CHAPITRE 0 RAPPELS ROBOTIQUE.pdf

Chapitre 0 : Gnralits sur la robotique

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Historique de la robotique

tymologie : le mot tchque robota (travail). Dfinition : un robot est un systme mcanique

polyarticul m par des actionneurs et command par un calculateur qui est destin effectuer une grande varit de tches.

Historique : 1947 : premier manipulateur lectrique tlopr. 1954 : premier robot programmable. 1961 : apparition d'un robot sur une chane de montage de General Motors. 1961 : premier robot avec contrle 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

Mcanique : conception, ralisation, modlisation des robots.

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

Informatique : cration de programmes destins la gestion du transfert dinformation entre les diffrents composants du robot.

Automatique : commande, calibrage des capteurs, des effecteurs, identification des paramtres

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

Mathmatiques : modles mathmatiques pour la prise de dcision ou/et lapprentissage, calcul de trajectoires, localisation, planification.

Sciences cognitives : interactions homme-machine, machine-machine, prise de dcision.

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Diffrentes structures de robots

Deux structures principales : Robots manipulateurs : robots base fixe permettant

de manipuler des objets Robots mobiles : robots permettant de se dplacer.

Parfois ils transportent sur leur plateforme un robot manipulateur.

Elments de technologie : Actionneurs Guidage et transmission Capteurs Interfaage avec un contrleur

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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 diffrents corps du robots

les uns par rapport aux autres

Configuration oprationnelle Position et orientation du corps terminal par rapport

au corps de base (indpendamment des autres corps)

En gnral, pas de bijection existence de modes dassemblage, redondance.

distinguer le nombre daxes et le nombre de degrs de libert de leffecteur (DDL)

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Paramtrage articulaire

i0

j0

j1

i1

q1

j2

i2

q2 j3 i3

q3

on attache un repre chaque corps on dfinit un angle entre les axes des repres

successifs on regroupe 3 angles dans un vecteur des

paramtres articulaires q.

qT

q q q1 2 3

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Paramtrage oprationnel

O0 i0

j0

xT

x y

iT

jT OT

x

y

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Modle gomtrique direct

i0

j0

j1

i1

j2

i2

j3 i3

q1

q2

q3

l1

l2 l3

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Modle gomtrique inverse

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Nb daxes vs nb de DDL de leffecteur

Soit un robot possdant n axes.

Le nombre de DDL maximal pour leffecteur est : mmax= inf(n,6)

Singularit : lorsque le nombre m de DDL de leffecteur est infrieur mmax.

Singularit permanente = jamais m natteint mmax.

Configuration singulire = m vaut mmax en gnral, mais pas dans certaines configurations.

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Modlisation cinmatique

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Caractrisation des robots manipulateurs

Description de la cinmatique

Nombre daxes (nombres dactionneurs commands)

Nombre de degrs de libert de leffecteur (classe des dplacements engendrs)

Structure du robot

Schma cinmatique

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Les robots SCARA

SCARA : Selective Compliance Assembly Robot Arm

4 axes (articulations) : 3 rotations 1 translation verticale

Robots trs rapides et prcis Plutt bon march Usage limit 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

Coordonnes cylindriques

3 axes (articulations) : 1 translation verticale

1 rotation daxe vertical

1 translation horizontale

Robots trs rapides

Robot cylindrique SEIKO

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Les robots sphriques

Coordonnes sphriques

3 axes (articulations) :

1 rotation daxe vertical

1 rotation daxe horizontal

1 translation

Robot sphrique FANUC

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Les robots paralllogramme

Rigidit moindre masse

Actionneurs prs 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 paralllogramme :

plus lger

plus dextre

moins rigide

plus grand domaine accessible

moins de charge utile

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

Stubli

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Les robots cartsiens

Constitus uniquement daxes en translation :

axes perpendiculaires 2 2.

commande simplifie.

possibilit dinsrer un poignet pour ajouter des d.d.l. en rotation.

srie : faible rigidit.

portique : grand encombrement.

guidage et mesure de prcision.

Toshiba

LSIIT / GRAViR

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Les robots parallles

Plusieurs chanes cinmatiques en parallle

grande rigidit. lgers et rapides (moteurs sur base

fixe) Efforts importants petit espace de travail

COMAU

Simulateur de vol

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Les robots redondants

nombre daxes n > nombre de degrs de libert de leffecteur

grande maniabilit.

infinit de configurations articulaires pour une mme position de l effecteur

commande complexe.

applications avances

Kuka LWR

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Volume accessible Volume de travail du robot, difficile reprsenter pour 6DDL

Il dpend de : la cinmatique du robot, la longueur des segments, les butes articulaires

Graphiquement, on donne le volume accessible dun point (centre outil, centre poignet) pour au moins une orientation

SCARA Sphrique Cylindrique Cartsien Anthrop.

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Prcision du positionnement Le positionnement du robot est soumis de nombreuses erreurs : erreurs de mesure

(quantification, erreurs sur le zro), jeux, flexibilits, erreurs dans la modlisation gomtrique du robot (longueurs, )

Le positionnement absolu est en gnral mauvais (un plusieurs millimtres).

La rptabilit est bien meilleure (dun ordre au moins): cest la prcision de reproduction dun mouvement rpt plusieurs fois avec la mme charge. Cest le paramtre adapt lorsque lon considre des cycles rptitifs 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.

Capacits d acclration Dtermines partir des couples nominaux des moteurs et du modle dynamique du robot.

Dpendent 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

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

Trs infrieure la charge maximale que peut porter le robot dans la configuration la plus favorable. La configuration la plus dfavorable est en gnral bras tendu horizontal .

Spcifi par une masse et une distance maximale entre le centre outil et le centre de gravit de la charge (influence des moments).

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Robots roues

Caractriss par : le nombre dessieux,

le nombre de roues,

le type de roues,

articulations entre les essieux,

et la mobilit qui en rsulte.

Deux grandes catgories : Robots omnidirectionnels,

Robots non holonomes

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Robot unicycle

Un seul essieu, deux roues motrices indpendantes.

La stabilit de la plateforme est assure en gnral par des roues folles (ou des appuis glissants).

Robot Epuck utilis en TP

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Non-holonomie

Contrainte holonome = quation algbrique liant les variables dtat.

Concrtement, ici, x, y et q ne varient pas de faon indpendante.

Consquence : la plateforme peut aller nimporte o, mais pas par nimporte quel chemin => besoin de planifier (problme du crneau).

(beaucoup dillustrations de la partie robotique mobile sont empruntes au polycopi de B. Bayle lENSPS : http://eavr.u-strasbg.fr/~bernard/education/ensps_3a/poly_3a.pdf )

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Modle cinmatique

Relie les vitesses de commande aux vitesses oprationnelles

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Exemple de robot unicycle

Odomtrie = mesure de la rotation des roues pour connatre le dplacement et du robot, par intgration dans le temps, sa position dans le plan.

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Le Segway

Pas dautonomie dcisionnelle (pas vraiment un robot, mais issu de la robotique)

Gestion dynamique de lquilibre (pendule inverse).

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Voitures autonomises

2 ou 4 roues motrices / diffrentiel Vhicules existants auxquels on ajoute des organes de

commande et des capteurs. Voir le challenge DARPA.

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Robots omnidirectionnels

Comme leur nom lindique,

Roues sudoises : peuvent glisser latralement.

Problme : odomtrie.

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Robots tous-terrains essieux articuls

Exemple : Roburoc 6 (ISIR Robosoft).

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Autres formes de robots mobiles

Robots pattes :

Caractriss dabord par le nombre de pattes.

Allures statiques vs allures dynamiques.

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Robots humanodes

Robots mobiles 2 pattes avec des capacits de manipulation

Interactivit

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Actionneurs utiliss en robotique de manipulation.

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

quip les premiers robots industriels : le moteur courant continu.

Il est aussi celui qui permet un meilleur contrle du couple (par dondulation).

Ventilateur

Induit bobin Inducteur

Balais

Collecteur

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Moteurs CC sans balais (brushless)

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

Principes gnraux : Laimant est le rotor (do labsence

de balais). Le stator est constitu de plusieurs

bobines que lon alimente avec des tensions dphases de faon faire tourner le champ.

Les champs ayant tendance saligner, le rotor tourne de faon 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 trs non linaire.

Sutilise en montage direct, sans transmission

Ces actionneurs sont utiliss pour des robots en gnral assez peu prcis, mais avec des capacits de charge trs leves.

Certaines servo-valves fonctionnent en dbit (vitesse), dautres en pression (couple/force).

BPBP

distributeur

D

qB

qA

A B

Vrin

Vanne de

surpression

AccumulateurHP

x > 0

y > 0

Pompe

Rservoir

BPBP

distributeur

D

qB

qA

A B

Vrin

Vanne de

surpression

AccumulateurHP

x > 0

y > 0

Pompe

Rservoir

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Guidage et transmission

Guidage = ce qui sert contraindre le mouvement dune pice une autre.

Transmission = ce qui sert transmettre la puissance mcanique de lactionneur la charge quil anime.

Fonctions DISTINCTES

Robot avec guidage et sans transmission = les corps du robot sont articuls mais le robot est passif, il na pas de capacits de se mouvoir.

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Les problmes du guidage

Prcision (jeu, dformations).

Frottements que lon peut limiter En diminuant le coefficient de frottement des

pices qui glissent les unes sur les autres (choix des matriaux, tats de surface, lubrification)

En vitant le glissement et en privilgiant le roulement sans glissement

Rsistance aux charges selon les directions perpendiculaires aux mouvements.

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Roulements

Pour assurer la rotation dun arbre.

Jamais seul.

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De trs nombreuses variantes

Roulements billes, rouleaux, aiguilles, rotule, butes billes, etc.etc.

Palier auto-aligneur Combinaison bute billes et roulement aiguilles

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Guidages linaires

Pour des mouvements de translation.

Mmes principes de diminution des frottements.

Rails de guidage lisses ou billes

Problmes de porte--faux.

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Principe gnral dune transmission mcanique

Un moteur lectrique tourne rapidement et produit un couple faible (en comparaison de ce qui est utile pour engendrer les mouvements dun robot)

On connecte donc en gnral le moteur au corps du robot travers un organe de transmission, quon appelle rducteur.

Principe : La vitesse est divise par N :

Le couple est multipli par N :

N est le rapport de rduction

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

1s mq q

N

s mN

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Pignons et courroies

+ : simplicit de mise en uvre, peu de jeu, bonne rversibilit, miniaturisation

- : N assez petit, lasticit. 48/125

Engrenages (1)

+ : chanage et montage simples, trs couramment utiliss. - : compromis difficile entre jeu et pertes dnergie par frottements, mauvaise

rversibilit, encombrement (donc poids), peu de dents en contact en mme temps (limite la charge)

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

A B C

Engrenages hlicodaux : A : arbres parallles, B : arbres perpendiculaires,

A B

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Engrenages (2)

+ : compacit, coaxialit, grand rapport de rduction. - : fabrication complexe, frottements levs (ou jeu important), trs mauvaise

rversibilit.

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

A B

Trains plantaires ou picyclodaux

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Transmission rotation translation par vis bille

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

pas de jeu, rversibilit correcte (selon les modles).

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Transmission cbles

Peu de frottements trs bonne transmission des efforts bonne rversibilit.

Montage complexe (performance dpendante du montage).

Effet de la tension sur les guidages.

Vieillissement.

Faible rapport de rduction.

Plusieurs tours sur larbre moteur

Poulies pour lalignement / la tension des cbles

Arbre de sortie 52/125

Exemple dune transmission cble sur le robot WAM (Makoplasty)

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Codeurs optiques

Lorsque larbre tourne, le phototransistor produit un signal carr (aprs mise en forme) :

La mesure de position consiste alors compter les impulsions.

LED

phototransistor

trier fixe

Arbre mobile

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Codeurs optiques incrmentaux

Deux voies (A et B) sont graves, avec dcalage de 1/4 de priode.

Sur chaque voie, 1 phototransistor

Signaux dlivrs :

Top tour : voie supplmentaire avec une seule encoche

A

B

Le dphasage entre A et B permet de dterminer le sens de rotation (bascule D)

C La voie C nest utilise que pour linitialisation de la mesure

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Codeurs optiques incrmentaux

http://www.heidenhain.fr/

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Codeurs optiques absolus

Codeur optique absolu Principe de comptage

Pb : pour un mme encombrement, la rsolution est rduite par rapport un codeur incrmental.

Nombre de fils importants (non ngligeable en robotique).

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Principe gnral B

US

de

co

mm

un

icat

ion

CPU

Carte(s) de sortie

Carte(s) dentre

Mise en forme

E/S logiques

Mise en forme Ampl. Puiss.

Actionneurs

Capteurs articulaires

Amplification de puissance

Butes, validations,

Contrleur Interface Robot 60/125

Amplification de puissance

Rles : Amplifier la puissance des signaux lectriques de

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

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

Raliser un asservissement de bas niveau permettant de : Scuriser le fonctionnement de lactionneur.

Linariser le comportement de lactionneur / de laxe.

Accder depuis le contrleur numrique une grandeur particulire de commande.

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Cartes dentre/sortie Servent la connexion entre le calculateur numrique et le

robot.

Sont places sur un bus de donnes (bus ISA sur les anciens PC, bus PCI sur les PC rcents, bus industriels : VME par exemple).

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

Sont accessibles par un pilote (driver) fourni avec la carte, qui nest rien dautre quune bibliothque 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 crit la valeur envoyer dans une case mmoire 1 de la carte, puis crit dans une case 2 un code particulier qui dclenche la production de la sortie

Souvent, une fonction dentre crit dans une case mmoire 3 un code particulier qui provoque lacquisition et la copie de la valeur acqurir dans une case mmoire 4, puis procde la lecture de la case mmoire 4.

Certaines fonctions dentre sont bloquantes, donc utiliser avec prcaution dans le contexte temps rel.

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Cartes daxe

Parfois, les fonctions dinterfaage entre/sortie sont ralises par une mme carte, qui comporte aussi un microcontrleur. Celui-ci est utilis pour lasservissement de la vitesse et/ou de la position de laxe. On parle alors de carte daxe.

Depuis la CPU, on peut alors : Utiliser la carte daxe en mode transparent, comme

une carte dentre et de sortie. Utiliser la carte daxe en mode asservissement.

Une carte daxe permet de librer la CPU des calculs de bas niveau.

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