Cours de Robotique ENSPS 3A MASTER ISTI Jacques Gangloff 1
Plan du cours Introduction - vue d'ensemble de la robotique Fondements théoriques Positionnement Cinématique 2 Rotation / Représentations de la rotation Attitude / Matrices homogènes Vitesse d'un solide Vecteur vitesse de rotation Mouvement rigide Torseur cinématique
Plan du cours Modélisation d'un robot Modèle géométrique Modèle cinématique 3 Convention de Denavit-Hartenberg Modèle géométrique direct Modèle géométrique inverse Jacobien direct d'un robot Inversion du Jacobien Modèle dynamique
Plan du cours Commande des robots Au niveau articulaire Dans l'espace opérationnel 4 Les actionneurs Asservissements de bas niveau Stratégies d'asservissements de position Génération de trajectoire Trajectoires dans l'espace opérationnel Asservissements en effort
I. Introduction 5 1. Définition et historique 2. Différentes catégories de robots 3. Vocabulaire de la robotique 4. Caractérisation des robots 5. Les différents types de robots manipulateurs 6. Utilisation des robots 7. Avenir de la robotique 8. Bibliographie
1. Définition et historique 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 : 6 1947 : premier manipulateur électrique téléopéré. 1954 : premier robot programmable. 1961 : apparition d'un robot sur une chaîne de montage de General Motors. 1961 : premier robot avec contrôle en effort. 1963 : utilisation de la vision pour commander un robot.
2. Différentes catégories de robots 7 Robots mobiles Robots sous-marins Robots volants Robots humanoïdes Robots manipulateurs : objet de ce cours.
3. Vocabulaire de la robotique 8 Actionneur = moteur Axe = articulation Corps = segment Organe terminal Effecteur = outil Base
4. Caractérisation des robots 4.1. Description de sa géométrie Robot = système mécanique poly-articulé : 1 Articulation prismatique : 1 2 Articulation rotoïde : 9 1 Caractéristiques géométriques : 1 2 1 2 Nombre d'axes (mus par un actionneur). Architecture (série ou parallèle). Chaînage des articulations. Nombre de degrés de liberté. 1 2 2 1 2 1 2 1 2 2
4. Caractérisation des robots 4.1. Description de sa géométrie 10 Exemples : 3 axes, série, RRR, 3DL. 3 axes, série, PPP, 3DL. 4 axes, parallèle, RP+RP, 3DL.
4. Caractérisation des robots 4.2. Volume accessible Volume accessible par l'outil du robot. Ce volume dépend : 11 de la géométrie du robot, de la longueur des segments, du débattement des articulations (limité par des butées). Exemples : Rem : toutes les dimensions de ces volumes sont précisées.
4. Caractérisation des robots 4.3. Précision / Répétabilité Positionnement absolu imprécis (>1 mm): 12 Erreurs de modèle géométrique, Erreurs de quantification de la mesure de position, Flexibilités. Répétabilité : la répétabilité d'un robot est l'erreur maximale de positionnement répété de l'outil en tout point de son espace de travail. En général, la répétabilité < 0.1 mm.
4. Caractérisation des robots 4.4. Performances dynamiques Vitesse maximale : Accélération maximale : 13 Vitesse maximale de translation ou de rotation de chaque axe. Les constructeurs donnent souvent une vitesse de translation maximale de l'organe terminal. Est donnée pour chaque axe dans la configuration la plus défavorable (inertie maximale, charge maximale). Dépend fortement de l'inertie donc de la position du robot.
4. Caractérisation des robots 4.5. Charge utile 14 C'est la charge maximale que peut porter le robot sans dégrader la répétabilité et les performances dynamiques. La charge utile est nettement inférieure à la charge maximale que peut porter le robot qui est directement dépendante des actionneurs.
4. Caractérisation des robots 4.6. Exemple ABBTM 15
5. Les différents types de robots 5.1. Les robots SCARA SCARA = Selective Compliance Articulated Robot for Assembly. Caractéristiques : 3 axes, série, RRP, 3 DDL. Espace de travail cylindrique. Précis. Très rapide. Exemples : SankyoTM 16 AdeptTM
5. Les différents types de robots 5.2. Les robots cylindriques Caractéristiques : 3 axes, série, RPP, 3 DDL. Espace de travail cylindrique. Très rapide. Exemple : SeikoTM 17
5. Les différents types de robots 5.3. Les robots sphériques Caractéristiques : 3 axes, série, RRT, 3 DDL. Espace de travail sphérique. Grande charge utile. Exemple : FANUCTM 18
5. Les différents types de robots 5.4. Les robots Cartésiens Caractéristiques : 3 axes 2 à 2, série, PPP, 3 DDL. Très bonne précision. Lent. Exemple : ToshibaTM 19
5. Les différents types de robots 5.5. Les robots parallèles Caractéristiques : Plusieurs chaînes cinématiques en parallèle. Espace de travail réduit. Précis (grande rigidité de la structure). Rapide. Exemple : COMAUTM 20
5. Les différents types de robots 5.6. Les robots anthropomorphe Caractéristiques : Reproduisent la structure d'un bras humain. 6 axes, série, 6R, 6 DDL. Exemples : Architecture standard : KawasakiTM 21
5. Les différents types de robots 5.6. Les robots anthropomorphe Architecture à parallélogramme : ABBTM 22 Modèle SN-IRB Série 1 SN-IRB Série 4 SN-IRB Série 2 SN-IRB Série 6 Charge utile 5-6 kg 10-16 kg 45 kg 120 kg Rayon d'action 1,45m 1,55m 1,95m 2,8m Masse du robot 225 kg 350 kg 900 kg 2000 kg
6. Utilisation des robots 6.1. Tâches simples La grande majorité des robots est utilisée pour des tâches simples et répétitives. Les robots sont programmés une fois pour toute au cours de la procédure d'apprentissage. Critères de choix de la solution robotique : 23 La tâche est assez simple pour être robotisée. Les critères de qualité sur la tâche sont importants. Pénibilté de la tâche (peinture, charge lourde, environnement hostile,...).
6. Utilisation des robots 6.1. Tâches simples Robot soudeurs : Par points 24 A l'arc
6. Utilisation des robots 6.1. Tâches simples 25 Robots de palettisation :
6. Utilisation des robots 6.1. Tâches simples Autres applications : Chargement 26 Polissage Positionnement
6. Utilisation des robots 6.1. Tâches simples Applications d'avenir : Génie génétique Industrie agro-alimentaire 27
6. Utilisation des robots 6.1. Tâches simples 28 Statistiques nationales (2003) :
6. Utilisation des robots 6.1. Tâches simples 29 Statistiques internationales (2001) :
6. Utilisation des robots 6.2. Tâches complexes Robotique de service : Robot grimpeur Robot pompiste 30 Robot laveur d'avion Robot de construction
6. Utilisation des robots 6.2. Tâches complexes Robotique médicale : Intuitive surgicaltm Computer motiontm 31 Assistance aux personnes handicapées
7. Avenir de la robotique Stagnation du nombre de robots utilisés pour des tâches simples. Forte croissance du nombre des robots utilisés pour des tâches complexes : 32 Robotique de service, Robotique d'assistance aux manipulations dans la recherche biologique et génétique, Robotique médicale, Robotique ludique
7. Avenir de la robotique 33 Statistiques internationales (2003) :
8. Bibliographie 34 M. W. Spong et M. Vidyasagar, Robot dynamics and control, John Wiley & sons. John J. Craig, Introduction to robotics - mechanics and control, Addison-Wesley. C. Canudas de Wit, B. Siciliano et G. Bastin, Theory of robot control, Sringer. H. Asada et J.-J. E. Slotine, Robot analysis and control, John Wiley & sons. E. Dombre et W. Khalil, Modélisation et commande des robots, Hermes. J.-P. Lallemand et S. Zeghloul, Robotique - Aspects fondamentaux, Masson.