chapitre 0 (non vu en cours) : rappels sur la robotique

Chapitre 0 : Généralités sur la robotique

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Historique de la robotique

• Étymologie : le mot tchèque robota (travail). • Définition : un robot est un système mécanique

polyarticulé mû par des actionneurs et commandé par un calculateur qui est destiné à effectuer une grande variété de tâches.

• Historique : – 1947 : premier manipulateur électrique téléopéré. – 1954 : premier robot programmable. – 1961 : apparition d'un robot sur une chaîne de montage de General Motors. – 1961 : premier robot avec contrôle en effort. – 1963 : utilisation de la vision pour commander un robot.

• 6 Classes de robots selon la JIRA (Japan Industrial Robot Association)

Unimate

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Disciplines de la robotique

• Mécanique : conception, réalisation, modélisation des robots.

• Electronique : mise en place de composants pour les robots, (télé)communications

• Informatique : création de programmes destinés à la gestion du transfert d’information entre les différents composants du robot.

• Automatique : commande, calibrage des capteurs, des effecteurs, identification des paramètres

• Traitement du signal : analyse des informations enregistrées par les capteurs du robot.

• Mathématiques : modèles mathématiques pour la prise de décision ou/et l’apprentissage, calcul de trajectoires, localisation, planification.

• Sciences cognitives : interactions homme-machine, machine-machine, prise de décision.

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Différentes structures de robots

• Deux structures principales : – Robots manipulateurs : robots à base fixe permettant

de manipuler des objets – Robots mobiles : robots permettant de se déplacer.

Parfois ils transportent sur leur plateforme un robot manipulateur.

• Eléments de technologie : – Actionneurs – Guidage et transmission – Capteurs – Interfaçage avec un contrôleur

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Vocabulaire

• Effecteur = outil

• Organe terminal = dernier corps mobile

• Axe = articulation

• Corps

• Base = corps fixe

POIGNET

PORTEUR

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Vocabulaire

• Configuration articulaire – Position et orientation des différents corps du robots

les uns par rapport aux autres

• Configuration opérationnelle – Position et orientation du corps terminal par rapport

au corps de base (indépendamment des autres corps)

• En général, pas de bijection – existence de modes d’assemblage, redondance.

– distinguer le nombre d’axes et le nombre de degrés de liberté de l’effecteur (DDL)

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Paramétrage articulaire

i0

j0

j1

i1

q1

j2

i2

q2 j3 i3

q3

• on attache un repère à chaque corps • on définit un angle entre les axes des repères

successifs • on regroupe 3 angles dans un vecteur des

paramètres articulaires q.

qT

q q q1 2 3

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Paramétrage opérationnel

O0 i0

j0

xT

x y

iT

jT OT

x

y

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Modèle géométrique direct

i0

j0

j1

i1

j2

i2

j3 i3

q1

q2

q3

l1

l2 l3

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Modèle géométrique inverse

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Nb d’axes vs nb de DDL de l’effecteur

• Soit un robot possédant n axes.

• Le nombre de DDL maximal pour l’effecteur est : mmax= inf(n,6)

• Singularité : lorsque le nombre m de DDL de l’effecteur est inférieur à mmax.

– Singularité permanente = jamais m n’atteint mmax.

– Configuration singulière = m vaut mmax en général, mais pas dans certaines configurations.

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Modélisation cinématique

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Caractérisation des robots manipulateurs

• Description de la cinématique

– Nombre d’axes (nombres d’actionneurs commandés)

– Nombre de degrés de liberté de l’effecteur (classe des déplacements engendrés)

– Structure du robot

– Schéma cinématique

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Les robots SCARA

• SCARA : Selective Compliance Assembly Robot Arm

• 4 axes (articulations) : – 3 rotations – 1 translation verticale

• Robots très rapides et précis • Plutôt bon marché • Usage limité aux applications

quasi plane (mouvements dans la plan horizontal + une translation verticale)

www.adept.com

www.sankyoseiki.co.jp/fa/index-e.html

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Les robots cylindriques

• Coordonnées cylindriques

• 3 axes (articulations) : – 1 translation verticale

– 1 rotation d’axe vertical

– 1 translation horizontale

• Robots très rapides

Robot cylindrique SEIKO

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Les robots sphériques

• Coordonnées sphériques

• 3 axes (articulations) :

– 1 rotation d’axe vertical

– 1 rotation d’axe horizontal

– 1 translation

Robot sphérique FANUC

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Les robots à parallélogramme

• Rigidité à moindre masse

• Actionneurs près de la base

http://www.snmi.com/robots.htm

http://st12.yahoo.com/rfa/index

.html

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Les robots 6 axes anthropomorphes

• Par rapport aux robots à parallélogramme :

– plus léger

– plus dextre

– moins rigide

– plus grand domaine accessible

– moins de charge utile

http://st12.yahoo.com/rfa/index.html

Stäubli

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Les robots cartésiens

• Constitués uniquement d’axes en translation :

• axes perpendiculaires 2 à 2.

• commande simplifiée.

• possibilité d’insérer un poignet pour ajouter des d.d.l. en rotation.

• série : faible rigidité.

• portique : grand encombrement.

• guidage et mesure de précision.

Toshiba

LSIIT / GRAViR

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Les robots parallèles

• Plusieurs chaînes cinématiques en parallèle

• grande rigidité. • légers et rapides (moteurs sur base

fixe) • Efforts importants • petit espace de travail

COMAU

Simulateur de vol

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Les robots redondants

• nombre d’axes n > nombre de degrés de liberté de l’effecteur

• grande maniabilité.

• infinité de configurations articulaires pour une même position de l ’effecteur

• commande complexe.

• applications avancées

Kuka LWR

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• Volume accessible – Volume de travail du robot, difficile à représenter pour 6DDL

– Il dépend de : la cinématique du robot, la longueur des segments, les butées articulaires

– Graphiquement, on donne le volume accessible d’un point (centre outil, centre poignet) pour au moins une orientation

SCARA Sphérique Cylindrique Cartésien Anthrop.

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• Précision du positionnement – Le positionnement du robot est soumis à de nombreuses erreurs : erreurs de mesure

(quantification, erreurs sur le zéro), jeux, flexibilités, erreurs dans la modélisation géométrique du robot (longueurs, …)

– Le positionnement absolu est en général mauvais (un à plusieurs millimètres).

– La répétabilité est bien meilleure (d’un ordre au moins): c’est la précision de reproduction d’un mouvement répété plusieurs fois avec la même charge. C’est le paramètre adapté lorsque l’on considère des cycles répétitifs avec une programmation par apprentissage

• Performances dynamiques – Vitesse maximale :

• seule la vitesse maximale au niveau des articulations a un sens. • les constructeurs donnent souvent la vitesse maximale en bout de bras, dans la configuration la

plus favorable.

– Capacités d ’accélération • Déterminées à partir des couples nominaux des moteurs et du modèle dynamique du robot.

• Dépendent de la charge et de la configuration.

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• Charge utile – C ’est la charge maximale telle que les autres performances du robot

(précision, vitesse max, …) sont garanties quelle que soit la position

– Très inférieure à la charge maximale que peut porter le robot dans la configuration la plus favorable. La configuration la plus défavorable est en général « bras tendu horizontal ».

– Spécifié par une masse et une distance maximale entre le « centre outil » et le centre de gravité de la charge (influence des moments).

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Robots à roues

• Caractérisés par : – le nombre d’essieux,

– le nombre de roues,

– le type de roues,

– articulations entre les essieux,

et la mobilité qui en résulte.

• Deux grandes catégories : – Robots omnidirectionnels,

– Robots non holonomes

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Robot “unicycle”

• Un seul essieu, deux roues motrices indépendantes.

• La stabilité de la plateforme est assurée en général par des roues folles (ou des appuis glissants).

Robot Epuck utilisé en TP

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Non-holonomie

• Contrainte holonome = équation algébrique liant les variables d’état.

• Concrètement, ici, x, y et q ne varient pas de façon indépendante.

• Conséquence : la plateforme peut aller n’importe où, mais pas par n’importe quel chemin => besoin de planifier (problème du créneau).

(beaucoup d’illustrations de la partie robotique mobile sont empruntées au polycopié de B. Bayle à l’ENSPS : http://eavr.u-strasbg.fr/~bernard/education/ensps_3a/poly_3a.pdf )

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http://eavr.u-strasbg.fr/~bernard/education/ensps_3a/poly_3a.pdf



Modèle cinématique

• Relie les vitesses de commande aux vitesses opérationnelles

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Exemple de robot “unicycle”

• Odométrie = mesure de la rotation des roues pour connaître le déplacement et du robot, par intégration dans le temps, sa position dans le plan.

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Le Segway

• Pas d’autonomie décisionnelle (pas vraiment un robot, mais issu de la robotique)

• Gestion dynamique de l’équilibre (pendule inverse).

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Voitures autonomisées

• 2 ou 4 roues motrices / différentiel • Véhicules existants auxquels on ajoute des organes de

commande et des capteurs. • Voir le challenge DARPA.

•

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Robots omnidirectionnels

• Comme leur nom l’indique, …

• Roues suédoises : peuvent « glisser » latéralement.

• Problème : odométrie.

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Robots tous-terrains à essieux articulés

• Exemple : Roburoc 6 (ISIR – Robosoft).

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Autres formes de robots mobiles

• Robots à pattes :

– Caractérisés d’abord par le nombre de pattes.

– Allures statiques vs allures dynamiques.

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Robots humanoïdes

• Robots mobiles à 2 pattes avec des capacités de manipulation

• Interactivité

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Actionneurs utilisés en robotique de manipulation.

Moteurs électriques : Le plus simple est aussi celui qui, historiquement, a

équipé les premiers robots industriels : le moteur à courant continu.

Il est aussi celui qui permet un meilleur contrôle du couple (par d’ondulation).

Ventilateur

Induit bobiné Inducteur

Balais

Collecteur

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Moteurs CC sans balais (brushless)

La quasi totalité des robots industriels actuels utilise des moteurs brushless. Leur commande est plus complexe mais ils ont un meilleur rapport poids/puissance.

Principes généraux : • L’aimant est le rotor (d’où l’absence

de balais). • Le stator est constitué de plusieurs

bobines que l’on alimente avec des tensions déphasées de façon à faire tourner le champ.

• Les champs ayant tendance à s’aligner, le rotor tourne de façon synchrone avec la vitesse de rotation du champ statorique.

• Le couple est proportionnel au courant.

Documentation Faulhaber

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Actionneurs hydrauliques

Excellent rapport poids puissance mais comportement très non linéaire.

S’utilise en montage direct, sans transmission

Ces actionneurs sont utilisés pour des robots en général assez peu précis, mais avec des capacités de charge très élevées.

Certaines servo-valves fonctionnent en débit (vitesse), d’autres en pression (couple/force).

BPBP

distributeur

D

qB

qA

A B

Vérin

Vanne de

surpression

AccumulateurHP

x > 0

y > 0

Pompe

Réservoir

BPBP

distributeur

D

qB

qA

A B

Vérin

Vanne de

surpression

AccumulateurHP

x > 0

y > 0

Pompe

Réservoir

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Guidage et transmission

• Guidage = ce qui sert à contraindre le mouvement d’une pièce à une autre.

• Transmission = ce qui sert à transmettre la puissance mécanique de l’actionneur à la charge qu’il anime.

• Fonctions DISTINCTES

• Robot avec guidage et sans transmission = les corps du robot sont articulés mais le robot est passif, il n’a pas de capacités de se mouvoir.

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Les problèmes du guidage

• Précision (jeu, déformations).

• Frottements que l’on peut limiter – En diminuant le coefficient de frottement des

pièces qui glissent les unes sur les autres (choix des matériaux, états de surface, lubrification)

– En évitant le glissement et en privilégiant le roulement sans glissement

• Résistance aux charges selon les directions perpendiculaires aux mouvements.

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Roulements

• Pour assurer la rotation d’un arbre.

• Jamais seul.

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De très nombreuses variantes

• Roulements à billes, à rouleaux, à aiguilles, à rotule, butées à billes, etc.etc.

Palier auto-aligneur Combinaison butée à billes et roulement à aiguilles

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Guidages linéaires

• Pour des mouvements de translation.

• Mêmes principes de diminution des frottements.

• Rails de guidage lisses ou à billes

• Problèmes de porte-à-faux.

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Principe général d’une transmission mécanique

Un moteur électrique tourne « rapidement » et produit un couple « faible » (en comparaison de ce qui est utile pour engendrer les mouvements d’un robot)

On connecte donc en général le moteur au corps du robot à travers un organe de transmission, qu’on appelle réducteur.

Principe : La vitesse est divisée par N :

Le couple est multiplié par N :

N est le rapport de réduction

Ceci suppose bien sûr que la transmission ne dissipe pas de puissance.

1s mq q

N

s mN

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Pignons et courroies

+ : simplicité de mise en œuvre, peu de jeu, bonne réversibilité, miniaturisation

- : N assez petit, élasticité. 48/125

Engrenages (1)

+ : chaînage et montage simples, très couramment utilisés. - : compromis difficile entre jeu et pertes d’énergie par frottements, mauvaise

réversibilité, encombrement (donc poids), peu de dents en contact en même temps (limite la charge)

Engrenages cylindriques droits : A : externes, B : internes, C : pignon/crémaillère

A B C

Engrenages hélicoïdaux : A : arbres parallèles, B : arbres perpendiculaires,

A B

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Engrenages (2)

+ : compacité, coaxialité, grand rapport de réduction. - : fabrication complexe, frottements élevés (ou jeu important), très mauvaise

réversibilité.

Engrenages coniques : A : droits (90°), B : angle quelconque.

A B

Trains planétaires ou épicycloïdaux

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Transmission rotation translation par vis à bille

Principe = liaison vis-écrou, avec des billes au niveau du filetage pour limiter les frottements.

pas de jeu, réversibilité correcte (selon les modèles).

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Transmission à câbles

• Peu de frottements – très bonne transmission des efforts – bonne réversibilité.

• Montage complexe (performance dépendante du montage).

• Effet de la tension sur les guidages.

• Vieillissement.

• Faible rapport de réduction.

Plusieurs tours sur l’arbre moteur

Poulies pour l’alignement / la tension des câbles

Arbre de sortie 52/125

Exemple d’une transmission à câble sur le robot WAM (Makoplasty)

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²

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Codeurs optiques

Lorsque l’arbre tourne, le phototransistor produit un signal carré (après mise en forme) :

La mesure de position consiste alors à compter les impulsions.

LED

phototransistor

Étrier fixe

Arbre mobile

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Codeurs optiques incrémentaux

Deux voies (A et B) sont gravées, avec décalage de 1/4 de période.

Sur chaque voie, 1 phototransistor

Signaux délivrés :

Top tour : voie supplémentaire avec une seule encoche

A

B

Le déphasage entre A et B permet de déterminer le sens de rotation (bascule D)

C La voie C n’est utilisée que pour l’initialisation de la mesure

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Codeurs optiques incrémentaux

http://www.heidenhain.fr/

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Codeurs optiques absolus

Codeur optique absolu Principe de comptage

Pb : pour un même encombrement, la résolution est réduite par rapport à un codeur incrémental.

Nombre de fils importants (non négligeable en robotique).

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Principe général B

US

de

co

mm

un

icat

ion

CPU

Carte(s) de sortie

Carte(s) d’entrée

Mise en forme

E/S logiques

Mise en forme Ampl. Puiss.

Actionneurs

Capteurs articulaires

Amplification de puissance

Butées, validations, …

Contrôleur Interface Robot 60/125

Amplification de puissance

Rôles : – Amplifier la puissance des signaux électriques de

sortie du contrôleur numérique. Exemple : une sortie analogique +-10V, 50mA (0,5 W maxi)

ne peut alimenter un moteur électrique 10V-3A maxi (30 W).

– Réaliser un asservissement de bas niveau permettant de : Sécuriser le fonctionnement de l’actionneur.

Linéariser le comportement de l’actionneur / de l’axe.

Accéder depuis le contrôleur numérique à une grandeur particulière de commande.

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Cartes d’entrée/sortie Servent à la connexion entre le calculateur numérique et le

robot.

Sont placées sur un bus de données (bus ISA sur les anciens PC, bus PCI sur les PC récents, bus industriels : VME par exemple).

Sont identifiées par une adresse (ISA) ou un identificateur (PCI - cartes reconnues au boot).

Sont accessibles par un pilote (driver) fourni avec la carte, qui n’est rien d’autre qu’une bibliothèque de fonctions du type: SortieAnalogique(double valeur, int adr_carte, int num_voie);

LectureCodeur(int* valeur_lue, int adr_carte, int num_voie);

Souvent, une fonction de sortie écrit la valeur à envoyer dans une case mémoire 1 de la carte, puis écrit dans une case 2 un code particulier qui déclenche la production de la sortie

Souvent, une fonction d’entrée écrit dans une case mémoire 3 un code particulier qui provoque l’acquisition et la copie de la valeur à acquérir dans une case mémoire 4, puis procède à la lecture de la case mémoire 4.

Certaines fonctions d’entrée sont bloquantes, donc à utiliser avec précaution dans le contexte temps réel.

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Cartes d’axe

Parfois, les fonctions d’interfaçage entrée/sortie sont réalisées par une même carte, qui comporte aussi un microcontrôleur. Celui-ci est utilisé pour l’asservissement de la vitesse et/ou de la position de l’axe. On parle alors de carte d’axe.

Depuis la CPU, on peut alors : Utiliser la carte d’axe en mode transparent, comme

une carte d’entrée et de sortie. Utiliser la carte d’axe en mode asservissement.

Une carte d’axe permet de libérer la CPU des calculs de bas niveau.

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chapitre 0 (non vu en cours) : rappels sur la robotique

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