Rapport Projet Bras Robotique [PDF]

Zitiervorschau

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Filière Ingénieur : Productique & Mécatronique

Mini Projet : Conception et Modélisation d’un bras robotique manipulateur

Encadré par :

Réalisé Par :  AZIZI Abdelatif

 Mr. KADIRI Mourad

 BAHTAT Ayoub

 Mr. KHAOUCH Zakaria

 EL OUARDI Said

 MM. OUAOMAR Hanae

Année Universitaire 2019-2020

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Table des matières Chapitre 1 : Généralités sur les robots manipulateurs. .................. 5 A.

Introduction à la Robotique : .............................................................................................. 6

B.

Définition des robots manipulateurs : ................................................................................. 7

C.

Classification des robots : .................................................................................................... 7

D.

Structure générale d’un robot manipulateur : .................................................................... 7 1. Système mécanique articulé : ................................................................................................ 8 2. Actionneurs ou organes de motorisation : .............................................................................. 8 3. Effecteurs ou organes de préhension : ................................................................................... 8 4. Capteurs ou organes de perception : ...................................................................................... 9 5. Système de traitement : ......................................................................................................... 9 Applications des robots manipulateurs : ........................................................................... 10

E. 1.

Robots industriels de soudage :......................................................................................... 10

2.

Robots manipulateurs de service aux humains « Robot Chirurgical » : .............................. 11

3.

Robots manipulateurs de service aux équipements : .......................................................... 12 Intérêts des robots manipulateurs flexibles : .................................................................... 13

F. 1.

Définition des robots manipulateurs flexibles : ................................................................. 13

2.

Caractéristiques des robots manipulateurs flexibles : ........................................................ 13

3.

Champs d’application : ..................................................................................................... 13

G.

Conclusion : .................................................................................................................... 15

Chapitre 2 : Fonctionnelle et Etude qualité du projet .................. 16 L’analyse fonctionnelle : .................................................................................................... 17

A. 1)

Analyse de besoin : ......................................................................................................... 18

2)

Modélisation systématique : ........................................................................................... 19

a)

Méthode SADT :............................................................................................................. 19

b)

Analyse Descendent ........................................................................................................ 20

c)

Diagramme de pieuvre : ................................................................................................. 20

3)

Diagramme de FAST : ................................................................................................... 21

4)

Cahier des charges fonctionnelle : ................................................................................. 23 Définition (QFD : Quality Function Deployment) ............................................................ 26

B. 1) C.

Les étapes pour construire la maison qualité : .............................................................. 26 Synthèse de la maison de qualité ....................................................................................... 30

Page 1

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Chapitre 3 : La conception et modélisation du bras manipulateur. .......................................................................................................... 31 Modélisation de système : .................................................................................................. 33

A. 1.

Modèle géométrique : ..................................................................................................... 33

a)

Modèle géométrique direct (MGD) : ............................................................................. 33

b)

Modèle géométrique inverse (MGI) : ............................................................................ 40 Conception de système : ..................................................................................................... 40

B. 1.

Partie Mécanique du Bras Manipulateur ........................................................................... 40

2.

Conception du Robot ........................................................................................................ 41

3.

Structures Proposées et Structure Final ............................................................................. 41

4.

Les Dimensions du Bras ................................................................................................... 42

5.

Espace Articulaire ............................................................................................................ 42

6.

Espace Opérationnel ......................................................................................................... 42

7.

Présentation Logiciels de dessin (CATIA) : ................................................................... 44

8.

Etapes de Dessin sous CATIA ................................................................................................ 44 a.

Part Design ...................................................................................................................... 44

b.

Atelier Assembly Design .................................................................................................. 46

c.

Atelier KINEMATICS SIMULATION ............................................................................ 47

d.

Définition des paramètres de simulation ........................................................................... 47

e.

Les rotations .................................................................................................................... 49 Conclusion :........................................................................................................................ 50

C.

Chapitre 4 : Commande du Bras manipulateur. .......................... 51 Les composants électroniques de système : ....................................................................... 52

A. 1.

Carte ARDUINO ATMega2560 : ..................................................................................... 52

2.

Les actionneurs : .............................................................................................................. 54

a)

Moteur pas à pas : ............................................................................................................ 54

b)

Servomoteurs : ................................................................................................................. 58

3.

Les capteurs : ................................................................................................................... 58

a.

Accéléromètre : ................................................................................................................ 59

b.

Capteur Flex : .................................................................................................................. 59

c.

Module Bluetooth HC05 : ................................................................................................ 60 Programmation des deux Arduino : .................................................................................. 61

B. 1.

Code de l’émetteur : ....................................................................................................... 62

Page 2

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

2. C.

Le code de récepteur : .................................................................................................... 63 Conclusion :........................................................................................................................ 66

Conclusion générale : ...................................................................... 67 Références bibliographiques .......................................................... 68

Page 3

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Introduction générale L’être humain depuis son existence cherche toujours à faciliter sa vie et à concevoir des objets et des méthodes qui aident à exploiter l’environnement extérieur, la terre, la mer et l’espace. De nos jours, parmi ces objets on trouve les robots et plus précisément les robots manipulateurs. Ces derniers ont prouvé leur importance dans tous les domaines, notamment les domaines d'industrie puisqu’ils substituent efficacement l’homme dans la réalisation d’une tâche tel que la soudure dans les usines automobiles, la manipulation de produit nucléaires et effectuer des tâches complexes tel que les taches qui nécessite effort important. La mise en place de ces robots manipulateurs est d’une grande importance puisqu’il faut tenir compte du coût à verser, de la rapidité à l’exécution et de la minimisation d’énergie consommée. Parmi les solutions trouvées, on trouve l’emploi des manipulateurs flexibles qui grâce à leurs structures légères ont révolutionné le monde des robots manipulateurs. Dans ce rapport, on s’intéresse à ce genre de robots manipulateurs et à la difficulté rencontrée pour sa commande. Ce rapport est scindé en cinq chapitres. Le premier est une introduction générale aux manipulateurs, le second est sur une analyse fonctionnelle et étude qualité le troisième décrit la conception et la réalisation du bras manipulateur flexible, le quatrième va être sur une modélisation de notre projet et le cinquième chapitre traite la commande.

Page 4

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Chapitre 1 : Généralités sur les robots manipulateurs.

Chapitre 01 : Généralités sur les robots manipulateurs. Ce chapitre traite d’une façon générale les robots manipulateurs ; et met l’accent sur les manipulateurs flexibles et leur intérêt dans différents domaines spatial, médical, industriel …

Page 5

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

A. Introduction à la Robotique : A l’origine des robots ont été conçus pour remplacer les travailleurs humains qui, souffrait des problèmes industriels à l’époque, on pensait que les robotiseraient des machines universelles capables de la reprogrammation rapide pour une grande variété de taches, et ces idées qui motivé le développement. Historiquement le terme « robot » a été introduit en 1920 par l’écrivain tchèque Karel Čapek dans sa pièce de théâtre RUR (Rossum’s Universel Robots). Ce travail, provenant du tchèque robot signifie « travail », désigne à l’origine une machine androïde capable de remplacer l’être humain dans toutes ces tâches. Ensuite, dans les années quarante, les progrès de l’électronique permettent de miniaturiser les circuits électriques (inventions des transistors et des circuits intégrés). Dans les premiers temps de la robotique, le robot est considéré comme une imitation de l’homme, aussi bien fonctionnelle que physique. Aujourd’hui, les constructeurs ne tentent plus reproduire l’aspect humain sur un robot, privilégiant avant tout sa fonctionnalité. Actuellement, les robots sont très répandus dans le domaine industriel. Leurs capacités d’effectuer rapidement des tâches répétitives ne cessent de croitre. On les emploie également dans des environnements difficilement supportables par l’homme caractérisés par des condition de température extrêmes ou de pression, radioactivité élevée. La robotique est un ensemble se disciplines techniques (mécanique, électronique, automatique, informatique) articulées autour d’un objectif commun. Cet objectif est l’automatisation flexible de nombreux de secteurs de l’activité humaine réputés jusqu’à très récemment comme ne pouvant se passer de la présence de l’homme, et l’objet est le robot, sorte de machine universelle dont l’homme rêve depuis toujours.

Page 6

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

B. Définition des robots manipulateurs : Selon la RIA (Robot Institute of America) c’est un manipulateur qui doit être reprogrammable multifonctionnel conçu pour déplacer des matériaux, des pièces, des outils ou tout autre dispositif spécialisé au moyen d’une série de mouvements programmés et d’accomplir une variété d’autres tâches. L’ISO (International Standard Organizations) l’a défini comme étant une machine mue 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. Pour le sens commun, un robot est un dispositif mécanique articulé capable d’imiter certaines fonctions humaines telles que la manipulation d’objets ou la locomotion, dans le but de remplacer l’homme pour la réalisation de certaines tâches matérielles .

C. Classification des robots : Au cours des années, le développement des robots a permis de distinguer entre plusieurs classes. Pour la JIRA, il existe six classes de robots. D’abord les télémanipulateurs qui sont des bras commandés directement par un opérateur humain. Ensuite les manipulateurs avec séquence fixe qui admettent un contrôle automatique, mais difficile à reprogrammer. Après c’est les Manipulateurs avec séquence variables qui ont un contrôle automatique et qui sont reprogrammés mécaniquement, c’est l’exemple de « Pick and Place Manipulateurs » ou robot « tout ou rien ». Puis on trouve les Robots Play Back qui exécutent des séquences sous la supervision d’êtres humains et les mémorise pour les rejouer (Play Back). Ensuite, on trouve les robots à un contrôleur numérique où les positions des séquences sont contrôlées par des données numériques. Enfin, on cite les robots intelligents qui peuvent réagir dans leur environnement et à des modifications arrivant durant l’exécution.

D. Structure générale d’un robot manipulateur : Un robot manipulateur est constitué d’un ensemble de composants, ayant chacun un rôle bien spécifique. Ces composants sont au nombre de cinq que nous détaillons ci-après.

Page 7

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

1. Système mécanique articulé : Un système mécanique articulé (SMA) est un ensemble de solides reliés entre eux par des liaisons (pivot, glissière, rotule, sphérique…) animées avec des joints mécaniques. Dans le SMA, certaines liaisons sont motorisées. On parlera de liaisons actives, c’est le cas des liaisons pivots. D’autres liaisons sont non motorisées ; elles sont appelées passives telles que (les liaisons rotules, etc.…).

2. Actionneurs ou organes de motorisation : Le terme actionneur désigne tout dispositif générateur d’effort à vitesse variable qui permet de modifier la configuration d’un robot manipulateur. Si on se limite aux actionneurs pratiquement utilisables, il est possible de les classer suivant :

a) Le type du mouvement généré : Dans l’état actuel de la technologie, on trouve les actionneurs linéaires qui développent une force et génèrent un mouvement de translation parallèlement à cette force, et les actionneurs rotatifs qui développent un couple et génèrent un mouvement de rotation autour de l’axe du couple.

b) La nature de la source d’énergie : On dispose d’actionneurs pneumatiques qui utilisent l’air comprimé comme source d’énergie, d’actionneurs hydrauliques sous pression, et d’actionneurs électriques qui utilisent l’énergie électrique. La puissance massique et le pouvoir d’accélération sont des critères importants qui permettent une comparaison objective de ces différents types d’actionneurs.

3. Effecteurs ou organes de préhension : L’effecteur est l’organe terminal du robot, il est fixé au poignet de celui-ci. Ce poignet se termine généralement par une plaque de base, percée de trous filetés, cela permet la fixation de différents effecteurs à un robot universel et donc l’adaptation de celui-ci à des tâches spécifiques. En fait, la plupart des machines de production exigent des outils et des fixations spécialement conçus pour une application particulière ; à cet égard, le robot n’est donc pas une exception. Il faut d’ailleurs noter que beaucoup d’outils conventionnels utilisés à la main ou sur certaines machines (pistolets de peinture ou de collage visseuses, perceuses Page 8

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

pinces,) peuvent devenir des effecteurs de robotique, au prix d’un travail d’adaptation permettant de :  Compenser certaines imprécisions ou dispersions dans les caractéristiques des objets extérieurs ou du robot lui-même.  Présenter une certaine flexibilité pour se prêter à des tâches diversifiées.

4. Capteurs ou organes de perception : Un capteur est un organe de prélèvement d'information qui élabore à partir d'une grandeur physique, une autre grandeur physique de nature différente (très souvent électrique). Cette grandeur représentative de la grandeur prélevée est utilisable à des fins de mesure ou de commande. On distingue entre deux types de capteurs : Les premiers se sont les capteurs proprioceptifs qui fournissent l’information sur la configuration du manipulateur tel que la position, la vitesse, l’accélération… pour assurer au robot manipulateur le contrôle de sa structure mécanique articulée ; ils interviennent dans les boucles de régulation afin de permettre à l’unité de commande de prendre la décision adéquate. Les deuxièmes se sont les capteurs extéroceptifs qui interviennent lorsque l’espace de travail est mal connu, afin de donner les informations sur l’environnement extérieur du manipulateur comme la température, l’image … Ils permettent de modifier le comportement du manipulateur pour s’adapter aux contraintes imposées.

5. Système de traitement : C’est lui qui gère l’ensemble des tâches. Il admet trois rôles essentiels : le rôle de l’information, qui consiste à collecter l’information venant des capteurs. Ensuite, le rôle de la décision : en partant d’une tâche définie et en tenant compte des données du système et de l’environnement, il établit les actions adéquates. Finalement, le rôle de la communication.

Page 9

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Effecteur Bras

Actionneurs

Base

Figure 01 : Constituons du bras manipulateur

E. Applications des robots manipulateurs : Dans les entreprises manufacturières, des tâches pénibles, répétitives réalisées par des opérateurs humains peuvent être avantageusement confiées à des systèmes mécaniques articulés (les manipulateurs) dont la dextérité est sans égaler celle de l’homme, suffisamment proches de celui-ci pour exécuter des mouvements complexes à l’image de ceux d’un bras humain. L’emploi de ces dispositifs s’avère d’ailleurs nécessaire pour des tâches d’intervention inaccessibles à l’homme en milieu hostile ou délicat, par exemple sous-marin, nucléaire, médical ou spatial. Ils sont alors dotés d’un dispositif de locomotion et peuvent être autonomes ou contrôlés à distance par un opérateur humain.

1. Robots industriels de soudage : Une des applications les plus courantes de la robotique industrielle est le soudage. Le soudage robotisé des châssis de voiture améliore la sécurité car un robot ne manque jamais son point de soudure et les réalise toujours de la même manière tout au long de la journée. A peu près 25 % des robots industriels sont impliqués dans différentes opérations de soudure. Avantage : 1-La qualité de soudage peut être stabilisée et améliorée. 2-Il a amélioré la productivité. Page 10

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

3-Il réduit les exigences technologie d’exploitations des travailleurs. 4-Il est capable de travailler dans un environnement dangereux.

Figure 02 : Robot industriel de soudage.

2. Robots manipulateurs de service aux humains « Robot Chirurgical » : En technique médicale, les robots chirurgicaux occupent une place toujours plus importante et appartiennent principalement aux robots médicaux. Structure Ils disposent souvent d’une structure similaire ou de composants connexes. On trouve en règle générale une unité de commande et un manipulateur, celui-ci servant de bras au robot et comprenant des segments constitués d’articulations, de capteurs, de systèmes d’entraînement et d’un effecteur. Ce dernier est considéré comme le lien entre le robot chirurgical et son environnement, car il établit le contact avec le corps humain — et il prend par exemple la forme d’un préhenseur. La commande du robot chirurgical relie les technologies qui le composent à l’utilisateur, elle est donc l’interface entre la technologie et l’homme. Dans le cadre des interventions chirurgicales, l’opérateur travaille activement avec le robot tout en gardant le contrôle sur le bras du robot. Le mouvement ou l’actionnement du joystick, de la console ou de tout autre élément de commande similaire est traduit par le robot chirurgical et son logiciel intelligent avant d’être exécuté. On parle ici de commande télémanipulée.

Page 11

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Figure 03 : Robot Chirurgical.

3. Robots manipulateurs de service aux équipements : Les robots peuvent également s’avérer utiles dans le domaine de l’aviation. En effet, "Skywash" (Putzmeister Werke, Germany) peut diminuer par un facteur de 2 le temps de lavage d’un avion. Skywash intègre toutes les composantes d’un système robotique avancé : préprogrammation des mouvements à partir d’un modèle CAO de l’avion, localisation automatique des objets par des capteurs 3D, un asservissement de mouvement par des capteurs tactiles, une architecture fortement redondante (11 ddl) installée sur une base mobile et une sécurité de fonctionnement maximale. Le manipulateur agit sous la supervision d’un être humain.

Figure 04 : Robot Skywash Page 12

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

F. Intérêts des robots manipulateurs flexibles : 1.

Définition des robots manipulateurs flexibles :

Ceux sont des robots qui admettent une flexibilité au niveau de leur structure. Nous pouvons alors traiter la flexibilité de la structure en considérant soit :  Des segments flexibles  Des liaisons sont flexibles, dans ce cas, si le jeu d’une liaison est nul, cela

empêche que la partie interne de cette liaison puisse se déformer, les parties externes des liaisons seront considérées non flexibles (forte rigidité)  Les deux parties segments et parties internes des liaisons sont flexibles et

les jeux ne sont pas nuls

2.

Caractéristiques des robots manipulateurs flexibles :

Les caractéristiques les plus remarquables des manipulateurs flexibles en comparaison avec les manipulateurs classiques “ rigides “ sont essentiellement la légèreté, la rapidité et la consommation minimale d’énergie. En effet, ces manipulateurs utilisent des matériaux très légers tel que l’aluminium ; qui avec une densité environ trois fois plus faible que celle de l'acier ou du cuivre ; il est malléable, ductile et facilement usiné et moulé. De plus, il possède une excellente résistance à la corrosion et une grande longévité.

3.

Champs d’application :

a) Secteur spatial Le domaine spatial a constitué le premier secteur à avoir employé ce genre de manipulateur car ce dernier doit être le plus léger possible. D’une part, pour réduire la consommation du carburant du manipulateur lors de son lancement vers l’espace pour une mission bien déterminée, d’autre part parce que l’emploi des bras très longs est essentiel pour la maintenance des stations spatiales de grandes dimensions (l'entretien des batteries solaires, la manutention d'éléments (installation, remplacement), le contrôle visuel des parois extérieures de la station...). Le bras ERA, d'une masse de 630 kg, se déploie sur une longueur de Page 13

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

11,3 mètres et est capable de déplacer jusqu'à 8 tonnes à une vitesse maximale de 10 cm/seconde. Mais ce qui fait son originalité est son caractère ambidextre. Muni à chaque extrémité d'une "main" équipée des mêmes senseurs et connecteurs électriques, il peut se positionner indifféremment d'un côté ou de l'autre, dénommés "main" et "épaule".

Figure 05 : bras manipulateur flexible ERA.

b) Secteur médical : Le domaine médical a profité des technologies spatiales pour construire de nouveaux robots qui répondent aux contraintes spécifiques de l’application. Parmi celles-ci, la sécurité est certainement la contrainte la plus importante pour un robot médical. Ceci conduit à des robots qui sont souvent plus léger que leurs équivalents du domaine industriel. A titre d’exemple, le poids du robot Aesop, le porte endoscope de Computer-Motion, est approximativement de 20 kilogrammes. La conséquence est une structure mécanique qui a plus de flexibilités que les robots industriels.

Figure 06 : Robot Aesop.

Page 14

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Comme la seconde guerre mondiale a constitué le premier pas vers les manipulateurs classiques, l’espace a incité les chercheurs à concevoir ces manipulateurs flexibles qui ont par la suite été introduits dans les domaines industriels, médicaux et de service puisqu’ils contribuent nettement à la réduction de consommation d’énergie, la diminution du coût, la rapidité de l’exécution et la sécurité lors d’une éventuelle collision avec un autre objet où le bras se déforme et l'effecteur n'est pas détérioré. Cependant, l'utilisation des manipulateurs flexibles, a introduit un problème dans la commande de trajectoire de l’extrémité du manipulateur en raison de la flexibilité distribuée le long du bras robot. Par la suite, une commande est fortement recommandée pour atteindre la trajectoire désirée tout en supprimant les vibrations sur l’extrémité du bras. Bien que des progressions significatives ont été faites pendant les dernières années, beaucoup de problèmes ne sont pas encore résolus, et la recherche de commandes simples, efficaces, et fiables pour le contrôle des manipulateurs flexibles reste toujours un but qu’il faut l’atteindre par les roboticiens afin d’élargir les champs d’applications des robots flexibles, et d’une façon générale par les automaticiens pour la contribution à la supervision, au diagnostic et à la détection de défauts… et surtout de faire face aux problèmes au lieu de les négliger.

G. Conclusion : Les robots manipulateurs sont très intéressants puisqu’ils ont prouvé qu’ils étaient capables de se substituer à l’être humain dans plusieurs tâches difficiles à réaliser et d’effectuer de bonnes performances. Les manipulateurs flexibles constituent une évolution de ces robots car ils amènent des avantages telle que la rapidité, la légèreté… ; cependant la flexibilité cause des vibrations au niveau de l’effecteur qu’il faudra les éliminer grâce à une commande adéquate. Le chapitre suivant décrit les différentes étapes de réalisation du bras manipulateur flexible au quel une commande de type sera implémentée.

Page 15

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Chapitre 2 : Fonctionnelle et Etude qualité du projet

Chapitre 02 : Analyse fonctionnelle et Etude qualité du projet. Dans ce chapitre on va commencer par une étude des besoins clientèles dans tout ce qui concerne les bras manipulateurs en essayant de les satisfaire en utilisant les outils de l’analyse fonctionnelle et on va finir par une étude qualité de notre projet.

Page 16

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

A. L’analyse fonctionnelle : L’analyse fonctionnelle donc est une démarche qui consiste à rechercher et à caractériser les fonctions offertes par un produit pour satisfaire les besoins de son utilisateur. La démarche est généralement conduite en mode projet et peut être utilisée pour créer (conception) ou améliorer (ré-conception) un produit. Cela laisse comprendre que l’analyse fonctionnelle s’adresse, non pas aux utilisateurs (clients), mais dans l’absolu aux concepteurs. L’analyse fonctionnelle n’a de sens que si elle est menée au début d’un projet. Elle permet d’éviter certains pièges classiques de la conception (aveuglement, manque d’objectivité, mauvaise gestion de priorités). Etude et conception

Analyse fonctionnelle Conception Développement réalisation programmation Tests unitaire mise au point Intégration Tests d’intégration mise au point

Réalisation

Mise

en

service

Figure 07 : Place d’analyse fonctionnelle aux étapes du projet

L'analyse fonctionnelle vise à exprimer le besoin (les bras robotiques) en termes de services attendus plutôt qu'en terme de solution. C'est une étape indispensable pour permettre la déclinaison des objectifs en un organigramme des tâches qui réponde aux attentes du client. L'analyse fonctionnelle consiste à :

•Rechercher les fonctions

1

2 •Ordonner les fonctions

•Caractériser les fonctions

3

4 •Hiérarchiser les fonctions

•Valoriser les fonctions

5

Nous allons par la suite de travail chercher toutes les fonctions soient principales ou secondaire forment notre produit, on se basant sur des méthodes et Page 17

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

outils d’essayer d’ordonnancer ces fonctions en termes d’importance et de priorité, et par spécifications des caractéristique et rôle de chaque détail, en suivant un ordre de la générale vers le plus détailler, convergeant vers une valorisation Cette approche structurelle et matérielle n'a donc pas de valeur formative pérenne. L'analyse fonctionnelle fournit une méthode technique et pédagogique qui s'inscrit dans une démarche rationnelle de construction des savoirs et des savoirs faire. Elle apporte des repères suffisants pour permettre d'analyser, choisir et utiliser un équipement, quel qu'il soit et quelles que soient les évolutions technologiques prévisibles ou non. 1) Analyse de besoin : Avant de se lancer dans la conception, il convient de bien identifier et formaliser les objectifs du notre projet, cette phase est essentielle, car il fixe la direction de travail, pour faciliter cette tâche, il existe un outil pratique afin d’expliciter les besoins plus aisément : C’est la bête à cornes ce diagramme simple d’utilisation sert de guide pour mener une analyse fonctionnelle de besoin. Cet outil dans la première étape de la méthode d’analyse fonctionnelle, il a pour objectif de représenter graphiquement l’expression du besoin à travers 3 questions simples. A qui rend-il service : client ou utilisateur visé. Sur quoi agît- il : élément sur lesquels agit le sujet, la matière d’œuvre (un objet). Dans quel but : besoin principal à satisfaire (déplacer un objet) Les réponses à ces trois questions aboutissent à un énoncé du besoin, qui doit être rédigé de la façon suivante : Le produit rend service au client en agissant sur un objet d’œuvre pour satisfaire le besoin. Le diagramme bête à cornes de notre projet sera comme suit : A qui ?

Sur quoi ?

Operateur/Client

Objet Bras robotique

Pourquoi faire ?

Permettre à l’utilisateur de manipuler des objets Figure 08 : Diagramme bête à cornes de la Bras robotique.

Page 18

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

2) Modélisation systématique : a) Méthode SADT : La modélisation systémique, issue de la SADT permet de donner une représentation graphique qui permet de mettre en évidence toutes les informations relatives à notre projet. On représente un système SADT par une « boîte » à l’intérieur de laquelle on inscrit la « fonction globale » du système. Les entrées sont de deux types : A/ Le flux matière d’œuvre qui est modifié par la fonction B/ Les données de contrôle qui déclenchent, régulent ou contraignent le déroulement de la fonction. On a pris l’habitude de les classer en quatre catégories : - C : Données de configuration. - R : Données de réglage. - E : Données d’exploitation. - W : Contraintes liées à l’énergie. La méthode SADT de notre projet : Energie

Objet dans une position initiale

Programmation

Commande de l’utilisateur

Déplacer des objets

Objet à la position voulu

Bras robotique Figure 09 : Méthode SADT de la Bras robotique.

La fonction principale de notre projet et déplacer un objet dans un positon initiale vers un positon finale à l’aide des donner de contrôle qui sont l’énergie et partir de programmation et le choix de l’utilisateur.

Page 19

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

b) Analyse Descendent Cette méthode permet de réaliser la description d’un système technique de façon structurée et hiérarchisée. Elle s’appuie sur une représentation graphique qui met en évidence l’organisation fonctionnelle et structurelle du système en allant du plus général au plus détaillé. Boutons Information

Activer le bras

Carte

électroni Appareillage

Choisit le sens des potentiomètres

Traiter les données Batterie

Objet en position initial

Gérer l’énergie

Déplacer l’objet

Objet en Position finale

Figure 10 : Analyse descendent de la Bras robotique

La première sous système en activer la bras robotique avec une boutons la deuxième sous système en traiter les donner à l’aide dans carte Arduino en respecter le sens choisi par l’utilisateur la 3eme sous système en gérer l’énergie selon les composantes sélectionner par la carte Arduino et l’dernière soussystème c’est dépecer l’objet dans une position initiale vers un positon finale. c) Diagramme de pieuvre : Dans cette partie en fait l’analyse fonctionnelle externe de notre projet, cette étape va permettre de traduire le besoin par des fonctions à réaliser. Ces dernières appelées fonctions de service peuvent être des fonctions principales (FP) ou bien des fonctions contraintes (FC). En formulées toutes les fonctions, et en identifiées grâce à un outil graphique appelé diagramme Pieuvre. Ce graphe permet de visualiser les relations du produit avec les éléments réels du milieu extérieur. Les fonctions principale (FP), sont toutes les fonctions de service qui met en relation deux (ou plus) éléments du milieu extérieur via le produit. C’est une fonction qui justifie la création du produit.

Page 20

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Les fonctions contraintes (FC), sont toutes les fonctions qui limitent la liberté du concepteur. C’est une fonction qui met en relation le produit avec un seul élément du milieu extérieur.

FP1 FC1 FC2 FC3 FC4 FC5 FC6 FC7

Déplacer un objet Être d’un usage aisé S’adapter à l’énergie d’alimentation Avoir des positions exactes S’adapter aux conditions climatiques du milieu Porter des objets de masse (100g-3kg) et de différentes formes Permettre à l’utilisateur de contrôler la bras robotique à distance Être facile à maintenir Figure 11 : Diagramme de pieuvre

3) Diagramme de FAST : Un diagramme FAST présente une traduction rigoureuse de chacune des fonctions de service en fonction(s) technique(s), puis matériellement en solution(s) constructive(s). Il se construit de gauche à droite, dans une logique du pourquoi au comment. Grâce à sa culture technique et scientifique, l'ingénieur développe les fonctions de service du produit en fonctions techniques. Il choisit Page 21

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

des solutions pour construire finalement le produit. Il constitue alors un ensemble de données essentielles permettant d'avoir une bonne connaissance d'un produit complexe et ainsi de pouvoir améliorer la solution proposée.  Fonctions de service : Les fonctions de service constituent une relation entre le système et le milieu extérieur, elles traduisent l'action attendue ou réalisée par le produit pour répondre à un élément du besoin d'un utilisateur donné. Il faut souvent plusieurs fonctions de service pour répondre à un besoin. Dans une étude donnée, leur énumération et leur formulation qualitative et quantitative résultent de l'analyse du besoin à satisfaire et le décrivent d'une manière nécessaire et suffisante. Il existe deux types de fonctions de service : • les fonctions principales, correspondant au service rendu par le système pour répondre aux besoins. • les fonctions contraintes, traduisant des réactions, des résistances ou des adaptations à des éléments du milieu extérieur.  Fonctions techniques : Les fonctions techniques sont internes au produit, elles sont choisies par le constructeur dans le cadre d'une solution, pour assurer une fonction de service.

Page 22

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

FP1 : Déplacer un Objet

Solution TECHNIQUES

Ensemble de

FT 1 : Articuler le bras Servo-moteurs FT11 : Fournir l’énergie

Servo moteurs

Mécanique

FT12 : Adapter énergie mécaniques FT13 : Maintenir le bras dans Sa position

Engrenages des Servo moteur Carte électronique de servo moteur

FT 2 : Saisir un objet

FT21 : Attraper un Objet

Pince robotisée

FT22 : S’adapter a la forme d’objet

Liaison pivot motorisé de la pince

FT 3 : interagir la

Bluetooth HC05

Plateforme FT31 : piloter la distance Traiter et distribution d’info acquises

Acétomètre

Carte Arduino

4) Cahier des charges fonctionnelle : Le CdCF est un document déterminant dans une démarche de conception d’un produit. C’est un outil méthodologique par lequel le demandeur va exprimer son besoin auprès du concepteur réalisateur. Page 23

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Il est aussi utilisé pour préparer et suivre le développement du produit dans les différentes phases de son élaboration, depuis l’idée jusqu’à la livraison. Le CdCF définit, précise, délimite les responsabilités des partenaires (demandeur du produit et concepteur-réalisateur), il sert de référence et de base de négociation en cas de contrat, litige ou conflit. De même, il définit, les services attendus, les conditions d’utilisation, les performances, les coûts, les délais de livraison, les variations possibles de prix, les options, les clauses éventuelles, ... Notre Cahier des charges fonctionnelle est le suivant : N°

Désignation

K

Critère

Niveau

Flexibilité F

Fonction de service Principale 1

Porter des objets

8

Poids

15 kg

+/-2kg

3

2

Commander à distance

7

Distance

20 m

+/-3m

2

3

Possibilité de se déplacer

7

Vitesse

0-10km/h

+10%

0

4

Résister aux déformations

6

Rigidité

-

-

1

5

Ecologique

5

Pollution

-

-

1

6

S’orienter presque dans tous les directions

6

Dégrée de liberté

4 ddl

-

2

Figure 13 : Cahier des charges K : 8-Très important 7-important 6-nécessaire 5-utile F : 0-impératif 1-peu négociable 2-négociable 3- très négociable

Page 24

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

QFD

Page 25

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

B. Définition (QFD : Quality Function Deployment) La maison qualité : est une technique qui permet de déterminer les besoins réels des clients et de les traduire en fonctions et requis pour le produit à concevoir

Figure 14 : Maison qualité

1) Les étapes pour construire la maison qualité :

Les quoi

Les comment

Evaluer les produits concurrents

Relation entre les quoi et les comment

Identifier les relations entre les comment de l’entreprise

Développer les notations d’importance

Page 26

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

a) Les quoi 1-er niveau

2-ème niveau

Bras Robotique

Importance

N°

Porte des objet

8

1

Commander à distance

7

2

Possibilité de se déplacer

7

3

Facile à utiliser

5

4

Facile à monter

5

5

Rigidité

6

6

Ecologique

6

7

Facile au maintien

7

8

Consommation d’énergie

8

9

b) Les comment  Maximiser le poids de l’objet.  Maximiser la distance de contrôle.  Les directions.  Catalogue d’utilisation.  Maximiser la résistance aux déformations.  Minimiser la consommation d’énergie. c) Les combines  Porter le max de charges possible.  Avoir une distance de contrôle assez importante.  S’orienter presque dans toutes les directions.  Résister aux déformations.  Avoir une grande flexibilité.  Réduire la consommation. d) La relation entre les comment/quoi -Pour mesurer la relation entre les besoins des utilisateurs et les moyennes envisage pour la satisfaire.

Page 27

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Commander à distance Possibilité de se déplacer Facile à utiliser Facile à monter Rigidité Ecologique Facile au maintien Consommation d’énergie

e) La corrélation entre les comment/comment

Réparation des pannes

La consommation d’ énergie.

La résistance aux déformations

Catalogue d’ utilisation.

Les Directions

La distance de contrôle.

Le Poids de l’ objet

Page 28

Réparation des pannes

1 2 3 4 5 6 7 8 9

La consommation d’énergie.

8 7 7 5 5 6 6 7 8

La résistance aux déformations

Porte des objet

Catalogue d’utilisation.

N°

Les Directions

Imp

La distance de contrôle.

Le Poids de l’objet

2-ème niveau

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

f) Evaluer les produits concurrents L’équipement doit remplir la section analyse concurrentielle pour déterminer à quel point leur concurrence fait pour satisfaire la clientèle qu’ils sont évalués cette étape du processus est accomplie par une combinaison d’expérience visites sur le terrain, comparaison de produit ou enquête. Pour chaque fonction de service, on définit un critère permettant de la quantifier. Il lui associer un objectif ainsi que le niveau atteint par la concurrence. Une comparaison avec la concurrence est représentée sous forme d’un graphique construit autour d’une ligne médiane. Le produit conçu doit être au minimum aussi « bon » que celui du concurrent.

n : Notre entreprise c : concurrent

Nombre de Plaintes 2 1 2 3 4 2 1 3 4

1

Analyse concurrentielle Situation concurrentielle 2 3 c n

c

Action 4

n nc c

n n

c

Améliorer Etudier le concurrent Occasion possible Améliorer Diminuer -

g) Maison qualité finale. Voici dans la figure ci-dessus la forme générale de notre maison de la qualité :

Page 29

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

1

7

2

Possibilité de se déplacer

7

3

Facile à utiliser

5

4

Facile à monter

5

5

Rigidité

6

6

Ecologique

6

7

Facile au maintien

7

8

Consommation d’énergie

8

9

Réparation des pannes

8

Commander à distance

La consommation d’énergie . résistance aux déformations

Bras Robotique

Porte des objet

Catalogue d’utilisation.

Imp N°

Les Directions

2 ème niveau

La distance de contrôle .

Le Poids de l’objet

1er niveau

Analyse concurrentielle Situation concurrentielle

Nombres de Plaintes

1

2 1 2 3 4 2 1 3 4

2 c

4

3

n

Actions Améliorer -------Etudier le concurrent

c

n nc

Occasion possible --------

c

n

Améliorer --------

n

c

Diminuer ---------

C. Synthèse de la maison de qualité La maison de la qualité nous a permis de traduire les besoins clients déjà obtenues par l’analyse fonctionnelle interne en des fonctions techniques à faire en faisant une étude concurrentielle avec des robot commercialisées qui nous a guidé au choix de matériaux et les type des actionneurs a utilisé.

Page 30

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Chapitre 3 : La conception et modélisation du bras manipulateur.

Chapitre 03 : Modélisation et conception du bras manipulateur. Dans ce chapitre on va réaliser l’architecture de bras manipulateur on abordera les différentes pièces mécaniques et leurs assemblages on donnera également des notions théoriques qui nous aiderons à l’aboutissement de la modélisation de notre système.

Page 31

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Introduction : Pour développer une stratégie de commande performante pour notre bras robotique (manipulateur), il est impératif de connaître la cinématique et la dynamique du bras considéré. Et comme les bras manipulateurs sont des systèmes mécaniques poly articulé fortement non linéaires, d'une dynamique qui peut être mal définis, ils ont des paramètres variables et sont soumis à des perturbations externes. Pour pouvoir faire exécuter une action où une tâche au bras manipulateur, il est nécessaire de modéliser ce système multi variable pour positionner les différents axes. La modélisation de ces systèmes relève très souvent d'une approximation des phénomènes physiques mis en jeu, c'est à partir de cette représentation approximative que l'on souhaite construire une commande pour le système réel, cette commande doit être alors robuste dans le sens où elle devra assurer une faible sensibilité aux incertitudes des paramètres, à leurs variations et aux perturbations externes. Les erreurs de modélisation, les incertitudes sur l'estimation des paramètres physiques ainsi que les différentes perturbations externes influent beaucoup sur la qualité du contrôle. Tous ces facteurs doivent être pris en compte lors de la modélisation et de l'élaboration de la loi de commande pour préserver la qualité et la précision des tâches auxquelles est destiné le bras. En effet la majorité des tâches confiées aux bras sont délicates et exigent une très grande précision sous des trajectoires précisé et rapides. Dans ce cas le type de commande nécessaire est la commande par découplage non linéaire, cette méthode qui est considérée comme la solution théorique idéale pour la commande de ce type des bras. Dans ce chapitre, nous examinerons divers concepts de la théorie de contrôle utilisés dans la commande des robots. On élaborera le modèle de notre bras manipulateur à travers la mise en forme des équations mathématiques régissant le mouvement de ce bras. Nous montrerons comment inclure la dynamique des actionneurs du bras, qui électriques dans notre projet, et dans la deuxième partie on réaliser la conception de notre système à l’aide d’un logiciel de conception assistée par ordinateur « CATIA » en assemblent les pièces mécaniques à fin réaliser une simulation en su basent sur la modélisation théorique abordé.

Page 32

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

A. Modélisation de système : L’une des premières étapes dans la réalisation de notre projet consiste à définir le mouvement et le mécanisme général de notre bras robotique. Dans cette partie, on présentera l’architecture mécanique générale du bras manipulateur en disposer des modèles possibles selon les objectifs, les contraintes de la tâche et les performances recherchées : modèles géométriques, cinématiques et dynamiques. L'obtention de ses différents modèles n'est pas aisée, la difficulté variant selon la complexité de la cinématique de la chaine articulée de notre bras robotique. La conception et la commande des robots nécessitent le calcul de certains modèles mathématiques, tels que : les modèles de transformation entre l'espace opérationnel (dans lequel est définie la situation de l'organe terminal) et l'espace articulaire (dans lequel est définie la configuration du robot). On distingue :  Les modèles géométriques direct et inverse qui expriment la situation de l'organe terminal en fonction des variables articulaires du mécanisme et inversement.  Les modèles cinématiques direct et inverse qui expriment la vitesse de l'organe terminal en fonction des vitesses articulaires et inversement.  Les modèles dynamiques définissant les équations du mouvement du robot, qui permettent d'établir les relations entre les couples ou forces exercées par les actionneurs et les positions, vitesses et accélérations des articulations.

1. Modèle géométrique : Il permet de déterminer la configuration (position, orientation) de l'effecteur « la pince » de notre bras robotique en fonction de la configuration de ses liaisons, La modélisation de bras de façon systématique et automatique exige une méthode adéquate pour la description de leur morphologie. On distingue entre deux types des modèles géométriques directs (MGD) et inverse (MGI). a) Modèle géométrique direct (MGD) : Le modèle géométrique d’un mécanisme regroupe les contraintes géométriques qui doivent être respectées par les variables articulaires afin d’établir la relation entre la configuration du mécanisme définie dans l’espace des coordonnées généralisées et la configuration du mécanisme décrite dans le repère cartésien. Le modèle géométrique direct est unique et est donne sous forme d'équations explicites. Page 33

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

 Calcul du MGD :

 Mise en place des repères : Pour calculer le MGD de notre système, on suppose que les segments du bras robot sont parfaitement rigides et les articulations mécaniques sont parfaites, il existe plusieurs méthodes pour déterminer le MGD, la plus répandue a notre système est celle de Denavit-Hartenberg. 𝐿𝑖 : Longueur du segment i. hi : hauteur de segments deux bras. iLa position angulaire de l'articulation i. : l’angle de rotation de système. Pour réaliser la matrice des passages de repère R0 au repère R4 en places tout les repère correspondent aux articulations de systèmes, premièrement en place les axes Zi entre les corps i et i-1, pour place les Xi en porté le perpendiculaire commun des axes Zi et Zi+1.

y3

y2 X2

X3

z2 h 1

y1

y4

z3 z1

X4

z4

X1

h 2

Figure 15 : Les paramètres géométriques de notre bras robotique.

Page 34

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

 Tableau Denavit-Hartenberg : A partir de la convention de Denavit-Hartenberg on obtient le tableau: Articulation R0 R1 R1 R2 R2 R3 R3 R4

Li i i 0 0 1 0 90 1 L2 0  L3 0  Tableau 01 : La convention de Denavit-Hartenberg.

Di h1 h2 0 0

i : angle entre les axes Zi-1 et Zi correspondent les rotations autour de Xi-1.

Li : distance entre Zi-1 et Zi. i : angle entre les axes Xi-1 et Xi correspondent à une rotation autour de Zi. Di : distance entre Xi-1 et Xi. Le passage de repère Ri-1 vers Ri suffit par 4 paramètres de convention de Denavit-Hartenberg. La matrice de transformation générale s’écrit comme :

𝑇𝑖−1,𝑖

cos 𝛳𝑖 sin 𝛳𝑖 =( 0 𝑂

−cos 𝛼𝑖 sin 𝛳𝑖 cos 𝛼𝑖 cos 𝛳𝑖 sin 𝛼𝑖 0

sin 𝛼𝑖 sin 𝛳𝑖 −sin 𝛼𝑖 cos 𝛳𝑖 cos 𝛼𝑖 0

𝐿𝑖 cos 𝛳𝑖 𝐿𝑖 sin 𝛳𝑖 ) 𝑑𝑖 1

Les matrices de transformation homogène des trois segments sont données par : La matrice de transformation dans le repère R0 vers R1 :

𝑇0,1

cos 𝛳1 −sin 𝛳1 sin 𝛳1 cos 𝛳1 =( 0 0 0 0

0 0 1 0

0 0 ) ℎ1 1

La matrice de transformation dans le repère R1 vers R2 :

𝑇1,2

cos 𝛳1 sin 𝛳1 =( 0 𝑂

0 0 1 0

sin 𝛳1 0 −cos 𝛳1 0 ) 0 ℎ2 0 1

La matrice de transformation dans le repère R2 vers R3 :

𝑇2,3

cos 𝛳2 − sin 𝛳2 sin 𝛳2 cos 𝛳2 =( 0 0 𝑂 0

0 0 1 0

𝐿2 cos 𝛳2 −sin 𝛳2 ) 0 1 Page 35

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

La matrice de transformation dans le repère R2 vers R3 : 𝑇3,4

cos 𝛳3 − sin 𝛳2 sin 𝛳3 cos 𝛳3 =( 0 0 0 0

0 0 1 0

𝐿3 cos 𝛳3 𝐿3sin 𝛳3 ) 0 1

Après multiplication des matrices des transformations élémentaires, nous obtenons la matrice finale qui sert à déterminer le modèle géométrique direct : 𝐶23 (𝐶12 − 𝑆12 ) 𝑆23 (𝑆12 − 𝐶12 ) 2𝐶1 𝑆1 𝐶12 (𝐿3𝐶23 + 𝐿2𝐶2 ) −2𝑆1 𝐶1 𝑆23 𝑆12 − 𝐶12 2𝑆1 𝐶1 (𝐿3𝐶23 + 𝐿2𝐶2 ) ) 𝑇0,4 = ( 2𝑆1 𝐶1 𝐶23 𝑆23 𝐶23 0 𝐿3𝑆23 + 𝐿2𝑆2 + ℎ2 + ℎ1 0 0 0 1 Avec : Cos 𝛳𝑖=𝐶𝑖 et Sin 𝛳𝑖=𝑆𝑖 et Sin(𝛳𝑖 + 𝛳𝑗) = 𝑆𝑖𝑗 et cos(𝛳𝑖 + 𝛳𝑗) = 𝐶𝑖𝑗

 Simulation Robot sous MATLAB :  Calcul de la matrice de passage de repère R0 vers R4 : Pour simplifier la matrice de transformation de repère R0 vers R4 en crée une script à l’aide de logiciel Matlab qui permet de faire la multiplication des quatre matrices de passage entre les repères d’articulation.

« T1=subs(T, {L, alpha, theta, d}, {0, 0, theta1, h1})

Cette instruction permet de faire une Substitution des variables à gauche par les variables à droit ce qui permet à nous d’obtenir les matrices Ti en

Page 36

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

remplacent seulement les paramètres Denavit-Hartenberg, les résultats de ce script est la matrice de passage simplifié.

La matrice de passage finale est : 𝑐𝑜𝑠(2 ∗ 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎1 − 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎2 − 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎3)/2 + 𝑐𝑜𝑠(2 ∗ 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎1 + 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎2 + 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎3)/2 𝑠𝑖𝑛(2 ∗ 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎1 − 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎2 − 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎3)/2 + 𝑠𝑖𝑛(2 ∗ 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎1 + 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎2 + 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎3)/2 𝑇𝐹𝑐𝑜𝑙𝑜𝑛𝑛𝑒1 ( ) 𝑠𝑖𝑛(𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎2 + 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎3) 0 𝑠𝑖𝑛(2 ∗ 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎1 − 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎2 − 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎3)/2 − 𝑠𝑖𝑛(2 ∗ 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎1 + 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎2 + 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎3)/2 𝑐𝑜𝑠(2 ∗ 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎1 + 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎2 + 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎3)/2 − 𝑐𝑜𝑠(2 ∗ 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎1 − 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎2 − 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎3)/2 𝑇𝐹𝑐𝑜𝑙𝑜𝑛𝑛𝑒2 ( ) 𝑐𝑜𝑠(𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎2 + 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎3) 0

Page 37

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

𝑠𝑖𝑛(2 ∗ 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎1) 𝑇𝐹𝑐𝑜𝑙𝑜𝑛𝑛𝑒3 (2 ∗ 𝑠𝑖𝑛(𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎1)^2 − 1) 0 0 8 ∗ 𝑐𝑜𝑠(𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎1) ∗ 𝑠𝑖𝑛(𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎1) + 20 ∗ 𝑐𝑜𝑠(𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎2) ∗ (2 ∗ 𝑐𝑜𝑠(𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎1)^2 − 1) − 4 ∗ 𝑐𝑜𝑠(𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎1)^2 + 40 ∗ 𝑐𝑜𝑠(𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎1) ∗ 𝑐𝑜𝑠(𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎2) ∗ 𝑠𝑖𝑛(𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎1) 𝑇𝐹𝑐𝑜𝑙𝑜𝑛𝑛𝑒4 ( ) 20 ∗ 𝑠𝑖𝑛(𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎2 + 𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎3) + 20 ∗ 𝑠𝑖𝑛(𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎2) + 8 0

L’avantage de ce script il permet de trouver la matrice de transfère pour tous les valeurs de theta a chaque point d’articulation, voici un exemple de la matrice de passage pour les thêtas nulle avec une chois arbitraire des longueurs des deux segments et la hauteur de bras ce qui présents par les deux dernière lignes de code.

 Simulation de bras robot sous Matlab : Pour visualiser le schéma de modélisation de notre bras robotique en utilise Toolbox de Robotique dans Matlab ce Toolbox contient des fonctions qui permet de faire la modélisation et l’animation de robot, il contient la fonction Link () qui permet d’identifier chaque ligne dans le tableau des paramètres de Denavit-Hartenberg.

L (i) = Link ([Theta d an alpha]); En faire des combinaisons entre tous les links par cette instruction

Robot=Serial Link(L) ; Il permet de crée un objet qui rassemble tous les liens de paramètres de DenavitHartenberg, Dans le commande de Matlab en taper les quatre liens après en crée objet BRASROBO qui ressemble ces liens, a l’aide de cette instruction BRASROBO .name= ‘BRASROB’ en donne un nom a notre bras robotique l’image suivant présents les lignes de code dans Matlab qui permet d’obtient le schéma et l’animation de robot selon les paramètres choisie et le tableau des paramètre lorsque en taper le nom de le objet suivie par la touche entré .

Page 38

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Pour l’affichage de bras robot en taper cette instruction : BRASROBO. Plot ([0 0 0 0]) ;

Figure 16 : bras robotique dans la position de départ

Pour simuler la trajectoire de déplacement de l’effecteur terminal du bras manipulateur en douceur de la pose A à la pose B en crée une boucle dans la commande de Matlab qui permet de changer les valeurs theta a chaque demi second.

Page 39

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

b) Modèle géométrique inverse (MGI) : Le modèle géométrique direct d'un robot permet de calculer les coordonnées opérationnelles donnant la situation de l'organe terminal en fonction des coordonnées articulaires, le problème inverse consiste à calculer les coordonnées articulaires correspondant à une situation donnée de l'organe terminal. Le modèle s’écrit :

 = 𝑓 −1 (𝑥 ) Lorsqu’elle existe la forme explicite qui donne toutes les solutions possibles. (Il y a rarement unicité de solution) constitue ce que l'on appelle le modèle géométrique inverse (MGI). La détermination du modèle géométrique inverse (MGI) est un problème complexe. On doit inverser un système d’équations non linéaires ce qui n’est pas trivial par la main pour cela en utilise un code dans la commande de Matlab qui permet donner facilement les theta i pour chaque situation de l’organe terminal :

B. Conception de système :

1. Partie Mécanique du Bras Manipulateur Notre projet est consacré à la construction d'une structure mécanique capable de se déplacer dans l’espace pour accomplir un objectif établi au préalable. Ce bras manipulateur doit répondre à des contraintes économiques strictes d'une production à faible coûts. La structure mécanique du robot a été conçue pour répondre aussi à quelques préoccupations majeures : -La robustesse de la structure. -La puissance de la motorisation pour doter le robot d'une bonne dynamique. Page 40

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

-La précision dans le déplacement

2. Conception du Robot La conception du robot est une phase très importante. Elle doit se faire de façon à répondre aux spécificités de la feuille de route adoptée tout en assurant le minimum de contraintes aux phases qui en découleront - réalisation, modélisation et commande. Il est donc clair que le succès de celles-ci reposera sur la réussite de la phase de conception. La première difficulté à laquelle nous nous sommes heurtés a été l’absence de documentation détaillée –les fabricants de robots ne dévoilant pas leurs techniques à cause de la concurrence. Aussi, le faible degré de pénétration des robots dans l’industrie Marocaine un sérieux inconvénient. En effet, les pièces sont quasiment inexistantes sur le marché (effecteurs, moteurs, articulations) de même pour les matières premières. Ceci rend la phase de conception d’autant plus délicate, car en plus de respecter les dispositions de la feuille de route, elle doit prendre en compte les considérations du terrain. Dans cette section, nous expliquerons la démarche de conception adoptée. Nous détaillerons les solutions envisagées, et nous justifierons la structure finale à laquelle nous avons abouti.

3. Structures Proposées et Structure Final Notre bras possède 3 degrés de liberté de rotation. Il appartient à la classe 1 (structure à 3 articulations rotoïde).

Figure 17 : Structures finale proposé pour notre bras manipulateur. Page 41

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Les plaques de plexiglas souhaiteront utiliser pour la réalisation sont de faible épaisseur 2-3 mm Ce choix est fait en fonction de ce qui est disponible sur le marché. Les corps sont formés de deux plaques parallèles assemblées par des boulons. Le choix des matériaux des segments est en fonction de critères déterminant : -minimum de masse : (densité massique minimum) -un coût raisonnable avec la disponibilité des matériaux. Pour ce bras manipulateur, nous souhaiterons réaliser la structure mécanique en plexiglas pour toutes les pièces de la structure mécanique. Ce matériau a quelques propriétés intéressantes : d’une part, il est léger et possède une masse volumique et une rigidité acceptable, d’autre part, Il est disponible et à la facilité de bien s'usiner.

4. Les Dimensions du Bras 0.2 m 0.15 m

0.07 m 0.18 m

5. Espace Articulaire C’est l’espace dans lequel est représentée la situation de tous les corps du robot. Il est spécifié par l’espace q des variables articulaires qui est de dimension n . Il représente le nombre de degré de liberté de la structure mécanique.

6. Espace Opérationnel C’est l’espace dans lequel est définie la situation de l’outil. Il est spécifié par la position et SO (3) pour l’orientation. Il est de dimension M, c’est le nombre de Page 42

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

degré de liberté maximum que peut avoir l’outil, notre Bras a comme espace opérationnel un quart de sphère de rayon R=0.3 m, qui peut atteindre un demi-cercle de rayon 30 cm sur le plan (Ox ; Oy) et de rayon 42 cm sur l’axe (Ox ;Oz) ; Représentation les paramètres dans l’espace opérationnel

Figure 18 : Espace opérationnelle du bras.

On a représenté la variation des coordonnés opérationnels en fonction des paramètres articulaires, en se basant sur la méthode de la cinématique direct : Variation de x, y, z On a aussi représenté la variation de l’angle q1 en fonction des coordonnés opérationnels en se basant sur la méthode de la cinématique inverse

Figure 11 : Représentation de q1 en fonction de coordonnés opérationnels.

Page 43

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

On a aussi représenté la variation de l’angle q1 en fonction des coordonnés opérationnels en se basant sur la méthode de la cinématique inverse. Les pièces du bras ont été conçu ainsi car elles permettent de garder un bon équilibre du bras et de plus d’avoir un système léger et résistant. Ces pièces ont d’abord été imaginé sous le logiciel CATIA pour nous permettre d’avoir une vue d’ensemble du bras et ainsi pouvoir changer sa structure en fonction des contraintes rencontrées. Avec un support de 4 pieds le bras sa position d’équilibre.

7. Présentation Logiciels de dessin (CATIA) :

CATIA (« Conception Assistée Tridimensionnelle Interactive Appliquée ») est un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) créé au départ par la société Dassault Aviation pour ses propres besoins sous le nom de CATI (acronyme de conception assistée tridimensionnelle interactive). La compagnie Dassault Systèmes fut créée en 1981 pour en assurer le développement et la maintenance sous le nom de CATIA, IBM en assurant la commercialisation. Pour le public anglophone, le sigle a reçu dans les manuels l'interprétation Computer-Aided Threedimensional Interactive Application.

8. Etapes de Dessin sous CATIA a. Part Design i. Activer l’atelier Sketches Dans l’atelier Part Design, cliquez sur l’icône Esquisse

.

La zone de dialogue affiche le message suivant :

Cliquez sur l’un des trois plans de la zone graphique représentés ci-dessous : Page 44

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

L’affichage devient alors celui-ci :

Vous pouvez commencer à dessiner l’esquisse. j. Créer un contour Dans la barre d’outils Contour, cliquez sur l’icône Contour

.

La zone de dialogue affiche le message suivant :

La barre d’outils Outils d’esquisse est affichée comme ci-dessous :

Cliquez sur un point quelconque dans la zone graphique ou saisissez les coordonnées dans les zones de saisie H et V de la barre d’outils Outils d’esquisse. La zone de dialogue affiche le message suivant :

La barre d’outils Outils d’esquisse est affichée comme

Figure : exemple d’esquisse du support base Figure 19 : Esquisse du support base Page 45

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

b. Atelier Assembly Design L’atelier Assembly Design affiche une interface qui permet d’accéder aux fonctions d’assemblage. 

Création, modification, gestion de la composition des assemblages.  Mise en position des composants (avec définition de contraintes d’assemblages).  Analyse du produit (nomenclature, mesures, interférences, etc.). L’accès dynamique aux géométries des composants permet en outre de concevoir des pièces dans un contexte d’assemblage. Les trois possibilités pour accéder à l’atelier Assembly Design sont les suivantes : Sélectionnez le menu Démarrer - Conception Mécanique - Assembly Design.

Vous pouvez aussi ouvrir un nouveau produit : Fichier - Nouveau - Product.

Figure 20 : Assemblage de quelques pièces du projet Page 46

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

c. Atelier KINEMATICS SIMULATION Charger l'assemblage et vérifier que l'arbre des spécifications contient bien dans la rubrique "Application" les items suivants : 

Mécanisme.1 (ou tout autre nom), DLL=0 (le mécanisme peut être simulé)  Liaisons (ensemble des liaisons issues de la conversion des contraintes d'assemblage)  Commandes (associée(s) à une ou plusieurs liaisons)  Fixe (définition du sous-ensemble lié au bâti) Activer alors l'atelier "Maquette Numérique / DMU Kinematics" Pour accéder aux données cinématiques, il vous faudra auparavant : Définition de la commande Dans l'arbre des spécifications, double-cliquer sur la 1ère commande et dans la boîte de dialogue qui apparaît alors, se positionner dans le champ "valeur de la commande". Via le bouton droit, activer la commande "Editer formule". La boîte ci-contre apparaît. Dans notre exemple, il s'agit maintenant de définir la commande en angle du vilebrequin en fonction de l'incrément de temps. L'incrément de temps est accessible en sélectionnant le filtre "Paramètres" et "Durée". On obtient ici : `Mécanisme.1

d. Définition des paramètres de simulation Activer la commande "Simulation suivant des lois" et grâce au bouton cerclé de rouge représenté ci-contre, rentrer la valeur de la borne maximale du temps. Cette borne représente le temps total de simulation. Pour un mouvement de rotation uniforme, ce temps doit correspondre à un cycle, soit dans notre exemple un tour de vilebrequin. Pour une vitesse de 1500 tours/mn, on trouve une borne égale à (60/1500) sec soit 0,04 sec. Le nombre de pas définit la taille de l’incrément ; dans notre exemple, nous avons laissé une valeur de 40. L'incrément vaut donc : 0,04/40 = 0,001 sec. Page 47

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

En utilisant la commande "Simulation suivant des lois", vérifier tout d'abord que la simulation est correctement réalisée et que l'intervalle d'étude est conforme à vos attentes. Puis cocher la case "Activer les capteurs". La fenêtre ci-contre apparaît alors. Sélectionner les "capteurs" correspondant aux caractéristiques à étudier (ici la vitesse selon l'axe Y du point appartenant au piston par rapport au carter). Sans fermer la fenêtre, lancer la simulation cinématique dans l'autre fenêtre encore ouverte. Vous pouvez alors connaître en temps réelles les valeurs instantanées de vos différents capteurs dans l'onglet correspondant. A la fin de la simulation, vous pouvez tracer le ou les graphe(s) correspondant à vos capteurs via le bouton "Graphiques" et enregistrer les résultats dans un fichier (bouton "Fichier"). Enfin l'onglet historique vous permet d'obtenir la liste des valeurs pour l'ensemble de la simulation et éventuellement de la remettre

Page 48

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Figure 21 : Simulation Final du système

NB : Vous trouverez la simulation finale de notre projet dans la vidéo

e. Les rotations 1 ère rotation horizontale Rotation verticale du bras La première rotation, celle qui effectue le pivotement du bras pour saisir un objet n’importe tout autour de lui, est fait par un axe vertical. La rotation est engendrée par un servomoteur (système pivot)

Figure 22 : rotation horizontale

Pour la 2ème rotation de notre bras, nous avons rencontré une contrainte plutôt inattendue., nous nous sommes aperçus que le servo moteur utilisé ne pouvait pas soulever le bras. Nous avons donc cherché le problème qui a été résolu assez rapidement. Nous avons d’abord pensé que le servo moteur manquait de puissance, Par conséquent, nous choisirons de remplacer les servomoteurs par Des moteurs pas à pas (système pivot)

Page 49

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Figure 23 : rotation verticale

Ensemble servomoteur/pince Un dernier problème a été rencontré en fin de projet, comment faire pour positionner notre pince sans que celle-ci provoque le déséquilibre de notre pince ? Nous pensions réaliser une pièce pour répondre à cette contrainte, mais la complexité de la solution nous a rebuté. n Nous nous sommes rendu compte que nous cherchions à faire trop compliqué et que la meilleure solution était d’encastré notre système servomoteur/pince sur une plaque, Avec un système glissière

Figure 24 : système pince

C. Conclusion : Dans ce chapitre nous avons exposé les différents modèles utilisés pour décrire les mouvements des articulations d’un bras manipulateur, dans le but est de fournir les équations mathématiques qui permettent de programmer, commander et exécuter les tâches désirées. Ceci est réalisé en fonction du modèle géométrique, cinématique et dynamique, afin de pouvoir faire des études de simulations concernant quelques commandes appliquées à ces types de robots manipulateurs, ce qui permet à nous de faire une conception de bras selon la modélisation désirées. La phase de la conception est une étape nécessaire pour tester le fonctionnement d’un tel système, après avoir simuler notre bras nous avons convaincu et nous nous somme sure que ça va marcher très bien pendant la phase de réalisation Page 50

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Chapitre 4 : Commande du Bras manipulateur.

Chapitre 04 Commande du Bras manipulateur. Dans ce chapitre on va traiter les composants électroniques et en réaliser le code qui permet de contrôler le bras manipulateur à distance à l’aide d’un logiciel qui programme les carte électronique IDE ARDUINO.

Page 51

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Introduction Dans ce chapitre en discute sur les composants du notre bras robotique. En traite les capteurs, actionneurs, et les cartes électronique de contrôle utilisé et la partie programmation et d’autres concepts sur ces termes. Le système de commande est un système dynamique qui contient un dispositif de commande en tant que partie intégrante. Le but du contrôleur est de générer des signaux de commande, qui conduira le bras robotique, qui commandé a distance en est besoins de deux carte électronique la première permet de lire les données et d’envoyer à la deuxième à l’aide des deux module Bluetooth émetteur et récepteur afin d’exécuter des actions par les actionneurs (moteur pas à pas, servomoteurs) afin que le bras suivie le chemine de la main de l’utilisateur.

A. Les composants électroniques de système : dans notre projet en est besoin de deux carte électronique Arduino l’une est émetteur l’autre récepteur et deux module Bluetooth qui permet de communiquer entre ces deux carte et une capteur accéléromètre qui donne la position de la main d’utilisateurs et capteur Flex donner les valeurs d’ouverture de la pince et 3 moteur pas a pas la première pour la rotation de bras autour de support la deuxième pour Montée vers le haut et la troisième permet d’allongée le bras qui sont contrôle par les valeurs d’accéléromètre reçoit par la deuxième Arduino , en ajoute aussi un servomoteurs qui permet de contrôle l’ouverture de la pince dans cette partie en va traiter les caractéristique et le fonctionnement de tous ces éléments électronique.

1. Carte ARDUINO ATMega2560 : L’Arduino ATMega2560 est un microcontrôleur programmable cadencé à 16 MHz qui permet, comme son nom l’indique, de contrôler des éléments mécaniques : systèmes, lumières, moteurs, etc. Cette carte électronique permet donc à son utilisateur de programmer facilement des choses et de créer des mécanismes automatisés, il y plusieurs types des carte Arduino et pour nous en choisie cette carte grâce a le nombre important des broche entré et sortie Elle dispose de 54 E/S dont 14 PWM, 16 analogiques et 4 UARTs. Elle est idéale Page 52

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

pour des applications exigeant des caractéristiques plus complètes que l’Arduino Uno. Des connecteurs situés sur les bords extérieurs du circuit imprimé permettent d'enficher une série de modules complémentaires Cette carte peut se programmer avec le logiciel IDE Arduino.

Caractéristiques : Alimentation : - via port USB ou - 7 à 12 V sur connecteur alim Microprocesseur : ATMega2560 Mémoire flash : 256 KB Mémoire SRAM : 8 KB Mémoire EEPROM : 4 KB 54 broches d'E/S dont 14 PWM 16 entrées analogiques 10 bits Page 53

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Intensité par E/S : 40 mA Cadencement : 16 MHz 3 ports séries Bus I2C et SPI Gestion des interruptions Fiche USB B Version : Rev 3 Dimensions : 107 x 53 x 15 mm

2. Les actionneurs : a) Moteur pas à pas : Les moteurs pas à pas sont utilisés pour les positionnements angulaires précis (imprimantes, scanners, disques durs ...). Contrairement aux moteurs à courant continu, ils ne nécessitent pas de boucle d'asservissement et sont plus simples à commander. Il existe trois types de moteur pas à pas : moteur à aimant permanent, à reluctance variable et hybrides. Dans tous les types de moteur, on positionne le rotor en modifiant la direction d'un champ magnétique crée par les bobinages du stator. Ils nécessitent un circuit de commande qui comporte une partie logique et une commande de puissance. La partie logique détermine pour chaque pas quelles sont les bobines alimentées et le sens de rotation. La fréquence de l'horloge du circuit logique détermine la vitesse de rotation. Moteurs à aimant permanent : C’est le modèle dont le fonctionnement est le plus simple. Le rotor est constitué d’un aimant permanent, et le stator comporte deux paires de bobines. En agissant sur les bobines alimentées, et le sens des courants, on fait varier le champ créé par le stator. A chaque pas, la direction du champ induit par le stator tourne de 90°. L’aimant permanent suit le déplacement du champ magnétique créé par les bobines et s’oriente selon une de ses quatre positions stables. Comme le rotor est aimanté, Page 54

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

lorsque le moteur n’est pas alimenté le flux magnétique dû à l’aimant permanent crée un couple résiduel en se plaçant dans l’axe de l’une des bobines. Pour augmenter le nombre de positions stables et donc de pas du moteur à aimant permanent, on peut alimenter successivement une puis deux paires de bobines : c'est le mode "demi-Pas". A chaque pas, la direction du champ induit par le stator tourne de 45°. Dans ce mode, le couple est différent pour les pas pairs et impairs. Les moteurs pas à pas à aimant permanent ont un couple moteur important, mais un nombre de pas par tour faible, et une fréquence de rotation maximale faible. La commande de ces moteurs pas à pas nécessite de contrôler le sens du courant dans chaque bobine.

Figure 25 : Moteur bipolaire

Figure 26 : Moteur unipolaire

Moteurs à réluctance variable : Ces moteurs sont composés d'un barreau de fer doux et d'un certain nombre de bobines. Lorsqu'on alimente une bobine, le champ magnétique cherche à minimiser le passage dans l'air. Ainsi l'entrefer entre la bobine et le barreau se réduit. Le barreau s'aligne avec le champ magnétique pour obtenir une réluctance minimale.

Page 55

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Figure 27 : Moteur a réluctance variable

Moteurs hybrides : Le rotor est constitué par deux pièces en fer doux ayant chacune n pôles séparées par un aimant permanent magnétisé dans le sens de l'axe du rotor. Le nombre m de pôles du stator est différent de celui du rotor. Le rotor se déplace pour que le flux qui le traverse soit maximum. En mode pas entier, les bobines sont alimentées paire par paire alternativement avec inversion à chaque pas. Il est nécessaire d'avoir un rotor polarisé pour imposer le sens de rotation à chaque commutation. Ce type dès que l’on va utiliser dans notre projet car ayant des vitesses et un couple important et aussi un grand nombre des pas ce qui aidé nous dans la précision de position de bras.

Page 56

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Driver de moteur pas à pas : Les moteur pas a pas fonctionné selon des impulsion ,pour tourner le moteur en est besoins de basculer l’alimentation des bobines pour avoir un bonne rotation de moteur le problème est que les moteur pas a pas sont fonction avec 12v l’Arduino ne permet pas de contrôler ce type de puissance ce qui oblige a nous d’ajouter des dériver et un alimentation de 12v et nous en basculent par les GND des bobine tous les bobine reçoit 12v et la bobine qui reçoit 0 dans l’autre pole va génère un champs magnétique ce qui permet de tourner le moteur .

Figure 28 : Driver L298

Page 57

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Figure 29 : schéma de câblage de moteur pas à pas

b) Servomoteurs : Dans les articulations de bras en est utilisé des moteurs pas à pas en trouve pas aucun défaut grâce la structure choisie dans la conception les moteur sont contrôler les articulations grâce a un système vielle manivelle sans place le moteur dans l’articulation pour éviter le surcharge de bras mais pour contrôler la pince en utilise un servomoteur pour minimiser le poids de l’organe de bras afin d’avoir un bras stable. Le servomoteur intègre dans un même boitier, la mécanique (moteur et engrenage), et l'électronique, pour la commande et l'asservissement du moteur. La position est définie avec une limite de débattement d'angle de 180 degrés, mais également disponible en rotation continue.

Figure 23 : Servomoteurs

3. Les capteurs : Dans notre projet en est besoins de détecter la position actuelle de la main de l’utilisateur afin de contrôler le bras et suivie la même chemine de la main de

Page 58

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

l’utilisateur, pour connue ces cordonnée en utilise deux capteur un accéléromètre et un capteur Flex. a. Accéléromètre :

Figure 30 : Accéléromètre

Le capteur ADXL35 et détecter la position par rapport au repère original sont alimentation et 3V les sortie de ce capteur Xout Yout Zout permet à nous de connaitre la position de l’utilisateur pour les valeurs de Xout il va contrôler là l’allongement de bras c'est-à-dire la troisième moteur Yout va contrôler la hauteur de bras c'est-à-dire la 2eme moteur Zout va contrôler la rotation de bras autour de support. b. Capteur Flex :

Figure 31 : capteur Flex

Afin de contrôler l’ouverture de la pince par les servomoteurs en utilisé un capteur Flex qui réalisé par deux fines couches de métal sont séparées par un polymère conducteur qui se déforme quand on le plie, modifiant la résistance aux bornes des deux couches métalliques la valeur de la tension de sortie de ce Page 59

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

capteurs charge par la première Arduino et envoyer à la deuxième Arduino qui contrôle le mouvement de systèmes. c. Module Bluetooth HC05 : Pour communiquer entre les deux Arduino en utilisé dans notre projet deux module Bluetooth qui permet d’envoyer des données, ce qui permet de contrôler le mouvement de bras a partir des cordonnés qui reçoit par le module Bluetooth, en choisie de module HC05 car est un émetteur et récepteur par contre le HC06 est seulement un récepteur. Les caractéristiques : Tension d'Alimentation : 3.3 à 5V DC (courant continu) Paramétrage par défaut du port série : 9600, N, 8, 1. Bluetooth sur la bande 2.4 GHz, modulation GFSK LED indicatrice de statut de connexion. Bluetooth sur la bande 2.4 GHz, modulation GFSK. Le module est apparié avec un mot de passe (1234) modifiable.

Figure 32 : Module Bluetooth HC05

Page 60

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Figure 33 : Branchement de HC05 avec l’Arduino

TXD : Emissions des données ce broche relie a RX de l’Arduino. RXD : Réceptions des données ce broche relie à TX de l’Arduino.

B. Programmation des deux Arduino : Dans cette partie en est programmer les deux carte Arduino l’un émetteur et l’autre récepteur, dans le code d’émetteur en va charger les données des deux capteurs (accéléromètre, capteur flex) et envoyer par la première module Bluetooth, la deuxième carte reçoit les données de deux capteurs par le deuxième module Bluetooth et chaque une des valeurs va contrôler l’angle de rotation de l’une des 4 moteurs. Les bibliothèques utilisées dans la partie programmation de notre projet : SoftwareSerial : Bibliothèque qui permet à l’Arduino de communiquer série matérielle sur les broches 0 et 1 par un module matériel (intégré dans la puce) appelé UART. Ce matériel permet à la puce Atmega de recevoir des communications série même en travaillant sur d’autres tâches, tant qu’il y a de la place dans les 64 octets de buffer de l’UART (le buffer est reçoi les données entrantes et les stocke en attendant qu’elle soit lue). Stepper : Cette librairie vous permet de contrôler des moteurs pas à pas unipolaires et bipolaires. Car les moteurs pas à pas sont des moteurs capables d'exécuter des rotations "cran par cran" d'une grande précision. Page 61

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Voici quelques fonctions de la bibliothèque stepper qui utilisé dans notre programme : Stepper (nombre-pas, broche1, broche2, broche3, broche4):permet de définir le nombre de pas et les broche de connecte a le moteur pas a pas. SetSpeed (vitesse) : Cette fonction ne fait pas tourner le moteur, elle permet juste de fixer la vitesse à laquelle le moteur tournera lorsque vous appelez la fonction. Step (nombre_pas) : Fait tourner le moteur du nombre de pas indiqué, à la vitesse fixée par dernier appel de la fonction setSpeed (). 1. Code de l’émetteur : Dans la partie programme de l’Arduino émetteur qui lire les données et envoyé par la broche de communications, en crée 4 variable entier (avence, rotation, monte, pince) et 4 variables qui mémorisé l’état précédents des entré des capteurs des capteurs.

La fonction void setup () : est une fonction qui exécute une seule fois, dans cette fonction en déclaré les ports lie a les 4 fils des capteurs en entrée en définir aussi la vitesse de communication entre récepteur et l’émetteur.

Page 62

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

La fonction Void loop () : est une fonction qui exécute infiniment. Dans cette fonction en faire la lecture des 4 broche liée a les deux capteurs chaque une des variables stocke l’une des entré données, après en tests s’il y a un changement entre les données reçu et les valeurs précédents de ces capteurs si oui en va envoyer ces nouvelles données au récepteur via une module Bluetooth, ce dernier permet d’envoyer string, ce qui oblige à nous d’ajouter des séparations entre les données envoyées afin de reçoit 4 valeurs sans problème. En ajoute 4 instructions pour stocke les dernières données afin recommencer a nouveaux une deuxième exécution après un délai de 1s. 2. Le code de récepteur : Dans la 2eme partir de code en est besoins d’identifier trois moteurs pas à pas avec la classe stepper en choisie les nomes de chacune moteurs et le nombre de pas et les ports de bronchements de chacune des trois moteurs, et en crée un servomoteur a l’aide de la classe servo, ce qui permet a nous de choisir les ports de branchement de servomoteurs par la fonction servoPince.attache ().

Page 63

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Dans le début de programme récepteur crée 5 strings la première est pour stocke la donnée reçoit par la 2éme module Bluetooth et les autre pour diviser le string message en 4, afin de convertir ces 4 string en 4 entiers qui déclaré au début pour utiliser dans contrôle des moteurs. Dans la fonction Void setup () en fixe la vitesse des trois moteurs par set Speed et en déclaré 13 ports en sortie car chaque moteur pas à pas bronche par 4fils et un fils pour le servomoteur. Pour simplifier notre programme en ajoute deux fonction la première readEmeteur () il permet stocker les données reçues par le module Bluetooth dans un string msg, la deuxième convertENInt () permet de diviser le string en 4 strings à l’aide des séparateurs envoyé dans l’émetteur.

Page 64

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Lorsque en appel cette fonction dans la fonction Void loop() il tests si il ‘y des octets dans Rx la broche lie au module Bluetooth si oui il’ va attenter 10ms ,et lire et stocke le string dans un variable c chaque fois que il reçoit une données le string msg=msg+c permet de rassembler tous les octets dans varaible que l’on va diviser en 4 string.

L’appel de la fonction convertENInt () permet de diviser le message reçoit en 4 entiers, la première étape en doit déterminer les indices de séparateurs qui envoyé dans l’émetteur (x, y, z, w) chaque indice stocke dans une variable sepi par la fonction indexOf pour diviser le message en 4 strings en utilisé la fonction substring il permet de sélection une partie de string msg selon l’indice début et fin. Pour convertie les 4string obtenue en besoins de diviser chaque string en un tableau des caractères pour cela en utilise la fonction toCharArray () et obtenir 4 tableaux des chaines des caractères en fin en utiliser la fonction atoi qui permet de converti chaque caractère en valeur correspondent dans le code ASCII. En fin cette fonction reçoit à nous les données envoyer par l’émetteur il reste seulement à contrôler ces moteurs par ces valeurs. Page 65

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Dans la fonction void loop() de récepteur en faire appel à les deux fonction précédent pour obtenir les valeurs envoyé par l’émetteur ,en tests si les données est bien reçue déclaré 4 variable tel que chaque variable doit égale la donnée reçue moins la donnée précédent car par exemple l’accéléromètre varie selon x le moteur tourne avec cette valeur d’accéléromètre dans les deuxième réception en va éliminer la première valeurs car le moteur et déjà tourne ce qui permet d’avoir une précision de la position de bras . Pour tourner les moteurs en choisie chaque cordonner d’accéléromètre pour contrôler la rotation de moteur, en choisie Xout pour avenacé le bras c’est dire la rotation de la 2eme moteur avec nombre des pas par la fonction step (), pour les servomoteurs elle tourne avec un angle maximale égale 180 dégrée pour cela en utilisé la fonction map qui permet de limiter la rotation, al fin de cette fonction en stocke les valeurs précédents dans les variable (a,b,c,d) .

C. Conclusion : Dans cette partie on a cité les différentes composantes électroniques utilisé ainsi que les montages adoptés et la partie programmation qui rende le système intelligent, il reste seulement la phase de réalisation pour assembler la partie mécanique et les composants électronique et rendre le système réal.

Page 66

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Conclusion générale : Le travail présenter dans ce projet entre dans le cadre de la réalisation et la commande d’un bras manipulateur à trois degrés de liberté. Signalons que dans le cadre ce travail, nous avons été amené à aborder plusieurs domaines d’étude : la mécanique, la programmation, l’électronique…. Ce projet a été abordé sur trois fronts : - Réalisation mécanique du bras manipulateur ; - Programmation. Sur le plan théorique, nous avons abordé la modélisation en appliquant la convention de DENAVIT-HATEMBERG pour le calcul du modèle géométrique directe. Le modèle analytique inverse a été utilisé pour effectuer des tâches dans l’espace opérationnel du bras manipulateur que nous avons réalisé. Nous avons utilisé les logiciels suivants : -CATIA - Matlab ; - Arduino IDE. Il faut signaler que la partie la mécanique de la réalisation de notre bras était le principal problème rencontré dans ce projet. Le prototype réalisé peut servir comme base pour des travaux futurs qui seront destinées à l’amélioration du robot et de la fonctionnalité de ses diverses parties. Notre travail est tout de même susceptible d’être amélioré. Nous proposants en perceptive : - Concevoir nous même les pièces mécaniques du robot, - Utiliser un matériau plus solide pour la réalisation du bras, - Faire une étude plus détaillée sur la modélisation cinématique, dynamique directe et inverse. Ce travail nous a permis d’approfondir nos connaissances théoriques et pratiques, d’améliorer d’autre niveau et aussi de toucher le côté pratique grâce à la réalisation et surtout la gestion de projet

Page 67

UNIVERSITÉ SULTAN MOULAY SLIMANE – BENI MELLAL Faculté des Sciences et Techniques

Références bibliographiques [1] « Robot », dans Dictionnaire de français Larousse, [En ligne]. Disponible : http://www.larousse.fr/encyclopedie/divers/robot/88768#QjzRfwFzCqu4WDCJ.99 [2] « Unimate : le doyen de l'industrie», dans Industrie and Technologies.: 2014. [En ligne]. Disponible : https://www.industrie-techno.com/unimate-le-doyen-de-l-industrie.32925 [13]« Cinématique du PUMA 560 », dans Polytechnique Montréal. 2013. [En ligne]. Disponible :http://www.professeurs.polymtl.ca/luc.baron/index.php?id=210&lg=f [4]« Introduction à la Robotique » dans FANCU. 2014. [En ligne].Disponible :http://eduscol.education.fr/sti/sites/eduscol.education.fr.sti/files/ressources/ techniques/4836/4836-fanuc-introduction-la-robotique-juin-2014.pdf [5]A. Benali,Robotique et Automatisation Industriel. [En ligne]. Disponible : http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:http://frostiebek.free.fr/docs/Robotiq ue/robotique/1-Introduction.pdf [6]« Arduino Mega » dans Arduino. [En ligne]. Disponible : https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega. [7] B. Lionel, Mécatronique coure avec exercices corrigées, Paris 5 me Laromiguière, 75005 : Dunod, 2016. [8] « SG90 9 g Micro Servo ». [En ligne]. Disponible : http://akizukidenshi.com/download/ds/towerpro/SG90.pdf [9] « MG996R High Torque MetalGear Dual Ball Bearing Servo » [En ligne]. Disponible : http://www.electronicoscaldas.com/datasheet/MG996R_Tower-Pro.pdf [10] « MG995 High Speed MetalGear Dual Ball Bearing Servo ». [En ligne]. Disponible : http://www.electronicoscaldas.com/datasheet/MG995_Tower-Pro.pdf [11] « Arduino PS2 Joystick Schematic » dans Henry’sBench. [En ligne]. Disponible : http://henrysbench.capnfatz.com/henrys-bench/arduino-sensors-and-input/arduino-ps2joystick-tutorial-keyes-ky-023-deek-robot/

Page 68