboratoire de Conception, Fabrication et Commande. Metz
• Jury : Président / Présidente : Jacques Gangloff
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gabriel Abba, Jean-François Antoine, Christine Chevallereau, Olivier Brüls, Peter Plapper, Patrick Zattarin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Chevallereau, Olivier Brüls, Peter Plapper

Mots clés

Mots clés contrôlés

Linéarisation (électronique)

Robots mobiles

Construction

Manipulateurs (mécanismes)

Câbles

Robotique

Mots clés libres

Robots parallèles à câble

Analyse de l’espace de travail

Linéarisation par retour d’état d’entrée-sortie

Conception

Robots parallèles reconfigurables commandés par câble

Cable-driven parallel robots

Workspace analysis

Input-output feedback linearization

Modified feedback linearization

Conceptual design

Reconfigurable cable-driven parallel robots

Résumé

L’objectif de cette thèse est de concevoir et de contrôler un système de Robot Parallèle à Câbles (RPC) à quatre câbles pour la manipulation dextre de pièces sur des chaînes de production. Pour une ligne de fabrication déjà installée, l’espace de travail est souvent limité et l’ajout d’un nouveau robot-sériel sur le sol de l’atelier est parfois difficile. L’utilisation du plafond pour fixer une machine lourde n’est pas toujours possible car il pourrait être nécessaire de renforcer la structure. Le RPC est un moyen de réaliser la tâche avec une faible modification de l’atelier existant. La nouveauté du travail réside dans le fait que la majorité des conceptions existantes placent les moteurs d’actionnement et les treuils de la plate-forme de base, alors que dans ce travail, les moteurs d’actionnement sont embarqués sur la plate-forme mobile, ce qui permet de fixer facilement le RPC dans la chaîne de fabrication avec des points d’ancrage simples. Tout d’abord, l’espace de travail du RPC pour l’environnement souhaité est étudié. La nature sous-actionnée du robot et la contrainte d’une force de tension positive du câble imposés en raison de la flexibilité des câbles limitent sont la base d’une étude sur l’espace de travail respectant les conditions d’équilibre statique. Les équations d’équilibre statique classiques ont été utilisés pour calculer l’espace de travail du robot et le comportement correspondant de la plateforme mobile. Les angles d’orientation de la plate-forme ont été présentés. Plusieurs études de cas ont été montres avec différentes charges utiles attachées à la plate-forme mobile. Les dimensions de la plate-forme mobile et la structure de base ont également été modifiées afin de calculer le domaine de l’espace de travail où les performances du robot peuvent être satisfaisantes. Les dimensions du prototype ont été fixées en tenant compte de l’espace de travail. Par la suite, le modèle dynamique classique du RPC a été utilisé pour mettre en œuvre la loi de contrôle. La deuxième partie de la thèse présente la conception et la mise en œuvre des lois de contrôle pour la RPC. La linéarisation classique de la rétroaction entrée- sortie (IOFL) est développée et des résultats de simulation ont été présentés. Le rôle de la dynamique interne présente dans le système en raison de la sous-performance a été démontré en utilisant leur diagramme de phase. Deux solutions possibles ont été envisagées afin de réduire l’effet des dynamiques internes sur le système. La première solution consiste à utiliser des proportions appropriées pour la plate-forme et la structure de base. Des résultats de simulation ont été présentés pour montrer le comportement de la plate-forme lorsque les dimensions sont modifiées. Une linéarisation modifiée de la rétroaction (MFL) a été proposé comme une solution ad-hoc pour éliminer les effets de la dynamique interne. Les résultats de la simulation obtenus montrent que la solution ad-hoc proposée fonctionne efficacement et nettement mieux que la technique classique de l’IOFL pour certaines dimensions du RPC. L’utilisation de cette approche pour différents cas de RPC doit faire l’objet d’une étude enquête. Les résultats expérimentaux validant la technique de l’IOFL sont présentés pour démontrer le comportement satisfaisant de le RPC avec le contrôle. L’objectif global du projet est de développer un robot parallèle à câble qui peut travailler avec un opérateur dans une chaîne de fabrication pleinement fonctionnelle et aider le travailleur à soulever les objets lourds ou chauds. Cette thèse réalise la première étape pour rendre un prototype de RPC qui sera par la suite amélioré pour le rendre collaboratif.

This thesis aims to design and control an underactuated Cable-Driven Parallel Robot (CDPR) with four cables for the agile handling of parts in a manufacturing line. For already installed manufacturing lines, most of the available working space is often used, and adding a new serial robot on the workshop ground is sometimes difficult. Using the ceiling to fix heavy machines is not always possible, and it could be necessary to reinforce the structure. CDPR is a way to achieve the work with a light structure, with low modification of the existing workshop. The novelty of the work lies in the fact that the majority of the existing designs place the actuating motors and the winches on the base platform, whereas in this work, the actuating motors are placed on the moving platform, making it convenient for the CDPR to be fixed in the manufacturing line with simple anchor points. First, the workspace of the CDPR for the desired environment is investigated. The underactuated nature of the robot and the positive cable tension constraint imposed due to the flexibility of the cable limit the workspace investigation to static equilibrium conditions. The classical static equilibrium equations have been used to calculate the robot workspace and the corresponding behavior of the plat- form orientation angles have been presented. Several case studies have been shown with different payloads attached to the moving platform. The dimensions of the moving platform and the base structure have also been changed to understand the possible region of the workspace where the robot performance can be satisfactory. The prototype dimensions have been fixed taking into account the workspace performance. Following this, the classical dynamic model developed in the field of CDPR has been used to implement the control law on the CDPR. The second part of the thesis presents the design and implementation of the control laws for the CDPR. The classical Input-Output Feedback Linearization (IOFL) technique is developed and simulation results have been presented. The role of internal dynamics present in the system because of the underactuation is demonstrated using their phase-plane plots. Two possible solutions have been suggested to reduce the effect of internal dynamics on the system. The first solution is to use appropriate dimensions for the platform and the base structure. Simulation results have been presented to show the behavior of the platform when the dimensions are changed. A Modified Feedback Linearization (MFL) has been proposed as an ad-hoc solution for eliminating the effects of the internal dynamics. The simulation results obtained show that the proposed ad-hoc solution performs efficiently and significantly better than the classical IOFL technique for certain dimensions of the CDPR. The use of this approach for different cases of CDPR needs to be investigated. Experimental results validating the IOFL technique are presented to demonstrate the satisfactory behavior of the CDPR with the control law developed during the thesis. The overall objective of the project is to develop a CDPR that can work with an operator in a fully functional manufacturing line and aid the worker in lifting heavy or hot objects. This thesis achieves the first step in making a functional prototype of a CDPR which will be improved further to make it collaborative.