Development of a Versatile Exploration and Optimization Tool for the Conceptual Design of Serial Robot Manipulators

Les manipulateurs robotiques sont au coeur d’un large éventail d’applications, allant des tâches de soudage industriel aux interventions chirurgicales de précision. Face à la demande croissante d’applications innovantes, les entreprises de robotique doivent adapter leur processus de conception afin d’évaluer efficacement les nouveaux concepts et les compromis en matière de performances. Constatant le manque d’efficacité des premières étapes de la conception, cette thèse présente le développement d’un outil polyvalent conçu pour optimiser et explorer la conception préliminaire des manipulateurs robotiques à chaîne cinématique ouverte. Une analyse approfondie de la littérature a révélé les principales limites des méthodologies existantes, notamment en ce qui concerne la généralisabilité des modèles, la polyvalence des applications possibles et la flexibilité algorithmique. Cette étude vise donc à relever ces défis en introduisant un outil complet intégrant à la fois des approches de conception directe et inverse, permettant une évaluation efficace de concepts de manipulateurs robotiques. La méthodologie développée dans ce mémoire de maîtrise utilise un modèle de manipulateur intégrant des composants cinématiques, dynamiques, structurels et d’actionnement. Le modèle cinématique utilise la convention des séquences de transformation élémentaires pour l’interprétabilité, tandis que les modèles dynamiques et structurels proposent des représentations simplifiées des propriétés des membrures. Les actionneurs, représentés par un moteur et un réducteur, sont utilisés pour dériver trois modèles de limites de performance à des fins d’évaluation différentes. Un module de cinématique inverse optimisé est également inclus, guidant la sélection de la configuration des joints avec l’optimisation d’un objectif secondaire. L’outil comprend un ensemble de fonctions d’évaluation de critères de performances développées suite à une études des indicateurs fréquemment mentionnés dans la littérature et les fiches techniques commerciales. Ces fonctions englobent des critères d’évaluation globaux, ainsi que des indicateurs spécifiques à des cas d’utilisation, définis par des positions dans l’espace ou des chemins ou trajectoires à suivre. Une nouvelle application des méthodes d’optimisation est proposée pour dériver des indices de performance locaux globalisés en identifiant les configurations articulaires critiques. L’efficacité des fonctions d’évaluation est démontrée à travers l’analyse d’un modèle du robot collaboratif Kinova GEN3, les évaluations nécessitant généralement moins de deux minutes. Le module de conception inverse intègre un ensemble de variables de conception, notamment des paramètres cinématiques et des configurations d’actionneurs, ce qui lui permet de s’adapter à diverses applications robotiques.

Abstract

Robotic manipulators are at the heart of a wide range of applications, ranging from industrial welding tasks, to precise medical surgeries. As the demand increases for innovative applications, robotics companies must adapt the design process to efficiently evaluate novel concepts and performance trade-offs. In observation of the lack of efficiency in the early stages of design, this thesis presents the development of a versatile framework designed to optimize and explore the conceptual design of serial robot manipulators. A thorough literature review revealed key limitations in existing methodologies, particularly concerning model generalizability, versatility in possible applications, and algorithmic flexibility. Thus, this study aims to address these challenges by introducing a comprehensive tool that integrates both direct and inverse design approaches, enabling the efficient evaluation of manipulator concepts. The framework proposed in this master’s thesis uses a manipulator model incorporating kinematic, dynamic, structural, and actuator components. The kinematic model uses Elementary Transform Sequences for interpretability, while the dynamic and structural models offer simplified representations of link properties. The actuators are represented with their motor and reducer components and three performance limit models are derived for different evaluation purposes. An optimized inverse kinematics module is also included, guiding configuration selection with the optimization of a secondary objective. The framework includes a set of performance evaluation functions based on the literature and commercial data-sheets. These functions encompass criteria for both global and task-specific performance evaluation over position, path, and trajectory-based tasks. A novel application of optimization methods is proposed to derive globalized local performance indices by identifying critical joint configurations. The efficiency of the evaluation functions is demonstrated on a model of the Kinova GEN3 collaborative robot, with evaluations typically requiring less than two minutes. The inverse design framework incorporates an extensive array of design variables, including kinematic parameters and actuator configurations, allowing it to accommodate several robotic applications. A selection of widely used optimization algorithms from the literature is implemented to leverage their respective strengths across different design problems. The tool’s flexibility allows engineers to tailor optimization problems using either global or taskspecific performance criteria, overcoming traditional limitations seen in other frameworks.