01/04/04. 1) Fonction essentielle d un Robot Industriel. II-2 Le système mécanique articulé

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1 II- Architecture générale des Robots Industriels 1) Fonction essentielle d un Robot Industriel 2) Le système mécanique articulé 3) Principales architectures de porteurs des R. I. 4) Performances des porteurs 5) Les poignets des Robots Industriels 6) Les couplages porteur-poignet 7) Les actionneurs 8) Les organes de transmission 9) Les capteurs 10) Architecture générale d un axe de R. I. II-1 Fonction essentielle d un Robot Industriel Situer correctement et automatiquement un outil dans l espace. Structure d action (structure opérative) Un véhicule (éventuellement) Un Système écanique Articulé Un ensemble d actionneurs Un ensemble d organes de transmission Un ensemble de capteurs Un organe terminal (effectueur) Structure de commande 1- Un Porteur (bras) Positionnement du poignet dans l espace. 3- Définitions D 1 On appelle chaîne cinématique un ensemble de solides articulés. 2- Un Poignet Orientation de l organe terminal dans l espace. Le S..A. forme une chaîne cinématique ouverte. Chaîne cinématique ouverte simple Chaîne cinématique ouverte arborescente Chaîne cinématique complexe D 2 On appelle Articulation (couple cinématique), la liaison de deux solides autorisant une mobilité relative. Articulations utilisées sur les Robots Industriels Articulation prismatique (P) D 3 Degrés de liberté de l articulation Nombre minimum de paramètres définissant la situation relative des deux solides. D 4 Classe de l articulation Complément à 6 du nombre de d.d.l. Articulation rotoïde (R) 1<= d.d.l. <=5 1 <= classe <= 5 1

2 Description d une chaîne cinématique ouverte simple Cas général : (R,z 1 ), (P,z 2 ), (R,z 3 ),, (P,z n ) Cas des robots : Deux axes successifs d articulation sont : soit confondus : soit parallèles : soit perpendiculaires : soit orthogonaux : Exemple : RP R D 5 Indice de mobilité d une chaîne cinématique ouverte simple n = nombre de solides mobiles j = classe de l articulation N j = nombre d articulations de classe j Pour un robot industriel, on a : 5 = 6n - j N j j=1 = 6n - 5n = n D 6 Degré de liberté d une chaîne cinématique = nombre de paramètres indépendants définissant la situation dans l espace du dernier solide S n de la chaîne. On a toujours : <= Redondance et singularité Si le S..A. d un robot est tel que : alors le S..A. est non redondant. Si le S..A. d un robot est tel que, pour toute configuration : alors le S..A. est redondant. Si pour un nombre fini de configurations : alors le S..A. est localement redondant. = < < D 7 Degré de liberté DL t d une tâche DL t = nombre de paramètres indépendants permettant de fixer toutes les situations de l organe terminal lors de l exécution d une tâche. On a : DL t <= 6 Compatibilité Robot- Tâche Un robot est compatible avec une tâche donnée si : >= DL t Les configurations correspondantes sont dites singulières. II-3 Principales architectures des porteurs des R. I. II-3 Principales architectures des porteurs des R. I. Chaîne cinématique ouverte simple constituée de 3 solides mobiles. Degré de liberté = 3 R R R 60% du parc P P P 15% du parc R P P 4% du parc 2

3 II-3 Principales architectures des porteurs des R. I. Porteur R P P (Renault Acma TH8) R R P 15% du parc R R P 6% du parc Porteur R R R (Asea( IRB62) 1- Volume de travail 2- Rigidité Les charges statiques et dynamiques ne doivent pas influencer le positionnement de poignet (déformations élastoplastiques ou électrodynamiques) 3- Légèreté Les masses et les moments d inertie doivent être réduits pour assurer des cadences rapides (grandes accélérations et décélérations) 4- Précision et répétabilité du positionnement 3

4 Quelques exemples (R R R R ) FANUC 16i FANUC LR200i FANUC S900i Autres cas : porteurs redondants nombre de solides > 3 Intérêts Accroître la mobilité (ex : robot de peinture). Augmenter l espace de travail. Charge max 5 kg 20 kg 400 kg Rayon max 700 mm 1700 mm 2500 mm Répétabilité 0.04 mm 0.1 mm 0.5 mm Vitesse 160 /s 180 /s 100 /s Inconvénients Plus coûteux. Commande plus difficile. II-5 Les poignets des R. I. II-5 Les poignets des R. I. 1- Fonction essentielle Permettre l orientation de l organe terminal. 2- Degré de liberté = 3 Chaîne articulaire simple constituée de 3 solides et 3 articulations rotoïdes. 3- Architecture classique 4- autres architectures (degré de liberté < 3) Pour l exécution de certaines tâches on peut utiliser des poignets simplifiés. Poignet à un axe Poignet à deux axes concourants Poignet à deux axes non concourants II-6 Couplages porteur-poignet II-7 Les actionneurs En général le positionnement et l orientation de l organe terminal ne peuvent pas être découplés sur le S..A. d un robot industriel. Conséquences : Plus grande difficulté pour la commande du robot. 1- fonction essentielle Engendrer mouvements et efforts généralisés sur chacun des solides de S..A. Le nombre d actionneurs est donc égal au nombre N d articulations (ou nombre de solides mobiles) sur une chaîne cinématique ouverte simple. 2- principaux types d actionneurs électriques - moteurs à courant continu (majoritaires) - moteurs asynchrones - moteurs pas à pas hydrauliques (vérins linéaires, vérins rotatifs) pneumatiques (vérins linéaires, vérins rotatifs) 4

5 II-7 Les actionneurs II-7 Les actionneurs 3- cahier des charges des actionneurs robotiques Grande puissance massique Grand pouvoir d accélération Linéarité des lois entrées-sorties Fiabilité Faibles nuisances 4- performances comparées des actionneurs robotiques Puissance massique Pouvoir d'accélération Electrique Hydraulique Pneumatique Linéarité Frottements Nuisances Utilisation A B C A : Tâches exigeant une grande précision B : Tâches exigeant la manutention d objets lourds avec une précision faible C : Pas d applications 1- fonctions essentielles Réduire la vitesse de rotation d un moteur électrique tout en amplifiant son couple Transformer les mouvements (rotation translation ou translation rotation) Transmettre les mouvements à distance 2- Les réducteurs mécaniques de vitesse Principales caractéristiques Rapport de transmission (jusqu à 250) Couple transmissible (jusqu à 10 3 N.m) Couple massique Jeu angulaire (si possible nul) Rigidité angulaire (la plus grande possible) Inertie ramenée la plus faible possible (inertie en rotation vue par le moteur électrique) Principaux réducteurs Réducteurs à engrenages classiques (axes parallèles, axes perpendiculaires, train épicycloïdal) Réducteurs à engrenages déformables (Harmonic Drive) 5

6 3- Autres organes de transmission Systèmes vis-écrou Parrallélogrammes articulés Tendons (courroie crantées, chaînes, rubans métalliques, câbles,...) Utilisation de paires de rubans métalliques sur les axes prismatiques N 2 et N 3 du porteur TH8 Utilisation de chaînes pour animer l axe n 4 du robot otoman 4- Problèmes induits par les organes de transmission Défauts de transmission (non-linéarités entrée-sortie), d où : Erreurs cinématiques Erreurs statiques Erreurs dynamiques Le choix et la qualité des organes de transmission conditionnent les performances d un robot industriel II-9 Les capteurs II-9 Les capteurs 1- Les capteurs proprioceptifs Sur chaque articulation En général, codeur optique (résolution de 2 8 =256 à 2 16 =65536 positions par tour). Fournissant une information sur la position, la vitesse ou l accélération généralisée au niveau de chaque articulation 2- Les capteurs extéroceptifs Caméra Capteurs de proximité Capteurs tactiles (mesure de forces) oteur CC + dynamo + codeur Codeur optique absolu 6

7 II-10 Architecture générale d un axe de robot industriel Solide S i Capteur oteur Frein Réducteur + mécanisme 7