Réalisation Et Commande D'un Bras Manipulateur À Quatre Degrés de Liberté [PDF]

Zitiervorschau

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique UNIVERSITE M’HAMED BOUGARA-BOUMERDES

Faculté des Sciences de l’Ingénieur Département de maintenance industrielle

Mémoire de Master

Présenté par : Melle. Fodil Rosa Melle. Sayah Kenza En vue de l’obtention du diplôme de Master en Génie Electrique Option : Automatique

Thème :

Réalisation et Commande d’un Bras Manipulateur à Quatre Degrés de Liberté

Président

N. MEZIOU

M.C.A

UMBB

Rapporteurs

H. AKROUM

M.C.B

UMBB

Examinateurs

B. IDIR

M.C.B

UMBB

F. NAFA

M.C.B

UMBB

-

Promotion Juin 2017 -

Remerciement On tient tout d’abord à remercier en premier lieu Allah, le tout puissant, de nous avoir donné autant de courage, de patience et de volonté pour atteindre ce but. On tient à exprimer à notre promoteur Dr. AKROUM Hamza, notre profonde gratitude et toutes nos reconnaissances pour avoir bien voulu nous confié un sujet qui nous a permis de nous initier à la recherche et d’apprendre à surmonter les difficultés rencontrées. Sa disponibilité, sa grande connaissance ont été un autant déterminant pour mener à bien ce travail. Mes remerciements vont également à tous les enseignants de notre Faculté des Sciences de l’Ingénieur, surtout : Mr.Hamdawi, Mme.Diaf, Mr.Ikhlaf. Nous n’oublions pas d’adresser nos vifs remerciements à Hanane poursonaide et pour son encouragement durant la préparation de ce travail. Nos vifs remerciements s’étendent à tous les membres de club scientifique ELECTRO pour leur soutien Notre reconnaissance respectueuse va à Major Mounir et AmlikFarespour son aide si précieuse lors de notre travail. Tous nos remerciements vont également aux membres de jury pour nous avoir fait l’honneur de juger ce modeste travail. Nos remerciements vont également à toutes les personnes qui nous ont aidés et soutenue de près ou de loin dans la réalisation de ce travail. i

Dédicace Aux êtres les plus chers aumonde « MES PARENTS»Aucune dédicace ne saurait exprimer l’amour, l’estime, le dévouement et le respect que j’ai toujours eu pour vous. Rien au monde ne vaut les efforts fournis jour et nuit pour mon éducation et mon bien être. Ce travail est le fruit de vos sacrifices que vous avez consentis pour mon éducation et ma formation.

A mes très chers frères Les mots ne suffisent guère pour exprimer l’attachement, l’amour et l’affection que je porte pour vous. Mohammed et sa femme Sonia,Madjid et sa femmeNawel. Ainsi qu’à mes adorables nièces : Lwiza ,Lidia et Meriem. Que DIEU leurs offre le bonheur.

A ma très chère binôme Kenza et sa famille Atous les membres de ma famille Fodil et Kadi petits et grands Ames chères amies :Sarah,Khadija,Asma,Ibtissam,Imene,Sonia,Chahinez,Chahra, Amina, Wafia… Ames chers amis :Houssemeddine ,Mohammed,Mehdi ,Nabil,Rafik ,Youcef,Amine,Koseila,Ihab, Olhadj, Karim, ChemseEdine, Abdou…

A tous les membres de notre club Electro. Aux personnes qui m’ont toujours aidé et encouragé, qui étaient toujours à mes côtés.

A tous qui m’aime et tous qui j’aime.

Rosa iii

Dédicace

A mon très chère père Allah yarhamo Qui nous a élevés dans la droiture, l'intégrité et l'altruisme et nous a quitté si jeune pour un monde meilleur avant de voir sa vision se réaliser. Ce travail est une preuve de reconnaissance de la part d'un enfant qui a toujours prié pour le salut de son âme. Puisse Dieu, le Tout puissant, l'avoir en sa Sainte Miséricorde. Amen Que dieu vous bénisse et vous garde dans son vaste paradis.

A ma très chère mère Aucune dédicace ne saurait exprimer l’amour, l’estime, le dévouement et le respect que j’ai toujours eu pour vous. Rien au monde ne vaut les efforts fournis jour et nuit pour mon éducation et mon bien être. Ce travail est le fruit de vos sacrifices que vous avez consentis pour mon éducation et ma formation.

A mes très chers frères et ma très chère soeur Les mots ne suffisent guère pour exprimer l’attachement, l’amour et l’affection que je porte pour vous. Ali et sa femme Tassadit, Brahim, Hanane et son mari Rostom Ainsi qu’à mes adorables neveux Tahar et NourAhssene. Que DIEU leurs offre le bonheur.

A ma très chère binôme Rosa et sa famille A mes chères amies :Sonia, Nadia, Amina, Hanane, Nessrine, Raouia, Bsmma,Amira, Racha, Héba,Noussieba, Ibtissam, Imane, Chahra, Chafia A mes chers amis : , Nabil, Rafik, Imad, youcef, Fares, AbdEtouab, AbdErahmane Houssem Eddine, Ihab, Olhadj, Karim, ChemseEdine, Amine, Mohammed, Mahdi…

A tous les membres de ma famille Sayah et Cherfi petits et grands Atous les membres de notre club Electro. A tous mes amis Aux personnes qui m’ont toujours aidé et encouragé, qui étaient toujours à mes côtés.

Kenza

A tous qui m’aime et tous qui j’aime.

ii

Table des matières Chapitre 1: Généralités

1.1. Introduction ......................................................................................................................... 3 1.2. Définitions ........................................................................................................................... 3 1.2.1. Définition d’un robot .................................................................................................... 3 1.2.2. Définition de la robotique ............................................................................................. 3 1.3. L’histoire de la robotique .................................................................................................... 3 1.4. Types de robots ................................................................................................................... 6 1.4.1. Robots mobiles ............................................................................................................. 6 1.4.2. Robots manipulateurs ................................................................................................... 6 1.5. Robot industriel ................................................................................................................... 7 1.5.1. Robot Institute of America ........................................................................................... 7 1.5.2. Association Japonaise de Robotique Industrielle ......................................................... 7 1.5.3. L’association Française de Robotique Industrielle (AFRI) .......................................... 7 1.5.4. International Standard Organization (ISO)................................................................... 8 1.6. Un bras manipulateur .......................................................................................................... 8 1.7. Les composants d’un système robotique ............................................................................. 8 1.7.1. Unité informationnelle .................................................................................................. 8 1.7.2. Unité opérationnelle ..................................................................................................... 9 1.7.3. La structure mécanique articulée .................................................................................. 9 1.7.3.1. Structure mécanique articulée à chaîne cinématique simple ................................. 9 1.7.3.2. Structure mécanique articulée à chaîne cinématiques fermée ............................. 10 1.8. Architecture des robots...................................................................................................... 10 1.8.1. La base ........................................................................................................................ 11 1.8.2. Le porteur ................................................................................................................... 11 1.8.2.1. Segment ................................................................................................................ 11 1.8.2.2. Articulation .......................................................................................................... 11 1.8.2.2.1. Articulation rotoïde............................................................................................... 11 1.8.2.2.2. Articulation prismatique ....................................................................................... 11 1.8.3. L’actionneur................................................................................................................ 12 1.8.4. L’organe terminal ....................................................................................................... 12 1.9. Classification des robots.................................................................................................... 12 iv

1.9.1. Classification fonctionnelle ........................................................................................ 13 1.9.1.1. Manipulateur à commande manuelle ................................................................... 13 1.9.1.2. Manipulateur automatique ................................................................................... 13 1.9.1.3. Robots programmables ........................................................................................ 14 1.9.1.4. Robots intelligent ................................................................................................. 14 1.9.2. Classification géométrique ......................................................................................... 15 1.9.2.1. Structure cartésienne (PPP).................................................................................. 15 1.9.2.2. La structure cylindrique (RPP) ou (PRP)............................................................. 15 1.9.2.3. La structure sphérique ou polaire à axe de rotation orthogonale ......................... 16 1.9.2.4. La structure dite SCARA ..................................................................................... 16 1.9.2.5. La structure 3R (anthropomorphe) ....................................................................... 16 1.10. Caractéristiques d'un robot .............................................................................................. 17 1.11. Domaines d'application ................................................................................................... 17 1.11.1. Tâches simples .......................................................................................................... 17 1.11.2. Tâches complexes ..................................................................................................... 18 1.12. Conclusion ....................................................................................................................... 18

Chapitre 2 : Description mécanique et modélisation

2.1. Introduction ....................................................................................................................... 19 2.2. Description de la partie mécanique du bras manipulateur ................................................ 19 2.2.1. La structure mécanique du bras .................................................................................. 19 2.2.1.1. La base ................................................................................................................. 20 2.2.1.2. L’épaule ............................................................................................................... 20 2.2.1.3. Le coude ............................................................................................................... 20 2.2.1.4. Le poignet ............................................................................................................ 20 2.2.1.5. La pince ................................................................................................................ 21 2.2.2. Le bras manipulateur assemblé................................................................................... 22 2.2.3. Les organes constitutifs d’un bras manipulateur ........................................................ 22 2.2.3.1. Les actionneurs .................................................................................................... 22 2.2.3.2. Transmission entre articulations : engrenage ....................................................... 23 2.2.3.3. Les capteurs ......................................................................................................... 24 2.4. Modélisation ...................................................................................................................... 24 v

2.4.1. Présentation du bras manipulateur .............................................................................. 24 2.4.2. Notion de position ...................................................................................................... 24 2.4.2.1. Coordonnées cartésiennes .................................................................................... 25 2.4.2.2. Coordonnées cylindriques .................................................................................... 25 2.4.3. Notion d’orientation ................................................................................................... 27 2.4.4. Modèle Géométrique direct ........................................................................................ 27 2.4.4.1. Paramètre de DENAVET- HARTENBERG (D-H) ............................................. 27 2.4.4.2. Modélisation du bras manipulateur réalisé .......................................................... 28 2.4.4.3. Identification des paramètres de DH de BM1...................................................... 30 2.4.5. Le modèle géométrique inverse .................................................................................. 31 2.4.6. Modélisation du moteur électrique à courant continu ................................................ 33 2.4.6.1. Les équations électromécaniques ......................................................................... 33 2.4.6.2. Modèle d’état du moteur ...................................................................................... 34 2.5. Conclusion ......................................................................................................................... 37

Chapitre 3 : Commande du bras manipulateur

3.1. Introduction ....................................................................................................................... 38 3.2. Hardware ........................................................................................................................... 38 3.2.1. La carte d’Arduino...................................................................................................... 38 3.2.1.1 Arduino méga 2560............................................................................................... 38 3.2.2. Les actionneurs (servomoteurs) .................................................................................. 40 3.2.2.1. Les paramètres techniques des servomoteurs ...................................................... 41 3.2.3. Joystick (organe de commande) référence ................................................................. 41 3.2.4. Alimentation ............................................................................................................... 42 3.2.5. Les fils de connexion .................................................................................................. 42 3.2.6. LED ............................................................................................................................ 43 3.2.7. Botton poussoir ........................................................................................................... 43 3.2.8. Les résistances ............................................................................................................ 43 3.3. Software ............................................................................................................................ 43 3.3.1. Présentation du logiciel .............................................................................................. 43 3.3.1.1. Présentation du logiciel ISIS (Intelligent Schematic Input System) .................... 43 vi

3.3.1.2. Logiciel de programmation Arduino.................................................................... 45 3.3.1.3. Logiciel LABVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench). 46 3.3.1.3.1 Présentation du logiciel ............................................................................................. 46 .................................................................................................................................................. 47 3.3.1.3.2. Présentation de l’interface ........................................................................................ 47 3.3.2. Commande .................................................................................................................. 50 3.3.2.1. Commande manuelle............................................................................................ 50 3.3.2.1.2. Commande analogique des articulations .................................................................. 50 3.3.2.2 .Commande Automatique ..................................................................................... 52 3.3.2.2.1. Commande par le modèle géométrique inverse du bras .......................................... 52 3.3.2.3 Régulateur PID...................................................................................................... 54 3.3.2.3.1. L’action Proportionnel .......................................................................................... 54 3.3.2.3.2. L’action Intégrale ................................................................................................. 55 3.3.2.3.3. L’action Dérivé ..................................................................................................... 55 3.3.2.3.4. Simulation du régulateur PID sur MATLAB / Simulink ..................................... 56 3.3.2.4. La régulation par la logique floue ........................................................................ 57 3.3.2.4.1. Les trois parties de la structure générale du contrôleur ........................................ 58 3.3.2.4.2. Les étapes de conception de contrôleur flou FLC ................................................ 59 3.3.2.4.3. Simulation du contrôleur flou sous MATLAB / Simulink ....................................... 59

Chapitre 4 : Tests et résultats 4.1. Introduction ....................................................................................................................... 61 4.2. Les résultats du test en temps réel ................................................................................. 61 4.2.1. La commande manuelle .............................................................................................. 61 4.2.1.1. La variation de l’entrée analogique1 et Theta1 de la première articulation en fonction de temps .............................................................................................................. 61 4.2.1.2. La variation de l’entrée analogique2 et Theta2 de la deuxième articulation en fonction de temps .............................................................................................................. 62 4.2.1.3. La variation de l’entrée analogique3 et Theta3 de la troisième articulation en fonction de temps .............................................................................................................. 64 4.2.1.4. La variation de l’entrée analogique 4 et Theta 4 de la quatrième articulation en fonction de temps .............................................................................................................. 65 4.2.2 Interprétation des résultats ........................................................................................... 67 4.3 La commande automatique ................................................................................................ 67 4.3.1 La trajectoire du BM1.................................................................................................. 67 vii

4.4. Les résultats de simulation sous Matlab ............................................................................ 70 4.4.1. Contrôleur PID en utilisant l'outil de conception SISO de Matlab............................. 70 4.4.2. Contrôleur PID sous Simulink .................................................................................... 70 4.4.3. Résultat de simulation du contrôleur flou sous simulink ........................................... 71 4.5. Le BM1 final ..................................................................................................................... 72 4.5 Etude socio-économique .................................................................................................... 72 4.6 Conclusion……………………………………………………………………………………73 Références bibliographiques………………………………………………………………….73

viii

Liste des figures Chapitre 1 : Généralités Fig.1.1. Robot Unimate .............................................................................................................. 4 Fig.1.2. Robot PUMA ................................................................................................................ 5 Fig.1.3. Estimation de l'approvisionnement annuel mondial en robots industriels.................... 6 Fig.1.4. Robot mobile ................................................................................................................ 6 Fig.1.5. Bras manipulateur paralèlle .......................................................................................... 7 Fig.1.6. Bras manipulateur série ................................................................................................ 7 Fig.1.7. Structure fonctionnelle d’un robot ................................................................................ 8 Fig.1.8. Structure sérielle ......................................................................................................... 10 Fig.1.9. Structure fermée.......................................................................................................... 10 Fig.1.10. Architecture d’un robot............................................................................................. 10 Fig.1.11. Représentation d’une articulation rotoïde sous ses différentes formes..................... 11 Fig.1.12. Représentation d’une articulation prismatique sus ses différentes formes ............... 12 Fig.1.13. Manipulateur à commande manuelle ........................................................................ 13 Fig.1.14. Manipulateur automatique ........................................................................................ 13 Fig.1.1. Robot programmable .................................................................................................. 14 Fig.1.17. Robot intelligent ...................................................................................................... 14 Fig.1.18. Structure d’un Robot cartésien ................................................................................ 15 Fig.1.19. Structure d’un robot cylindrique. .............................................................................. 15 Fig.1.20. Structure d’un robot sphérique ................................................................................ 16 Fig.1.21. Structure d’un robot SCARA ................................................................................... 16 Fig.1.22. Structure d’un robot 3R . .......................................................................................... 17

Chapitre 2 : Description mécanique et modélisation Fig.2.1. Les pièces du bras manipulateur sous SolidWorks..................................................... 19 Fig.2.2. Base du BM1. ............................................................................................................. 20 Fig.2.3. L’épaule, le coude et le poignet du BM1. ................................................................... 21 Fig.2.4. Pince du BM1. ............................................................................................................ 21 Fig.2.5. BM1 assemblé. ........................................................................................................... 22 Fig.2.6. Différents types d’engrenage. ..................................................................................... 23 Fig.2.7. Vecteur et ces positions .............................................................................................. 24 Fig.2.8. Orientation d’un solide dans l’espace. ........................................................................ 25 Fig.2.9. Système de coordonnées cylindriques. ....................................................................... 25 Fig.2.10. Système de coordonnées sphérique. ......................................................................... 26 Fig.2.11. Placement des repères et notation du bras manipulateur. ......................................... 29 Fig.2.12. Les vecteurs des variables articulaires. ..................................................................... 32 viii

Fig.2.13. Représentation schématique du moteur CC ............................................................. 33 Fig.2.14. Schéma fonctionnel du moteur CC. .......................................................................... 36

Chapitre 3 : Commande du bras manipulateur Fig.3.1. Arduino Méga. ............................................................................................................ 39 Fig.3. 2. Exemple de signal en position pour un servomoteur ................................................. 40 Fig.3.3. De gauche à droite :(a) servomoteur du type sSG90, (b) servomoteur du type MG996R, (c) servomoteur du type MG995. ............................................................................ 41 Fig.3.4. De gauche à droite :(a)schéma interne de joystick, (b) Arduino PS2 Joystick. .......... 42 Fig.3.5. Alimentation 6V, 2A .................................................................................................. 42 Fig.3.6. Fils de connexion ........................................................................................................ 42 Fig.3.7. LED............................................................................................................................. 43 Fig.3.8. Bouton-poussoir .......................................................................................................... 43 Fig.3.9. De gauche à droite (a) résistance 10kΩ, (b) résistance 220Ω. ................................... 43 Fig.3.10. Interface de Proteus. ................................................................................................. 44 Fig.3. 11. Les étapes de tracer des schémas électriques........................................................... 44 Fig.3.12. Simulation de la commande manuelle et automatique du BM1. .............................. 45 Fig. 3.13. Interface d’Arduino. ................................................................................................ 46 Fig.3.14. Interface de LabVIEW .............................................................................................. 47 Fig.3.15. Interface de commande ............................................................................................. 48 Fig.3.16. Interface de commande, rectangle pointillé : partie concernée par la connexion de l’interface à Arduino. ............................................................................................................... 48 Fig.3.17 . Interface de commande, rectangle pointillé : partie concernée par la connexion de l’envoi des cordonnées. ............................................................................................................ 49 Fig.3.18. Interface de commande, rectangle pointillé : partie concernée par la connexion de l’acquisition et l’affichage des angles. ..................................................................................... 49 Fig.3.19 . Organigramme de la commande analogique. .......................................................... 51 Fig.3.20. Organigramme du sous-programme « map ». .......................................................... 51 Fig.3.21. Organigramme de la commande automatique. ......................................................... 53 Fig.3.22.La réponse de l’action proportionnelle ...................................................................... 54 Fig.3.23. La réponse de l’action intégrale ................................................................................ 55 Fig.3.24. La réponse de l’action dérivée .................................................................................. 56 Fig.3.25. Schéma bloc sous Simulink. ..................................................................................... 56 Fig.3.26. Réglage PID automatique à l'aide de l'outil de conception Matlab SISO. ............... 57 Fig.3.27. Traitement de l’information par la logique floue. .................................................... 58 Fig.3.28. Les étapes de conception du contrôleur flou. ........................................................... 59 Fig.3.29. Simulation du contrôleur flou sous MATLAB / Simulink. ...................................... 59

ix

Chapitre 4 : Tests et résultats Fig.4.1. La variation de l’entrée analogique1 de la première articulation en fonction de temps. .................................................................................................................................................. 61 Fig 4.2. La variation de Theta1 de la première articulation en fonction de temps................... 61 Fig4.3. La variation de l’entrée analogique2 de la première articulation (servomoteur 1) en fonction de temps ..................................................................................................................... 62 Fig.4.4. La variation de l’entrée analogique2 de la deuxième articulation en fonction de temps. ....................................................................................................................................... 62 Fig4 5. La variation de Theta 2 de de la deuxième articulation en fonction de temps. ........... 63 Fig4.6. La variation de Theta 2 de de la deuxième articulation (servomoteur 2) en fonction de temps. ....................................................................................................................................... 63 Fig.4.7. La variation de l’entrée analogique3 de la troisième articulation en fonction de temps. .................................................................................................................................................. 64 Fig4.8. . La variation de Theta 3 de la troisième articulation en fonction de temps. ............... 64 Fig 4.9. La variation de Theta 3 de la troisième articulation (servomoteur 3) en fonction de temps. ....................................................................................................................................... 65 Fig.4.10. La variation de l’entrée analogique4 de la quatrième articulation en fonction de temps ........................................................................................................................................ 65 Fig4.11. La variation de Theta4 de la quatrième articulation en fonction de temps. ............... 66 Fig4.12. La variation de Theta4 de la quatrième articulation (servomoteur 4) en fonction de temps. ....................................................................................................................................... 66 Fig.4.13. Variation de Theta 1 ................................................................................................. 68 Fig.4.14. Variation de Theta 2 ................................................................................................. 68 Fig.4.15. Variation de Theta 3 ................................................................................................. 69 Fig.4.16. Variation de Theta 4 ................................................................................................. 69 Fig.4.17. Réponse à un échelon d'unité du contrôleur PID. ..................................................... 70 Fig.4.18. Résultat de simulation du contrôleur PID ................................................................. 71 Fig.4.19. Résultat de simulation du contrôleur FLC. ............................................................... 71 Fig.4.20.Le BM1 final exposé au salon national des produits et de la recherche scientifique. 71

x

Liste des tableaux

Chapitre 2 : description mécanique et modélisation Tableau 2.1. Caractéristiques techniques du BM1. ................................................................. 29 Tableau 2.2. Paramètres de DENAVIT- HATENBERG du BM1. ......................................... 30 Tableau.2.3. Paramètres et valeurs du moteur CC. ................................................................. 36

Chapitre 3 : Commande du bras manipulateur Tableau 3.1. Synthèse des caractéristiques d’Arduino............................................................ 39 Tableau 3. 2. Paramètres techniques des servomoteurs utilisés .............................................. 41

Chapitre 4 : Tests et résultats Tableau 4.1. Étude socio-économique .................................................................................... 72

xi

Liste des abréviations Abréviation

Signification

AFRI

Association Française de Robotique Industrielle

ASEA

Allmänna Svenska ElektriskaAktiebolaget

BM1

Bras Manipulateur version 1

CC

Courant Continu

ddl

degrés de liberté

D-H

DENAVET- HARTENBERG

DLR

Deutsches Zentrumfür Luft- undRaumfahrt

FLC

FuzzyLogic Control

IDE

Integrated DevelopmentEnvironment

ISIS

Intelligent Schematic Input System

ISO

International Standard Organization

LABVIEW

Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench

LBR

Leicht Bau Roboter

LED

Light Emitting Diode

PID

Proportionnel, Intégral, Dérivé

PPP

Trois liaisons prismatiques

PRP

Une liaison prismatique, une liaison rotoide, une liaison prismatique

PS2

PlayStation

PUMA

Programmable Universal Machine for Assembly

PWM

Pulse Width Modulation

3R

Trois liaisons rotoides

RPP

une liaison rotoide et deux liaisons prismatiques

R.U.R

Rossum’s Universal Robot

SCARA

Selective Compliance Assembly Robot Arm

SISO

Simple Input Simple Output

SMA

Structure Mécanique Articulée

UART

Universal AsynchronousReceiverTransmitter

USB

Universal Serial Bus

xii

Liste des symboles Symbole

Signification

Unité

I

Intensité du courant

[A]

V

Tension

[V]

R

Résistance électrique

[Ω]

L

Inductance électrique

H

wm

Vitesse de l'arbre du moteur.

τm(t)

Couple du moteur

[N.m]

ϕ

Flux magnétique

[Wb]

Jm

Moment d'inertie

[Kg.m2]

Bm

Coefficient de friction

[N. ms]

Kb

Force électromoteur arrière constant

Kt

Constante de couple

f

Vitesse d’horloge

[Hz]

Mémoire

[KB]

m

Masse

g

L

Longueur

mm

[tr/min]

[V/rad s

]

[Nm/A]

xiii

INTRODUCTION GENERALE

Introduction générale

Introduction générale Depuis la révolution industrielle, une discipline a marqué l’évolution du monde technologique : la Robotique. L’avènement des robots dans l’industrie a permis de soulager l’homme des travaux répétitifs et difficiles tels que : le déplacement d’objets lourds, les taches d’assemblages, les microsoudures… etc. Aujourd’hui, il existe plusieurs types de robots conçus pour des tâches bien spécifiques. Les robots industriels actuellement en service sont des robots de type manipulateur. Ils sont bien implantés dans les procédés de fabrication modernes et sont employés pour augmenter le volume de production et améliorer la qualité du produit dans les chaînes de montage de l’industrie automobile, ils remplacent les ouvriers dans les tâches pénibles, répétitives ou dangereuses (peinture, soudure…). Dans ce travail de mémoire, nous nous sommes intéressés aux robots manipulateurs pour des applications en robotique industrielle.L’objectif de notre travail est de réaliser et commander un bras manipulateur à 4 degrés de liberté en développant une carte de commande autour d’une carteArduino. Ce mémoire est structuré en quatre chapitres : Le premier chapitre donne un bref historique sur la robotique et les différents types de robots, analyse aussi les différents constituants d’un robot manipulateur quiest l’objet de notre étude. L’objet du premier chapitre est d’apporter quelques définitions de base et décrire les constituants technologiques d'un robot et enfin définir les principaux termes du domaine. Le deuxième chapitreest consacré auproblème de la réalisation mécanique du bras manipulateur et à la modélisation en utilisant le modèle de DENAVIT-HATEMBERG. On a concrétisé le calcul du modèle géométrique inverse dans un programme qui nous a permis d’élaborer une commande automatique du bras. Le troisième chapitre concerne la description des différents softwares et hardware utilisés pour le développement de la carte de commande (langage de programmation, logiciel de simulation,le système d’actionneur du bras ainsi que le système de transmission entre articulation). Le quatrième chapitre abordel’implémentation ainsi que les tests effectués et les résultats obtenu.Enfin, ce mémoire est clôturé par une conclusion générale. 1

CHAPITRE 1 : CH GEN GENERALITES

Chapitre 1

Généralités

1.1. Introduction La robotique est considérée comme un des grands axes de progrès scientifiques et techniques, elle consiste à l’automatisationde nombreux secteurs de l’activité humaineafin par exemple, d’augmenter la productivité dans les entreprises, stimuler la compétitivité entre eux et surtout pouvoir travailler dans des zones à haut risque (espace, démantèlement nucléaire, déminage ...etc.). Le secteur d'activité des systèmes robotiques s'est élargi de façon importanteen particulier dans ledomainemédical, spatial, industriel, militaire et dans le domaine de l’agriculture. Dans ce chapitre, nous donnons un bref historique sur l'évolution de la robotique industrielle et un aperçu non exhaustif sur les robots.

1.2. Définitions 1.2.1. Définition d’un robot Appareil automatique capable de manipuler des objets ou d'exécuter des opérations selon un programme fixe, modifiable ou adaptable [1].

1.2.2. Définition de la robotique La

branche

de

la

technologie

qui

traite

la

conception,

la

construction,

l’exploitationetl’application des robots [2].

1.3. L’histoire de la robotique Depuis la nuit des temps, un des rêves essentiels de l’homme, c’est de créer une machine intelligente à son image. Ce rêve fait désormais partie de la réalité frappante de notre monde.Le concept du robot a été établi par de nombreuses réalisations historiques créatives, tel que : l'horloge à l’eau de Clepsydre introduite par les Babyloniens (1400 avant JC), Le théâtre de l'automate du Héros d'Alexandrie (100 après JC), les machines hydrauliques hydroalimentées et les humanoïdes d'Al-Jazari (1200)[4, 5, 6], fig.1.1 et les nombreux designs ingénieux de Léonard de Vinci (1500). Néanmoins, l'émergence du robot physique a dû attendre l'avènement de ses technologies sous-jacentes au cours du XXe siècle [3].

3

Chapitre 1

(a)

Généralités

(b)

(c)

Fig.1.1.De gauche à droite : (a) (a horloge à l'eau de Clepsydre [4], (b) Lee théâtre théâ de l'automate du Héros d’Alexandrie drie [5], [ (c) les machines hydrauliques hydro-alime alimentées et les humanoïdes d'Al-Jazari [6]. -

En1920 : Le mot robott déri dérivé du tchèque robota-travailleur, est venu dans la littérature scientifique et technique ue de la pièce de théâtre de l’écrivain Tchèque ue Karel Ka Capek dans sa pièce de théâtre R.U.R. (Rossum’sUniversal (Ros Robot) [7].

-

En 1959 : Le robot appelé ppelé Unimate [9], fig.1.2est considéré comme mme le premier robot industriel. Unimateétait it un manipulateur avec des entraînements dee pivo pivot hydraulique, sa commande est réaliséee au m moyen d'une mémoire magnétique à tambou ambour en coordonnées articulaires [8].

Fig.1.1. Robot Unimate [9].

4

Chapitre 1

-

Généralités

En 1961 : l'utilisationn du robot industrielUnimate, dans la producti oduction automobile, a commencé à General Moto Motors [8].

-

En 1973 : le nombre de rob robots installés dans le monde a atteint le 3000 [8].

-

En 1973 : La Société Hitachi Hitac a développé le premier robot avec unn syst système de traitement d'image pour des boulons lons dde fixation à une forme mobile [8].

-

1974 : La société ASEA a livré les premiers robots tout-électriques, es, ind industriels contrôlés par microprocesseur [8].

-

nimation a développé le robot PUMA (Program rogrammable Universal 1978 : la société Unimati Machine for Assembly)) [10], [10 fig.1.3. Il était l'un des robots les pluss utili utilisés [8].

Fig.1.2. Robot PUMA [10]. -

En 1983 : le nombre des robots ro dans le mondea atteint 66 000 [8].

-

En 2004 : la société Motom otomana a présenté un contrôleur du robot qui peut pe déplacer quatre robots synchronisés avec vec jusqu'à ju 38 axes [8].

-

En 2006: Avec le KUKA, UKA, le Centre allemand de l'aérospatiale (DLR (DLR) a développé la troisième génération de son robot léger (LBR). Il s'agit d'un bras anthro anthropomorphe avec 7 articulations. Chaque joint est équipé d'un capteur d'entraînementt et d'un d'u capteur d'angle côté sortie et d'un capteur capteu de couple. La LBR est maintenant ant disponible di dans le commerce via KUKA. [8]].

-

En 2015 : les ventes de rob robots ont augmenté à 253 748 unités [11],, fig.1.4. fig.

5

Chapitre 1

Généralités

Fig.1.3.Estimation ation de d l'approvisionnement annuel mondial en robots rob industriels [11].

1.4. Types de robots Il existe deux types de robots bots : robots r mobiles et robots manipulateurs.

1.4.1. Robots mobiles Ce sont des robots capables capabl de se déplacer dans un environnement, ent, Ils Il sont équipés ou non de manipulateurs suivant suivan leur utilisation (les robotsexplorateurs rateurs, les robots de services….).

Fig.1.4.Robot mobile[12]

1.4.2. Robots manipulateu ulateurs C’est des robots ancrés crés physiquement p à leur place de travail et gén généralement mis en place pour réaliser une tâche che pré précise et répétitive. Ce sont des manipulateurs lateurs automatiques programmés qui se substituen stituent à l'homme pour l'accomplissement de tâches hes répétitives, rép (tels que les bras manipulateur, médicaux, mé les robots industriels…).

6

Chapitre 1

Fig.1.6. Bras manipulat ipulateur série[13].

Généralités

Fig.1.5. Bras manipul anipulateur paralèlle[14]..

1.5. Robot industriel La définition que l’on on donne don actuellement au robot industriel diffère iffère quelque q peu selon les pays :

1.5.1. Robot Institutee of America A « Un robot est un manipu anipulateur reprogrammable à fonctions multiples. ltiples. Il est conçu pour déplacer des matériaux, des ppièces, des outils ou des instruments spécialisés spécia suivant des trajectoires variables programm rammées, en vue d’accomplir des tâches très diverses diver » [15].

1.5.2. Association Japona ponaise de Robotique Industrielle « Tout mécanisme perme permettant d’effectuer, en tout ou en partie, une tâ tâche normalement réalisée par l’homme » [15].

1.5.3. L’association Française Franç de Robotique Industrielle (AFRI) (AFR « Un robot industriel el est une machine formée de divers mécanismes smes comportant c divers degrés de liberté, ayant souven souvent l’apparence d’un ou de plusieurs bras ras se terminant par un poignet capable de maintenir enir un outil, une pièce ou un instrument de contrô contrôle. En particulier, son unité de contrôle doitt contenir conte un système de mémorisation, et il peut pparfois utiliser des accessoires sensitifs et adap adaptables qui tiennent compte de l’enviro environnement et des circonstances. Ces machines, nes, ay ayant un rôle pluridisciplinaire, sont généralem ement conçues pour effectuer des fonctions répétitiv pétitives, mais sont adaptables à d’autres fonctions ctions » [15].

7

Chapitre 1

Généralités

1.5.4. International Standard Organization (ISO) « Une machine formée par un mécanisme incluant plusieurs degrés de libertés, ayant souvent l’apparence d’un ou de plusieurs bras se terminant par un poignet capable de tenir des outils, des pièces ou un dispositif d’inspection » [15].

1.6. Un bras manipulateur C’est un système de positionnement où les forces agissant au niveau des articulations sont produites par des actionneurs. Ces derniers peuvent être de type électrique, hydraulique ou pneumatique.

1.7. Les composants d’un système robotique

Fig.1.7. Structure fonctionnelle d’un robot [16].

1.7.1. Unité informationnelle Reçoit les instructions décrivant la tâche à accomplir, les mesures relatives à l’état interne de la structure mécanique qui constitue le bras manipulateur et les observations concernant son environnement. Elle élabore en conséquence les commandes de ses différentes articulations en vue de l’exécution de ces taches. Les systèmes actuels fonctionnent en interaction permanente selon le cycle information-décision-action [16].

8

Chapitre 1

Généralités

1.7.2. Unité opérationnelle Exerce les actions commandées en empruntant la puissance nécessaire à la source d’énergie. Cette partie, qui constitue le robot physique, intègre la structure mécanique (segments, articulations, architecture…), les modules d’énergie (amplificateurs, variateurs, servovalves....), les convertisseurs d’énergie (moteurs, vérins….), les chaines cinématiques de transmission mécanique ( réducteurs, vis à billes, courroies crantées ….), les capteurs de proprioceptifs placés sur chaque axe pour mesurer en permanence leur position et leur vitesse, et enfin l’effecteur, ou organe terminal, qui est en interaction avec l’environnement [16].

1.7.3. Lastructure mécanique articulée Un robot manipulateur est constitué généralement de deux sous-ensembles distincts : un organe terminal qui est le dispositif destiné à manipuler des objets et une structure mécanique articulée (SMA), constituée d’un ensemble de solides reliés entre eux, généralement les uns à la suite des autres où chaque solide est mobile par rapport au précédent. Cette mobilité s’exprime en termes de degrés de liberté (ddl) qui est par définition le nombre de mouvements indépendants possibles d’un solide

par rapport au solide qui lui est directement relié .

Une structure mécanique articulée peut être représentée par une architecture composée de plusieurs chaînes de corps rigides assemblés par des liaisons appelées articulations. Les chaînes peuvent être dites soit ouvertes ou en série dans lesquelles tous les corps ont au plus deux liaisons, ou bien arborescentes où au moins l’un des corps a plus de deux liaisons. Les chaînes peuvent aussi être fermées dans lesquelles l’organe terminal est relié à la base du mécanisme par l’intermédiaire de plusieurs chaînes [17].

1.7.3.1. Structure mécanique articulée à chaîne cinématique simple C’est une chaîne cinématique dont chaque membre possède un degré de connexion (nombre de liaisons mécaniques) inférieur ou égal à deux. Un robot sériel est formé d’une chaîne cinématique simple dont la base et l’organe effecteur possèdent un degré de connexion de un (c’est-à-dire qu’il n’est relié qu’à un seul corps) et les autres éléments un degré de connexion de deux [17].

9

Chapitre 1

Généralités

Fig.1 Structure sérielle [16]. Fig.1.8.

1.7.3.2. Structure mécaniq écanique articulée à chaîne cinématiques ques fermée f C’est une chaîne cinémat nématique dont l’un des membres, différent de la base, possède un degré de connexion supérieur ieur ou égal à trois [17].

Fig.1. Structure fermée [16]. Fig.1.9.

1.8. Architecture dess robo robots

Fig.1.10 10. Architecture d’un robot [12]. 10

Chapitre 1

Généralités

1.8.1. La base La base du manipulateur est fixée sur le lieu du travail. Ceci est le cas de la quasitotalité des robots industriels [18].

1.8.2. Le porteur Le porteur représente l’essentiel du système mécanique articulé (segment, articulation, actionneur, organe terminal), il a pour rôle d’amener l’organe terminal dans une situation imposée[18].Il est constitué de :

1.8.2.1. Segment Corps solides rigides susceptibles d’être en mouvement par rapport à la base du porteur, et les uns par rapport aux autres [18].

1.8.2.2. Articulation Une articulation liédeux corps successifs en limitant le nombre de degré de liberté, de l'un par rapport à l’autre [18].

1.8.2.2.1. Articulation rotoïde Il s'agit d'une articulation de type pivot, notée R, réduisant le mouvement entre deux corps à une rotation autour d'un axe commun. La situation relative entre les deux corps est donnée par l'angle autour [19].

Fig.1.11. Représentation d’une articulation rotoïde sous ses différentes formes [20].

1.8.2.2.2. Articulationprismatique Il s'agit d'une articulation de type glissière, notée P, réduisant le mouvement entre deux corps à une translation le long d'un axe commun. La situation relative entre les deux corps est mesurée par la distance le long de cet axe [20]. 11

Chapitre 1

Généralités

Fig.1.12. Représentation d’une articulation prismatique sus ses différentes formes [20].

1.8.3. L’actionneur Pour être animé, la structure mécanique articulée comporte des moteurs le plus souvent associés à des transmissions (courroies crantées), l'ensemble constitue les actionneurs. Ils utilisent fréquemment des moteurs. On trouve de plus en plus de moteurs à commutation électronique (sans balais), ou pour de petits robots, des moteurs pas à pas. Pour les robots devant manipuler de très lourdes charges (par exemple, une pellemécanique), les actionneurs sont le plus souvent hydrauliques, agissant en translation (vérin, hydraulique) ou en rotation (moteur hydraulique). (Les actionneurs pneumatiques sont d'un usage général pour les manipulateurs à cycles(robots tout ou rien)). Un manipulateur à cycles est une structure mécanique articulée avec un nombre limité de degrés de liberté permettant une succession de mouvements contrôlés uniquement par des capteurs de fin de course réglables manuellement à la course désirée (asservissement en position difficile dû à la compressibilité de l'air).

1.8.4.L’organeterminal Il s'agit d'une interface permettant au robot d'interagir avec son environnement. Un organe terminal peut être multifonctionnel, au sens où il peut être équipé de plusieurs dispositifs ayant des fonctionnalités différentes. Il peut aussi être monofonctionnel, mais interchangeable.

1.9. Classification des robots On peut classer les robots d’un point de vue fonctionnel ou d’après leur structure géométrique.

12

Chapitre 1

Généralités

1.9.1. Classification fonctionnelle Le nombre de classe et les distinctions entre celles-ci varient de pays à pays (6 classesau Japon, 4 en France). L’A.F.R.I. distingue 4 classes illustrées ci-dessous :

1.9.1.1. Manipulateur à commande manuelle [20], Fig.1.14 représente les manipulateurs à commande manuelle :

Fig.1.13. Manipulateur à commande manuelle [20].

1.9.1.2. Manipulateur automatique [21], fig.1.15 montre un bras manipulateur qui exerce des mouvements de soudure sansl’intervention de l’homme.

Fig.1.14. Manipulateur automatique [21].

13

Chapitre 1

Généralités

1.9.1.3. Robots programmables Ils répètent les mouvements qu’on leur a appris ou programmés sans informations sur l’environnement ou la tâche effectuée. On peut aussi faire la distinction entre robots «playback» qui reproduit la tâche apprise et robots à commande numérique qui peuvent être programmés hors-ligne. Pour certains robots, par exemple les robots de peinture, qui doivent suivre une trajectoire complexe et difficile d’être exprimée mathématiquement, un opérateur humain spécialiste de la tâche effectue la trajectoire en guidant le bras du robot à l’aide d’un« pantin», et l’entièreté de la trajectoire est mémorisée par le robot et [22], fig.1.16 représente les robotsprogrammables [23].

Fig.1.15. Robot programmable [22].

1.9.1.4. Robots intelligent On trouve actuellement des robots de seconde génération qui sont capables d’acquérir et d’utiliser certaines informations sur leur environnement (systèmes de vision, détecteurs de proximité, capteurs d’efforts,...) comme le montre [24], Fig.1.16 Les robots de troisième génération sont capables de comprendre un langage oral proche du langage naturel et de se débrouiller de façon autonome dans un environnement complexe grâce à l’utilisation de l’intelligence artificielle [23].

Fig.1.17. Robot intelligent [24]. 14

Chapitre 1

Généralités

1.9.2. Classification géomé géométrique On peut aussi classer er les robots suivant leur configuration géométriq métrique, autrement dit l’architecture de leur porteur.

1.9.2.1. Structure cartésie rtésienne (PPP) A trois liaisons prismat rismatiques, est la plus ancienne, historiqueme iquement, elle découle logiquement de la conception tion tr traditionnelle d’une machine-outil à trois is axe axes, type rectifieuse ou fraiseuse par exemple.. Cette Cett structure est relativement peu utilisée, sée, sa sauf dans quelques applications particulières : robots robo pratiques, robots de magasinage, par exem exemple [16].

Fig. Fig.1.18. Structure d’un Robot cartésien [18].

1.9.2.2. La structure cylin cylindrique (RPP) ou (PRP) Associe une rotation on et deux translations. Elle présente l’inconvé convénient d’offrir un volume de travail faible devant evant un encombrement total important. Elle n’est pratiquement plus utilisée [16].

Fig Fig.1.19. Structure d’un robot cylindrique [18]. [18]

15

Chapitre 1

Généralités

1.9.2.3. La structure sphérique ou polaire à axe de rotation orthogonale Est une structure quasiment abandonnée pour des raisons similaires à l’abandon de la structure cylindrique [16].

Fig.1.20. Structure d’un robot sphérique [18].

1.9.2.4. La structure dite SCARA A axes de rotation parallèles est l’une des plus utilisées, en particulier pour des taches de manutention ou d’assemblages très fréquents dans l’industrie. Ce succès commercial est lié au fait que le ratio entre le volume de travail et l’encombrement est très favorable et aussi que la structure SCARA est très adaptée à ce type de taches [16].

Fig.1.21. Structure d’un robot SCARA [18].

1.9.2.5. La structure 3R (anthropomorphe) Permet d’amener un solide en un point de l’espace par trois rotations, généralement une à axe vertical et deux à axes horizontaux et parallèles c’est le porteur généraliste par excellence, pouvant se programmer facilement pour différent types de taches et disposant d’un volume de travail conséquent [16]. 16

Chapitre 1

Généralités

Fig.1.22. Structure d’un robot 3R [18].

1.10. Caractéristiques d'un robot Un robot doit être choisi en fonction de l'application qu'on lui réserve. Voici quelques paramètres à prendre, éventuellement, en compte : -

La charge utile transportable par le robot.

-

L’espace de travail : c’est l’ensemble des situations de l’espace que l’organe terminal du robot peut atteindre.

-

Les vitesses et les accélérations maximales, qui conditionnent le temps du cycle.

-

Les performances (l’écart entre une situation commandée et la moyenne des situations atteintes) [19].

1.11. Domaines d'application Les robots industriels peuvent être utilisés dans plusieurs domaines et peuventaccomplir différentes tâches.

1.11.1. Tâches simples La grande majorité des robots est utilisée pour des tâches simples et répétitives. Ils sont programmés une fois pour toute au cours de la procédure d'apprentissage. Les critères de choix de la solution robotique sont : -

La tâche est assez simple pour être robotisée.

-

Les critères de qualité sur la tâche sont importants.

-

Pénibilités de la tâche (peinture, charge lourde, environnement hostile, ...). Exemples de robots utilisés pour des tâches simples : robots soudeurs par points

etrobots soudeurs à l'arc.

17

Chapitre 1

Généralités

1.11.2. Tâches complexes Robotique de service : -

Robot pompiste.

-

Robot de construction.

-

Robot Computer Motion.

-

Robot Assistance aux Personnes Handicapées.

1.12. Conclusion Dans ce chapitre, nous avons donné un aperçu général sur la robotique : l’historique des robots, leurs structures, leurs utilisations, leurs différents types,leurs classificationsainsi que leurs domaines d'application ce qui va nous servir pour la construction de notre bras.

.

18

CHAPITRE 2 : CH DESCRIPT RIPTION MECANI CANIQUE ET T MODELISATION MO TION

Chapitre 2

Description mécanique et modélisation

2.1. Introduction Dans tout système en robotique la mécanique et l’électronique sont liées, ceci se matérialise par l’étude des actionneurs des chaînes cinématiques associées et aussi par l’étude des capteurs qui constituent la source d'information. L’objectif de notre travail est de réaliser et commander un bras manipulateur à 4 degrés de liberté en utilisant une carte Arduino. Dans ce chapitre, on va d’abord décrire la partie mécanique de notre bras manipulateur, puis on va passer à la modélisation, qui consiste à représenter les aspects importants d’un système en décrivant les relations entre ses différentes grandeurs par des relations mathématiques.

2.2.Description de la partie mécanique du bras manipulateur 2.2.1. La structure mécanique du bras La réalisation du bras manipulateur (baptisé BM1) a débuté par le téléchargement d’un fichier qui comporte la structure des pièces mécaniques constituant le bras réalisé sur le logiciel SolidWorks. Après on a passé à la réalisation mécanique réelle. Pour réaliser le BM1 nous avons opté à utiliser le plexiglass.Le choix de ce matériau a été basé sur sa légèreté, sa disponibilité et son coût raisonnable.La figure ci-dessous montre les pièces de la structure mécanique du bras manipulateur sous le logiciel SolidWorks :

Fig.2.1.Les pièces du bras manipulateur sous SolidWorks. On a utilisé quatre servomoteurspour la commande des articulations et un pour l’ouverture et la fermeture de la pince (pour plus de détails voir chapitre 3). Les cinq parties importantes formant le bras sont les suivantes :

19

Chapitre 2

Description mécanique et modélisation

2.2.1.1. La base La base est le socle fixe du bras, elle contient un servomoteur qui permet la rotation du bras de 0° à 180°.Lorsque nous avons assemblé tout le bras, nous avons remarqué une légère inclinaison de la base à cause du poids exercé sur elle. Comme le montre la figure suivante :

Fig.2.2.Base du BM1.

2.2.1.2. L’épaule Elle est liée à la base à travers la deuxième articulation (servomoteur),qui permet la rotation de 0° à 180°

2.2.1.3. Le coude Il est lié à l’épaule par la troisième articulation, qui permet la rotation de 0° à 180°

2.2.1.4. Le poignet Il lié au coude par la quatrième articulation, qui permet la de 0° à 180°. La fig.2.3 représente les trois constituants décrits ci-dessus.

20

Chapitre 2

Description mécaniqu canique et modélisation

Fig.2.3..L’épaule, le coude et le poignet du BM1.

2.2.1.5. La pince C’est l’organe terminal inal du bras manipulateur, un servomoteur qui ui permet per la rotation de 0° à 180°, il assure l’ouvert uverture et la fermeture de la pince, commee le montre la figure suivante.

Fig.2.4. Pince du BM1.

21

Chapitre 2

Description mécanique et modélisation

2.2.2. Le bras manipulateur assemblé Après avoir vu les différentes pièces constituant le bras manipulateur, nous avons passé à leur assemblage. La figure ci-dessous montre le bras manipulateur après l’assemblage.

Fig.2.5. BM1 assemblé.

2.2.3. Les organes constitutifs d’un bras manipulateur Pour que le bras manipulateur puisse exécuter une tâche il a besoin d’actionneur et de transmetteur, ces derniers servent à transmettre de l’énergie des actionneurs aux articulations rotoïdes.De plus pour asservir ces actionneurs on a besoin aussi de capteurs.

2.2.3.1. Les actionneurs Il s’agit d’organes qui permettent au robot d’exécuter une tâche. Leur but est de produire assez de force pour provoquer le mouvement du robot, celui-ci représente la transformation d’une énergie mécanique. Les trois actionneurs les plus utilisés sont les actionneurs hydrauliques surtout pour les grands robots qui peuvent soulever plusieurs dizaines de kilogrammes, les moteurs électriques souvent utilisés et les actionneurs pneumatiques qui n’exigent pas d’asservissements (robot a mouvement séquentiels). Dans notre projet nous avons utilisé les actionneurs électriques (servomoteur). 22

Chapitre 2

Description mécanique et modélisation

2.2.3.2. Transmission entre articulations : engrenage Il est rare que la sortie d’un actionneur soit directement utilisée pour produire un mouvement. Un moteur à courant continu tourne normalement à des vitesses de l’ordre de plusieurs milliers de tours par minute et produit un couple très faible. Afin de diminuer cette vitesse de rotation tout en augmentant significativement le couple disponible, on place entre l’axe moteur et l’axe articulaire un réducteur. La transmission entre les articulations de notre bras manipulateur est assurée par unsystème d’engrenage illustré dans la figure suivante.

(a) Parallèles à denture droite

(b) Parallèles à denture hélicoïdale

(c) Coniques

(d) Pignon-crémaillère

(e) Roue et vis sans fin

Fig.2.6. Différents types d’engrenage.

23

Chapitre 2

Description mécanique et modélisation

2.2.3.3. Les capteurs Ce sont des outils de perception qui permettent de gérer les relations entre le robot et son environnement. Il existe deux types de capteurs : les capteurs proprioceptifs qui mesurent l’état mécanique interne du robot (comme les capteurs de position, de vitesse ou d’accélération) et les capteurs extéroceptifs qui recueillent des informations sur l’environnement (comme la détection de présence, la mesure de distance…etc.). Les capteurs ont comme fonction de lire les variables relatives au mouvement du robot pour permettre un contrôle convenable. Nous n’avons pas utilisé un capteur extéroceptif car dans notre application nous considérons que l’espace de travail est sans obstacle. L’utilisation des capteurs proprioceptifs n’était pas également nécessaire vu que les servomoteurs contiennent un capteur potentiométrique qui sert à l’asservissement de position.

2.4. Modélisation 2.4.1. Présentation du bras manipulateur Le bras manipulateur est un système de positionnement où les forces agissantes auniveau des articulations sont produites par des actionneurs. Ces derniers peuvent être de type pneumatique ouélectrique (servomoteur dans notre cas). L’objectif de notre travail est deréaliser et commander un bras manipulateur à quatre degrés de liberté en utilisant une carte Arduino.

2.4.2. Notion de position Comme il est illustré dans la [25], fig.2.7 pour repérer un point M dans l’espace, son vecteur position est représentée par les valeurs algébriques des projections sur une base orthonormée.

Fig.2.7. Vecteur et ces positions [25].

24

Chapitre 2

Description mécaniqu canique et modélisation

Quant à l’orientation, elle el ne concerne que les solides du fait ait qu’il qu’ leur faut trois coordonnées pour positionner onner leurs centres d’inertie et trois autres coordonnées coor pour les orienter dans l’espace. L’orien ’orientation des différents axes est réalisée suivant suivan trois directions bien déterminées par rapport ort au repère de la base fig.2.8. Les six coordonnéess sont nécessaires et suffisantes pour placer unn objet obje dans l’espace.

Fig.2.88. Orientation d’un solide dans l’espace. Le positionnement d’un point p dans l’espace consiste à l’emplacemen cement de celui-ci dans un espace caractérisé par ces co coordonnées, dite une position par rapport à un référentiel spatial quelconque. Il existe trois types de coordonnées pour repérer la position.

2.4.2.1. Coordonnéess cartésiennes carté C’est le référentiel le plu plus utilisé en robotique, car il est plus simple imple dans le cas de la mesure de la distance. Un point poin est défini par ces trois coordonnées cartésiennes cartési qui ne sont rien d’autre que les projections ctions duvecteur position sur la base ortho normale ormale du référentiel en question.

2.4.2.2. Coordonnéess cylindriques cylin Un point est repéréé par ses coordonnées (ρ, φ, Ѳ) dites cylindrique drique illustrées sur la figure suivante.

Fig.2.99. Système de coordonnées cylindriques.

25

Chapitre 2

Description mécanique et modélisation

Les coordonnées cylindrique sont liées aux cordonnéescartésiennes par les relations suivantes : X = ρ cos(φ) Y = ρ sin(φ) Ѳ = Ѳ

(2.1)

Et inversement :

P =

+

(2.2)

Φ = atang

Ѳ = Ѳ

Avec Φϵ [0,2π]

2.4.2.3. Coordonnées sphériques Un point est repéré par ses coordonnées(r, Ѳ, Φ) dites sphérique illustrées sur la figure suivante :

Fig.2.10. Système de coordonnées sphérique. Le passage entre coordonnées sphérique et cartésiennes se fait comme suit : = !"#$(Ѳ)cos (Φ) y = r sin(Φ) sin(Ѳ) (2.3) z = r cos(Ѳ)

Et inversement : !=

+

+(

Ѳ = atan (z, + Φ = atan2(x, y)

) (2.4) 26

Chapitre 2

Description mécanique et modélisation

Ѳϵ[0,2π] Avec : , Φϵ[0,2π]

2.4.3. Notion d’orientation Contrairement à la position, l’orientation concerne tout le solide. La matrice du passage entre le repère terminale (repère liée à l’organe terminal) et celui de la base est l’une des représentations de l’orientation d’un solide. Cette matrice s’appelle « matrice d’orientation » notée souvent R. Dans notre cas, elle est d’ordre 3x3.

2.4.4. Modèle Géométrique direct Le model géométrique direct permet d’obtenir l’attitude du repère attaché à l’organe terminal du bras manipulateur à partir des positions articulaires. Ce modèle ne prend pas en compte la vitesse de déplacement ni les forces et les moments qui créent le mouvement. L’expression de la situation de l’organe terminal du bras manipulateur en fonction de sa configuration est obtenue à l’aide de l’équation suivante : X= f(q)

(2.5)

Où x est le vecteur des coordonnées opérationnelles exprimées dans le repère de référence 23 et q les variables articulaires.

Dans le cas d’une chaine cinématique simple ouverte, il peut être représenté par la matrice 43,5 qui se calcule par :

43,5 = 43,6(76 ) x 43, (7 ) x......................….x 4896,8 (78 )

(2.6)

La matrice 43,5 représente la position et l’orientation, elle est exprimée dans le repère de

référence 23 de l’organe terminal (effecteur) du robot [26].

2.4.4.1.Paramètre de DENAVET- HARTENBERG (D-H) D-H est la convention utilisée pour choisir le système de référence en robotique .Elle fut

introduire par Jaques DENAVIT et Richards HATENBERG [26]. Le passage du repère 2896au repère Rj s’exprime en fonction des quatre paramètres

géométriques suivants :

1/ ∝j : angle entre les axes ;896 896 2/ dj : distance entre zj-1 et zj le long de xj-1.

27

Chapitre 2

Description mécanique et modélisation

3/ θj : angle entre l’axe xj-1 et >8 correspondant à une rotation autour de zj. 4/ rj : distance entre xj-1 et xj le long de zj.

896 64

=Rot(x,?8 ) ×Trans(x,dj) ×Rot (z,Ѳ8 ) × Trans (z,!8 ).(2.7)

BѲ8 D?8 "Ѳ8 896 84 = A "?8 "Ѳ8 0

−"Ѳ8 D?6 DѲ8 "?8 DѲ8 0

0 −"?8 D?8 0

E8 −!8 "?8 G(2.8) !8 D?8 1

Le bras manipulateur doit suivre une trajectoire précise lors du déplacement d’un objet à

un endroit désigné par les coordonnées X, Y, et Z.Cette tâche nécessite l’utilisation du modèle géométrique direct et inverse.Pour notre cas le modèle cinématique et le model dynamique ne sont pas nécessaires puisque la vitesse et le temps d’exécution de la tâche ne sont pas importants [26].

2.4.4.2. Modélisation du bras manipulateur réalisé Le bras manipulateur (BM réalisé) est constitué de deux sous-ensembles distincts : un organe terminal et une structure mécanique articulée. Le rôle de cette dernière est d’amener l’organe terminal dans une situation (position et orientation) donnée. Son architecture est une chaine cinématique ouverte simple de corps rigides, assemblés par des liaisons appelées articulations (4 rotoides et une pince). Ces articulations sont actionnées par des servomoteurs qui s’actionnent par un signal de commande. Le tableau 2.1 ci-dessous donne les caractéristiques techniques du BM1 réalisé.

28

Chapitre 2

Description mécaniqu canique et modélisation

Tableau leau 2.1. Caractéristiques techniques du BM1. Caractér aractéristiques techniques du bras manipulateur Nombre d’articulati ticulation

4

Actionneur

Servomote omoteurs Rotations

La base

180°

L’épaule

180°

Le coude

180°

Le poignet

180°

La pince

180°

repèr fictifs à chaque articulation sont représent ntées dans la figure Les affectations des repères ci-dessous :

lacement des repères et notation du bras manipulate ipulateur. Fig.2.11.Placeme

29

Chapitre 2

Description mécanique et modélisation

2.4.4.3.Identification des paramètres de DH de BM1 Tableau 2.2.Paramètres de DENAVIT- HATENBERG du BM1. Segment 1 2 3 4

BѲ6 D? "Ѳ 463J A 6 6 "?6 "Ѳ6 0

BѲ D? "Ѳ 4 6J A "? "Ѳ 0

−"KH DKH D? "K D?H DKH 4H = A H H "?H "KH "?H DKH 0 0

DKI D? "K 4IH = A I I "?I "KI 0

Ѳ8

E8

Ѳ6

E6

π/2

Ѳ

0

0

0

0

ѲI

0

ѲH

−"Ѳ6 D?6 DѲ6 "?6 DѲ6 0 −"Ѳ D? DѲ "? DѲ 0

0 −"?6 D?6 0 0 −"? D? 0

0

!8 !

-π/2

E6 BѲ6 −"Ѳ6 −!6 "?6 0 G = A 0 !6 D?6 "Ѳ6 DѲ6 1 0 0 BѲ −"Ѳ E −! "? "Ѳ DѲ G=A ! D? 0 0 1 0 0

DKH −"KH 0 EH −"?H −!H "H "K DKH G = A H D?H !H D?H 0 0 0 1 0 0

−"KI D?I DKI "?I DKI 0

?8

0 0 0 0 G. 1 !H 0 1

0 EI DKI −"KI −"?I −!I "I G = A 0 0 −"KI −DKI D?I !I D?I 0 1 0 0

0

0 E6 −1 0 G. 0 0 0 1

!H

(2.9)

0 0 0 0G.(2.10) 1 ! 0 1 (2.11)

0 1 0 0

0 0G. 0 1

(2.12)

La matrice de transformation homogène du repère23 jusqu’au repère 2I s’obtient par la

multiplication successive des matrices du passage précédent : 3 I4

= 364 (76 ) 64(7 ) H4(7H ) HI4(7I )(2.13)

LI >I >I LI 3 I4 = A >IN LIN 0 0

;I ;I ;IN 0

MI MI G. MIN 1

(2.14)

30

Chapitre 2

Description mécanique et modélisation

Par identification avec les élémentsde la matrice dupassage homogène obtenu par les coordonnées opérationnelleset avec la convention : C (ѲO )=cos (ѲO ) et SѲO =sin (ѲO )

On obtient :

1ére colonne : >I =CѲI [BѲH (BѲ6 BѲ − SѲ6 SѲ )–SѲH (BѲ6SѲ +SѲ6 BѲ )]

>I = SѲI

>IN = −CѲI [BѲH (QѲ6 BѲ − CѲ6 SѲ ) +SѲH ( SѲ6 SѲ + CѲ6 BѲ )]

2émecolonne: LI

LI

J J

− SѲI [(BѲH (BѲ6 BѲ - SѲ6 SѲ ) + SѲH (−BѲ6 SѲ - SѲ6 BѲ )] CѲI

LIN = −SѲI [−SѲH (QѲ6 BѲ − CѲ6 SѲ ) +CѲH ( SѲ6 SѲ + CѲ6 BѲ ) 3émecolonne:

;I =−SѲH (BѲ6CѲ −SѲ6 QѲ ) + BѲH (-BѲ6 SѲ - SѲ6 CѲ )

;I =0

;IN =−SѲH (QѲ6 BѲ − CѲ6 SѲ ) +CѲH ( SѲ6 SѲ + CѲ6 BѲ ) 4éme colonne :

MI =0

MI = −!H − ! MIN =0

2.4.5.Le modèle géométrique inverse On a vu que le modèle géométrique direct d'un robot a permis 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. 31

Chapitre 2

Description mécaniqu canique et modélisation

Le modèle géométrique trique inverse permet de calculer la positionn de chaque c liaison du robot en fonction de la position sition et de l’orientation de l’organe terminale [266]. Celle-ci s’obtient à l’aide de l’équation suivante : q = c 96 (x)

(2.15)

Où x est le vecteur ur des coordonnées opérationnelles exprimées ées dans d le repère de référence 23 et q les variables bles articulaires. ar

Une démarche analytique ytique simple permet de déterminer le modèle èle géo géométrique inverse

du BM1 :

Fig.2.12 12. Les vecteurs des variables articulaires. Avec : DS" (T)) = sin (T) = 1 − cos (T) (2.16)

T = =U$96

VX d \VW d 9Z[ d 9 Z] d d Z[ Z]

`ab(e)

^_`(e)

(2.15)

(2.17)

Ѳ = (180- T)(2.18) VW

ß==U$96 (V )(2.19) X

α =

(Z[ \Z] ^_` (Ѳ] )) Z] `ab(Ѳ] )

(2.20)

(2.21) Ѳ6 =ß-?(2. 32

Chapitre 2

Description mécanique et modélisation

f

f==U$96 ( hg )(2.22) g

ѲH = c − Ѳ − Ѳ6 (2.23) E =i>j d + Lj d (2.24)

ѲI =DS" 96 ( ;j /E )(2.25)

2.4.6.Modélisation du moteur électrique à courant continu

Les moteurs à courant continu sont importants dans les systèmes de commande, il est donc nécessaire d’établir et d’analyser leurs modèles.

Circuit d'armature

Charge mécanique

Fig.2.13. Représentation schématique du moteur CC [28].

2.4.6.1.Les équations électromécaniques Equation électrique kl (=)=2l iU (t)+ml

EiU (t) E=

+kn (=)(2.26)

L'équation (2.27) illustre la relation entre force électromotrice produite et la vitesse de l'arbre :

Où vn : Désigne force électromotrice arrière.

vn (=)=K l ϕwr (=)(2.27)

33

Chapitre 2

Description mécanique et modélisation

wr : vitesse de l'arbre du moteur. Equation mécanique

τr (=)=tr

Ewu (=) E=

+cv (=)+Br wr (=)

(2.28)

L'équation (2.29) indique la relation entre le couple actuel et développé : τr (=)=K x ϕil (t)

Où

(2.29)

τr (t) : est le couple du moteur produit par l'arbre du moteur ;

ϕ : Le flux magnétique ;

il (t) : Le courant de l'armature ;

K r :Est une constante proportionnelle.

2.4.6.2.Modèle d’état du moteur En l’absence du couple résistant (B!(t) = 0) et en considérant la vitesse angulaire del’arbre de moteur comme sortie, puis en remplaçant l’équation (2.29) dans l’équation(2.28) et l’équation (2.27) dans l’équation (2.26) on obtient : yz{ (x) ya€ (•) yѲ(x) yx

yx

= wr (=)

yx

~

|

~

=− }{ wr (=)+} • il (t)(2.30) {

ƒ

{

=− ‚€ wr (=) − ‚ € il (t) + €

€

6 k (=)(2.31) ‚€ l

(2.32)

Ces équations, écrites sous la forme matricielle, permettent d’obtenir le modèle d’état de la machine, il est donné par : „ = … (=) + †‡(=) >(=)

(2.33)

L(=) = B (=) + ˆ‡(=)

(2.34)

Pour résoudre la fonction de transfert du moteur à courant continu en utilisant l'espace d’état : on affecte d'abord les variables : 6 (=)

= #l (=) (=) = Ѳ(=) (2.35) (=) = wu (=) H

34

Chapitre 2

Description mécanique et modélisation

Deuxièmement, on prend la première dérivée de la précédente équation du système :

Œ Š

6„ (=)

=

ya€ (•) yx yѲ(x)

„ (=) = yx (2.36) ‹ Š „ (=) = yz{ (x) ‰ H yx ƒ

’

€ € 6 ‘− ‚€ 0 − ‚€ 6 (=) 6„ ‚€ • „ Ž=• 0 0 1 G “ (=)”+ “ 0 ” kl (t) • ’• |{ H„ H (=) 0 •}{ 0 − }{

(2.37)

L'équation de sortie est :

6 (=)

(=) = [0 1 0] “ (=)”(2.38) H (=) Le servomoteur est modélisé en circuit avec résistance et inductance connectées en série. La tension d'entrée vl (=)est la tension fournie par l'amplificateur pour déplacer le

moteur. La tension force électromoteurarrièrevn est induite par la rotation des enroulements d'induit dans le champ magnétique fixe.

Pour dériver la fonction de transfert du moteur à courant continu, le système est divisé en trois composantes principales de l'équation : équation électrique, équation mécanique et électromécanique. L’équation (2.39)donne La fonction de transfert de la vitesse du moteur :

•–OxZ——Z (")=

. Ѳ(—) –(—)

=

~• . ] }{ ‚€ ™ \(‚€ |{ \ƒ€ }€ )—\~• ~š

(2.39)

En outre, la fonction de transfert de la position du moteur est déterminée en multipliant 6

la fonction de transfert de la vitesse du moteur par le terme — :

•›œ—OxOœ5 (")=

Ѳ(x) –(—)

=

~•

—[}{ ‚€ ™ ] \(‚€ |{ \ƒ€ }€ )—\~• ~š ]

(2.40)

35

Chapitre 2

Description mécanique et modélisation

tr et†r sont respectivement le moment d’inertie et le coefficient de frottement du

moteur.

Le schéma fonctionnel du moteur CC est illustré dans la figure (2.14), avec la valeur nulle de couple de charge 4• [29].

Fig.2.14. Schéma fonctionnel du moteur CC.

Tableau.2.3. Paramètres et valeurs du moteur CC. Paramètres

Nomenclature

Moment d'inertie Coefficient de friction

tr

0,000052 Kg.m2

žn

0,235 V/rad " 96

2l

2 ohms

0,01 N.ms

†r

Force électromoteur arrière constant Constante de couple

0,235 Nm/A

žx

Résistance électrique Inductance électrique

Valeurs

0.23 H

ml

En incluant les paramètres, nous pouvons obtenir la fonction de transfert du moteur DC pour la position de contrôle [27]. Ѳ(x)

•›œ—OxOœ5 (")=

= —¡ \ –(—)

6Ÿ I3

36—] \

Ÿ3—

(2.41)

36

Chapitre 2

Description mécanique et modélisation

2.5.Conclusion La modélisation de notre robot sériel à 4 ddl a nécessité la démarche suivante : − Faire la description mécanique des différents organes constituant le robot. − Représenter le comportement du ce robot sous la forme d'un modèle géométriques directe et inversequi permettent d’exprimer la situation de l'organe terminal. − Trouver le modèle mathématique du moteur à cc. Généralement on recherche toujours le modèle le plus simple qui permet d'expliquer, de manière satisfaisante, le comportement du processus dans son domaine d’application et dans ce contexte nous avons utilisé le modèle géométrique inverse pour élaborer pour commande automatique de notre bras manipulateur.

37

CHAPITRE PITRE 3 : COMMAN MMANDE DU BRAS RAS MANIPULAT LATEUR

Chapitre 3

Commande du bras manipulateur

3.1. Introduction Généralement, la fonction d’un robot manipulateur est de situer dans l’espace son organe terminal, la commanded’un bras manipulateur nécessite la commande de ses articulations une à une, afin de réaliser une tâche. Dans ce chapitre, on cherche à commander le bras manipulateur BM1 en position.

3.2.Hardware 3.2.1.La carte d’Arduino Arduino est une plate-forme de prototypage d'objets interactifs à usage créatif constituée d'une carte électronique et d'un environnement de programmation. Cet environnement matériel et logiciel permet à l'utilisateur de formuler ses projets par l'expérimentation directe avec l'aide de nombreuses ressources disponibles en ligne. Pont tendu entre le monde réel et le monde numérique, Arduino permet d'étendre les capacités de relations humain/machine ou environnement/machine. Arduino est un projet en source ouverte : la communauté importante d'utilisateurs et de concepteurs permet à chacun de trouver les réponses à ses questions.

3.2.1.1 Arduino méga 2560 L’Arduino Mega est une carte électronique basée sur le microcontrôleurATmega2560. Elle dispose de 54 broches numériques d'entrée/sortie (dont 14 peuvent êtreutilisés comme sorties PWM), 16 entrées analogiques, 4 UART (ports série matériels), unoscillateur cristal de 16 MHz, une connexion USB, une prise d'alimentation, et un bouton deremise à zéro. Elle contient tout le nécessaire pour soutenir le microcontrôleur. Comme vous pouvez le constater à l’examen de sa photo visible de [30], fig.3.6.

38

Chapitre 3

Commande du bras manipulateur

Fig.3.1. Arduino Méga [30].

Tableau 3.1. Synthèse des caractéristiques d’Arduino [30]. Microcontrôleur Tension de fonctionnement Tension d’alimentation (recommandée) Tension d’alimentation (limites) Broches E/S numériques Broches d’entrées analogiques Intensité maxi disponible par broche E/S (5v) Intensité maxi disponible pour la sortie 3.3v Intensité maxi disponible pour la sortie 5v Mémoire programme Flash Mémoire SRAM (mémoire volatile) Mémoire EEPROM (mémoire non volatile) Vitesse d’horloge Longueur Largeur Poids

ATmega2560 5V 7-12V 6-20V 54 (dont 14 disposent d'une sortie PWM) 16 (utilisables en broches E/S numériques) 40 mA (ATTENTION : 200mA cumulé pour l'ensemble des broches E/S) 50 mA Fonction de l'alimentation utilisée - 500 mA max si port USB utilisé seul 256 KB dont 8 KBsont utilisés par le boot loader 8 KB 4 KB 16 MHz 101.52 mm 53.3 mm 37 g

39

Chapitre 3

Commande du bras manipulateur

3.2.2.Les actionneurs (servomoteurs) Un servomoteur est, tout simplement, un moteur à courant continu qui est asservi enposition à l’aide d’un capteur de position (typiquement un potentiomètre) et un circuitélectronique interne au moteur. Ils sont pilotés par un fil de commande et alimentés par deux autres fils, le premier est relié à l'alimentation positive +5 ou +6 V selon le servo, ledeuxième est relié à la masse (GND). Le signal de commande est quant à lui de type modulation de largeur d’impulsion (PWM). En modifiant le rapport cyclique de ce signal, on indique au moteur quelle est la position désirée dans une plage de positions possibles, généralement [0,180°]. La fréquence du signal à modulation de largeur d’impulsion est habituellement de l’ordre de 50 Hz (30 Hz pour certains modèles) avec des impulsions durant de 1 à 2 ms comme illustre [31], fig.3.2. Certaines plages de mouvement plus importantes peuvent être obtenues en changeant les engrenages du servomoteur [31].

Fig.3. 2. Exemple de signal en position pour un servomoteur [31].

Dans notre réalisation on a utilisé trois types différents de servomoteurs illustrés dans [32, 33, 34], fig.3.3. :

40

Chapitre 3

Commande du bras manipulateur

Fig.3.3.De gauche à droite :(a) servomoteur du type sSG90[32], (b) servomoteur du typeMG996R[33], (c) servomoteur du type MG995[34].

3.2.2.1. Les paramètres techniques des servomoteurs [32, 33, 34], Tableau 3.1illustre les paramètres des servomoteurs qu’on a utilisé.

Tableau 3. 2. Paramètres techniques des servomoteurs utilisés [32], [33], [34]. Références Spécifications

Poids Couple d'arrêt Tension de fonctionnement

Vitesse Rotation angle

MG995

MG996R

SG90

55 g

55 g

9g

8.5 kgf·cm (4.8

9.4 kgf·cm (4.8 V), 11

1.8 kgf·cm

V),10kgf·cm(6 V)

kgf·cm (6 V)

4.8 V à 7.2 V

4.8 V à 7.2 V

0.2 s/60º (4.8 V), 0.16 s/60º

0.17 s/60º (4.8 V),

(6 V)

0.14 s/60º (6 V).

180°

180°

s

4.8 V (~5V) 0.1 s/60° 180°

3.2.3.Joystick (organe de commande) référence Le joystick est un appareil à commande manuelle, qui offre un moyen pratique d'obtenir l'entrée de l'opérateur. Il se compose fondamentalement de deux potentiomètres et d'un bouton-poussoir. Les deux potentiomètres à 10kΩ.Ce périphérique d'entrée s'interface avec l’Arduino via cinq broches. Trois d'entre eux sont des entrées pour l’Arduino, tandis que les deux autres sont pour la tension d'alimentation et la masse.Dans notre réalisation on a utilisé le tpe Breakout bouclier.Comme illustre dans [35,36], fig.3.4. ci-dessous : 41

Chapitre 3

Commande du bras manipulateur

Fig.3.4. De gauche à droite :(a)schéma interne de joystick[35], (b) Arduino PS2 Joystick [36].

3.2.4. Alimentation

Fig.3.5. Alimentation 6V, 2A

3.2.5. Les fils de connexion La fig.3.6montre les fils de connexion Arduino avec son environnement.

Fig.3.6. Fils de connexion

42

Chapitre 3

Commande du bras manipulateur

3.2.6. LED La fig.3.7.montre les LED

Fig.3.7. LED

3.2.7. Botton poussoir La fig.3.8 montre un bouton-poussoir

Fig.3.8. Bouton-poussoir

3.2.8. Les résistances La fig.3.9. montre les résistances

Fig.3.9. De gauche à droite (a) résistance 10kΩ, (b) résistance 220Ω.

3.3.Software 3.3.1.Présentation du logiciel 3.3.1.1. Présentation du logiciel ISIS(Intelligent Schematic Input System) Le logiciel ISIS de Proteus est principalement connu pour éditeur des schémas électriques. Par ailleurs, le logiciel permet également de simuler ces schémas ce qui permet de déceler certaines erreurs dès l’étape de conception. Indirectement, les circuits électriques conçus grâce à ce logiciel peuvent être utilisés dans des documentations car le logiciel permet de contrôler la majorité de l’aspect graphique des circuits[37].

43

Chapitre 3

Commande du bras manipulateur

Fig.3.10. Interface de Proteus.

3.3.1.1.1.Lesétapes de création des schémas électriques On peut résumer les étapes de création de n’importe quel schéma électroniquepar cet organigramme.

Fig.3. 11.Les étapes de tracer des schémas électriques. 44

Chapitre 3

Commande de du bras manipulateur

3.3.1.1.2. Description de la simulation du BM1 La carte de commande estt équipée équip de : -

Un Arduino de typee Méga Még 2560.

-

Deux boutons poussoirs ssoirs : qui permettent la commutation entre le mode mod manuel et automatique avec deux LED L pour l’indication.

-

UART permet d’interagi nteragir le Arduino sur PC.

-

Cinq potentiomètres es représentent rep les axes de Joysticks.

-

Cinq moteurs pourr faire bouger le BM1.

Fig.3.12. Simulation lation de la commande manuelle et automatique du BM1.

3.3.1.2.Logiciel de program rogrammation Arduino L'environnement de programmation progr Arduino (IDE en anglais) est st une application écrite en Java. L'IDE permet d'écrire 'écrire, de modifier un programme et de le conv convertir en une série d'instructions compréhensibles sibles pour la carte.Le langage de programmation ation de l’Arduinoétant dérivé du C et de C++, ill respecte respe les règles de syntaxe propres à cess langages lang qui sont, où demeurant, relativement simple imple. 45

Chapitre 3

Commande de du bras manipulateur

Fig. 3.13. Interface d’Arduino.

3.3.1.3. Logiciel LABVIEW VIEW (Laboratory Virtual Instrument ent E Engineering Workbench) 3.3.1.3.1 Présentation n du llogiciel LabVIEW est un environnement enviro de développement complet, graph graphique, compile et particulièrement bien adapté au domaine de l’acquisition et de la mesu mesure. Son approche totalement

graphique

offre

une

souplesse

et

une

dimensionn

intuitive in

inégalée.

Comparativement aux langages gages textuels, il offre la même puissance de programmation pro mais sans le cote abstrait et complexe xe lie à la syntaxe. Il dispose de nombreus breuses fonctions permettant de piloter facile facilement des cartes d’acquisition et autres instrum nstruments, mais aussi de filtrer, d’analyser ser et de présenter les données. Ce langage est également égale appelé code G. Le code est représen ésenté par un schéma composé de fonctions, de struct structures et de fils qui propagent les données. Une des différencess fondamentales fonda de LabVIEW est que ce langage gage ssuit un modèle de flux de données, et non dee flux d’instructions. Cela signifie que pourr un langage la textuel, ce 46

Chapitre 3

Commande du bras manipulateur

sont les instructions qui ont la priorité, alors qu’avec LabVIEW ce sont les données. Une fonction s’exécutera donc uniquement si elle dispose a ses entrées de toutes les données dont elle a besoin. Lorsqu’un langage classique est ainsi séquentiel, LabVIEW est naturellement prédispose au parallélisme. Ce qui augmente encore sa puissance et la rapidité d’exécution du code [38].

Fig.3.14. Interface de LabVIEW

3.3.1.3.2. Présentation de l’interface Afin de faciliter la communication entre l’homme et la machine, on a créé une interface permettant à l’utilisateur de commander le bras.

47

Chapitre 3

Commande du bras manipulateur

Fig.3.15. Interface de commande Partie 1 : connexion de l’interface à Arduino Cette partie consiste à : -

Initialiser le port série qui permet à Arduino de communiquer avec l’interface.

-

Activer la communication UART, ce qui permet la transmission des données.

Fig.3.16. Interface de commande, rectangle pointillé : partie concernée par la connexion de l’interface à Arduino. Partie 2 : envoi des coordonnées Dans cette partie, l’utilisateur saisie les coordonnées (x,y,z) du point que le bras doit atteindre puis les envoie au programme de l’interface. 48

Chapitre 3

Commande du bras manipulateur

Fig.3.17 . Interface de commande, rectangle pointillé : partie concernée par la connexion de l’envoi des cordonnées.

Partie 3 : acquisition et affichage des angles A cette étape, l’interface reçoit et affiche les angles traités par le programme. Ces angles permettent au bras d’atteindre le point dont les coordonnées ont été préalablement envoyées.

Fig.3.18. Interface de commande, rectangle pointillé : partie concernée par la connexion de l’acquisition et l’affichage des angles.

49

Chapitre 3

Commande du bras manipulateur

3.3.2. Commande 3.3.2.1. Commande manuelle 3.3.2.1.2. Commande analogique des articulations Dans le but d’établir une commande manuelle du BM1, on a créé un programme qui permet de commander le bras par le biais de joystick. La démarche suivie est comme suit : -

Insérer la bibliothèque du servo et déclarer les constantes et les variables dont on a besoin.

-

Configurer les entrée-sorties et initialiser le débit de données en bits par seconde (baud) pour transmettre les données en série.

-

Mettre le BM1 dans sa position initiale et lire les valeurs analogiques des axes X, Y de joystick à l’état de repos.

-

Lire les valeurs analogiques des axes X, Y de joystick lors de déplacement

-

Calculer les angles en fonction de la différence entre les valeurs analogiques des axes X, Y à l’état de repos et après le déplacement.

-

Commander les servomoteurs du bras par les angles calculés.

50

Chapitre 3

Commande de du bras manipulateur

Fig.3.19 . Organigramme de la commande analogique. ique.

51

Chapitre 3

Commande de du bras manipulateur

Fig.3.20. Organigramme Or du sous-programme « map ».

3.3.2.2 .Commande Automatique Autom 3.3.2.2.1. Commandepar par le l modèle géométrique inverse du bra bras Afin d'établir une comma ommande automatique du bras, on a créé un programme progr qui permet de convertir les coordonnées ées d'un d'u point dans l'espace aux angles requis pour les servos. Ce programme se divise en trois parties, la première est consacrée acrée à l'insertion de la bibliothèque du servo et à la déclaration d des constantes et des variables ables ddont on a besoin, comme la longueur des segmen egments constituant le robot ainsi que les variables riables nécessaires pour stocker les valeurs des quatre atre an angles du bras. La deuxième partie est dédiée édiée à la configuration des entrée-sorties et à l’initiali initialisation du débit de données en bits par ar seconde sec (baud) pour transmettre les données enn série série. La troisième partie est destinée d à rédiger le programme principal ipal cc-à-d le calcul des angles permettant de ramener ener l'o l'organe terminal à un point donné. Le dit programme est constitué stitué de deux fonctions : -

La première est faite pour calculer ca les angles qui contrôlent l'épaule, le, le ccoude et le poignet en utilisant la règle de cosin cosinus.

-

La deuxième fonction calcule calcu l'angle qui contrôle la base et assure re un interval approprié des angles permettant de com commander les servomoteurs.

52

Chapitre 3

Commande de du bras manipulateur

Fig.3.21. Organigramme de la commande automatique tique.

53

Chapitre 3

Commande du bras manipulateur

3.3.2.3 Régulateur PID Régulateur

PID

(Proportionnel,

Intégral,

Dérivé)

C'est

un

système

d'auto

régulation(boucle fermée), qui cherche à réduire l'erreur entre la consigne et la mesure [39]. E = Consigne – Mesure Le régulateur PID sert à atteindre la valeur souhaitée pour une des variables du système(vitesse, position,...) -

Régulation : minimiser rapidement les perturbations.

-

Poursuite : s'adapter rapidement aux nouvelles consignes.Ceci s'appelle l'asservissement.

3.3.2.3.1.L’action Proportionnel L'erreur est multipliée par une constante Kp : U( ) =

× ( )(3.1) U( ) =

×( )

(3.2)

Plus Kp est grand, plus la réponse est rapide mais on obtient une Erreur statique.

Fig.3.22.La réponse de l’action proportionnelle [39].

3.3.2.3.2. L’action Intégrale L'erreur est intégrée sur un intervalle de temps, puis multipliée par une constante Ki. 54

Chapitre 3

Commande du bras manipulateur

U( ) =

×

( )

(3.3) U( ) = × ( )/(3.4)

Le corrige l'erreur statique, Plus Ki est élevé, plus l'erreur statique est corrigée.

Fig.3.23. La réponse de l’action intégrale [39].

3.3.2.3.3. L’action Dérivé L'erreur est dérivée par rapport au temps, puis multipliée par une constante Kd.

U( ) = U( ) =

()

× (3.5) × ( ) × (3.6)

Réduit le dépassement et le temps de stabilisation mais aussi notre système sera sensible au bruit.

55

Chapitre 3

Commande du bras manipulateur

Fig.3.24. La réponse de l’action dérivée [39]. On résume alors : U( ) = U( ) = ( )+ (

× ( )+ + +

×

( )

× )

+

×

( )

(3.7)

(3.8)

3.3.2.3.4.Simulation du régulateur PID sur MATLAB / Simulink Après avoir obtenu dans le chapitre2 la fonction de transfert de la position du servomoteur,on va concevoir un contrôleur PID sous Simulink à base de l’application Tuner qui ajuste automatiquement les gains du contrôleur :

Fig.3.25. Schéma bloc sous Simulink.

Nous construisons la conception du contrôleur PID à l'aide de l'outil de conception SISO de Matlab et analysons les systèmes de réponse de stabilité en utilisant la méthode locus racine. L'architecture de conception de l'outil de conception SISO de Matlab pour un réglage PID automatisévoir fig .3.22. 56

Chapitre 3

Commande du bras manipulateur

3.3.2.3.5. PID Tuner Le PID Tuner fournit une méthode simple et rapide pour les blocs PID Simulink. Avec cette méthode, on peut régler automatiquement les paramètres du contrôleur pour obtenir une conception robuste avec le temps de réponse désirée.

Fig.3.26. Réglage PID automatique à l'aide de l'outil de conception Matlab SISO.

3.3.2.4.La régulation par la logique floue Certains processus sont par nature difficilement modélisables (thermique, chimique), variables dans le Schéma bloc sous Simulink. temps ou encore ne peuvent être correctement représentés par un modèle linéaire. Dans ce cas, les paramètres de réglage du régulateur ne seront pas optimaux et le système pourra ne pas être correctement contrôlé. Dans une approche « logique floue», on ne se préoccupe pas d’une modélisation mathématique du processus mais, par contre, on suppose le processus non régulé bien connu par un opérateur humain, l’objectif est toutefois de l’automatiser. Contrairement à la régulation classique, la régulation par la logique floue netraite pas une information comme une relation mathématique bien définie, maiselle utilise des inférences avec plusieurs règles[40].

57

Chapitre 3

Commande du bras manipulateur

3.3.2.4.1.Les trois parties de la structure générale du contrôleur Dans la configuration interne d'un régulateur par logique floue, on distingue troisparties : -

La fuzzification: conversion des valeurs d'entrées (grandeurs physiques) engrandeurs floues réunies dans le vecteur x.

-

L'inférence :(avec la base de règles) : prise des décisions (chaque règle activéedonne un sous-ensemble flou de sortie).

-

La

défuzzification :

conversion

des

sous-ensembles

flous

de

sortie

en

valeursdéterminées.

Fig.3.27. Traitement de l’information par la logique floue.

58

Chapitre 3

Commande du bras manipulateur

3.3.2.4.2. Les étapes de conception de contrôleur flou FLC Les étapes de conception de contrôleur flou FLC sont résumées dans l’organigramme suivant :

Fig.3.28. Les étapes de conception du contrôleur flou.

3.3.2.4.3.Simulation du contrôleur flou sous MATLAB / Simulink

Fig.3.29. Simulation du contrôleur flou sous MATLAB / Simulink. 59

Chapitre 3

Commande du bras manipulateur

3.4.Conclusion Dans ce chapitre nous avons abordé les différents aspects (hardware et software) relatifs àla réalisation de notre projet. On a étudié également les différents composants de notre bras ainsi que la commande du bras manipulateur.

60

CHAPITR APITRE 4 : TESTS STS ET E RE RESULTATS

Chapitre 4 :

Tests et Résultats

4.1. Introduction Après avoir vu toutes utes les le parties composantes de notre bras manipu anipulateur (mécanique et logiciel), nous allons dans ans ce chapitre analyser et interpréter les résultats ultats de l’utilisation de la carte de commandee Ar Arduino qui est chargé de contrôler ler les le servomoteurs. A la fin on va survenir surr l’étape l’étap dite implémentation ou bien les testss de fo fonctionnement.

4.2. Les résultats du test en e temps réel 4.2.1. La commande manu manuelle 4.2.1.1. La variation dee l’entrée analogique1 et Theta1 ta1 de la première articulation en fonction tion de temps

Fig.4.1. La variation de l’entrée entrée analogique1 de la première articulationn en fonction fo de temps.

Fig 4.2. La variation on de T Theta1 de la première articulation en fonction nction de temps. 61

Chapitre 4 :

Tests et Résultats

Fig4.3. La variation de l’entré l’entrée analogique2 de la première articulation on (servomoteur (se 1) en fonction de temps

4.2.1.2. La variation n de l’entrée analogique2 et Theta2 a2 de la deuxième articulation en fonction tion de temps Variation de l'entré analogique 2

6 5 4 3 2 1 0

Temps (s)

Fig.4.4. La variation dee l’en l’entrée analogique2 de la deuxième articulation lation en fonction de temps.

62

Tests et Résultats

Variation de l'angle Theta 2 (degré)

Chapitre 4 :

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

Temps (s)

Fig4 5.La variation de Theta 2 de de la deuxième articulation en fonction de temps.

200

Variation de l'angle Theta 2 (servomoteur 2)

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

Temps (s)

Fig4.6. La variation de Theta 2 de de la deuxième articulation (servomoteur 2) en fonction de temps.

63

Chapitre 4 :

Tests et Résultats

4.2.1.3. La variation de l’entrée analogique3 et Theta3 de la troisième articulation en fonction de temps Variation de l'entré analogique 3

6 5 4 3 2 1 0

Temps (s)

Variation de l'angle Theta 3(degré)

Fig.4.7. La variation de l’entrée analogique3 de la troisième articulation en fonction de temps. 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

Temps (s)

Fig4.8.. La variation de Theta 3de la troisième articulation en fonction de temps.

64

Chapitre 4 :

Tests et Résultats

200

Variation de l'angle Theta3(servomoteur 3)

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

Temps (s)

Fig 4.9.La variation de Theta 3 de la troisième articulation (servomoteur 3) en fonction de temps.

La variation de l’entrée analogique4

4.2.1.4. La variation de l’entrée analogique4 et Theta4 de la quatrième articulation en fonction de temps 6 5 4 3 2 1 0

Temps (s)

Fig.4.10. La variation de l’entrée analogique4 de la quatrième articulation en fonction de temps

65

Chapitre 4 :

Tests et Résultats

200

Variation de l'angle Theta 4 (servomoteur 4)

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

Temps (s)

Fig4.11.La variation de Theta4 de la quatrième articulation en fonction de temps.

Variation de l'angle Theta 4(degré)

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

Temps (s)

Fig4.12.La variation de Theta4 de la quatrième articulation (servomoteur 4) en fonction de temps.

66

Chapitre 4 :

Tests et Résultats

4.2.2 Interprétation des ré résultats D’après les résultats obtenus nus no nous pouvons constater que ses entrées numériq umériques ont fourni des indications comprises entre 0 et 1023 qui seront converti à l’aide d’un ’un convertisseur co N/A en signaux analogiques qui varient vari entre 0 et 5v. 1. Quand les joysticks sont nt en position de repos l’angle Theta est constant stant ne n varie pas dans le temps. 2. La valeurdel’entrée analogiq alogique diminue :

- Si l’angle ’angle équivalent à la

fonction qui calcule la différence différ entre la valeur lu et la valeur de repos epos est e Inférieur à 179°⇒Theta diminue si non elle reste constante jusqu’à ce que la conditi ondition soit vérifier - Quand Theta attend la valeur val de 1 degré elle reste constante. 3. la valeur de l’entrée analogi nalogique augmente : -l’angle équivalent à laa fonc fonction qui calcule la différence entre la valeur aleur lu l et la valeur de repos est supérieure à 1°⇒ ⇒ Theta augmente si non elle constante jusqu’à squ’à ce que la condition soit vérifier - Quand Theta attend la valeur vale de 179° degré elle reste constante.

4.3 La commande automa utomatique 4.3.1 La trajectoire du BM BM1 On a choisi six points avec ec les coordonnés (xc, yc, zc), les figures ci-apr après représentent la trajectoire qui se traduit par ar les quatre angles de positionnement du bras. •

Variation de Theta 1

Fig.4.13. Variation de Theta 1. •

Variation de Theta 2 67

Chapitre 4 :

Tests et Résultats

Fig.4.14. Variation de Theta 2. •

Variation de Theta 3

Fig.4.15. Variation de Theta 3

•

Variation de Theta 4 68

Chapitre 4 :

Tests et Résultats

Fig.4.16. Variation de Theta.4.4. 4.4 Les résultats de simulation sous ous Matlab M Dans cette partie on va présente ésenter les résultats de simulation des deux contrôl ontrôleurs :

4.4.1. Contrôleur PID en utilisant u l'outil de conception SISO ISO d de Matlab La réponse à un échelon unité donnée pour la conception du contrôleur eur PID design. Fig.4.9. montre la réponse du système ème à un échelon.

Fig.4.17. Réponse Rép à un échelon d'unité du contrôleurr PID.

69

Chapitre 4 :

Tests et Résultats

4.4.2. Contrôleur PID sous Simulink Le modèle Simulink pour la simulation. Compte tenu de 100° pour la valeur finale et de 0,1 seconde pour le temps de démarrage.

Fig.4.18. Résultat de simulation du contrôleur PID.

4.4.3. Résultat de simulation du contrôleur flou sous simulink

Fig.4.19.Résultat de simulation du contrôleur FLC. 70

Chapitre 4 :

Tests et Résultats

4.5.Le BM1 final

Fig.4.20.Le BM1 final exposé au salon national des produits et de la recherche scientifique.

4.5 Etude socio-économique Le tableau ci -dessous résume les prix de revient des composants utilisés et les différentes charges dépensées pour la réalisation de projet. Tableau 4.1. Étude socio-économique Article

Le prix unitaire (DA)

Quantité

Prix (DA)

Carte Arduino

4500

1

4500

MG996R

1550

1

1550

MG995

1500

3

4500

SG90

700

1

700

80

800

3

900

Les fils connexion Joystick

de 10 300

Total

12, 950,00

71

Chapitre 4 :

Tests et Résultats

D’après ce tableau, le prix revient est de 12, 950,00DA , ce montant n’inclut pas le prix des pièces mécanique.

4.6 Conclusion Dans le chapitre précédent nous avons entamé les différents aspects relatifs à la conception et la réalisation de notre projet. Dans ce dernier chapitre nous présentons les résultats et les tests faits.

72

CONCLUS CLUSION GENERA NERALE

Conclusion générale

Conclusion général : Le travail présenter dans ce mémoire entre dans le cadre de la réalisation et la commande d’un bras manipulateur à quatre 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, l’automatique…. Ce projet a été abordé sur trois fronts : -

Réalisation mécanique du bras manipulateur ;

-

Réalisation de la carte électronique de commande ;

-

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 : -

LabView ;

-

Proteus ;

-

Matlab ;

-

Arduino .

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 servircomme 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,

-

Utiliser une commande sans fil (wifi, radio fréquence…..). 70

Conclusion générale

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. Enfin, signalons que ce travail a été valorisé par notre participation au Salon National des Produits de la Recherche Scientifique (SAFEX, Alger,18-21 mai 2017) organisé par la Direction Générale de la Recherche Scientifique et du Développement Technologique.

71

Références bibliographiques

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Résumé

Dans ce travail, nous nous intéressons à l’étude et à la réalisation du prototype d’un bras manipulateur à 4 dégrée de liberté c’est une structure mécanique articulée, actionnée par des servomoteurs et commandée par la carte Arduino. On a utilisé deux commandes : la première est la commande manuelle des articulations par joysticks et la deuxième c’est la commande automatique à base de la modélisation géométrique inverse du bras manipulateur. On a également créé une interface graphique en utilisant le logiciel de LABVIEW afin de faciliter à l’utilisateur la commande du bras manipulateur. Mots clés :Bras manipulateur, Arduino, Joysticks,Servomoteur,LABVIEW.

Abstract

In this work, we are interested in the study and realization of the prototype of a manipulator arm with 4 degrees of freedom. It is an articulatedmechanical structure, actuated by servo motors and controlled by the Arduino board. Twocommands have been used: the first is the manual control of the joysticks and the second is the automatic control based on the inverse geometric modeling of the manipulator arm. A graphical interface has also been createdusing the LABVIEW software to facilitate user control of the manipulator arm. Key words : Robotic arm, Arduino, joystick, servo motor, LABVIEW. .