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GMCAO

Commande en effort, comanipulation et telemanipulation

B. Bayle, ULPENSPS Master ISTI, specialite PARI, parcours IRMC

20082009E-mail : bernard@eavr.u-strasbg.fr

Plan1 Modelisation des bras manipulateurs Conguration et situation dun bras manipulateur ` Modeles Commande des bras manipulateurs en mode autonome Commande en position, sans contact Commande au contact Comanipulation Generalites Manipulation cooperative Comanipulation en medecine

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Telemanipulation Generalites Teleoperation simple Teleoperation avec retour deffort

Plan1 Modelisation des bras manipulateurs Conguration et situation dun bras manipulateur ` Modeles Commande des bras manipulateurs en mode autonome Commande en position, sans contact Commande au contact Comanipulation Generalites Manipulation cooperative Comanipulation en medecine

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Telemanipulation Generalites Teleoperation simple Teleoperation avec retour deffort

Conguration et situation dun bras manipulateur` Conguration dun systeme mecanique ` Vecteur permettant de commaitre la position de tous les points du systeme Cas dun bras manipulateur : vecteur q de n coordonnees independantes appelees coordonnees ` generalisees, appartenant a lespace des congurations N Coordonnees generalisees : angles de rotation pour les liaisons rotodes, valeurs des translations pour les liaisons prismatiques

Situation dun solide ` Position et orientation de ce solide dans un repere donne Cas dun bras manipulateur : situation de lOT dun bras manipulateur : vecteur x de m ` coordonnees operationnelles independantes appartenant a lespace operationnel M, de dimension m 6 ` Denition de la situation selon le probleme (plan, positionnement seul . . .) et le parametrage choisi (orientation notamment)

Plan1 Modelisation des bras manipulateurs Conguration et situation dun bras manipulateur ` Modeles Commande des bras manipulateurs en mode autonome Commande en position, sans contact Commande au contact Comanipulation Generalites Manipulation cooperative Comanipulation en medecine

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Telemanipulation Generalites Teleoperation simple Teleoperation avec retour deffort

` Modeles geometriques` Modele geometrique directMGD

dun bras manipulateur : situation de son OT en fonction de sa conguration : f : N q M x = f (q)

Cas general : x = (x1 x2 x3 x4 x5 x6 )T , avec (x1 x2 x3 )T coordonnees de position dans R0 et (x4 x5 x6 )T coordonnees dorientation, en fonction de q ` Modele geometrique inverseMGI

` : la ou les congurations correspondant a une situation de lOT donnee : f 1 : M x N q = f 1 (x)

Resolubilite : existence dun nombre ni de solutions Si n < m : pas de solution Si n = m : nombre ni de solutions (en general) Si n > m : innite de solutions

` Modeles cinematiques` Modele cinematique directMCD

: relation entre les vitesses operationnelles x et les vitesses generalisees q : x = Jq

ou J = J(q) est la matrice jacobienne de la fonction f , de dimension m n : ` J : Tq N q Tx M x = J q, ou J = ` f q

` Modele cinematique inverseMCI

donne par J 1

` Modele dynamique direct` Modele dynamique direct MDD : relation entre les couples articulaires et les accelerations, vitesses et coordonnees generalisees : Dq + C q + g + J T f = avec D = D(q) matrice dinertie du robot, C = C(q, q) matrice des forces Coriofuges ` et g = g(q) terme lie a la gravite

Relation couples articulaires/efforts operationnels A vitesse constante, en compensant la pesanteur, la relation entre les couples articulaires et les efforts f appliques par lOT du bras manipulateur est : = JT f

Plan1 Modelisation des bras manipulateurs Conguration et situation dun bras manipulateur ` Modeles Commande des bras manipulateurs en mode autonome Commande en position, sans contact Commande au contact Comanipulation Generalites Manipulation cooperative Comanipulation en medecine

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Telemanipulation Generalites Teleoperation simple Teleoperation avec retour deffort

Plan1 Modelisation des bras manipulateurs Conguration et situation dun bras manipulateur ` Modeles Commande des bras manipulateurs en mode autonome Commande en position, sans contact Commande au contact Comanipulation Generalites Manipulation cooperative Comanipulation en medecine

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Telemanipulation Generalites Teleoperation simple Teleoperation avec retour deffort

` ProblematiquePrincipe Quelle que soit la nature des informations concernant le robot (situation dans un ` repere cartesien, position dindices visuels dans limage, etc.) : asservissement realise ` dapres lerreur entre consigne et mesure

Exemple :

x

+J 1 LCP robot

q

x

MGD

Etude de cas : Neuromate, TIMC et ISS, Grenoble (1)Neurochirurgie ` Extreme precision (dangerosite) Chirurgie stereotaxique et planication Nombreuses applications : biopsie, radiotherapie, pose de micro-electrodes

Biopsie du cerveau (1)

Biopsie du cerveau (2)

Etude de cas : Neuromate, TIMC et ISS, Grenoble (2)

Avantages ` Systeme dune grande precision mecanique Recalage : imagerie, angiographie ` Cas cliniques des 1989

Inconvenients Bras robotique type industriel Fixation contraignante

Question

Caracteristiques de ces taches medicales ? Limitations ?

Plan1 Modelisation des bras manipulateurs Conguration et situation dun bras manipulateur ` Modeles Commande des bras manipulateurs en mode autonome Commande en position, sans contact Commande au contact Comanipulation Generalites Manipulation cooperative Comanipulation en medecine

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Telemanipulation Generalites Teleoperation simple Teleoperation avec retour deffort

Commande au contact : solutions passives (1)Compliance passive Ajout au bout de lOT du robot dune structure deformable. ` Limitation de la rigidite de lensemble du systeme robot/environnement

Avantages Simplicite de mise en oeuvre Fiable Peu cher

Inconvenients ` Pas generique (dedie a la tache) Pas de controle des efforts

Commande au contact : solutions passives (2)Contraintes passives Utilisation dune cinematique adaptee : limitation des efforts applicables selon certaines directions

Avantage Securite passive

Inconvenient Pas de controle de leffort

Etude de cas : Aesop, Computer Motion (1)Laparoscopie Chirurgie minimallement invasive Nombreuses applications (chirugie digestive, gynecologie) ` Succes commercial relatif (5000 exemplaires)

Etude de cas : Aesop, Computer Motion (2) Laparoscopie robotisee ` Succes commercial relatif (5000 exemplaires)

Etude de cas : Aesop, Computer Motion (3) Laparoscopie robotisee ` Succes commercial relatif (5000 exemplaires)

Avantages Personnel moins nombreux ` Securite intrinseque

Inconvenients Encombrement Prix ?

Commande au contact : solutions actives (1) Commande en impedance Objectif : imposer la relation dynamique entre position de lOT et effort applique, i.e. limpedance=F(s)/X(s), generalement choisie du second ordre Utilisation de donnees capteurs, position et/ou effort

Commande au contact : solutions actives (2)Commande par raideur active Cas particulier du precedent : commande du robot an que celui-ci se comporte, ` vis-a-vis de lenvironnement, comme un ressort de raideur programmable : grand gain pour les directions commandees en position petit gain pour les directions commandees en effort

Avantage Simplicite relative de mise en oeuvre

Inconvenient Reglage des gains : connaissance parfaite de lenvironnement

Commande au contact : solutions actives (3)Commande hybride position/force Commande du robot en position selon certaines directions et en force selon les autres, ` grace a une matrice de selection S = diag(s1 , . . . , snb ), avec si = 1 : pos et 0 : force

Commande au contact : solutions actives (4)Commande hybride position/force Commande du robot en position selon certaines directions de lespace operationnel et en force selon les autres

Video Leuven

Commande au contact : solutions actives (5)Commande hybride position/force Commande du robot en position selon certaines directions de lespace operationnel et en force selon les autres

Avantage ` Action simultannee sur les deux grandeurs de sortie : position et force, grace a deux lois de commande

Inconvenients Perturbation en position dans une direction commandee en force, aucune compensation (idem cas dual) Contact imperatif dans les directions commandees en force et sans contact dans les directions commandees en position : connaissance parfaite de lenvironnement

Commande au contact : solutions actives (6)Commande hybride position/force externe Meme principe que precedemment, mais la boucle de position est imbriquee dans la boucle de commande en force

Commande au contact : solutions actives (7)Commande hybride position/force externe Meme principe que precedemment, mais la boucle de position est imbriquee dans la boucle de commande en force

Avantages ` Privilege donne aux consignes en force par rapport aux consignes en position Pas de connaissance de lenvironnement necessaire

Inconvenient ` Instabilite potentielle, meme dans des congurations non singulieres

Etude de cas : Scalpp, LIRMM, Montpellier (1)Chirurgie des brules ` ` Systeme de coupe automatise pour le prelevement de peau : ` ` Prelevement de peau sur