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Licence Professionnelle Automatisme et Robotique
Session 2016 - Amiens
Fabio MORBIDI
Laboratoire MISÉquipe Perception et Robotique
Université de Picardie Jules Verne
E-mail: [email protected]
ME 1.1
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2
8 séances ou 30 heures devant l'étudiant
Organisation du cours
Date matin -après midi
CM TD Contrôle Lieu
15 oct. 2015 matin X Promeo
29 oct. 2015 matin X Promeo
10 déc. 2015 matin X X Promeo
11 déc. 2015 matin DS Promeo
28 jan. 2016 matin TP1 Dpt. EEA
11 fév. 2016 matin TP2 Dpt. EEA
10 mar. 2016 matin & a.m. X TP3 Dpt. EEA
Note finale = l’arrondi de 1
2
(DS +
TP1 + TP2 + TP3
3
)Matin: 8h30-12h15, pause 10h15-10h30
Après midi: 13h15-17h00, pause 15h15-15h30
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Plan du cours
• Caractéristiques des robots (charge, volume de travail, répétabilité, masse, coût, etc.)
• Les baies de commandes (structure de base, modes de marche), le pupitre mobile et ses fonctions
• Gammes de robots et secteurs d’activités
• Étude d’une cellule spécifique de soudage par points [TDs]
• Les cartes d’entrées/sorties et communication
• Introduction
• Espace articulaire et opérationnel
• Les différentes systèmes d’axes et repères
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4
• Robotics: Modelling, Planning and Control, B. Siciliano, L. Sciavicco, L. Villani, G. Oriolo, Springer, 1ère éd., 2009, 632 pages (Ch. 1, 2)
• Theory of Robot Control, C. Canudas de Wit, B. Siciliano, G Bastin (éds), Springer, 1996, 392 pages (Ch. 1)
• Introduction to Robotics: Mechanics and Control, J.J. Craig, Pearson Education, 3ème éd., 2008, 408 pages (Ch. 1, 2, 3)
• Robots: Principes et Contrôle, C. Vibet, Ellipses, 1987, 207 pages
• Robotique: Aspects Fondamentaux, J. P. Lallemand, S. Zeghloul, Masson, 1994, 312 pages
Bibliographie
Matériel de cours: http://home.mis.u-picardie.fr/~fabio/Teaching.html
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Robotique: une domaine jeune et pluridisciplinaire !
Mécanique
Electronique Informatique
Automatique
Intelligence artificielle
Physique Mathématiques
Science des Matériaux
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Introduction
Etymologie: mot tchèque robota (travail forcé), dans la pièce de théâtre “Rossum’s Universal Robots” de Karel Capek, 1920
Robotique: terme inventé par l’écrivain de SF Isaac Asimov
Définition 1 (Larousse): “Un robot est un appareil automatique capable de manipuler des objets ou d'exécuter des opérations selon un programme fixe, modifiable ou adaptable”
Définition 2: “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”
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7
1
“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”
Robots ?! 2
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Classification des robots
Les robots mobiles
Robot à roues Robot à jambes
Robot sous-marin
Robot volant (quadrirotor)
Robot serpent (bio-inspiré) Micro-robot volant
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Classification des robots
Nao
Baxter
Asimo
Les robots humanoïdes
ICub www.icub.org
www.aldebaran.com
www.rethinkrobotics.com
http://asimo.honda.com
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◦ Robot semi ou complètement autonome
◦ Robot réalisant des tâches pour les humains … … hormis les opérations de manufacture
Stock de robots de service pour pros: x1.5 en 4 ans* (de 63000 à 112000) - 1er secteur: sécurité/défense
Ventes de robots domestiques: x2 en 4 ans* (de 4.4 millions d’unités à 9.2 millions)
Ventes de robots ludiques: x2.5 en 4 ans* (de 2.8 millions d’unités à 9.5 millions)
*Début 2008 - fin 2012
Classification des robots
Robotique de service
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Classification des robots
Robots ludiques
Aibo
Les robots de service
Wakamaru
Furby
HydroBot
Robomow Roomba
Verro
Nettoyage (planchers, piscines) et manutention (tondeuse)
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Classification des robots
Les robots industriels (robots manipulateurs)
Robots séries
Adept
Robots parallèles
Fanuc
KUKA
Stäubli
ABB
ABB
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Petite note historique:
• 1947 : premier manipulateur électrique téléopéré
• 1954 : premier robot programmable
• 1961 : apparition du 1er robot industriel, Unimate, sur une chaîne de montage de General Motors
• 1961 : premier robot avec contrôle en effort
• 1963 : utilisation de la vision pour commander un robot (asservissement visuel)
Un robot est la combinaison de:
• Composants matériels (mécanique, hardware)
• Composants immatériels (logiciels)
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Modélisation d’un robot
Modélisation d’un robot manipulateur: possible à plusieurs niveaux
Il dépend des spécifications du cahier des charges de l'application envisagée. Il en découle des:
• Modèles géométriques, cinématiques et dynamiques à partir desquels peuvent être engendrés les mouvements du robot
• Modèles statiques qui décrivent les interactions du mécanisme avec son environnement
Composants d’un système robotique
Contrôle
Capteurs
Actionneurs
Robot
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L'obtention de ces différents modèles n'est pas aisée:
• La difficulté varie selon la complexité de la cinématique de la chaîne articulée
• En particulier, entrent en ligne de compte: • Nombre de degrés de liberté (DDL) (ex. 4, 6, 7) • Type des articulations (rotoïde, prismatique) • Type de chaîne: ouverte simple, arborescente ou fermée
Manipulateur de type Gantry
(3 articul. primatiques) Chaîne ouverte simple, 3 DDL
Chaîne fermée
Modélisation d’un robot
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Base
Constituants d’un robot
Actionneur (moteur)
Articulation, liaison ou axe Corps ou
segment Organe terminal, (ou effectuer, outil
ex. pince/préhenseur)
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Support
Constituants d’un robot (term. anglophone)
Joint Link
End-effector (ou tool, gripper)
Actuator (motor)
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Bâti (Corps 0)
Constituants d’un robot
Robot manipulateur = n corps mobiles rigides reliés par n articulations
Corps 1 Corps 2 Corps n-1 Corps n
Articul. 1 Articul. 2 Articul. 3 Articul. n-1 Articul. n
.......
Organe terminal
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Constituants d’un robot
On distingue classiquement quatre parties principales dans un robot manipulateur
1 2
3
4
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Système Mécanique Articulé (S.M.A.) • Un mécanisme ayant une structure plus ou moins proche de celle du bras humain. Il permet de remplacer, ou de prolonger, son action
• Son rôle est d'amener l'organe terminal dans une pose (position et orientation) donnée, selon des caractéristiques de vitesse et d'accélération données
• Son architecture est une chaîne cinématique de corps, généralement rigides (ou supposés comme tels) assemblés par des liaisons appelées articulations
• Sa motorisation est réalisée par des actionneurs électriques, pneumatiques ou hydrauliques qui transmettent leurs mouvements aux articulations par des systèmes appropriés
Constituants d’un robot
- Moteurs électriques plus utilisés: moteurs à courant continu, avec ou sans balais
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Caractéristiques d’un robot
Un robot doit être choisi en fonction de l'application qu'on lui réserve
Voici quelques paramètres à prendre, éventuellement, en compte:
• La charge maximale transportable (de quelques kilos à quelques tonnes), à déterminer dans les conditions
les plus défavorables (c’est-à-dire, en élongation maximale)
• L’architecture du S.M.A.: le choix est guidée par la tâche à réaliser. Par exemple, robots à structure rigide vs robots avec segments et/ou articulations flexibles
• Le volume ou espace de travail (“workspace” en anglais), défini comme l'ensemble des points atteignables par l'organe terminal
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Exemples de volume de travail
Manipulateur cartésien
Manipulateur cylindrique
Manipulateur SCARA
Manipulateur sphérique Manipulateur
anthropomorphe
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Caractéristiques d’un robot
• Le positionnement absolu, défini par une position et une orientation dans l’espace cartésien
• La répétabilité. Ce paramètre caractérise la capacité que le robot a à retourner vers un point (position, orientation) donné. En général, la répétabilité est de l’ordre de 0.1 mm
• La vitesse de déplacement (vitesse maximale en élongation maximale), l’accélération
• La masse du robot
• Le coût du robot (pour petits robots avec charge de quelques kilogrammes, le coût est 10-20 k€)
• La maintenance du robot (difficile pour les robot qui travaillent dans des environnements obstiles/dangereux)
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Exemple: fiche technique d’un robot ABB
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Caractéristiques d’un robot
Articulation rotoïde Il s'agit d'une articulation de type pivot, notée “R”, réduisant le mouvement entre deux corps à une rotation autour d'un axe qui leur est commun
La situation relative entre les deux corps est donnée par l'angle autour de cet axe
Symbole de l’articulation rotoïde
θ
θ
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Caractéristiques d’un robot
Articulation prismatique Il s'agit d'une articulation de type glissière, notée “P”, réduisant le mouvement entre deux corps à une translation le long d'un axe commun
La situation relative entre les deux corps est mesurée par la distance le long de cet axe
Symbole de l’articulation prismatique
d
d
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Caractéristiques d’un robot
Remarque Une articulation complexe, c’est-à-dire avec une mobilité supérieure à 1, peut toujours se ramener à une combinaison d'articulations rotoïde ou prismatique
Degré de liberté (DDL) • Ce terme désigne la capacité d’un système à se mouvoir selon un axe de translation ou de rotation
• En comptant chacun des axes, on obtient le nombre de DDL total du système (sans distinction du type de mouvement réalisable) ce qui renseigne à la fois sur son potentiel et sa complexité
3 axes, série, RRR, 3 DDL
3 axes, série, PPP, 3 DDL
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Caractéristiques d’un robot
D’autres exemples (plus simples)
• Un cube sur un plan a 3 DDL: 2 pour fixer les coordonnées d'un point dans le plan, 1 pour déterminer son orientation dans le plan
• Une sphère sur un plan a 5 DDL: 2 pour fixer les coordonnées d'un point dans le plan, 3 pour déterminer son orientation dans le plan
• Une porte par rapport au mur a 1 DDL
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Caractéristiques d’un robot
• Une chaîne cinématique est appelée ouverte (ou série) lorsqu'il n'y a qu'une seule séquence de segments reliant les deux extrémités de la chaîne
• Alternativement, un robot contient une chaîne cinématique fermée lorsqu'une séquence de segments forme une boucle
Chaîne cinématique ouverte Chaîne cinématique
fermée
Segment
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Caractéristiques d’un robot
• La mobilité d’un manipulateur est assurée par la présence des articulations
• La liaison entre deux segments consécutifs peut être réalisée avec une:
• Articulation rotoïde (R)
• Articulation prismatique (P)
• Dans une chaîne cinématique ouverte, chaque articulation rotoïde ou prismatique, donne au système un seul degré de liberté (DDL)
• Les articulations rotoïdes sont généralement préférés aux articulations prismatiques en vue de leur compacité et fiabilité
• Dans une chaîne cinématique fermée, le nombre de DDL est inférieur au nombre de articulations, compte tenu des contraintes imposées par la boucle
Chaîne ouverte 3 DDL
Chaîne fermée 1 DDL
θ
d
Chaîne fermée 0 DDL
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Caractéristiques d’un robot
• Les DDL d’un robot doivent être convenablement distribués le long de la structure mécanique afin d’en avoir un nombre suffisant pour exécuter une tâche donnée
• Dans le cas d'une tâche consistant à positionner et orienter de façon arbitraire un objet dans l’espace tridimensionnel, six DDL sont nécessaires:
• Trois DDL pour le positionnement d'un point de l'objet
• Trois DDL pour orienter l'objet par rapport à un repère de référence
• Si les DDL disponibles sont plus que les variables de la tâche, le manipulateur est dit redondante du point de vue cinématique
Exemple (Georgia Tech, É.-U.):
Manipulateur “hyper redondante”
• 20 DDL
• 10 unités avec 2 DDL
2 DDL
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32
Classiquement, deux étapes sont utilisées pour faire en sorte qu'un robot connaisse la tâche à exécuter
1. L'apprentissage: Enregistrement dans une mémoire de la trajectoire à exécuter, sous contrôle d'un opérateur humain Par ex. à travers une boîtier de commande manuelle (ou pupitre mobile, ou teach pendant)
2. La génération de trajectoires et les opérations à réaliser le long de ces trajectoires: On fait appel à un logiciel qui, à partir du modèle du robot, et des trajectoires à réaliser, élabore la succession des commandes des actionneurs
Programmation des robots
Remarque: Il n’existe pas un langage de programmation universel! Chaque fabricant de robots a son propre langage et son environnement de développement
Par ex. Stäubli (langage Val3), KUKA (langage KRL), ABB (langage RAPID)
Teach pendant
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33
Exemple
begin movej(above2,flange,mNomSpeed) movel(p[0],flange,mNomSpeed)
movel(p[1],flange,mNomSpeed) movej(above2,flange,mNomSpeed) movel(p[0],flange,mNomSpeed) movec(p[2],p[1],flange,mNomSpeed) movej(above2,flange,mNomSpeed)
waitEndMove() end
• Langage VAL3 (Stäubli)
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34
Utilisation des robots
• La grande majorité des robots est utilisée pour des tâches simples et répétitives
• Les robots sont programmés une fois pour toute au cours de la procédure d'apprentissage
• Critères de choix de la solution robotique:
o La tâche est assez simple pour être robotisée
o Les critères de qualité sur la tâche sont importants Par ex. Peinture d’une voiture: uniformité de couleur
o Pénibilité/dangerosité de la tâche (charge lourde, soudage, environnement hostile, etc.)
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Utilisation des robots
Tâches “simples”
Robots soudeurs
Soudage à l’arc (“continu”) Soudage par points (“discret”)
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Utilisation des robots
Robots de palettisation
Tâches “simples”
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Utilisation des robots
Polissage
Tâches “simples”
Ébavurage d’un pare-brise
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Utilisation des robots
Chargement de caisses (“pick & place”)
Tâches “simples”
Mais aussi …
… découpage au laser, collage, pliage, scellement, etc.
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39
Utilisation des robots
Robot pompiste (“Tankpitstop”)
Tâches complexes
Robot sculpteur (usinage)
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40
Utilisation des robots
Robot de construction
Nettoyage des avions
Tâches complexes
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Utilisation des robots
Assistance aux personnes handicapées
Tâches complexes: medicine
• Robot Da Vinci de Intuitive Surgical
• Chirurgie robotisée minimalement invasive (laparoscopie)
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• Valeur du marché des robots: 8.7 G$; si on ajoute software, périphériques et accessoires: 26 G$
• Année 2012: 2ème vente la plus élevée (mais -4% par rapport à 2011)
• Vente de robots industriels en 2012: 159k unités
• Ameriques: +7% (28k unités); É.-U.: +9% (22k unités)
• Asie/Australie: -5% (86k); Japon ≈ (28.7k), Chine ≈/+ (23k), Corée du sud -24% (19.4k)
• Europe: -6% (41k); Allemagne -10% (17.5k), Italie -14% (4.4k)
• Croissance du secteur de l’automobile; forte reduction du secteur de l’électronique
Statistiques annuelles de l’IFR (pour robots industriels et de service)
World Robotics 2013
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43
World Robotics 2013
unités
Production annuelle: Les plus grands marchés des nouveaux robots industriels
70% des ventes seulement dans 5 marchés !
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unités
Croissance continue
Grande réduction
Production annuelle: Nouveaux robots par secteur industriel
World Robotics 2013
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Nombre de robots par 10000 employés, dans le secteur de l’automobile (gris) et dans les autres secteurs (rouge) [année 2011]
World Robotics 2012 unités
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Les cinq types de manipulateur plus utilisés
1. Manipulateur cartésien
2. Manipulateur cylindrique
3. Manipulateur sphérique
4. Manipulateur SCARA
5. Manipulateur anthropomorphe
Robotics: Modelling, Planning and Control, B. Siciliano, L. Sciavicco, L. Villani, G. Oriolo, 2009 (Ch. 1)
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1. Manipulateur cartésien
Structure de type “Gantry” • Permet de saisir un objet d'en haut • Volume de travail augmenté • Manipulation d’objets plus grands et lourds
• 3 articulations prismatiques dont les axes sont typiquement mutuellement orthogonaux (PPP); 3 DDL • La structure cartésienne offre une très bonne rigidité mécanique et une grande précision • La structure présente une faible dextérité car toutes les articulations sont prismatiques • Utilisation typique: manutention et assemblage • Actionneurs: généralement électriques, parfois pneumatiques
d1
d2d3
Volume de travail: parallélépipède rectangulaire
Exemple: Mast de Comau (charge max. 560 kg)
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2. Manipulateur cylindrique
Volume de travail: portion de
cylindre creux
• La géométrie cylindrique diffère de la géométrie cartésienne en ce que la 1ère articulation prismatique est remplacée par une articulation rotoïde (RPP); 3 DDL • La structure cylindrique offre une très bonne rigidité mécanique • L'articulation prismatique horizontale permet à l’organe terminal d’accéder à des cavités horizontales • Utilisation typique: transport d’objets, même de grande taille (dans un tel cas, des moteurs hydrauliques sont préférés aux moteurs électriques)
Plate Cran EX de Hudson Robotics
Exemple:
θ1
d2
d3
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3. Manipulateur sphérique
Volume de travail: portion de
sphère creuse
• La géométrie sphérique diffère de la géométrie cylindrique en ce que la 2ème articulation prismatique est remplacée par une articulation rotoïde (RRP); 3 DDL
• La rigidité mécanique est inférieure à celle des deux manipulateurs précédentes et la construction mécanique est plus complexe
• Le volume de travail peut comprendre la base de support du robot, ce qui permet la manipulation d'objets sur le plancher
• Utilisation typique: usinage
θ1
d3θ2
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50
4. Manipulateur SCARA
Volume de travail cylindrique
Exemples:
Sankyo Seiki sc Adept Cobra i600
SCARA: Selective Compliance Assembly Robot Arm • Manipulateur sphérique à géometrie “spéciale” • 2 articulations rotoïdes et 1 articulation prismatique (RRP): tous les axes sont parallèles; 3 DDL • Rigidité élevée pour charges verticales et souplesse aux charges horizontales • Bien adapté à des tâches de montage vertical et à la manipulation de petits objets • Précis et très rapide (1er modèle: 1981)
d3
θ1 θ2
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Volume de travail: portion de sphère
5. Manipulateur anthropomorphe
θ1
θ2θ3
• 3 articulations rotoïdes (RRR): l’axe de la 1ère articulation est orthogonale aux axes des deux autres qui sont parallèles; 3 DDL
• En raison de sa ressemblance avec le bras humain, la 2ème articulation est appelée l'articulation de l'épaule et la 3ème, l'articulation du coude puisqu’elle relie le bras avec l'avant-bras
• Manipulateur le plus agile car toutes les articulations sont rotoïdes
• Grand volume de travail par rapport à l’encombrement du robot
• Large gamme d'applications industrielles
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Types de manipulateur et leur diffusion
Selon le rapport de l’International Federation of Robotics (IFR), les robots manipulateurs installés dans le monde en 2005 avaient:
• 59% une géométrie anthropomorphe • 20% une géométrie cartésienne
• 12% une géométrie cylindrique • 8% une géométrie SCARA
• Les cinq types de manipulateur présentés sont à chaîne cinématique ouverte
• Chaque fois que une charge utile plus importante est demandée, la structure mécanique nécessitera d’une plus grande rigidité pour maintenir une précision de positionnement comparable
• Dans un tel cas, le recours à une chaîne cinématique fermée est conseillée
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• Pour une structure anthropomorphe, on peut adopter la géométrie du parallélogramme entre l'épaule et le coude, de façon à créer une chaîne cinématique fermée
Manipulateur parallel (plateforme de Stewart)
• Une géométrie à chaîne fermée intéressante, est la géométrie parallèle qui utilise plusieurs chaînes cinématiques reliant la base à l'organe terminal
o Grand avantage: rigidité structurelle élevée par rapport à manipulateurs à chaîne ouverte. Possibilité d'obtenir une grande vitesse opérationnelle o Inconvénient: volume de travail réduit
Manipulateur avec parallélogramme
Exemples