contribution à l’étude mécanique et à la mise en œuvre d’un robot parallèle
translateur
Renaud HENRYResponsable de stage : Marc ARSICAULT
Master 2 Mécatronique et MicrosystèmesUFR Besançon
2010/2011
Introduction
Présentation de l’Institut Pprime
Présentation du robot
Travail réalisé
Optimisation
Contrôle/Commande
Gestion de projet
Conclusion
Perspectives
Sommaire
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 2
Aspects Mécaniques :
Optimisation
Maximiser l’espace de travail
Garantir une charge utile
Aspects commandes :
Commande en Position
Commande « bas niveau »
Commande « haut niveau »
Essais - Validation
Introduction
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 3
0 50 100 150 200 250 3000
1
2
3
4
5
6
7
8
Rb (mm)
Volu
me d
m3
Domaine atteignable avec Fuc=0.5 N
Domaine atteignable avec Fuc=1.0 N
Domaine atteignable avec Fuc=1.5 N
Développement d’un robot parallèle de type translateur
Poursuite de l’étude
Date de création : 1er Janvier 2010
Composition :
Six laboratoires poitevins des Sciences Pour l’Ingénieur et de la Physique
Effectifs : 480 personnes
Le budget annuel : 23,6 M€
Présentation de l’Institut Pprime
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 4
3 départements :
Physique et Mécanique des Matériaux
Fluides, Transferts et Combustion
Génie Mécanique et Systèmes Complexes
Présentation du robot (1/3)
Robot parallèle translateur Finalité : Démonstrateur
Découplage Force/Moments
Chaines passives
Empêche les rotations
Chaines actives
Crée le mouvement de
translation
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 5
Présentation du robot (2/3)
Robot parallèle translateur
chaines actives : Mise en translation
chaines passives : Blocage des rotations
2009 2010/2011
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 6
Présentation du robot (3/3)
Paramètres géométrique du robot (chaînes actives)
Longueur des vérins
Qmin : longueur minimale
Qmax : longueur maximale
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 7
Ecartement des vérins
Rb : Rayon de base
Représentation
complète
Représentation
Simplifiée
𝑅𝑏 = 𝑅2 − 𝑅1
𝑅𝑏 ≥ 0
𝐴1𝐴2 = 𝐴′1 𝐴′2
𝑄𝑚𝑎𝑥 ≥ 𝐴′1 𝐴′2 ≥ 𝑄𝑚𝑖𝑛
Objectifs :
Maximiser l’espace de travail
Garantir une charge utile
Livrables :
Algorithme d’optimisation
Toolbox Matlab
Optimisation
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 8
Données d’entrées
Géométriques : Longueur maximale/minimale des vérins
Sthéniques : Charge utile maximale des vérins Charge utile minimale du robot
En sortie
Géométrique:
Rayon de base(Rb) du robot optimum
Graphique :
Evolution du volume // Rb
Existant :
Optimisation géométrique
Rb : rayon de base
Alpha : angle de base
Optimisation
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 9
50 100 150 200 250 300 350 4000
200
400
600
800
1000
1200
Forces Fg en N
eff
ectitf
des c
lasses
Figure 320 : histogramme Forces Fg en N 100-0prcentValue dans l espace Cartésien Caractérisation de l’espace de travail du robot
0 50 100 150 200 250 3000
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Rb (mm)
Vo
lum
e d
m3
Optimisation
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 10
Valeurs ajoutées
Ajout de contraintes
Commandabilité
Sthénique
Mise en équation du PFS
Systèmes d’équations
x=F(Rb,y,z,Fu,F1)
Fmax ≥ F1 ≥ -Fmax
Fmax ≥ F2 ≥ -Fmax
Fmax ≥ F3 ≥ -Fmax
0 50 100 150 200 250 3000
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Rb (mm)
Volu
me d
m3
Domaine atteignable
Espace de travail fonctionnel
0 50 100 150 200 250 3000
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Rb (mm)
Volu
me d
m3
Domaine atteignable
Espace de travail fonctionnel
non oui
no
n Domaine
atteignable
Domaine
sthénique
atteignable
ou
i espace de travail
fonctionnel
espace de travail
sthénique
fonctionnel
Co
ntr
ain
te d
e
com
man
dab
ilit
é
Contrainte sthénique
Observations :
Charge utile (Fu) variable de 350 N à 70 N
Charge utile inférieure à la charge d’un vérin.
Optimisation
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 11
50 100 150 200 250 300 350 4000
200
400
600
800
1000
1200
Forces Fg en N
eff
ectitf
des c
lasses
Figure 320 : histogramme Forces Fg en N 100-0prcentValue dans l espace Cartésien
X
Y
Vérin 1
Vérin 3
Vérin 2
F1=-120 NF2=-120 NF3=-120 N
F1=-120 NF2= 27 NF3= 27 N
F1=-120 NF2=0 NF3=0 N
Fu=350 N Fu=70 NFu=120 N
0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800
100
200
300
400
Charg
e u
tile
(N
)
Déplacemement (mm)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180-150
-100
-50
0
50
Charg
e v
érin 2
et
3 (
N)
Résultats :
Forte influence de la contrainte sthénique
Rb optimum >> 0
Faible influence de la contrainte de commandabilité
Perte de volume faible
Optimisation
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 12
0 50 100 150 200 250 3000
1
2
3
4
5
6
7
Rb (mm)
Volu
me d
m3
Espace de travail fonctionnel avec Fuc=0.5 N
Espace de travail fonctionnel avec Fuc=1.0 N
Espace de travail fonctionnel avec Fuc=1.5 N
0 50 100 150 200 250 3000
1
2
3
4
5
6
7
8
Rb (mm)
Vol
ume
dm3
Domaine atteignable avec Fuc=0.5 N
Domaine atteignable avec Fuc=1.0 N
Domaine atteignable avec Fuc=1.5 N
0 50 100 150 200 250 3000
10
20
30
40
50
Rb (mm)
Volu
me d
m3
Domaine atteignable sans Fuc
Domaine atteignable avec Fuc=0.5 N
Domaine atteignable avec Fuc=1.0 N
Domaine atteignable avec Fuc=1.5 N
Objectifs :
Commande en position du robot
Génération de trajectoires
Livrables
Commande « bas niveau »
Commande « haut niveau »
Commande
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 13
Architecture organique :
Robot : Partie opérative (OP)
Actionneurs : vérins électriques
Capteurs : Potentiomètres
Automate : Partie Commande (PC)
CPU
Les entrées analogiques : CAN
Les sorties analogiques : Hacheur
Les entrées digitales
Les sorties digitales
Commande
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 14
Architecture fonctionnelle :
Asservissement
Boucle de régulation en position
Définition de la précision du temps de
réponse des actionneurs.
Contrôleur
Gestion des modes de fonctionnement
Génération des trajectoires
Loi de commande
IHM
Contrôle de l’état du robot
Pilote le robot
Commande
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 15
Architecture organique :
Robot : Partie opérative (OP)
Actionneur : vérin électrique
Capteur : Potentiomètre
Automate : Partie Commande (PC)
CPU
Les entrées analogiques : CAN
Les sorties analogiques : Hacheur
Les entrées digitales
Les sorties digitales
Partie opérative
Actionneur : vérin électrique
Capteur : Potentiomètre
Analyses
Documentation pauvre : Régime permanent
Non-linéarité
Zone morte de 10 à 12.5 %
Orientation du vérin
Modélisation
1er ordre avec un intégrateur et un retard pur
Commande
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 16
Indentification
Outils :
Méthode graphique
Toolbox Matlab
Méthodes :
Rampe
Résultats - validation
Gain statique : Bonne identification
Constante de temps : Mauvaise identification
Retard : Mauvaise identification
Influence de la charge important
Commande
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 17
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4-20
-10
0
10
20
t(s)
Um
ot
(V)
Tension du moteur
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4-20
0
20
40
t(s)
Positio
n (
mm
)
Position du vérin
Rampe
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
t(s)
Pos
tion
(mm
)
Essau à charge 5Kg 2
Expérimentation,
Simulation
Asservissement
Correcteurs :
Proportionnel intégral (PI)
Boucles cascades position-vitesse
Proportionnel dérivé (PD)
Proportionnel simple (P)
Commande
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 18
Instable
A-coups
Oscillations visibles
Stable
Oscillations audibles
Précision faible (0,2 à 0,5 mm)
Commande « haut niveau »
GEMMA :
5 modes manuels
5 modes automatiques
IHM :
Commande
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 19
MANUEL AUTO
DCY
RAZ INIT
STOP
Boutons
Mode
manuelsRepère Actions
F41 Articulaire
F42 Cartésien
F43 Articulaire
F44 Cartésien
F45Ouverture - fermeture du
préhenseur.
Ces modes permettent de
se déplacer dans le repère
par pas de 5 mm. Ces modes permettent
d'atteindre un point dans le
repère
Mode
automatiquesActions
F11Utilisation d' une machine d’état (grafcet) pour réaliser
les déplacements (déplacement de point à points)
F12 Déplacement linéaire à partir d'un fichier de points.
F13
Envoi périodique de consigne (articulaire, cartésienne)
via une liaison de type RS232 ou Ethernet provenant d’un
système de supervision (SMAR par exemple)
F14Envoi de lignes de commande via une liaison de type
RS232 ou Ethernet interprétée par un post-processeur.
F15 Exécution d’un programme utilisateur via l’IHM
Vérification
Vérification proprioceptive avec les potentiomètres
Vérification extéroceptive
Essais –Validation
Entrée/sortie des vérins
Oscillations
Cercle
Oscillations, à-coups
Commande
0 5 10 15 20 25 30 35
50
100
150
200
t(s)
Consig
ne v
érin 1
(m
m)
0 5 10 15 20 25 30 35
50
100
150
200
t(s)
Consig
ne v
érin 3
(m
m)
0 5 10 15 20 25 30 35
50
100
150
200
t(s)
Positio
n v
érin 1
(m
m)
0 5 10 15 20 25 30 35
50
100
150
200
t(s)
Positio
n v
érin 3
(m
m)
0 5 10 15 20 25 30 35-5
0
5
t(s)
Err
eur
vérin 1
(m
m)
0 5 10 15 20 25 30 35-5
0
5
t(s)
Err
eur
vérin 3
(m
m)
0 5 10 15 20 25 30 35
-20
0
20
t(s)
Um
vérin 1
(V
)
0 5 10 15 20 25 30 35
-20
0
20
t(s)
Um
vérin 3
(V
)
0 5 10 15 20 25 30 35-2
0
2
t(s)
Im v
érin 1
(A
)
0 5 10 15 20 25 30 35-2
0
2
t(s)
Im v
érin 3
(A
)Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011- 20
Découpage en 3 lots :
Aspect mécanique (25 %)
Aspect commande(50%)
Rédaction(25%)
Gestion de projet
104,50 h, 22%
268,75 h, 58%
92,30 h, 20%
Répartition effective du temps
Aspect mécanique
Aspect commande
Rédaction
0 20 40 60 80 100
0
5
10
15
20
25
30
35
40
CBTE CBTP CRTE
temps (j)
bu
dg
et (
Ke
uro
)
CBTE : Coût Budgété du Travail Effectué
CBTP : Coût Budgété du Travail Prévu
CRTE : Coût Réel du Travail Effectué
Planification difficile :
Evolution des objectifs
Réception tardive du cahier des charges
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011- 21
Optimisation
Ajout de nouvelles contraintes
Programmation de la Toolbox en cours
Rédaction d’un article en cours
Commande
Commande « bas niveau » non validée
Commande « haut niveau » validée
Recherche de 3 nouveaux actionneurs en cours
Personnelle
Travail intéressant
Sensibilisé aux commandes haptiques et à la cobotique
Conclusion
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011- 22
Perspective Etude mécanique des chaines actives
Réduction du jeu
Augmentation du débattement angulaire des rotules
Optimisation
Ajout de contraintes sthéniques liées à la dynamique du système
Commande
Utilisation du modèle dynamique
Vérification extéroceptive
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011- 23
Des questions ?
Merci pour votre attention !Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011- 24