Nowadays, industrial robot manipulators (IRs) are considered an immediate feasible alternative to CNC machines. One of the main advantages is the possibility to reduce costs while maintaining high production volumes. Despite the evident diffusion of these industrial manipulators, their adoption possesses some difficulties reducing their performance. These issues span from the compensation of kinematics inaccuracies (kinematics calibration) to the improvement of dynamics performances (dynamics calibration). The influence of the technological production process on the robot structure may also have an impact; consequently, external agents such as temperature must be considered. Hence, this thesis proposes and investigates new techniques for the calibration of dynamics model. Starting from the description of the state-of-the-art in dynamics modeling, this work aims to develop a rigid-body dynamic model with particular attention to the variation of friction due to thermal effects. This choice has been motivated by the fact that friction compensation is essential to improve the robot’s positioning precision. Thus, by considering that the most common friction models do not take into account the heating of the speed reducers during the motion tasks, to improve high precision positioning performance of mechatronic systems the development of new friction models that are based on temperature estimation has been performed. In this thesis, a novel procedure for calibrating rigid-body models through the definition of optimal identification/excitation trajectories is presented. The calibration algorithms and their experimentally estimated dynamics parameters set have also been validated through some experiments conducted on industrial robots. The procedures that have been developed in this thesis only adopt sensors and controllers that are already installed on the machines. No external sensors have been mounted on them to improve the parameter estimation. This feature is fundamental for real industrial applications. Usually, such experiments are generally performed on a single robot. However, in this thesis work, the data coming from two industrial robots (two replicas of the same model) has been used to verify the repeatability of the results. This is an important aspect to ensure the robustness of the model identification procedures, especially in the case of real industrial applications. The results of the comparison can be used to ensure improvements in production and machine maintenance. In summary, the thesis deals with the analysis of Industrial robots’ dynamics modeling and calibration. A set of novel and effective strategies for dynamics parameters estimation has been detailed as well. The dynamics models calibrated using the proposed approaches provide high performance in the prediction of motor torques, also taking into account the variation of friction caused by temperature. The effectiveness of these calibration techniques has been tested on two industrial robots to verify their robustness and repeatability.

L’utilizzo di manipolatori industriali viene ormai sempre più considerato una valida alternativa all’impiego dei classici CNC. Uno dei principali vantaggi dati dall’impiego di un robot rispetto ad un CNC, è la possibilità di sostenere ridotti costi d’acquisto pur mantenendo elevati volumi di produzione. Nonostante l’evidente diffusione di questi manipolatori industriali, le loro prestazioni presentano ancora delle lacune. I problemi da affrontare in questo campo sono infatti molteplici e spaziano dalla compensazione di inaccuratezze cinematiche (calibrazione cinematica), al miglioramento delle performance dinamiche (calibrazione dinamica), fino a sfociare nella valutazione dell’influenza del processo tecnologico sulla struttura del robot, ad esempio la possibilità di riscontrare danni causati da agenti esterni, come in caso di elevate temperature. All’interno di tale contesto, questa tesi si prefigge l’obiettivo di introdurre e investigare nuove tecniche per la calibrazione di modelli dinamici. Partendo dalla descrizione dello stato dell’arte in ambito della modellazione dinamica, questo lavoro si è preposto di sviluppare un modello dinamico a corpi rigidi, con particolare attenzione agli effetti termici e la relativa variazione del fenomeno d’attrito. La scelta di attribuire particolare attenzione alla modellizzazione dell’attrito è motivata dal fatto che la compensazione dell’attrito è essenziale al fine di ottenere miglioramenti significativi nelle prestazioni dei sistemi meccatronici. Siccome i modelli di attrito più comuni non tengono in considerazione il riscaldamento della macchina durante il funzionamento, per migliorare la stima dell’attrito durante le ore di lavoro delle macchine sono stati sviluppati dei modelli termici di attrito. Nella tesi viene introdotta un’innovativa procedura per la calibrazione di modelli a corpi rigidi che passa per la definizione di traiettorie di identificazione/eccitazione ottime. Gli algoritmi di calibrazione e i relativi set di parametri dinamici stimati sperimentalmente sono inoltre stati validati attraverso prove pratiche su robot industriali. Le procedure che sono state sviluppate in questa tesi utilizzano soltanto sensori e controllori che sono già presenti sulla macchina per il suo normale funzionamento. Nessun sensore è stato montato per ottenere migliorie nella stima dei parametri: questa caratteristica potrebbe far si che tali soluzioni vengano applicate a livello industriale. Mentre esperimenti di questo tipo sono generalmente effettuati su un singolo robot, in questa tesi sono stati analizzati dati provenienti da due robot industriali (due repliche dello stesso modello) per verificare la ripetibilità dei risultati. Questo è un altro importante aspetto per garantire la robustezza delle procedure di identificazione del modello in caso di implementazione in applicazioni industriali. I risultati del confronto possono essere utilizzati per garantire miglioramenti a livello di produzione e nella manutenzione delle macchine. In conclusione, la tesi affronta l’analisi della modellazione e della calibrazione dinamica di manipolatori industriali. Vengono inoltre introdotte nuove ed efficaci strategie per la stima dei parametri del modello dinamico. I modelli calibrati sono quindi in grado di fornire elevate prestazioni in termini di accuratezza nella previsione delle coppie dei motori, tenendo inoltre in considerazione la variazione dell’attrito in base alla temperatura. L’efficacia di tali tecniche di calibrazione è stata provata su due robot industriali con l’obiettivo di verificarne la ripetibilità e la robustezza.

MODELLIZZAZIONE DINAMICA E PROCEDURE SPERIMENTALI INNOVATIVE PER MANIPOLATORI INDUSTRIALI / Pagani, Roberto. - (2022 Mar 24).

MODELLIZZAZIONE DINAMICA E PROCEDURE SPERIMENTALI INNOVATIVE PER MANIPOLATORI INDUSTRIALI

PAGANI, ROBERTO
2022-03-24

Abstract

L’utilizzo di manipolatori industriali viene ormai sempre più considerato una valida alternativa all’impiego dei classici CNC. Uno dei principali vantaggi dati dall’impiego di un robot rispetto ad un CNC, è la possibilità di sostenere ridotti costi d’acquisto pur mantenendo elevati volumi di produzione. Nonostante l’evidente diffusione di questi manipolatori industriali, le loro prestazioni presentano ancora delle lacune. I problemi da affrontare in questo campo sono infatti molteplici e spaziano dalla compensazione di inaccuratezze cinematiche (calibrazione cinematica), al miglioramento delle performance dinamiche (calibrazione dinamica), fino a sfociare nella valutazione dell’influenza del processo tecnologico sulla struttura del robot, ad esempio la possibilità di riscontrare danni causati da agenti esterni, come in caso di elevate temperature. All’interno di tale contesto, questa tesi si prefigge l’obiettivo di introdurre e investigare nuove tecniche per la calibrazione di modelli dinamici. Partendo dalla descrizione dello stato dell’arte in ambito della modellazione dinamica, questo lavoro si è preposto di sviluppare un modello dinamico a corpi rigidi, con particolare attenzione agli effetti termici e la relativa variazione del fenomeno d’attrito. La scelta di attribuire particolare attenzione alla modellizzazione dell’attrito è motivata dal fatto che la compensazione dell’attrito è essenziale al fine di ottenere miglioramenti significativi nelle prestazioni dei sistemi meccatronici. Siccome i modelli di attrito più comuni non tengono in considerazione il riscaldamento della macchina durante il funzionamento, per migliorare la stima dell’attrito durante le ore di lavoro delle macchine sono stati sviluppati dei modelli termici di attrito. Nella tesi viene introdotta un’innovativa procedura per la calibrazione di modelli a corpi rigidi che passa per la definizione di traiettorie di identificazione/eccitazione ottime. Gli algoritmi di calibrazione e i relativi set di parametri dinamici stimati sperimentalmente sono inoltre stati validati attraverso prove pratiche su robot industriali. Le procedure che sono state sviluppate in questa tesi utilizzano soltanto sensori e controllori che sono già presenti sulla macchina per il suo normale funzionamento. Nessun sensore è stato montato per ottenere migliorie nella stima dei parametri: questa caratteristica potrebbe far si che tali soluzioni vengano applicate a livello industriale. Mentre esperimenti di questo tipo sono generalmente effettuati su un singolo robot, in questa tesi sono stati analizzati dati provenienti da due robot industriali (due repliche dello stesso modello) per verificare la ripetibilità dei risultati. Questo è un altro importante aspetto per garantire la robustezza delle procedure di identificazione del modello in caso di implementazione in applicazioni industriali. I risultati del confronto possono essere utilizzati per garantire miglioramenti a livello di produzione e nella manutenzione delle macchine. In conclusione, la tesi affronta l’analisi della modellazione e della calibrazione dinamica di manipolatori industriali. Vengono inoltre introdotte nuove ed efficaci strategie per la stima dei parametri del modello dinamico. I modelli calibrati sono quindi in grado di fornire elevate prestazioni in termini di accuratezza nella previsione delle coppie dei motori, tenendo inoltre in considerazione la variazione dell’attrito in base alla temperatura. L’efficacia di tali tecniche di calibrazione è stata provata su due robot industriali con l’obiettivo di verificarne la ripetibilità e la robustezza.
Nowadays, industrial robot manipulators (IRs) are considered an immediate feasible alternative to CNC machines. One of the main advantages is the possibility to reduce costs while maintaining high production volumes. Despite the evident diffusion of these industrial manipulators, their adoption possesses some difficulties reducing their performance. These issues span from the compensation of kinematics inaccuracies (kinematics calibration) to the improvement of dynamics performances (dynamics calibration). The influence of the technological production process on the robot structure may also have an impact; consequently, external agents such as temperature must be considered. Hence, this thesis proposes and investigates new techniques for the calibration of dynamics model. Starting from the description of the state-of-the-art in dynamics modeling, this work aims to develop a rigid-body dynamic model with particular attention to the variation of friction due to thermal effects. This choice has been motivated by the fact that friction compensation is essential to improve the robot’s positioning precision. Thus, by considering that the most common friction models do not take into account the heating of the speed reducers during the motion tasks, to improve high precision positioning performance of mechatronic systems the development of new friction models that are based on temperature estimation has been performed. In this thesis, a novel procedure for calibrating rigid-body models through the definition of optimal identification/excitation trajectories is presented. The calibration algorithms and their experimentally estimated dynamics parameters set have also been validated through some experiments conducted on industrial robots. The procedures that have been developed in this thesis only adopt sensors and controllers that are already installed on the machines. No external sensors have been mounted on them to improve the parameter estimation. This feature is fundamental for real industrial applications. Usually, such experiments are generally performed on a single robot. However, in this thesis work, the data coming from two industrial robots (two replicas of the same model) has been used to verify the repeatability of the results. This is an important aspect to ensure the robustness of the model identification procedures, especially in the case of real industrial applications. The results of the comparison can be used to ensure improvements in production and machine maintenance. In summary, the thesis deals with the analysis of Industrial robots’ dynamics modeling and calibration. A set of novel and effective strategies for dynamics parameters estimation has been detailed as well. The dynamics models calibrated using the proposed approaches provide high performance in the prediction of motor torques, also taking into account the variation of friction caused by temperature. The effectiveness of these calibration techniques has been tested on two industrial robots to verify their robustness and repeatability.
MODELLIZZAZIONE DINAMICA E PROCEDURE SPERIMENTALI INNOVATIVE PER MANIPOLATORI INDUSTRIALI / Pagani, Roberto. - (2022 Mar 24).
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Descrizione: TESI
Tipologia: Tesi di dottorato
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/11379/555157
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