Projet Robotex. Allocation de thèse

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1 Projet Robotex Allocation de thèse Titre de la thèse : Etude de l ajout de redondances pour l amélioration du comportement cinématique et dynamique des robots à structure parallèle et sérielle sous sollicitations d usinage et de parachèvement. Nom(s) du(des) porteur(s) : Grogore GOGU (LaMI) Laurent SABOURIN (LAMI) Youcef MEZOUAR (LASMEA) Mail : grigore.gogu@ifma.fr Mail : laurent.sabourin@ifma.fr Mail : youcef.mezouar@lasmea.univ-bpclermont.fr Laboratoires Partenaires (sigle) : LaMI, LASMEA (Axes MMS et ISPR du projet de l Institut Pascal) Contexte Le LaMI participe au développement des machines et des systèmes mécaniques hautement performants fondés sur l innovation scientifique et technologique dans les domaines de la mécanique, de la commande ainsi que sur la maîtrise du comportement réel de ces systèmes. L étude en comportement réel fournit les données primordiales pour modifier leur conception ou améliorer leur mise en œuvre. Un des objectif du groupe GRAVIR du LASMEA est la maîtrise de la complexité dans les systèmes robotiques, que celle-ci soit introduite par les capteurs utilisés, les spécificités de la structure mécanique du système, les incertitudes liées à l environnement, ou encore la nature des tâches à effectuer. Dans ce contexte, les études menées s appuie essentiellement sur des activités de modélisation pour la commande des systèmes robotiques complexes afin d augmenter leur autonomie et leur adaptabilité aux tâches à réaliser en fonction des environnements statiques et/ou dynamiques rencontrés. La demande industrielle de machines et mécanismes toujours plus exigeants en termes de capacités cinématiques et dynamiques (UGV, etc.) a vu l émergence de nouvelles structures (parallèle, hybride), qui arrivent aujourd hui à des limites en terme de capabilité. Ce développement a aussi été un révélateur sur les processus envisageables et les structures des robots sériels. L étude du comportement des structures sérielles ou parallèles montre une anisotropie du comportement aussi bien cinématique, que dynamique, impactant la précision attendue. Ces systèmes mécaniques, basés jusqu à présent sur une commande référencée modèle, impliquent la définition et la prise en compte toujours plus précise du comportement réel pour garantir la qualité attendue en terme de précision. Un premier objectif des travaux proposés dans cette thèse est d étudier et de comparer le comportement des structures sérielles et parallèles sous sollicitations cinématiques et dynamiques d usinage afin de définir les limites de espaces opérationnels associés. Un second objectif est la mise en place d une méthodologie de définition des redondances pour l augmentation des espaces de travail et l amélioration du comportement. Un troisième objectif sera de démontrer l'apport des commandes référencées capteurs sur le comportement des structures sérielles et parallèles sous sollicitations cinématiques et dynamiques. Ces travaux seront appliqués à deux robots, un robot sériel d usinage ABB 6600 et un robot à structure parallèle (type Tricept) en cours d acquisition dans le cadre du projet d équipement Robotex associé à un ensemble d axe externes.

2 Objectifs scientifiques Le choix d une solution technologique dans le cadre de taches d usinage ou de parachèvement est un compromis entre, capabilité spatiale, capabilité cinématique et capabilité machine vis-àvis d un coût d investissement donné. Les robots sériels ou parallèles présentent des caractéristiques intéressantes pour ce type d opérations : capacité spatiale, ratio espace de travail/empreinte au sol, capacité à réorienter l outil (usinage 5 axes), accessibilité aux formes complexes, possibilité de travailler sur plusieurs postes, coût d investissement faible par rapport à une machine-outil 5 axes. Cependant l utilisation d un robot industriel (sériel ou parallèle) pour l usinage ou le parachèvement restreint les conditions d utilisation. Les phénomènes de coupe ou d abrasion engendrent des sollicitations importantes, variables en amplitude, en fréquence et en direction. La rigidité statique et dynamique des architectures parallèle et surtout sérielle se traduit par une déformation de la structure et des vibrations sensibles au niveau de l outil. Ceci entraîne des défauts sur la pièce qui vont affecter l état de surface ainsi que les spécifications géométriques. Aujourd hui, les constructeurs de robot industriels proposent des solutions à architecture parallèle ou hybride pour ces opérations d usinage et depuis peu de temps architecture sérielle, basée des structures de robot gros porteur plus rigide. Il s agit donc de caractériser dans un premier temps l espace cinématique et en rigidité statique, réducteur vis-à-vis de l espace opérationnel de ces robots, pour des opérations d usinage. Une approche développée au LaMI consiste à augmenter les possibilités cinématiques de la structure de manière à position au mieux la tâche à réaliser suivant un ensemble de critères, dont l amélioration de la rigidité par choix des postures du robot. Les redondances cinématiques apportées par les axes complémentaires permettent ainsi de définir une trajectoire optimisée suivant un ensemble de critères [Mer00] : respect d une vitesse d avance programmée, meilleur rigidité de la structure du robot, etc. [Rob07]. Cependant, cette optimisation nécessite la prise en compte d un ensemble de contraintes inhérentes à la robotique, garantir la t-parcourabilité des trajectoires, évitement des singularités, caractérisation du domaine opérationnel anisotropique aussi bien cinématique, que dynamique, etc. [Gog08] [RSG06]. Nous nous proposons d aborder l ajout et la gestion des redondances cinématiques en vue d améliorer le comportement globale de la structure suivant deux aspects : Le premier concerne une meilleure prise en compte de anisotropie du domaine opération cinématique et dynamique dans la définition des trajectoires pour les commandes référencée modèle et référencée capteurs ainsi qu'une comparaison des capacités offertes par les différentes structures (sérielle, parallèle). La communauté scientifique a produit des travaux très avancés sur la modélisation du comportement mécanique des différents éléments des machines et des robots, mais ces travaux ne sont pas directement utilisables lors de la mise en oeuvre d une production car ils proposent des modèles trop complexes pour être pris en compte lors du calcul et de la simulation du trajet de la tâche à réaliser. Il est alors nécessaire de proposer de nouveaux modèles adaptés, plus simples, rapides et robustes mais tout aussi fiables pour prédire puis optimisé le comportement attendu. Afin d aboutir à ces nouveaux modèles, il s agira dans un premier temps de caractériser les éléments influents le plus le comportement du robot lors du parcourt d une trajectoire donnée. Des critères devront alors permettre de déclencher une action corrective pour améliorer le placement de la tâche et de la trajectoire par traitement des redondances cinématiques [Gog09]. On pourra par exemple s inspirer des travaux conduits au LaMI et portant sur la prédiction du comportement dynamique des machines outils à structure

3 parallèle [Bon09]. Nous souhaitons améliorer ces méthodes en couplant les informations fournis par le laser tracker, et des capteurs de vision rapide. Le laser tracker est particulièrement adapté à la mesure de la pose (position et vitesse d un point) et la vision, comme l'ont démontré les travaux menés au LASMEA, complète l ensemble par une mesure précise de rotations (orientation et vitesse) [AMM08], [DAM09], [CMC07]. Le deuxième concerne l amélioration du comportement de la structure sous sollicitation mécanique. Cependant, le rapport précision attendue/espace de travail est réduit par rapport au domaine opérationnel. Une solution consiste à ajouter des redondances cinématiques afin d augmenter l espace de travail et d améliorer les capacités. Nous proposons de mettre en place une méthode de définition du type et du nombre de redondances nécessaire à la réalisation de tâches complexe d usinage, associé à des outils de simulations et d optimisation des trajectoires. Le LaMI et le LASMEA ont déjà abordé cette problématique dans le cadre du projet SRDViand pour des opérations de découpe [GLS09], [GSG10]. Nous allons investiguer également la collaboration entre un robot parallèle et un robot sériel lors de la réalisation d une tache complexe d usinage. Ce sujet s intègre également dans les travaux communs en cours réalisés sur la manipulation multi-bras d objets articulés et déformables ou la gestion des redondances est encore plus complexe. Références [AMM08] H. Hadj-Abdelkader, Y. Mezouar, P. Martinet, F. Chaumette. Catadioptric Visual Servoing From 3D Straight Lines. IEEE Trans. on RObotics, I-TRO, 24(3): , June [Bon09] T. Bonnemains, Etude du comportement mécanique des machines outils à structure parallèle en usinage grande vitesse, LaMI, thèse de Doctorat, Université Blaise Pascal, [CMC07] A.I. Comport, E. Marchand, F. Chaumette. Kinematic Sets for Real-time Robust Articulated Object Tracking. Image and Vision Computing (IVC) Special Issue on Articulated and Nonrigid Motion, 25(3): , January [DAM09] R. Dahmouche, N. Andreff, Y. Mezouar, P. Martinet, 3D Pose and Velocity Visual Tracking Based on Sequential Region of Interest Acquisition, 2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent RObots and Systems, IROS09, St. Louis, MO, USA, October 11-15th, [Gog08] G. Gogu Structural Synthesis of Parallel Robots, Part 1: Methodology, Springer, Dordrecht, 2008, ISBN: (716 pages). [Gog09] G. Gogu. Structural Synthesis of Parallel Robots, Part 2: Topologies, with Two and Three Degrees of Freedom, Springer, Dordrecht, 2009, ISBN: , (780 pages). [GLS09] G. Guire, E. Lemoine, F. Stephan, L. Sabourin, G. Gogu, Strategies for robotization of beef carcass primal cutting, In 55th International Congress of Meat Science and Technology (ICoMST 2009), Copenhagen, Danish, August [GSG10] G. Guire, L. Sabourin, G. Gogu, E. Lemoine, Robotic cell for beef carcass primal cutting and pork ham boning in meat industry, Industrial Robot, Vol. 37, No. 6, pp , [Mer00] J.-P. Merlet. Parallel Robots. Kluwer Academic Publishers, [Rob07] V. Robin, Contribution au parachèvement par fraisage et polissage robotisés de pièces de forme complexes. Application aux pièces de fonderie aluminium de grandes dimensions pour l aéronautique, LaMI, Thèse de Doctorat, Université Blaise Pascal, [RSG] V. Robin, L. Sabourin, G. Gogu, Optimization of a robotic with redundant architecture, Robotic and Computer-Integrated Manufacturing, Vol. 27, pp , [RSG06] Robin V., Sabourin L., Gogu G., Robotized cell modelling. Application to the machining and polishing of large cast parts, RIIN, Vol 2 /1-2, pp , 2006.

4 Organisation de la thèse Cette thèse s inscrit dans une collaboration entre le LaMI et le LASMEA (Axes MMS et ISPR du projet de l Institut Pascal). Comme il est d usage, une partie de la thèse sera consacrée à l étude bibliographique, aussi bien sur la modélisation des systèmes redondants, que sur les avancées en matière de modélisation des aspects dynamiques. La première année sera plus particulièrement consacrée à la modélisation du comportement mécanique et le trainement des redondances cinématiques. Le début de la seconde année sera tout d abord consacré à l expérimentation et l évaluation des méthodes proposées, ceci inclut la mise place du système de mesure (trackeur laser et vision rapide). Les travaux de recherche s orienteront ensuite sur la l étude de l évaluation des performances sur deux architectures de robot (parallèle et sérielle) et la rédaction du mémoire de thèse. Présentation de l équipe encadrante - Contexte Le financement de cette thèse permettra d accueillir une personne au sein de l équipe MMS (Machines, Mécanismes et Systèmes) du LaMI en collaboration avec l équipe ROSACE du LASMEA qui participent activement au projet M2I du projet InnovaPole. L équipe MMS développe depuis de nombreuses années des compétences sur l analyse du comportement des mécanismes et machines à structure parallèle, le traitement des redondances cinématiques et sur leur utilisation optimale vis-à-vis d un procédé donné. L équipe ROSACE développe depuis de nombreuses années des compétences sur l asservissement visuel de robots et la commande. Elle a également proposé des méthodes d estimation de pose et de vitesse à partir de vision rapide. - Environnement matériel Le plateau expérimental de l AIP Auvergne à l IFMA va être renforcé par deux robots, le premier étant un robot sériel gros porteur (6ddls) avec commande en effort, le deuxième est un robot à structure parallèle (type Tricept, 5 ou 6 ddls) en cours d acquisition dans le cadre du projet Robotex, complété par un plateau rotatif (2ddls) et/ou une plateforme parallèle pour positionner et orienter la pièce. Le nombre de ddls de cette plateforme est à définir en fonction de la complexité de la pièce. Cette cellule est le principal support aux études expérimentales nécessaires à la réalisation des travaux du doctorat. L analyse du comportement cinématique et dynamique sera facilité par l utilisation du tracker laser existent dans notre dotation et par la mise en place des technologies en vision rapide développées par le LASMEA. - Equipe d encadrement La personne financée sera encadrée par Grigore GOGU (Professeur des Universités au LaMI), Laurent SABOURIN (Maître de conférences au LaMI), Youcef MEZOUAR (Maître de conférences HDR au LASMEA). L'ER MMS (Machines, Mécanismes et Systèmes) au sein du LaMI, est centrée sur une approche transdisciplinaire et repose sur des développements méthodologiques d innovation, de modélisation et d optimisation des machines, mécanismes et robots. Les grands thèmes d étude actuels sont : la synthèse structurale et l innovation pour systèmes mécaniques complexes intégrant l utilisation des critères de mobilité élaborés récemment pour les mécanismes parallèles et la modélisation du comportement réel afin de proposer une démarche de conception des mécanismes commandés adaptée à la tâche. Cette démarche repose sur la modélisation

5 cinématique et dynamique de la structure mécanique, ainsi que des comportements de la commande et du procédé. L originalité de l approche vient du couplage entre la machine et le procédé qui permet de proposer une machine optimisée. L ER ROSACE (RObotique et Systèmes Autonomes ComplExes) du groupe GRAVIR du LASMEA développe des activités de recherches dans l axe VISIR (Visual Servoing for Robots) gravitant autour des notions de modélisation et de commande référencée capteurs. Le partie pris dans cette activité est que des tâches robotiques complexes peuvent être traitées de manière cohérente et innovante en utilisant le plus directement possible les informations capteurs. Afin de montrer la pertinence de ce point de vue, les problématiques adressées dans cette activité sont abordées avec comme fil conducteur la commande référencée capteurs.