Sélection de poses optimales pour l'identification des paramètres géométriques et élasto-statiques de robots d'usinage

Optimal pose selection for the identification of geometric and elastostatic parameters of machining robots

• Auteur / Autrice : Yier Wu
• Direction : Anatol Pashkevich
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, productique transport
• Date : Soutenance le 15/01/2014
• Etablissement(s) : Nantes, Ecole des Mines
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences pour l'ingénieur, géosciences, architecture
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ecole nationale supérieure des Mines de Nantes - Institut de Recherche en Communications et en Cybernétique de Nantes / IRCCyN
• Jury : Président / Présidente : Claire Lartigue
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Daney, Christelle Boutolleau, Benoît Furet, Stéphane Caro
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gabriel Abba, Laurent Sabourin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Étalonnage

Usinage

Robots industriels

Mots clés libres

Calibration géométrique et élasto-statique

Définition d'essais de calibration

Mesure de poses partielles

Robots sériels et quasi-sériels

Compensateur de gravité

Robotique d’usinage

Geometric and elastostatic calibration

Design of calibration experiments

Partial pose measurements

Serial/quasi-serial industrial robots

Gravity compensator

Robotic-based machining

Résumé

La thèse porte sur la sélection de poses optimales pour la calibration géométrique et élasto-statique de robots industriels utilisés pour l'usinage de pièces des grandes dimensions. Une attention particulière est accordée à l'amélioration de la précision de positionnement du robot après compensation des erreurs géométriques et élasto-statiques. Pour répondre aux exigences industrielles des opérations d’usinage, une nouvelle approche pour la définition d'essais pour la calibration de robots sériels et quasi-sériels est proposée. Cette approche est basée sur un nouveau critère de performance, orienté applications industrielles, qui évalue la qualité du plan d'essais pour la calibration via la précision de positionnement du manipulateur après compensation d'erreurs, et tient compte des spécificités de la tâche manufacturière à réaliser au moyen de configurations tests. Contrairement aux travaux précédents, l'approche développée requiert seulement une mesure des positions de points et non d’orientation de corps rigides à l’aide d’un système de mesure externe tel qu’un laser tracker. Cette méthode permet ainsi d'éviter les problèmes de non-homogénéité dans les équations d'identification. Par ailleurs, afin de prendre en compte l'impact du compensateur de gravité,qui induit une chaîne cinématique fermée, le modèle de raideur est étendu en y incluant certains paramètres élasto-statiques dont les valeurs dépendent de la configuration du robot. Une méthodologie pour la calibration des modèles de compensateurs de gravité est ainsi proposée. Les avantages des techniques développées pour la calibration de robots industriels dédiés à des opérations d’usinage sont validés et mis en évidence expérimentalement, à travers la calibration géométrique et élasto-statique du robot industriel KUKAKR-270.

The thesis deals with the optimal pose selection for geometric and elastostatic calibration for industrial robots employed in machining of large parts. Particular attention is paid to the improvement of robot positioning accuracy after compensation of the geometric and elastostatic errors. To meet the industrial requirements of machining operations, a new approach for calibration experiments design for serial and quasi-serial industrial robots is proposed. This approach is based on a new industry-oriented performance measure that evaluates the quality of calibration experiment plan via the manipulator positioning accuracy after error compensation, and takes into account the particularities of prescribed manufacturing task by introducing manipulator test-poses. Contrary to previous works, the developed approach employs an enhanced partial pose measurement method, which uses only direct position measurements from an external device and allows us to avoid the non-homogeneity of relevant identification equations. In order to consider the impact of gravity compensator that creates closed-loop chains, the conventional stiffness model is extended by including in it some configuration dependent elastostatic parameters, which are assumed to be constant for strictly serial robots. Corresponding methodology for calibration of the gravity compensator models is also proposed. The advantages of the developed calibration techniques are validated via experimental study, which deals with geometric and elastostatic calibration of a KUKA KR-270 industrial robot.