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Theses Year : 2019

Design of high-speed robots with drastically reduced energy consumption

Conception des robots rapides à consommation énergétique drastiquement réduite

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Abstract

It is well-known that one of the most representative future challenges in industrial robotics, is to increase the energy efficiency of robot manipulators. In industrial applications, such as high-speed pick-and-place operations, the accuracy is typically the most important criteria to measure the robot performance. Nevertheless, the design trends to operate at high speeds are shifting to the design of robots, which are not only accurate, but also they can perform in an energy-efficient way. This thesis proposes an actuation principle for reducing the energy consumption of high-speed robots by placing variable stiffness springs (VSS) in parallel to the motors that actuate the links of a high-speed robot. The main idea is to smartly tune online the force/displacement relation of the VSS, associated to the VSS stiffness, so that the robot is put in near a resonance mode, thus considerably decreasing the energy consumption during fast pseudoperiodic pick-and-place motions. By adding a spring with controllable stiffness in parallel to the robot actuated links, two performances are achieved: i) direct power connection between the motor and the robot links, thus ensuring accuracy at high-speeds; ii) control of the stored potential energy to be released per cycle of the pick-and-place motion, thus exploiting the robot natural dynamics at highspeeds, and therefore reducing the energy consumption. The experimental results of the suggested approach on an industrial-sized prototype show the drastic reduction of energy consumption for fast quasi-periodic pick-and-place-like motions.
Il est bien connu qu'un des plus importants défis de la robotique industrielle est d'augmenter l'efficacité énergétique des robots manipulateurs. Dans les applications industrielles, telles que les opérations de prise et dépose à grande vitesse, la précision est généralement le critère le plus important pour mesurer les performances du robot. Cependant, les méthodes de conception des robots rapides ont évolué vers la conception des robots, pas seulement précis, mais également performants sur le plan énergétique. Cette thèse propose un principe d'actionnement pour réduire la consommation d'énergie des robots à grande vitesse en plaçant des ressorts à raideur variable en parallèle des actionneurs d'un robot rapide. L'idée est de régler la raideur de ces ressorts à l'aide d'autres actionneurs afin de mettre le robot à proximité de modes de résonance lors de son déplacement (les trajectoires de prise et dépose étant pseudo-oscillantes). En ajoutant un ressort à raideur variable en parallèle des liaisons actionnées par le robot, deux performances sont obtenues: i) la connexion directe entre les liaisons du moteur et du robot, garantissant ainsi la précision à grande vitesse, et ii) le contrôle de l'énergie potentielle stockée à libérer par cycle du mouvement de prise et dépose, exploitant ainsi la dynamique naturelle du robot à hautes vitesses et réduisant la consommation d'énergie. Les résultats expérimentaux de l'approche suggérée sur un prototype de taille industrielle montrent la réduction drastique de la consommation d’énergie pour des mouvements rapides pseudo-oscillants.
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Dates and versions

tel-02932456 , version 1 (07-09-2020)

Identifiers

  • HAL Id : tel-02932456 , version 1

Cite

Rafael Balderas Hill. Design of high-speed robots with drastically reduced energy consumption. Automatic. École centrale de Nantes, 2019. English. ⟨NNT : 2019ECDN0028⟩. ⟨tel-02932456⟩
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