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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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Caractrisation des robots manipulateurs
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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Caractrisation des robots manipulateurs
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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Caractrisation des robots manipulateurs
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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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