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Les robots poly-articulés industriels sont un moyen de production moins couteux que les machines outils. De part leur structure, ils sont moins rigides, mais ils disposent d'une agilité et d'une zone de travail plus importante. L'exploitation de ces avantages pour la réalisation de certaines opérations continues, comme l'usinage par exemple, fait l'objet d'une demande croissante de l'industrie manufacturière. Ces nouvelles applications des robots poly-articulés pour l'usinage nécessitent de progresser sur le front de l'amélioration de la précision statique et dynamique de ces structures. Ainsi, afin d'améliorer la précision des robots, nous avons développé dans ce travail de thèse une méthode de planification de trajectoire basée sur l'interpolation paramétrique des courbes géométriques. Cette méthode permet de maîtriser le positionnement et la cinématique de l'outil pour les applications nécessitant un suivi de profil continu et notamment pour l'usinage. Nous proposons ainsi de qualifier les différentes souplesses des robots industriels 6 axes afin de déduire une cartographie de rigidité dans l'espace de travail cartésien. Une méthode exploitant cette cartographie permettant l'optimisation de la configuration géométrique du robot pour l'usinage est présentée. Les souplesses axiales des articulations sont intégrées dans un modèle élasto-statique utilisé pour la commande. Ce modèle permet d'anticiper les déviations statiques induites par ces souplesses articulaires. Enfin, nous mettons en évidence les défauts de transmission associés aux chaînes cinématiques des axes du robot. Nous montrons que ces défauts sont à l'origine d'une erreur de position au niveau de l'organe terminal de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre. Un protocole d'identification de ces défauts est proposé. Ces défauts sont modélisés.
L'étude débute par un état de l'art sur la précision statique des robots manipulateurs sériels six axes rotöides, puis expose les différentes sources d'imprécision, ainsi que les techniques habituellement employées pour les corriger. La stratégie d'amélioration de la précision des robots est ensuite décrite et elle repose sur un étalonnage hors-ligne, puis en-ligne de production. La première technique permet de caractériser les défauts les plus signifiants du robot, tandis que la seconde vise à compenser périodiquement les dérivés du modèle. L 'étude s'intéresse ensuite aux imperfections des transmissions articulaires, puis à la compensation de ces défauts qui est basée sur l'instrumentation de l'étage de sortie du réducteur. Finalement, des résultats expérimentaux montrent la validité des techniques mises en œuvre, ainsi que leur intérêt pour des applications de mesure flexible robotisée.
The involvement of industrial robotic arms in different manufacturing applications is going through an ever-changing era. These devices which were once only used in applications based on their acceptable repeatability are now taking place of dexterous human operators or rigid machining devices in high precision manufacturing tasks. However, the inherited shortcomings of these structures require further investigations to ensure acceptable performance. In this thesis, efforts were dedicated firstly to observe the contribution of different error sources in robotic involved manufacturing. The main contributors to the robot inaccuracy were investigated for identification and compensation processes. An elastostatic model of an industrial robot is generated. A novel method in identifying joint transmission errors is addressed capable of massively reducing the identification time. To enhance the workpiece quality in robotic-based honeycomb ultrasonic machining process, a new approach to integrate tool compliance behaviour with the one of robot structure is proposed. A detailed procedure of developing the machining force model and geometrical error measurement is also presented for this machining process. To reduce the effect of non-geometrical error sources, an optimization process is executed for optimal placement of workpiece in robot workspace.
Fruit d’une étroite collaboration entre la recherche universitaire et le monde de l’industrie, cet ouvrage traite de la robotique industrielle, et tout particulièrement de l’étalonnage des robots manipulateurs. Il développe les aspects suivants : la représentation des structures des robots manipulateurs sériels et parallèles ; les principes généraux de l’étalonnage ; les méthodes d’étalonnage spécifiques aux robots sériels et parallèles ; l’innovation en robotique, ses réussites et ses échecs. Théorique et pragmatique, il s’adresse aux étudiants et aux chercheurs, aux techniciens et aux ingénieurs et à tous ceux qui désirent appréhender la robotique industrielle. Patrick Maurine est maître de conférences à l’INSA de Rennes. Ses travaux portent sur la précision et l’étalonnage des robots manipulateurs industriels. Jean-François Quinet est consultant en robotique appliquée à l’ensemble de l’industrie internationale depuis 1973. Ses activités portent aussi sur la mesure tridimensionnelle statique et dynamique.
Les outils actuels de conception assistée par ordinateur permettent la simulation et la programmation d'applications automatisées complexes. Ce type de programmation impose cependant de nouvelles contraintes sur la qualité des sites robotisés: la précision de positionnement est nécessaire. L’étalonnage vise à améliorer cette précision par l'identification des paramètres des modèles employés lors des simulations. Après une synthèse des recherches actuelles, la notion de limite de précision absolue est définie en se basant sur l'étude des critères normalisés des performances des robots. Une procédure d'identification des paramètres d'un modèle géométrique est alors proposée. Le paramétrage employé permet de modéliser avec une notation unique le robot, sa position dans la cellule et ses outils. La définition et l'identification d'un modèle incluant des paramètres géométriques et non géométriques sont ensuite proposées afin de prendre en compte les phénomènes de flexibilité. L’expérimentation des deux procédures a été réalisée sur différents robots industriels. Une synthèse de résultats est présentée sur dix robots.
Les robots industriels ont évolué fondamentalement ces dernières années pour répondre aux exigences industrielles de machines et mécanismes toujours plus performants. Ceci se traduit aujourd'hui par de nouveaux robots anthropomorphes plus adaptés laissant entrevoir la réalisation de tâches plus complexes et soumis à de fortes sollicitations comme durant l'usinage. L'étude du comportement des robots anthropomorphes, à structures parallèles ou hybrides montre une anisotropie aussi bien cinématique, que dynamique, impactant la précision attendue. Ces travaux de thèse étudient l'intégration des redondances cinématiques qui permettent de pallier en partie ce problème en positionnant au mieux la tâche à réaliser dans un espace de travail compatible avec les capacités attendues. Ces travaux ont permis d'améliorer notre outil d'optimisation et de le tester à la fois sur un modèle Eléments Finis du robot et sur le robot réel. Ainsi, ces travaux de thèse apportent des contributions à : - la définition de critères adaptés à la réalisation de tâches complexes et sollicitantes pour la gestion des redondances cinématiques ; - l'identification du comportement des structures sous sollicitations par moyen métrologique (Laser tracker) ; - l'optimisation du comportement permettant l'amélioration de la qualité de réalisation des opérations d'usinage ; - la modélisation Eléments Finis des robots prenant en compte l'identification des rigidités des corps et articulaires.
Les robots industriels ont dans un premier temps été conçus afin de remplacer les humains dans des tâches répétitives, fatigantes et impliquant souvent un travail manuel dangereux. Avec la naissance de la programmation hors ligne (PHL), où les instructions de la future tâche sont d'abord programmées puis introduites au robot, un problème de précision apparaît. En effet, les robots n'atteignent pas correctement une localisation qui n'a jamais été enseignée. Ce projet présente une méthode afin de régler cette problématique : il s'agit d'essayer d'améliorer la précision des robots. Un robot IRB 1600 de l'entreprise ABB, une sonde-palpeur de l'entreprise Renishaw et un bloc de marbre de très bonne finition ont été utilisés pour l'ensemble des expériences réalisées dans le cadre de cette étude. La sonde-palpeur est localisée au dernier lien du robot, et elle est utilisée comme élément de mesure. Le principe de la méthode est l'imposition d'une série de contraintes sur les mesures prises avec la sonde-palpeur, lesquelles sont obtenues lorsque celle-ci est amenée à certains points des surfaces du bloc de marbre. Plus on minimise les erreurs dues au non respect des contraintes, plus le robot va améliorer sa précision. Ce projet a été développé à l'École de technologie supérieure de Montréal, dans les laboratoires CoRo, et dans le cadre du projet de fin d'études.
Un des enjeux actuels de la recherche sur les robots paralleles est de concilier grandes capacites dynamiques et bonne precision. Les travaux presentes dans cette these contribuent a la resolution de cette problematique. Trois approches ont ete considerees: l'etalonnage geometrique a partir de mesures externes, l'utilisation de la redondance metrologique et enfin l'application du principe de mesure dissociee. Ces approches ont ete mises au point, testees et validees sur des robots paralleles bien connus de type Delta ou hexapode mais egalement sur un robot a redondance d'actionnement, le robot ARCHI."
Les robots industriels représentent un moyen de production sophistiqués pour l'industrie manufacturière d'aujourd'hui. Ces manipulateurs sont plus agiles, plus flexibles et moins coûteux que les machines-outils spécialisées. L'exploitation de ces avantages fait l'objet d'une demande croissante de l'industrie. La dynamique de ces manipulateurs est soumise à des nombreuses sources d'imprécision. En effet les défauts de la chaîne de transmission, ou encore les éléments de liaisons peuvent être le siège de déformations et de vibrations dégradant sensiblement leur précision. Ces phénomènes physiques sont d'autant plus difficiles à compenser que seul un sous ensemble des états du système est mesuré par les codeurs moteurs. La structure de commande industrielle actuelle d'un robot n'agit donc pas directement sur ces phénomènes. Il est nécessaire alors de progresser sur le front de l'amélioration de la précision par l'adaptation de la commande à ces nouvelles exigences. Un état de l'art met en évidence un manque de travaux qui traitent de l'élaboration d'anticipations adaptées aux axes d'un robot et intégrant les phénomènes de déformation. En outre, la planification de trajectoire n'est classiquement pas remise en cause et peu évoquée. Elle représente pourtant un moyen d'action éprouvé afin d'améliorer les performances dynamiques en suivi de profil. L'approche proposée dans ce mémoire se veut une alternative à ces méthodes. Elle est basée sur une exploitation d'un modèle dynamique représentatif et détaillé. Il intègre les principaux phénomènes physiques mis en évidence tels que les effets de la gravité, les systèmes mécaniques de compensation, les forces de frottement et la flexibilité articulaire. Cette modélisation associée à des méthodes d'identification expérimentale est exploitée afin de déduire une structure de commande. Elle permet la réduction des déformations élastiques et des vibrations par une action sur la précommande et sur la loi de mouvement adaptée. Ainsi, nous introduisons une méthode d'estimation non asymptotique appliquée en robotique, afin d'estimer rapidement les paramètres vibratoires de ce dernier et contribue à une réactualisation des modèles exploités. Des résultats expérimentaux montrent que cette méthodologie mène à une amélioration des performances de positionnement par rapport à la commande industrielle.