Multiobjective Optimization of Parallel Robots and Optimal Path Placement
Opimisation multi-objectif de robots parallèles et placement optimale de trajectoires
Résumé
Parallel Kinematics Machines (PKMs) have attracted attention for their high speed, good accuracy, low mass/inertia properties and high structural stiffness.They are attractive for the innovative machine-tool architectures. However, practicalutilizations for the potential benefits require an extensive and efficient analysis of their structure, kinematics and dynamics. Conventional design techniques may be used for a trivial design of PKMs with a limited capability of considering the performance measures and constraints. A multiobjective optimization approach, on the other hand, can be used to consider a set of optimal trade-off solutions (called Pareto set) between the conflicting design objectives, to better understand the complex design problems. Three separate but inter-linked design optimization issues of parallel manipulators are addressed in this dissertation. Firstly, a multiobjective optimization problem is proposed for the dimensional synthesis of parallel manipulators, in order to determine their optimum structural and geometric parameters. The proposed approach is applied to the optimum design of a three-degree-of-freedom planar parallel manipulator. Secondly, the issue of the actuators selection based on the kinematic and dynamic models of the manipulators is discussed. The process focuses on the kinematic and dynamic analysis of the Orthoglide 5-axis, a spatial PKM developed for high speed operations. The analysis is carried out firstly for the 2-DOF spherical wrist of the Orthoglide 5-axis and then for the 3-DOF translational parallel manipulator, the Orthoglide 3-axis. Some test trajectories are used to analyze the results and a procedure for motors selection is proposed. The last part deals with the optimal path placement of parallel manipulators. Mono- and multi-objective path placement optimization problems for PKMs based on energy consumption, actuators torques and shaking forces are introduced. Accordingly, a methodology is provided to determine the optimal location of a given test path withinthe workspace of a PKM to optimize some objective functions subject to the geometric, kinematic and dynamic constraints of the PKM. The proposed methodology is applied to the Orthoglide 3-axis as an illustrative example.
Les machines à cinématique parallèle (PKMs en anglais) attirent l'attention de nombreux chercheurs puisqu elles présentent notamment les avantages suivants :vitesses élevées, bonne précision, faibles inerties et raideur structurelle élevée. Plusieurs machines outils d architecture innovante sont présentées dans la littérature mais leur utilisation nécessite une analyse approfondie de leurs structure, cinématique et dynamique. Les techniques habituelles de conception peuvent être utilisées pour la conception des PKMs en considérant de manière sommaire des contraintes cinématiques. Un ensemble de solutions non-dominées, appelé ensemble de solutions Pareto optimales, peut être obtenu au moyen de la résolution d un problème d optimisation multi-objectif dans lequel les fonctions objectives sont généralement antagonistes. Cela nous permet également de mieux cerner les problèmes de conception complexes. Trois parties distinctes avec comme fil directeur l optimisation de manipulateurs parallèles sont présentées dans cette thèse. La première partie présente un problème d'optimisation multi-objectif pour la synthèse dimensionnelle de manipulateurs parallèles. Il s agit de déterminer les paramètres géométriques et structuraux optimaux. L'approche proposée est appliquée à la conception optimale d un manipulateur parallèle planaire à trois degrés de liberté. La deuxième partie illustre une méthodologie pour le choix des actionneurs de manipulateurs parallèles à l aide de leurs modèles cinématique et dynamique. Ce travail est réalisé sur la base de l'analyse cinématique et dynamique de l'Orthoglide 5-axes, une machine d architecture parallèle spatiale dédiée aux opérations d usinage à grande vitesse conçue à l IRCCyN. L'analyse est effectuée dans un premier temps pour le poignet sphérique à deux degrés de liberté (ddl) del'Orthoglide 5 axes et ensuite pour le module parallèle de translation, l Orthoglide 3-axes. Des trajectoires test sont utilisées pour analyser les résultats et une procédure de sélection des moteurs est proposée. La troisième partie de ce mémoire porte sur le placement optimal de trajectoires pour un manipulateur parallèle. Deux problèmes d optimisation mono et multi-objectifs sont ainsi formulés. Les fonctions objectives de ces problèmes sont : la consommation d'énergie, les couples actionneurs et les sollicitations dynamiques. Une méthode est proposée pourdéterminer le placement optimal d une trajectoire dans l'espace de travail d'une PKM afin d'optimiser les fonctions objectives précédentes soumises à des contraintes géométriques, cinématiques et dynamiques. La méthodologie proposée est appliquée à l'Orthoglide 3-axes à titre d'exemple
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