Experimental External Force Estimation Using a Non-Linear Observer for 6 axes Flexible-Joint Industrial Manipulators

This paper proposes a non-linear observer to estimate not only the state (position and velocity) of links but also the external forces exerted by the robot during Friction Stir Welding (FSW) processes. The difficulty of performing this process with a robot lies in its lack of rigidity. In order to ensure a better tracking performance, the data such as real positions, velocities of links and external forces are required. However, those variations are not always measured in most industrial robots. Therefore, in this study, an observer is proposed to reconstruct those necessary parameters by using only measurements of motor side. The proposed observer is carried out on a 6 DOF flexible-joint industrial manipulator used in a FSW process.ANR-2010-SEGI-003-01-COROUSSO, French National Agenc

Nonlinear Discrete Observer for Flexibility Compensation of Industrial Robots

This paper demonstrates the solutions of digital observer implementation for industrial applications. A nonlinear high-gain discrete observer is proposed to compensate the tracking error due to the flexibility of robot manipulators. The proposed discrete observer is obtained by using Euler approximate discretization of the continuous observer. A series of experimental validations have been carried out on a 6 DOF industrial manipulator during a Friction Stir Welding process. The results showed good performance of discrete observer and the observer based compensation has succeed to correct the positioning error in real-time implementation.ANR COROUSS

Optimal workplacement for robotic friction stir welding task

Robotic manipulators are widely used in industry for welding processes. Inadequate joint stiffness in the manipulators often limits their use for high quality welding operations because of the deformation errors produced during the process. As a matter of fact, welding quality deteriorates with decreasing joint stiffness. This paper presents an approach to determine an optimal workspace of operation by minimizing the lateral deflection errors in position and orientation of the end effector during Friction Stir Welding. This has been done by estimating the errors in position and orientation of the end effector, also the point of contact with work piece which directly affects welding quality, when it experiences a wrench during welding operation. The technique was applied to an elastodynamic model of a 6 DOF manipulator with different path constraints for welding process to achieve optimal task placement. In a nutshell, optimal starting position or an optimal direction of motion for best welding quality can be precisely computed or even both together can be calculated but with numerical complexity.ANR COROUSS

Robot Process Control

Ce rapport est décomposé en 8 parties. La seconde partie rappelle les bases de la modélisation des robots à architecture série et présente les modélisations des deux robots. La troisième présente les méthodes d'identification utilisées. La quatrième décrit le processus d'identification du modèle de raideur par des essais à sortie bloquée. Les parties 5 et 6 exposent les résultats expérimentaux sur les deux robots. Enfin une conclusion et une bibliographie terminent ce rapport.Report is composed of 8 parts. The second one describes the basis of serial robot modelling. The third presents identification methods. The fourth part described the identification process of the model of flexibilities with tests used blocked tool frame. The parts 5 and 6 show the experimental results for the two different robots. Finally, the conclusion and the bibliography finish the report.AN

Identification du modèle avec flexibilité : méthode et paramètres numériques

Cette tâche traite de l'identification expérimentale des paramètres dynamiques de deux robots utilisés dans le projet COROUSSO : le robot Kuka KR270-2F et le robot Kuka KR500-2MT. Premièrement, les modèles dynamiques rigides des robots sont identifiés avec la méthode d'identification par modèle inverse et moindres carrés linéaires et/ou la méthode d'identification par erreur de sortie en position, en boucle ouverte. Deuxièmement, les raideurs articulaires et les gains d'actionnement des 3 premiers axes des robots sont identifiés grâce à des essais à effecteur bloqué. Les gains d'actionnement sont aussi identifiés avec des essais à vide et en charge. Les résultats de ces travaux sont utilisés pour la simulation des robots dans les autres tâches. En particulier dans la tâche 4.3, un simulateur du robot Kuka KR500-2MT avec prise en compte des raideurs articulaires est développé pour simuler les opérations d’usinage et de soudage

Commande robuste d'un robot d'usinage flexible : analyse de la précision

Ce travail cherche à montrer l'intérêt d'utiliser un robot Scara pour l'usinage de composites. Les efforts d'usinage créent des déformations du robot qui sont supposées localisées aux articulations et modélisées par une raideur en torsion linéaire. Pour respecter les tolérances sur la trajectoire, une compensation des effets du procédé par une mesure de l'effort et une commande non linéaire est proposée. Une étude en simulation analyse et compare les erreurs de suivi entre une commande classique par correction PID et une commande non linéaire robuste

Investigation of Tumor Suppressing Function of CACNA2D3 in Esophageal Squamous Cell Carcinoma.

Background: Deletion of 3p is one of the most frequent genetic alterations in esophageal squamous cell carcinoma (ESCC), suggesting the existence of one or more tumor suppressor genes (TSGs) within these regions. In this study, one TSG, CACNA2D3 at 3p21.1, was characterized. Methods: Expression of CACNA2D3 in ESCCs was tested by quantitative real-time PCR and tissue microarray. The mechanism of CACNA2D3 downregulation was investigated by methylation-specific polymerase chain reaction (MS-PCR). The tumor suppressive function of CACNA2D3 was characterized by both in vitro and in vivo tumorigenic assays, cell migration and invasion assays. Results: CACNA2D3 was frequently downregulated in ESCCs (24/48, 50%), which was significantly associated with promoter methylation and allele loss (P<0.05). Tissue microarray result showed that downregulation of CACNA2D3 was detected in (127/224, 56.7%) ESCCs, which was significantly associated with lymph node metastasis (P = 0.01), TNM staging (P = 0.003) and poor outcome of ESCC patients (P<0.05). Functional studies demonstrated that CACNA2D3 could inhibit tumorigenicity, cell motility and induce apoptosis. Mechanism study found that CACNA2D3 could arrest cell cycle at G1/S checkpoint by increasing expressions of p21 and p53 and decreasing expression of CDK2. In addition, CACNA2D3 could upregulate intracellular free cytosolic Ca2+ and subsequently induce apoptosis. Conclusion: CACNA2D3 is a novel TSG responsible to the 3p21 deletion event and plays a critical suppressing role in the development and progression of ESCC. © 2013 Li et al.link_to_OA_fulltex

Robust hybrid position/force control of a manipulator used in machiningand/or in FSW

La problématique traitée dans cette thèse concerne la commande de robots manipulateurs industriels légèrement flexibles utilisés pour la robotisation de procédés d'usinage et de soudage FSW. Le premier objectif est la modélisation des robots et des procédés. Les modèles développés concernant la cinématique et la dynamique de robots 6 axes à architecture série et à flexibilité localisées aux articulations. Les paramètres du modèle dynamique et les raideurs sont identifiés avec la méthode à erreur de sortie qui donne une bonne précision d'estimation. La norme relative du résidu du modèle après identification est de 3,2%. Le deuxième objectif est l'amélioration des performances de la robotisation des procédés. Un simulateur a été développé qui intègre le modèle dynamique du robot flexible, les modèles de procédés et le modèle du contrôleur de robot y compris les lois de commande en temps réel des axes et le générateur de trajectoires. Un observateur non-linéaire à grands gains est proposé pour estimer l'état complet du robot flexible ainsi que les efforts d'interaction. Ensuite, un compensateur basé sur l'observateur est proposé pour corriger les erreurs de positionnement en temps réel. La validation expérimentale sur un robot industriel Kuka, montre une très bonne estimation de l'état complet par l'observateur. Un soudage FSW précis grâce à la compensation en temps réel de la flexibilité du manipulateur a pu être effectué avec succès.The problem addressed in this thesis concerns the control of industrial robot manipulators which are slightly flexible and used for machining and FSW processes. The first objective is to model the robots and processes. The developed models concern the kinematics and dynamics models of 6-axis robots with serial architecture and flexibility localized at joints. The dynamic model parameters and a part of the joint stiffnesses are identified with the approach of output error which gives a satisfy estimation accuracy. According to identification, the RMS residue of the model is 3.2%. The second objective is to improve the robotization performance of manufacturing processes. A simulator was developed that contains the dynamic model of the flexible robot, the process models and the model of the robot controller including control laws in real time of axes and the trajectory generator. A nonlinear high-gains observer is proposed to estimate the complete states of robot system as well as the operation wrenches. Then the observer-based compensator is proposed to correct the positioning errors in real time. The experimental validation of industrial robots shows a satisfactory estimating performance of the observer. A precise FSW welding owing to the real-time compensation for the flexibility of manipulator has been done successfully

Commande hybride position/force robuste d’un robot manipulateur utilisé en usinageet/ou en soudage

The problem addressed in this thesis concerns the control of industrial robot manipulators which are slightly flexible and used for machining and FSW processes. The first objective is to model the robots and processes. The developed models concern the kinematics and dynamics models of 6-axis robots with serial architecture and flexibility localized at joints. The dynamic model parameters and a part of the joint stiffnesses are identified with the approach of output error which gives a satisfy estimation accuracy. According to identification, the RMS residue of the model is 3.2%. The second objective is to improve the robotization performance of manufacturing processes. A simulator was developed that contains the dynamic model of the flexible robot, the process models and the model of the robot controller including control laws in real time of axes and the trajectory generator. A nonlinear high-gains observer is proposed to estimate the complete states of robot system as well as the operation wrenches. Then the observer-based compensator is proposed to correct the positioning errors in real time. The experimental validation of industrial robots shows a satisfactory estimating performance of the observer. A precise FSW welding owing to the real-time compensation for the flexibility of manipulator has been done successfully.La problématique traitée dans cette thèse concerne la commande de robots manipulateurs industriels légèrement flexibles utilisés pour la robotisation de procédés d'usinage et de soudage FSW. Le premier objectif est la modélisation des robots et des procédés. Les modèles développés concernant la cinématique et la dynamique de robots 6 axes à architecture série et à flexibilité localisées aux articulations. Les paramètres du modèle dynamique et les raideurs sont identifiés avec la méthode à erreur de sortie qui donne une bonne précision d'estimation. La norme relative du résidu du modèle après identification est de 3,2%. Le deuxième objectif est l'amélioration des performances de la robotisation des procédés. Un simulateur a été développé qui intègre le modèle dynamique du robot flexible, les modèles de procédés et le modèle du contrôleur de robot y compris les lois de commande en temps réel des axes et le générateur de trajectoires. Un observateur non-linéaire à grands gains est proposé pour estimer l'état complet du robot flexible ainsi que les efforts d'interaction. Ensuite, un compensateur basé sur l'observateur est proposé pour corriger les erreurs de positionnement en temps réel. La validation expérimentale sur un robot industriel Kuka, montre une très bonne estimation de l'état complet par l'observateur. Un soudage FSW précis grâce à la compensation en temps réel de la flexibilité du manipulateur a pu être effectué avec succès

Commande hybride position/force robuste d'un robot manipulateur utilisé en usinageet/ou en soudage

La problématique traitée dans cette thèse concerne la commande de robots manipulateurs industriels légèrement flexibles utilisés pour la robotisation de procédés d'usinage et de soudage FSW. Le premier objectif est la modélisation des robots et des procédés. Les modèles développés concernant la cinématique et la dynamique de robots 6 axes à architecture série et à flexibilité localisées aux articulations. Les paramètres du modèle dynamique et les raideurs sont identifiés avec la méthode à erreur de sortie qui donne une bonne précision d'estimation. La norme relative du résidu du modèle après identification est de 3,2%. Le deuxième objectif est l'amélioration des performances de la robotisation des procédés. Un simulateur a été développé qui intègre le modèle dynamique du robot flexible, les modèles de procédés et le modèle du contrôleur de robot y compris les lois de commande en temps réel des axes et le générateur de trajectoires. Un observateur non-linéaire à grands gains est proposé pour estimer l'état complet du robot flexible ainsi que les efforts d'interaction. Ensuite, un compensateur basé sur l'observateur est proposé pour corriger les erreurs de positionnement en temps réel. La validation expérimentale sur un robot industriel Kuka, montre une très bonne estimation de l'état complet par l'observateur. Un soudage FSW précis grâce à la compensation en temps réel de la flexibilité du manipulateur a pu être effectué avec succès.The problem addressed in this thesis concerns the control of industrial robot manipulators which are slightly flexible and used for machining and FSW processes. The first objective is to model the robots and processes. The developed models concern the kinematics and dynamics models of 6-axis robots with serial architecture and flexibility localized at joints. The dynamic model parameters and a part of the joint stiffnesses are identified with the approach of output error which gives a satisfy estimation accuracy. According to identification, the RMS residue of the model is 3.2%. The second objective is to improve the robotization performance of manufacturing processes. A simulator was developed that contains the dynamic model of the flexible robot, the process models and the model of the robot controller including control laws in real time of axes and the trajectory generator. A nonlinear high-gains observer is proposed to estimate the complete states of robot system as well as the operation wrenches. Then the observer-based compensator is proposed to correct the positioning errors in real time. The experimental validation of industrial robots shows a satisfactory estimating performance of the observer. A precise FSW welding owing to the real-time compensation for the flexibility of manipulator has been done successfully.PARIS-Arts et Métiers (751132303) / SudocSudocFranceF