Dynamic model of a harmonic drive in a toothed gear transmission system

The present paper discusses certain aspects of dynamic modeling of the harmonic drive. In particular, a new original dynamic model of a harmonic drive has been proposed for a power transmission system. The model takes account of nonlinear changes in stiffness, as well as damping. The proposed model of a harmonic drive in the power transmission system is investigated in the Matlab-Simulink environment. Utilization of the identified, developed dynamic model will allow to expand the knowledge about torsional vibration which are present in power transmission systems equipped with harmonic drive as well as it will contribute to a reduction of expenses connected with performing costly experimental tests

Étude des propriétés vibratoires d'un système robotique en opération de meulage par modélisation multi-corps flexibles

Un robot à 6 degrés de liberté a été développé depuis de nombreuses années par l’Institut de recherche d’Hydro-Québec (IREQ) afin de réaliser des réparations in situ d’équipements hydroélectriques. Ce robot a été conçu dans le but d’effectuer plusieurs tâches comme le soudage, le meulage, ou encore le martelage, tout en gardant l’équipement à réparer dans son environnement. Pour ceci le robot possède des qualités de compacité, de portabilité et de poids qui impliquent malheureusement des problèmes au niveau vibratoire et donc de contrôle de trajectoire et d’enlèvement de matière. Ce document présente donc dans un premier temps la modélisation numérique du robot à l’aide d’un logiciel multi-corps, MD Adams, où la flexibilité des joints et membrures sont mises en place. Pour les membrures flexibles, un logiciel de type éléments-finis, Patran, est utilisé en parallèle afin de déterminer les informations modales de chaque bras et de les introduire dans le logiciel MD Adams. Ce modèle permet de déterminer le comportement vibratoire du robot pour des trajectoires prédéfinis. Ensuite, une partie expérimentale est exposée. Elle a pour objectif de valider le modèle numérique en inspectant la trajectoire de l’effecteur puis de chaque membrure avec un système de mesure laser. En effectuant un traitement de données, celles-ci sont regroupées avec les données numériques et une étude est faite dans le but de valider puis d’optimiser le modèle. Avec le modèle numérique, des simulations de meulages sont faites en introduisant une masse excentrée en rotation (qui représente le balourd de la meule) ainsi qu’une force de contact. En conséquence, les modes de vibrations sont mis en évidence et peuvent être observés dans la trajectoire de l’effecteur. Le modèle numérique réalisé sous Adams a de nombreuses utilités futures, tel que le contrôle du robot ou encore pour des études vibratoires plus approfondies sur celui-ci

Modélisation et simulation dynamique d'un robot avec bras et membrures flexibles par le logiciel MD Adams

L’institut de recherche d’Hydro-Québec développe depuis de nombreuses années un robot à 6 degrés de liberté afin de réaliser des réparations in situ d’équipements hydroélectriques. Ce robot a été conçu dans le but d’effectuer plusieurs tâches de réparation comme le soudage, le meulage, ou encore le martelage, tout en gardant l’équipement à réparer dans son environnement. Pour ceci le robot possède des qualités de compacité, de portabilité et de légèreté qui impliquent malheureusement des problèmes au niveau vibratoire lors de différents procédés. Ce mémoire présente donc la modélisation numérique du robot SCOMPI à 6 degrés de liberté à l’aide d’un logiciel multi-corps MD Adams. La flexibilité des joints et membrures sont mises en places dans ce modèle. Les phénomènes tels que la rigidité non-linéaire, l’erreur cinématique et l’hystérésis sont introduits dans la flexibilité des joints. Ensuite, pour considérer la flexibilité des membrures, un logiciel éléments-finis, Patran, est utilisé en parallèle afin de déterminer les informations modales de chaque bras et de les introduire dans le modèle Adams. Le comportement vibratoire peut donc être observé pour une trajectoire prédéfinie. Ensuite, une partie expérimentale est exposée. Elle a pour objectif de valider le modèle numérique en inspectant la trajectoire de l’effecteur avec un système de mesure laser. En effectuant un traitement des données avec notamment l’utilisation d’un programme de minimisation paramétrée, les données mesurées par le laser de poursuite peuvent être confrontées aux données simulées par Adams. L’étude des mesures dynamiques permettent donc de déterminer l’effet de différents phénomènes comme la rigidité, l’hystérésis et l’erreur cinématique. L’importance de la rigidité non-linéaire a pu être montrée et la trajectoire globale du robot SCOMPI a été retrouvée avec le modèle Adams. Les modes vibratoires ont également pu être retrouvés avec le logiciel Adams. Pour finir, une modélisation simplificatrice des efforts de meulage est mise en place dans le modèle numérique en introduisant un balourd au niveau du disque de meulage. Cette modélisation permet de tester la stabilité du modèle mais aussi de voir l’apparition d’ondulations vibratoires lorsque le robot est excité par une force dynamique à l’effecteur

Joint Dynamics and Adaptive Feedforward Control of Lightweight Industrial Robots

The use of lightweight strain-wave transmissions in collaborative industrial robots leads to structural compliance and a complex nonlinear behavior of the robot joints. Furthermore, wear and temperature changes lead to variations in the joint dynamics behavior over time. The immediate negative consequences are related to the performance of motion and force control, safety, and lead-through programming.This thesis introduces and investigates new methods to further increase the performance of collaborative industrial robots subject to complex nonlinear and time-varying joint dynamics behavior. Within this context, the techniques of mathematical modeling, system identification, and adaptive estimation and control are applied. The methods are experimentally validated using the collaborative industrial robots by Universal Robots.Mathematically, the robot and joint dynamics are considered as two coupled subsystems. The robot dynamics are derived and linearly parametrized to facilitate identification of the inertial parameters. Calibrating these parameters leads to improvements in torque prediction accuracy of 16.5 %-28.5 % depending on the motion.The joint dynamics are thoroughly analyzed and characterized. Based on a series of experiments, a comprehensive model of the robot joint is established taking into account the complex nonlinear dynamics of the strain-wave transmission, that is the nonlinear compliance, hysteresis, kinematic error, and friction. The steady-state friction is considered to depend on angular velocity, load torque, and temperature. The dynamic friction characteristics are described by an Extended Generalized Maxwell-Slip (E-GMS) model which describes in a combined framework; hysteresis characteristics that depend on angular position and Coulomb friction that depend on load torque. E-GMS model-based feedforward control improves the torque prediction accuracy by a factor 2.1 and improve the tracking error by a factor 1.5.An E-GMS model-based adaptive feedforward controller is developed to address the issue of friction changing with wear and temperature. The adaptive control strategy leads to improvements in torque prediction of 84 % and tracking error of 20 %