Optimisation orientée application de l'étalonnage élastostatique de robots : implémentation pour des hexapodes de positionnement précis

Application-oriented optimization of robot elastostatic calibration : implementation on hexapod positioning systems

• Auteur / Autrice : Vinayak Jagannathrao Kalas
• Direction : François Pierrot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systèmes automatiques et micro-électroniques
• Date : Soutenance le 18/09/2020
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Gabriel Abba
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Pierrot, Gabriel Abba, Stéphane Caro, Pierre Renaud, Olivier Company, Sébastien Krut, Alain Vissiere
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Caro, Pierre Renaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plan d'expérience

Étalonnage

Mots clés libres

Hexapode

Étalonnage élastostatique

Identification de la rigidité

Identification des paramètres

Plan expérience

Indice d’observabilité

Hexapod

Elastostatic calibration

Stiffness identification

Parameter identification

Design of experiments

Observability index

Résumé

Les hexapodes sont de plus en plus utilisés pour des applications de positionnement de haute précision à 6 degrés de liberté, comme pour le positionnement des miroirs des télescopes ou pour le positionnement des échantillons dans les synchrotrons. Ces robots sont conçus et commandés pour faire preuve de grande répétabilité et de grande justesse. Cependant, la souplesse structurelle de ces systèmes de positionnement limite leur précision de positionnement. Comme les exigences de précision deviennent de plus en plus strictes dans les applications émergentes, il devient nécessaire de compenser ces déformations.À cet égard, tout d'abord, une méthode d'étalonnage élastostatique des hexapodes est présentée. Cette méthode utilise un modèle de paramètre de rigidité forfaitaire pour paramétrer la relation entre les flèches de la plate-forme et la force / le moment qui lui est appliqué. Ces paramètres peuvent être estimés à l'aide de mesures de déflexion effectuées en utilisant des forces / moments connus appliqués sur la plate-forme. Les paramètres estimés peuvent ensuite être utilisés pour prévoir et corriger les erreurs de positionnement des hexapodes dues à la conformité.Deuxièmement, une nouvelle approche est présentée pour optimiser le processus d’identification des paramètres de raideur de l’étalonnage élastostatique. Cette approche repose sur l’utilisation de critères qui permettent de déterminer le meilleur ensemble de poses et de forces pour identifier les paramètres de raideur. Les paramètres identifiés dans les conditions expérimentales (poses et forces) suggérées par ces critères permettent une contribution minimum des erreurs influençant l’identification des raideurs (incertitude des mesures des déflections et erreurs des forces appliquées) sur la qualité de la compensation. De plus, suivre cette approche maximise également la précision après compensation aux poses souhaitées, le long des axes souhaités, et avec les combinaisons force/moment souhaitées sur la plateforme. Ce cadre d’optimisation pour l’identification des raideurs assure la meilleure compensation des erreurs de positionnement dues à la souplesse structurelle, selon les exigences de positionnement de l’application en question.Enfin, une méthode est présentée qui permet de s’affranchir des effets dues à la thermique sur la mesure des 6 degrés de liberté de la pose de la plateforme d’un hexapode. Cette méthode est nécessaire lorsque les déflections dues à la thermique de l’hexapode sont suffisamment importantes pour avoir un impact sur les résultats d’une étude, ce qui était le cas avec certains des tests effectués pour valider les méthodes développées dans cette thèse.L’efficacité des méthodes présentées a été validée au moyen d’études en simulation sur un bipède, et d’études expérimentales sur un système de positionnement hexapode de haute précision.

Hexapods are increasingly being used for high-precision 6-DOF positioning applications such as for positioning mirrors in telescopes and for positioning samples in synchrotrons. These robots are designed and controlled to be very repeatable and accurate. However, structural compliance of these positioning systems limits their positioning accuracy. As accuracy requirements become more stringent in emerging applications, compensating for inaccuracy due to structural compliance becomes necessary.In this regard, firstly, a method for elastostatic calibration of hexapods is presented. This method uses a lumped stiffness parameter model to parametrize the relationship between the platform deflections and the force/moment applied on it. These parameters can be estimated using deflection measurements performed using known forces/moments applied on the platform. The estimated parameters can then be used to predict and correct hexapod’s positioning errors due to compliance.Secondly, a new approach is presented to optimize stiffness identification for robot elastostatic calibration. In this, a framework is proposed to formulate criteria to choose best set of poses and forces for stiffness identification experiment. The parameters identified under experimental conditions (poses and forces) suggested by these criteria ensure minimum impact of errors influencing stiffness identification (uncertainty of deflection measurements and errors in forces applied) on compensation quality. Additionally, it also maximizes accuracy after compensation at desired pose(s), along desired axe(s) of the platform and with desired forces/moments on the platform. This stiffness identification optimization framework ensures best compensation for positioning errors due to compliance as per the positioning requirements of the application at hand.Lastly, a method is presented to eliminate the influence of thermal deflection of a hexapod on the measured 6-DOF pose of its platform. This method is necessary when thermal deflections of the hexapod are large enough to impact results of a study, which was the case with some tests performed to validate methods developed in this thesis.The efficacy of presented methods have been validated by means of simulation studies on a bipod and experimental studies on a high-precision hexapod positioning system.