Chapitre 0 : Généralités sur la robotique 1/125

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1 Chapitre 0 : Généralités sur la robotique 1/125

2 Historique de la robotique Étymologie : le mot tchèque robota (travail). Définition : 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. Historique : 1947 : premier manipulateur électrique téléopéré : premier robot programmable : apparition d'un robot sur une chaîne de montage de General Motors : premier robot avec contrôle en effort : utilisation de la vision pour commander un robot. 6 Classes de robots selon la JIRA (Japan Industrial Robot Association) Unimate 2/125

3 Disciplines de la robotique Mécanique : conception, réalisation, modélisation des robots. Electronique : mise en place de composants pour les robots, (télé)communications Informatique : création de programmes destinés à la gestion du transfert d information entre les différents composants du robot. Automatique : commande, calibrage des capteurs, des effecteurs, identification des paramètres Traitement du signal : analyse des informations enregistrées par les capteurs du robot. Mathématiques : modèles mathématiques pour la prise de décision ou/et l apprentissage, calcul de trajectoires, localisation, planification. Sciences cognitives : interactions homme-machine, machine-machine, prise de décision. 3/125

4 Différentes structures de robots Deux structures principales : Robots manipulateurs : robots à base fixe permettant de manipuler des objets Robots mobiles : robots permettant de se déplacer. Parfois ils transportent sur leur plateforme un robot manipulateur. Eléments de technologie : Actionneurs Guidage et transmission Capteurs Interfaçage avec un contrôleur 4/125

5 Vocabulaire Effecteur = outil Organe terminal = dernier corps mobile Axe = articulation Corps Base = corps fixe POIGNET PORTEUR 5/125

6 Vocabulaire Configuration articulaire Position et orientation des différents corps du robots les uns par rapport aux autres Configuration opérationnelle Position et orientation du corps terminal par rapport au corps de base (indépendamment des autres corps) En général, pas de bijection existence de modes d assemblage, redondance. distinguer le nombre d axes et le nombre de degrés de liberté de l effecteur (DDL) 6/125

7 Paramétrage articulaire j 2 q 2 j 3 i 3 j 1 q 1 j 0 i 1 i 0 i 2 q 3 on attache un repère à chaque corps on définit un angle entre les axes des repères successifs on regroupe 3 angles dans un vecteur des paramètres articulaires q. q q q q T 7/125

8 Paramétrage opérationnel y O T j T i T j 0 O 0 i 0 x x y T x 8 / 117

9 Modèle géométrique direct j 2 l 1 q 2 j 3 i 3 j 1 i 1 i 2 l 2 q 3 l 3 j 0 q 1 i 0 9 / 117

10 Modèle géométrique inverse 10/125

11 Nb d axes vs nb de DDL de l effecteur Soit un robot possédant n axes. Le nombre de DDL maximal pour l effecteur est : m max = inf(n,6) Singularité : lorsque le nombre m de DDL de l effecteur est inférieur à m max. Singularité permanente = jamais m n atteint m max. Configuration singulière = m vaut m max en général, mais pas dans certaines configurations. 11/125

12 Modélisation cinématique 12/125

13 Caractérisation des robots manipulateurs Description de la cinématique Nombre d axes (nombres d actionneurs commandés) Nombre de degrés de liberté de l effecteur (classe des déplacements engendrés) Structure du robot Schéma cinématique 13/125

14 Les robots SCARA SCARA : Selective Compliance Assembly Robot Arm 4 axes (articulations) : 3 rotations 1 translation verticale Robots très rapides et précis Plutôt bon marché Usage limité aux applications quasi plane (mouvements dans la plan horizontal + une translation verticale) /125

15 Les robots cylindriques Coordonnées cylindriques 3 axes (articulations) : 1 translation verticale 1 rotation d axe vertical 1 translation horizontale Robots très rapides Robot cylindrique SEIKO 15/125

16 Les robots sphériques Coordonnées sphériques 3 axes (articulations) : 1 rotation d axe vertical 1 rotation d axe horizontal 1 translation Robot sphérique FANUC 16/125

17 Les robots à parallélogramme Rigidité à moindre masse Actionneurs près de la base com/robots.htm o.com/rfa/index.html 17/125

18 Les robots 6 axes anthropomorphes Par rapport aux robots à parallélogramme : plus léger plus dextre moins rigide plus grand domaine accessible moins de charge utile Stäubli 18/125

19 Les robots cartésiens Constitués uniquement d axes en translation : axes perpendiculaires 2 à 2. commande simplifiée. possibilité d insérer un poignet pour ajouter des d.d.l. en rotation. série : faible rigidité. portique : grand encombrement. guidage et mesure de précision. Toshiba LSIIT / GRAViR 19/125

20 Les robots parallèles Plusieurs chaînes cinématiques en parallèle grande rigidité. légers et rapides (moteurs sur base fixe) Efforts importants petit espace de travail COMAU Simulateur de vol 20/125

21 Les robots redondants nombre d axes n > nombre de degrés de liberté de l effecteur grande maniabilité. infinité de configurations articulaires pour une même position de l effecteur commande complexe. applications avancées Kuka LWR 21/125

22 Caractérisation des robots Volume accessible manipulateurs Volume de travail du robot, difficile à représenter pour 6DDL Il dépend de : la cinématique du robot, la longueur des segments, les butées articulaires Graphiquement, on donne le volume accessible d un point (centre outil, centre poignet) pour au moins une orientation Cartésien SCARA Cylindrique Sphérique Anthrop. 22/125

23 Caractérisation des robots manipulateurs Précision du positionnement Le positionnement du robot est soumis à de nombreuses erreurs : erreurs de mesure (quantification, erreurs sur le zéro), jeux, flexibilités, erreurs dans la modélisation géométrique du robot (longueurs, ) Le positionnement absolu est en général mauvais (un à plusieurs millimètres). La répétabilité est bien meilleure (d un ordre au moins): c est la précision de reproduction d un mouvement répété plusieurs fois avec la même charge. C est le paramètre adapté lorsque l on considère des cycles répétitifs 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. Capacités d accélération Déterminées à partir des couples nominaux des moteurs et du modèle dynamique du robot. Dépendent de la charge et de la configuration. 23/125

24 Charge utile Caractérisation des robots manipulateurs C est la charge maximale telle que les autres performances du robot (précision, vitesse max, ) sont garanties quelle que soit la position Très inférieure à la charge maximale que peut porter le robot dans la configuration la plus favorable. La configuration la plus défavorable est en général «bras tendu horizontal». Spécifié par une masse et une distance maximale entre le «centre outil» et le centre de gravité de la charge (influence des moments). 24/125

26 Robots à roues Caractérisés par : le nombre d essieux, le nombre de roues, le type de roues, articulations entre les essieux, et la mobilité qui en résulte. Deux grandes catégories : Robots omnidirectionnels, Robots non holonomes 26/125

27 Robot unicycle Un seul essieu, deux roues motrices indépendantes. La stabilité de la plateforme est assurée en général par des roues folles (ou des appuis glissants). Robot Epuck utilisé en TP 27/125

28 Non-holonomie Contrainte holonome = équation algébrique liant les variables d état. Concrètement, ici, x, y et q ne varient pas de façon indépendante. (beaucoup d illustrations de la partie robotique mobile sont empruntées au polycopié de B. Bayle à l ENSPS : ) Conséquence : la plateforme peut aller n importe où, mais pas par n importe quel chemin => besoin de planifier (problème du créneau). 28/125

29 Modèle cinématique Relie les vitesses de commande aux vitesses opérationnelles 29/125

30 Exemple de robot unicycle Odométrie = mesure de la rotation des roues pour connaître le déplacement et du robot, par intégration dans le temps, sa position dans le plan. 30/125

31 Le Segway Pas d autonomie décisionnelle (pas vraiment un robot, mais issu de la robotique) Gestion dynamique de l équilibre (pendule inverse). 31/125

32 Voitures autonomisées 2 ou 4 roues motrices / différentiel Véhicules existants auxquels on ajoute des organes de commande et des capteurs. Voir le challenge DARPA. 32/125

33 Robots omnidirectionnels Comme leur nom l indique, Roues suédoises : peuvent «glisser» latéralement. Problème : odométrie. 33/125

34 Robots tous-terrains à essieux articulés Exemple : Roburoc 6 (ISIR Robosoft). 34/125

35 Autres formes de robots mobiles Robots à pattes : Caractérisés d abord par le nombre de pattes. Allures statiques vs allures dynamiques. 35/125

36 Robots humanoïdes Robots mobiles à 2 pattes avec des capacités de manipulation Interactivité 36/125

38 Actionneurs utilisés en robotique de manipulation. Moteurs électriques : Le plus simple est aussi celui qui, historiquement, a équipé les premiers robots industriels : le moteur à courant continu. Induit bobiné Inducteur Ventilateur Balais Collecteur Il est aussi celui qui permet un meilleur contrôle du couple (par d ondulation). 38/125

39 Moteurs CC sans balais (brushless) La quasi totalité des robots industriels actuels utilise des moteurs brushless. Leur commande est plus complexe mais ils ont un meilleur rapport poids/puissance. Principes généraux : L aimant est le rotor (d où l absence de balais). Le stator est constitué de plusieurs bobines que l on alimente avec des tensions déphasées de façon à faire tourner le champ. Les champs ayant tendance à s aligner, le rotor tourne de façon synchrone avec la vitesse de rotation du champ statorique. Le couple est proportionnel au courant. Documentation Faulhaber 39/125

40 Actionneurs hydrauliques Excellent rapport poids puissance mais comportement très non linéaire. S utilise en montage direct, sans transmission Vanne de surpression Accumulateur BP HP BP distributeur D x > 0 Pompe q B q A Vérin Réservoir A B y > 0 Ces actionneurs sont utilisés pour des robots en général assez peu précis, mais avec des capacités de charge très élevées. Certaines servo-valves fonctionnent en débit (vitesse), d autres en pression (couple/force). 40/125

42 Guidage et transmission Guidage = ce qui sert à contraindre le mouvement d une pièce à une autre. Transmission = ce qui sert à transmettre la puissance mécanique de l actionneur à la charge qu il anime. Fonctions DISTINCTES Robot avec guidage et sans transmission = les corps du robot sont articulés mais le robot est passif, il n a pas de capacités de se mouvoir. 42/125

43 Les problèmes du guidage Précision (jeu, déformations). Frottements que l on peut limiter En diminuant le coefficient de frottement des pièces qui glissent les unes sur les autres (choix des matériaux, états de surface, lubrification) En évitant le glissement et en privilégiant le roulement sans glissement Résistance aux charges selon les directions perpendiculaires aux mouvements. 43/125

44 Roulements Pour assurer la rotation d un arbre. Jamais seul. 44/125

45 De très nombreuses variantes Roulements à billes, à rouleaux, à aiguilles, à rotule, butées à billes, etc.etc. Palier auto-aligneur Combinaison butée à billes et roulement à aiguilles 45/125

46 Guidages linéaires Pour des mouvements de translation. Mêmes principes de diminution des frottements. Rails de guidage lisses ou à billes Problèmes de porte-à-faux. 46/125

47 Principe général d une transmission mécanique Un moteur électrique tourne «rapidement» et produit un couple «faible» (en comparaison de ce qui est utile pour engendrer les mouvements d un robot) On connecte donc en général le moteur au corps du robot à travers un organe de transmission, qu on appelle réducteur. Principe : 1 La vitesse est divisée par N : qs qm N Le couple est multiplié par N : N est le rapport de réduction s N m Ceci suppose bien sûr que la transmission ne dissipe pas de puissance. 47/125

48 Pignons et courroies + : simplicité de mise en œuvre, peu de jeu, bonne réversibilité, miniaturisation - : N assez petit, élasticité. 48/125

49 Engrenages (1) Engrenages cylindriques droits : A : externes, B : internes, C : pignon/crémaillère A B C Engrenages hélicoïdaux : A : arbres parallèles, B : arbres perpendiculaires, A B + : chaînage et montage simples, très couramment utilisés. - : compromis difficile entre jeu et pertes d énergie par frottements, mauvaise réversibilité, encombrement (donc poids), peu de dents en contact en même temps (limite la charge) 49/125

50 Engrenages (2) Engrenages coniques : A : droits (90 ), B : angle quelconque. A B Trains planétaires ou épicycloïdaux + : compacité, coaxialité, grand rapport de réduction. - : fabrication complexe, frottements élevés (ou jeu important), très mauvaise réversibilité. 50/125

51 Transmission rotation translation par vis à bille Principe = liaison vis-écrou, avec des billes au niveau du filetage pour limiter les frottements. pas de jeu, réversibilité correcte (selon les modèles). 51/125

52 Transmission à câbles Peu de frottements très bonne transmission des efforts bonne réversibilité. Montage complexe (performance dépendante du montage). Effet de la tension sur les guidages. Vieillissement. Faible rapport de réduction. Poulies pour l alignement / la tension des câbles Plusieurs tours sur l arbre moteur 52/125

53 Exemple d une transmission à câble sur le robot WAM (Makoplasty) 53/125

54 Différentes structures de robots Deux structures principales : Robots manipulateurs : robots à base fixe permettant de manipuler des objets Robots mobiles : robots permettant de se déplacer. Parfois ils transportent sur leur plateforme un robot manipulateur. Eléments de technologie : Actionneurs Guidage et transmission Capteurs ² Interfaçage avec un contrôleur 54/125

55 Codeurs optiques Étrier fixe phototransistor LED Arbre mobile Lorsque l arbre tourne, le phototransistor produit un signal carré (après mise en forme) : La mesure de position consiste alors à compter les impulsions. 55/125

56 Codeurs optiques incrémentaux Deux voies (A et B) sont gravées, avec décalage de 1/4 de période. Sur chaque voie, 1 phototransistor Signaux délivrés : A B Le déphasage entre A et B permet de déterminer le sens de rotation (bascule D) Top tour : voie supplémentaire avec une seule encoche C La voie C n est utilisée que pour l initialisation de la mesure 56/125

57 Codeurs optiques incrémentaux 57/125

58 Codeurs optiques absolus Codeur optique absolu Principe de comptage Pb : pour un même encombrement, la résolution est réduite par rapport à un codeur incrémental. Nombre de fils importants (non négligeable en robotique). 58/125

60 BUS de communication Principe général CPU Carte(s) de sortie Amplification de puissance Actionneurs Carte(s) d entrée Mise en forme Capteurs articulaires E/S logiques Mise en forme Ampl. Puiss. Butées, validations, Contrôleur Interface Robot 60/125

61 Amplification de puissance Rôles : Amplifier la puissance des signaux électriques de sortie du contrôleur numérique. Exemple : une sortie analogique +-10V, 50mA (0,5 W maxi) ne peut alimenter un moteur électrique 10V-3A maxi (30 W). Réaliser un asservissement de bas niveau permettant de : Sécuriser le fonctionnement de l actionneur. Linéariser le comportement de l actionneur / de l axe. Accéder depuis le contrôleur numérique à une grandeur particulière de commande. 61/125

62 Cartes d entrée/sortie Servent à la connexion entre le calculateur numérique et le robot. Sont placées sur un bus de données (bus ISA sur les anciens PC, bus PCI sur les PC récents, bus industriels : VME par exemple). Sont identifiées par une adresse (ISA) ou un identificateur (PCI - cartes reconnues au boot). Sont accessibles par un pilote (driver) fourni avec la carte, qui n est rien d autre qu une bibliothèque 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 écrit la valeur à envoyer dans une case mémoire 1 de la carte, puis écrit dans une case 2 un code particulier qui déclenche la production de la sortie Souvent, une fonction d entrée écrit dans une case mémoire 3 un code particulier qui provoque l acquisition et la copie de la valeur à acquérir dans une case mémoire 4, puis procède à la lecture de la case mémoire 4. Certaines fonctions d entrée sont bloquantes, donc à utiliser avec précaution dans le contexte temps réel. 62/125

63 Cartes d axe Parfois, les fonctions d interfaçage entrée/sortie sont réalisées par une même carte, qui comporte aussi un microcontrôleur. Celui-ci est utilisé pour l asservissement de la vitesse et/ou de la position de l axe. On parle alors de carte d axe. Depuis la CPU, on peut alors : Utiliser la carte d axe en mode transparent, comme une carte d entrée et de sortie. Utiliser la carte d axe en mode asservissement. Une carte d axe permet de libérer la CPU des calculs de bas niveau. 63/125