Chap0 1819 [PDF]

Zitiervorschau

ROBOTIQUE Modélisation & Contrôle Chapitre 0: Introduction

Pr. Khalid BENJELLOUN [email protected] [email protected]

Département Electrique Section Automatique et Informatique Industrielle

Université Mohammed V –Agdal Ecole Mohammadia d’Ingénieurs

Année Universitaire: 2018 - 2019

Robotique

Introduction- 2

Définitions

 [Définition philosophique]: Tout

système autonome ou semi-autonome.

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Introduction- 3

Définitions • Pour la JIRA (Japan Industrial Robot Association), un robot est un:

Dispositif versatile et flexible offrant des fonctions de déplacement similaires à celles des membres humains ou dont les fonctions de déplacement sont commandées par ses capteurs et ses moyens de reconnaissance.

• Pour la RIA (Robotic Industries Association - USA) , un robot est un: Manipulateur multifonction reprogrammable conçu pour déplacer des matériaux, des pièces, des outils ou des dispositifs spécialisés au travers de déplacements variables et programmables pour accomplir diverses tâches.

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Introduction- 4

Définitions • Pour l’AFRI (Association française de robotique industrielle) , un robot est un : Manipulateur automatique, asservi en position, reprogrammable, polyvalent, capable de positionner et d’orienter des matériaux, pièces, outils ou dispositifs spécialisés au cours de mouvements variables et programmés pour l’exécution de tâches variées. Il se présente souvent sous la forme d’un ou plusieurs bras se terminant par un poignet. Son unité de commande utilise, notamment, un dispositif de mémoire et éventuellement de perception de l’environnement. (...) Ces machines polyvalentes sont généralement étudiées pour effectuer la même fonction de façon cyclique et peuvent être adaptées à d’autres fonctions sans modification permanente du matériel.

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Introduction- 5

Définitions • Définition de l’ISO (International Standard Organization): Une machine formée par un mécanisme incluant plusieurs degrés de libertés, ayant souvent l’apparence d’un ou plusieurs bras se terminant par un poignet capable de tenir des outils, des pièces ou un dispositif d’inspection.

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Introduction- 6

Brève historique de la robotique • Seconde Guerre Mondiale: développement des servomécanismes

• Années 1950 : Développement de manipulateurs « maître-esclave » contrôlés à distance pour manipuler des substances radioactives.

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Introduction- 7

Brève historique de la robotique • 1956: C. Devol introduit un brevet délivré en 1961 intitulé “Programmed articulated transfer device”

• 1961: Les travaux de Devol et de Engelberger conduisent au premier robot industriel construit par la société Unimation Inc. Le point clé du système est d’utiliser un ordinateur en conjonction avec un manipulateur. Unimate number 001 est entrée en service dans une usine pour 100.000 heures…

• Unimation Inc. délivre 66 machines entre 1966 et 1971

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Introduction- 8

Brève historique de la robotique

• 1968-1969: Début de recherches intensives sur les robots contrôlés par ordinateur, par exemple au MIT (Boston arm) et à San Francico (Stanford arm)

• 1974: La firme Cincinnati Milacron introduit le robot industriel contrôlé par ordinateur dénommé « The Tomorrow Tool » ou T3

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Introduction- 9

Brève historique de la robotique • 1971: Création de la JIRA au Japon • 1975: Création de la RIA aux USA • 1974: Joe Engelberger prévoit un chiffre d’affaires de 3 milliards de $ en robotique

• 1990: Prévisions réalisées, mais … 70% du marché est contrôlé par le Japon

• 1998: – La robotique industrielle représente un chiffre d’affaire de 4.2 milliards de $ – Il y a 700.000 robots industriels dans le monde

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Vision moderne d’un robot

Introduction- 10

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Introduction- 11

Types des robots

Robots

statiques: Robots ayant une base fixe (e.g. : les robots du

laboratoires, les robots typiques d’une chaîne de production).

Robots

mobiles: Robots qui se déplacent dans l’espace de travail (par

exemple, les robots explorateurs de planètes tels que Curiosity, Spirit & Opportunity, Sojourner, etc…)

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Types des robots

Introduction- 12

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Types des robots: mobiles

Introduction- 13

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Introduction Introduction- 14

Types des robots

• Robots mobiles: Domaine d’application: aérospatial

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Introduction- 15

Types des robots: humanoïdes

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Introduction- 16

Types des robots: chirurgical

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Introduction- 17

Types des robots: manipulateur

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Introduction- 18

Types des robots

• Robots sériels: Robots composés d’un seul segment articulé formant une chaîne cinématique ouverte.

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Introduction- 19

Types des robots

•

Robots parallèles: Robots composés de plusieurs segments articulés qui composent ensemble une chaîne cinématique fermée.

•

Un des grands avantages: Les moteurs ne sont pas dans les articulations comme la majorité des robots sériels. Excellent pour les tâches de types “Pick and Place”. En contrepartie, espace de travail réduit et cinématique directe plus difficile.

•

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Introduction- 20

Types des robots

• Robots statiques:

Domaine d’application: automobile

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Introduction- 21

Domaines d’applications: automobile

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Introduction- 22

Domaines d’applications: aéronautique

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Introduction- 23

Domaines d’applications: aérospatial

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Introduction- 24

Domaines d’applications: agroalimentaire

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Introduction- 25

Domaines d’applications: médecine Thérapie par particules Manutention de bras en C & Positionnement de Patient par robot.

La thérapie par particules est une forme de radiothérapie externe utilisant des faisceaux de protons, de neutrons, ou noyaux atomiques

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Introduction- 26

Types d’automatisation:

• Automatisation fixe (Hard Automation): •

Avantages: rythmes de production élevés, production en grande quantité, faible coût par unité.

•

Désavantages: Manque de flexibilité et nécessite d’importantes modifications lorsque survient un changement de produit, un seul produit ou gamme limitée de produits similaires.

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Introduction- 27

Types d’automatisation:

• Automatisation programmable (Soft Automation): • Systèmes plus flexibles et capables de s’adapter à des changements de produits.

• Production en courtes ou moyennes séries.

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Introduction- 28

Les robots manipulateurs séries

•

Définition(1): Un robot manipulateur série est une machine composé de liens (segments, membres ou encore membrûres) connectés entres eux par des joints (liaisons) pour formé une chaîne cinématique.

•

Définition(2): Le nombre de degrés de liberté (D.D.L., en anglais Degrees of freedom) d’une liaison entre deux corps C1 et C2 est égal au nombre minimal de paramètres qui déterminent la position du corps C2 dans son mouvement permis par rapport au corps C1.

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Introduction- 29

Les robots manipulateurs séries

Articulation: Une articulation lie deux corps successif en limitant le nombre de degré de liberté de l’un par rapport a l’autre. Le cas le plus fréquent en robotique, l’articulation est dite simple soit ‘Rotoïde ’ notée R soit ‘Prismatique’ notée P. • Les joints prismatiques (Prismatic joint), P, permettent un déplacement en translation. • Les joints rotoïdes (Revolute joint), R, permettent un déplacement en rotation.

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Introduction- 30

Géométrie d’un robot manipulateur série

 La

géométrie d’un robot a une grande influence sur les possibilités

d’évitement d’obstacles et sur l’enveloppe de travail du robot. Le nombre de degrés de liberté ainsi que le type des articulations caractérisent la géométrie du robot.

Des

géométries fréquemment utilisées sont, en particulier les

géométries PPP, PRP & RPP, RRP et RRR.

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Introduction- 31

Géométrie d’un robot manipulateur série

• Le robot PPP (communément appelé le manipulateur cartsien):

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Introduction- 32

Géométrie d’un robot manipulateur série

• Le robot PRP ou RPP, communément appelé le manipulateur cylindrique:

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Introduction- 33

Géométrie d’un robot manipulateur série

• Le robot RRP, communément appelé le manipulateur sphérique:

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Introduction- 34

Géométrie d’un robot manipulateur série

• Le robot SCARA (Selective Compliant Articulated Robot Arm),

qui est aussi un RRP, mais toutefois différent du manipulateur sphérique ordinaire. Il est conçu spécifiquement pour des tâches d’assemblage.

http://www.youtube.com/watch?v=xM5iAhVDVR4&feature=relat ed http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&v=v5eR 0eHknZk&NR=1

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Introduction- 35

Géométrie d’un robot manipulateur série

• Le robot RRR (ici c’est un RRRR), communément appelés manipulateurs articulés:

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Géométrie d’un robot manipulateur série

• Les robots RRRRRR sont souvent surnommés manipulateurs anthropomorphiques puisqu’ils s’inspirent partiellement du bras humain: ont dit souvent qu’ils ont un épaule, un coude et un poignet.

• Leur enveloppe de travail est beaucoup plus complexe que les autres types de robots vu précédemments. Leur cinématique directe ainsi que leur dynamique est aussi plus compliqué.

Introduction- 36

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Architectures des manipulateurs séries

Introduction- 37

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Introduction- 38

Espace articulaire (ou de configurations) • On

appelle

configuration

articulaire

d’un

robot

manipulateur (ou simplement configuration) l’état du robot représentant la situation de ces différents corps. La solution la plus classique pour décrire cet état consiste à utiliser

les

variables

ou

coordonnées

articulaires.

L’espace de ces variables est appelé espace articulaire ou espace des configurations. Sa dimension est égale au nombre

de

variables

articulaires

indépendant

et

correspond au nombre de degrés de liberté de la structure mécanique.

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Architectures des manipulateurs séries Architectures des porteurs

Introduction- 39

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Architectures des manipulateurs séries Architectures des poignets

Introduction- 40

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Introduction- 41

Espace articulaire (ou de configurations)

• On appelle configuration articulaire d’un robot manipulateur (ou simplement configuration) l’état du robot représentant la situation de ces différents corps. La solution la plus classique pour décrire cet état consiste à utiliser les variables ou coordonnées articulaires. L’espace de ces variables est appelé espace articulaire ou espace des configurations. Sa dimension est égale au nombre de variables articulaires indépendant et correspond au nombre de degrés de liberté de la structure mécanique.

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Introduction- 42

Espace opérationnel

• L’espace opérationnel est celui dans lequel est représentée la situation de l’organe terminale. La solution la plus simple consiste à utiliser les coordonnées cartésiennes.

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Introduction- 43

Rôle mécanique du robot manipulateur • But de la structure mécanique du robot manipulateur Assurer la localisation dans l’espace d’un outil appelé effecteur • Localisation géométrie de l’effecteur – localisation = position + orientation – assez arbitraire dans l’espace de travail – variable au cours du temps: notion de trajectoire • Planification de trajectoire Tenant compte des contraintes environnementales • Description de la position et de l’orientation de l’effecteur Nécessité de différents systèmes de coordonnées (repères) Transformations de coordonnées !

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Introduction- 44

Classification des robots CLASSIFICATION AFRI • CLASSE A: TELEMANIPULATEURS – Manipulateurs maître-esclave • CLASSE B: MANIPULATEURS AUTOMATIQUES – Manipulateurs automatiques avec séquences fixes – Manipulateurs automatiques avec séquences variables eg. machines à commandes numériques • CLASSE C: ROBOTS PROGRAMMABLES – 1ère génération de robots • CLASSE D: ROBOTS INTELLIGENTS – 2ème génération e.g. robots munis de systèmes de vision – 3ème génération: e.g. robots avec Intelligence Artificielle (A.I.)

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Introduction- 45

Classification des robots CLASSIFICATION DE LA JIRA • CLASSE 1: TELEMANIPULATEURS – Bras commandé directement par un opérateur humain • CLASSE 2: MANIPULATEURS AVEC SEQUENCE FIXE – Contrôle automatique, mais difficile à reprogrammer • CLASSE 3: MANIPULATEURS AVEC SEQUENCE VARIABLE – Contrôle automatique, reprogrammé mécaniquement – Ex: «pick and place manipulators» robot «tout ou rien» • CLASSE 4: ROBOTS PLAY BACK – Séquences qui sont exécutées à l’origine sous la supervision d’êtres humains, mémorisées puis rappelées pour être rejouées (play back) • CLASSE 5: ROBOTS AVEC UN CONTROLEUR NUMERIQUE – Les positions des séquences sont contrôlées par des données numériques • CLASSE 6: LES ROBOTS INTELLIGENTS – Le robot peut réagir à son environnement et à des modifications arrivant durant l’exécution

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Classification des robots

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Classification des robots

Introduction- 47

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Classification des robots

Introduction- 48

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Classification des robots

Introduction- 49

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Classification des robots

Introduction- 50

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Introduction- 51

STRUCTURE GÉNÉRALE D’UN ROBOT MANIPULATEUR Description du robot manipulateur dans son environnement en 5 composantes interagissant

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Introduction- 52

STRUCTURE GÉNÉRALE D’UN ROBOT MANIPULATEUR

Environmental sensors

Motion planner

Controlle r

Mechanical Structure

Configuration sensor

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Introduction- 53

STRUCTURE GÉNÉRALE D’UN ROBOT MANIPULATEUR

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Introduction- 54

STRUCTURE GÉNÉRALE D’UN ROBOT MANIPULATEUR • Description du robot manipulateur dans son environnement en 5 composantes interagissant • 1° Structure mécanique ou système articulé – membres rigides, liaisons articulées par des joints mécaniques – à son extrémité l’outil ou effecteur • 2° Actionneurs ou actuateurs – pour lutter contre la gravité, l’inertie, les forces extérieures; – modifier la configuration; – de types électriques / pneumatiques / hydrauliques • 3° Les systèmes de transmissions mécaniques – connecter les actuateurs à la structure mécanique – transmettre et adapter les sources d’énergie aux charges

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Introduction- 55

STRUCTURE GÉNÉRALE D’UN ROBOT MANIPULATEUR • Description du robot manipulateur dans son environnement en 5 composantes interagissant • 4° Les senseurs – tactiles, optiques, électriques... – senseurs proprioceptifs dont le but est de fournir l’information sur la configuration du manipulateur – senseurs extéroceptifs dont le but est donner des informations sur l’environnement • 5° Unité de contrôle – rôle d’information: collecter l’information venant des senseurs – rôle de décision: partant d’une tâche définie et tenant

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Introduction- 56

STRUCTURE DE L’UNITÉ DE CONTROLE • Fonction de l’unité de contrôle: logiciels et bases de données concernant: – un modèle cinématique / dynamique du robot • entrées, consignes, commandes mouvements – modèle de l’environnement • planification de trajectoire, évitement de collision – algorithme de contrôle • gouverne le mouvement du robot à un plus bas niveau (structures et actuateurs) – protocole de communication • échange d’informations entre les différents composants du système • Architecture de l’unité de contrôle: – centralisée ou hiérarchique (maître - esclave)

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Introduction- 57

ASPECTS MECANIQUES DES ROBOTS • Objectifs à atteindre – Mobilité et dextérité aussi grande que possible dans l’espace de travail – Accessibilité aussi large que possible – Flexibilité maximale des tâches à réaliser • Parallélisme avec le bras humain – Liaison série de membres reliées par des joints rotules pour la mobilité et la dextérité – Pauvre raideur mécanique – Mauvaise précision • Conséquences – Nécessité d’avoir une conception assez sophistiquée («advanced design »), – Une bonne modélisation – Un contrôle efficace

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Introduction- 58

ASPECTS MECANIQUES DES ROBOTS • Géométrie: relie positions des moteurs et de l’outil – Équations non linéaire complexes • Cinématique : relie vitesses des moteurs et de l’outil – Une des difficultés provient des multiples degrés de liberté – (≠ des mécanismes) • Dynamique : forces et couples moteurs aux forces à l’outil et aux accélérations et donc à la trajectoire – Équations non linéaires fortement couplées (à cause de la cinématique), – Variation forte de la gravité, des forces d’inertie avec la configuration – Effets Coriolis et centrifuges importants – Flexibilité structurale – Effets indésirables de l’amortissement structural

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Introduction- 59

Modes d’opérations d’un robot (types de déplacement)

• Point par point: Dans ce mode de fonctionnement, le robot se déplace d’un point à un autre sans que l’utilisateur puisse contrôler le chemin suivi entre les points.

• Suivi de trajectoires: C’est une trajectoire continue, et non un ensemble discret de points, que le robot cherche à suivre.

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Caractéristiques (Terminologie et définitions)

•

Nombre d’axes d’un robot: Le nombre d’axes que possède un robot désigne le positionnement que ce dernier peut faire en x,y et z, ainsi qu’en Θx , Θy, Θz . Ceci est souvent relié au nombre de degrés de liberté du robot, mais c’est une notion bien différente, sachez la différencier.

•

•

Dans une majorité de cas, les robots œuvrant dans l’espace tridimensionnel ont six axes : trois pour le positionnement du poignet, et trois autres pour l’orientation de l’effecteur. Ces six axes font que, hors des configurations de singularité, le robot possède les six degrés de liberté nécessaires afin de positionner et d’orienter l’effecteur. Certains robots ont plus de six degrés de liberté, ils sont redondants car ils possèdent plus d’axes que nécessaire pour positionner et orienter l’effecteur.

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Caractéristiques (Terminologie et définitions)

•

Capacité : La capacité est la charge utile (en kg) que peut déplacer un robot (normalement spécifiée lorsque le robot est complètement allongé donc dans le pire des cas).

•

Vitesse de déplacement: Il s’agit de la vitesse maximale que peut atteindre le robot (par exemple, entre deux points).

•

Portée et débattement: Ces deux paramètres donnent une indication de l’enveloppe de travail (workspace) d’un robot. La portée (reach) horizontale donne la distance radiale maximum entre l’effecteur et l’axe vertical passant par la base du robot. Le débattement (stroke) horizontal donne la distance radiale que l’effecteur peut parcourir. De façon similaire, on peut définir la portée verticale et le débattement vertical.

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Caractéristiques (Terminologie et définitions)

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Caractéristiques (Terminologie et définitions)

• Répétabilité: La répétabilité est une mesure de la capacité du robot de pouvoir retourner se positionner au même point de façon répétitive.

• Justesse: (Souvent appelée justesse statique, en anglais acuracy) est une mesure de la capacité du robot à se positionner à l’endroit demandé.

• Résolution spatiale: La résolution spatiale donne le plus petit incrément qu’il est possible de programmer entre deux positions voisines. La résolution est reliée à la résolution des encodeurs utilisés (ainsi qu’au ratio des engrenages) pour la mesure de position dans les articulations.

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Propriétés des manipulateurs

 Précision  Répétabilité  Charge utile  Vitesse maximale  Accélération maximale

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Fabricants de robots industriels

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