Conception d'un effecteur pour robots collaboratifs

Design of robot end-effector for collaborative robot works

• Auteur / Autrice : Wanda Zhao
• Direction : Damien Chablat, Anatol Pashkevich
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique, Mécanique
• Date : Soutenance le 02/12/2021
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Christian Duriez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Margot Vulliez
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marc Gouttefarde, David Daney

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robots -- Mouvements

Robots -- Cinématique

Structures de tenségrité

Mots clés libres

Effecteur de robot

Robot souple

Mécanisme de tenségrité

Analyse de la rigidité

Contrôle cinématique

Robot end-effector

Compliant manipulator

Tensegrity mechanism

Stiffness analysis

Kinematic control

Résumé

L’objectif de cette thèse est la conception de nouveaux effecteurs polyvalents et souples pour les robots collaboratifs, qui sont basés sur des mécanismes de tenségrité multisegments à double-triangle qui peuvent être actionnés indépendamment pour obtenir la configuration désirée avec de bonne propriétés de rigidité. Contrairement aux effecteurs rigides conventionnels, l'analyse de la rigidité a démontré que ce type de mécanisme peut atteindre une grande flexibilité ; les concepteurs peuvent évaluer la sensibilité de la rigidité de ce mécanisme par rapport à une configuration initiale arbitraire pour différentes combinaisonsde paramètres géométriques, de charge externes et de précontraintes des ressorts. Le phénomène de flambage et de quasi-flambage de ce mécanisme sous chargements a été étudié. Une méthode analytique permettant de calculer la force critique de flambage pour cette structure avec un nombre arbitraire de segments a été proposée. Elle est basée sur l'analyse des valeurs propres d'une matrice dépendant des paramètres géométriques et élastostatiques. Cela permet aux concepteurs de prédire ou d'éviter les états dangereux de ce mécanisme en modifiant correctement les paramètres géométriques et les entrées de lacommande. De plus, les stratégies de contrôle cinématique basées sur l'optimisation ont été proposées dans cette thèse, ce qui permet à ce mécanisme multi-segment redondant d'atteindre l'emplacement d’une cible et d'éviter les collisions entre l’effecteur et le corps du robot et les obstacles de l'espace de travail. Les avantages de la technique développée sont confirmés par la simulation informatique, et les résultats montrent que ce mécanisme redondant en série a une capacité de changement de forme très flexible tout en traversant l'espace de travail.

This thesis focuses on the design of new versatile and compliant end-effectors for collaborative robot works, which are based onmulti-segment dual-triangle tensegrity mechanisms that can be actuated independently to achieve the desired configuration with the required stiffness properties. Different with the conventional rigid robot end-effectors, it was demonstrated from the stiffness analysis that such type of mechanism can achieve high flexibility; designers can evaluate the stiffness sensitivity of this mechanism with respect to an arbitrary initial configuration for different combination of the geometric parameters, external loading and the spring’s pre-stresses. Besides, the buckling and quasi-buckling phenomenon of this serial mechanism under the loading were detected. And an analytical method allowing to compute the critical force causing the buckling for this serial structure withan arbitrary number of segments was proposed, which is based on the eigenvalue analysis of the some special matrix dependingon both geometric and elastostatic parameters. This allows designers to predict or avoid the dangerous states of this mechanism by properly changing the geometric parameters and control inputs. Furthermore, the optimization-based kinematic control strategieswere proposed in this thesis, which allow this redundant multi-segment mechanism to achieve the target endpoint location and avoid collisions between not only the mechanism end-point but also the mechanism body and the workspace obstacles. The advantages of the developed technique are confirmed via the computing simulation, and the results show that this redundant serial mechanism has a very flexible shape changing capacity while passing through the task space