introduction a la robotique

E. Dombre, octobre 2007 (1)

Introduction à la Robotique

Etienne DombreLIRMM, Montpellier

[email protected]

Dombre sur(P).lnk

Octobre 2007


E. Dombre, octobre 2007 (3) E. Dombre, octobre 2007 (4)

Seulement 15 % des applications automatisables sont robotiséesMarge importante dans l’agro-alimentaire



Les pages précédentes sont extraites de la présentation d'EUROP (European Robotic Platform)


Architecture générale d’un robot

• Qu’est-ce qu’un robot ?- un dispositif articulé et actionné- muni de capteurs proprioceptifs pour mesurer son état

interne- plus ou moins autonome selon ses moyens de perception

de l’environnement (capteurs extéroceptifs)

User Interfacefor

programming

MotionGenerator+ Inverse

GeometricalModel

Servodrivers

D/Aconv.,Poweramp.

Joint or cartesianinputs

Internalsensors

Externalsensors

Sampled jointinputs

OPERATOR

CONTROLLER

Mechanical structure

End-effector


User Interfacefor

programming


GeometricalModel

Servodrivers

D/Aconv.,Poweramp.


Internalsensors

Externalsensors

Sampled jointinputs

OPERATOR

CONTROLLER


End-effector



• Permet d’amener l’organe terminal dans une situation ou pose (position et orientation) donnée, selon une loi de mouvement (vitesse, accélération) désirée

• Chaîne cinématique composée de segments rigides reliés entre eux par des liaisons / articulations actives (motorisées / actionnées) ou passives : chaîne série, arborescente ou fermée

• Chaîne fermée : pour augmenter sa rigidité et sa précision

Structure mécaniqueE. Dombre, octobre 2007 (12)

Structure mécanique

• Robot série / robot parallèle

•Plus rigide donc plus précis, •Actionneurs fixes donc structure plus légère

rapport charge utile / masse en mouvement plus favorable

dynamique (très) élevéeMais : faible volume de travail et problèmes de commande (singularités)



• Principales liaisons de la robotique :- Prismatique (glissière) P- Rotoïde (pivot) R- (Rotule / Spherical joint (S) : 3R d’axes concourants)- (Cardan / Universal joint (U) : 2R)



Robot série :• Porteur / épaule : les 3 premiers

segments• Poignet : les autres, généralement de

dimension moindre

P

shoulder wrist

poignet

porteur

Robot parallèle :• Porteur : entre la base et la

nacelle mobile


Porteurs PPP

Exemples : robot Adept Python linear modules, robot portique LinatecVolume de travail : parallélépipédique


Adept

Linatec


Porteurs RPP

Exemple : Acma TH8, robots AFMAVolume de travail : cylindrique



Porteurs RRP

Exemples : Stanford arm (historique), Unimate 1000, 2000, 4000Volume de travail : sphérique


Stanford arm

Unimate 2000


Porteurs RPR

Exemple : ACMA H80, Reis RHVolume de travail : cylindrique


Reis RH16


Cas particulier des porteurs RRP, PRR, RPR : le robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm)

Exemples : Adept Cobra, Stäubli RS 80Volume de travail : cylindrique


Essentiellement utilisé pour le "Pick & Place" rapide (palettisation, chargement / déchargement de machines, convoyeurs...)

Adept Cobra

Stäubli RS 40B


Porteurs RRR

Architecture la plus répandue parmi les robots industriels :

robot anthropomorphe

Exemples : Adept, StäubliVolume de travail : sphérique


Adept Viper S850

Stäubli RX80

Pratiquement, le seul fabriqué


Porteurs parallèles


Exemple : ABBVolume de travail : cylindrique et conique

ABB IRB-340

Porteur constitué de 3 chaînes cinématiques


Poignets

● la dernière rotation est toujours axiale● le plus souvent à 3 axes rotoïdes concourants (rotule)

découplage position / orientation : le porteur positionne le centre de la rotule


One-axis wrist

Two intersecting-axis wrist

Two non intersecting-axis wrist

Three intersecting-axis wrist (spherical wrist)

Three non intersecting-axis wrist


Poignets : cas des robots parallèles


Adept Quattro

• Porteur parallèle + poignet série Rotation découplée : - actionneur embarqué sur la nacelle- ou chaîne cinématique supplémentaire

découplée (cf ABB IRB-340)

• 4 chaînes cinématiques fournissant 3 translations et une rotation couplées (cf Adept Quattro)

R

Bât

i

S S

RS

S

S

S

RS

S

S

S

R

S S

RS S

R

R

R

R

Org

ane

term

inal

S S

Couplage1: 4



Pour un robot série (articulations P et R uniquement ) :• Angle entre deux axes articulaires successifs : généralement 0 ou 90°• Pour l’épaule : 36 architectures, 12 mathématiquement différentes (et non

redondantes), 3 ou 4 fabriquées en pratique• 80 % des robots industriels ont 5 ddl ou plus (donc, environ 20% sont des

Scara à 4ddl)

P

shoulder wrist



• Définitions- espace articulaire (ou espace des configurations) : espace dans lequel on

représente la position des articulations- variables articulaires : coordonnées dans cet espace - espace opérationnel : espace dans lequel on représente la situation de l’organe

terminal → variables opérationnelles• Dimension N de l’espace articulaire :

- égale au nombre de variables indépendantes- égale au nombre d’articulations motorisées d’un robot série- correspond au nombre de degrés de liberté (ddl) de la structure mécanique

• Dimension M de l’espace opérationnel : égale au nombre maximum de ddl de l’organe terminal (M ≤ 6 (ou 3 pour un robot planaire) et M ≤ N)

• Un robot est redondant si M < N : il y a plus d’articulations motorisées qu’il n’en faut pour placer l’organe terminal dans l’espace → gestion des obstacles


Performances (1/2)

• Volume de travail- ensemble des situations de l'espace que l'organe terminal du

robot peut atteindre - dépend du nombre de ddl, des débattements articulaires et de la

longueur des segments

• charge utile : charge maximale transportable par le robot

• vitesses et accélérations maximales : conditionnent le temps de cycle

• résolution : plus petite modification de la configuration du robot à la fois observable et contrôlable par le système de commande



Performances (2/2)

• exactitude ou précision absolue : écart entre une situation commandée et la moyenne des situations atteintes

• répétabilité ou précision relative : dispersion des situations atteintes lorsque l'on commande successivement la même situation


Exactitude de poseRépétabilitéde pose

Pose commandée



Adept Viper



43%

13%10%

6%

4%

1%

23%

Soudage

Injection plastique

Chargement/déchargement machine outil

Assemblage

Palettisation

Process

Autres

• Principaux fournisseurs :- Fanuc (Japon), ABB (S), Kuka (D), - puis Comau (I), Stäubli (Franco-suisse), Adept (USA), Reis (D),

Motoman (J)...• ... et principales applications manufacturières :

64%13%

3%

0%

0% 20%AutomobileProduits plastiques

Agro-alimentaireTextileProduits bois et liège

Autres


• Pince, préhenseur, effecteur, porte-instrument...• Du plus simple : la classique pince à mors parallèles,

les ventouses, électroaimant... (cf CCMOP, Festo, Schunk...)

• ... au plus complexe : main articulée multifonction adaptée à la saisie d’objets de forme, rigidité, dimensions très variées (par exemple la main du robot Armstrong, la BarrettHand)

DLR / ShunkBarrettHand Ventouse magnétique

Festo

Organe terminal

Ventouse :adhésion par dépression


Actionneurs

• Le plus souvent électriques : courant continu avec ou sans balais, moteur couple

• Hydraulique : si charge très importante• Pneumatique : si cycle très répétitifs• En micro-robotique : moteurs piézo-électrique, alliages à mémoire de forme,

polymères actifs...



User Interfacefor

programming


GeometricalModel

Servodrivers

D/Aconv.,Poweramp.


Internalsensors

Externalsensors

Sampled jointinputs

OPERATOR

CONTROLLER


End-effector


User interface for programming

• Teaching techniques- teach pendants- easy to use … but on-line programming- generate code that can be edited

• Off-line techniques - programming langages (manipulation level and task

level): V+ (Adept, Stäubli), KAREL (Fanuc), PDL2 (Comau), K-IRL (Kuka)…

- CAD/CAM model-based programming: CATIA-Deneb(Dassault Systèmes), ROBCAD (Tecnomatics), CIMSTATION, RAPID (Silma)

- availability of the workcell- optimization of the robot movements, of the workcell

layout- … but matching of the virtual workcell with the real one

difficult ==> calibration issues



User Interfacefor

programming


GeometricalModel

Servodrivers

D/Aconv.,Poweramp.


Internalsensors

Externalsensors

Sampled jointinputs

OPERATOR

CONTROLLER


End-effector


• Essentiellement, capteurs de position • Mesure d’une position absolue par potentiomètre

(linéaire ou rotatif):

10 V

Curseur lié à l ’élément mobile

Tension fonction de la distance

R. Bataille, EMA

Capteurs proprioceptifsE. Dombre, octobre 2007 (36)

• Codeur optique:

Sourcelumineuse

RécepteursPhoto-électriques

DisqueAxe

R. Bataille, EMA

Capteurs proprioceptifs


• Codeur optique absolu :- donne la position absolue sur un tour, codée

numériquement sur 8, 10, 12, …16 bits

CodeGray000001011010110111101

R. Bataille, EMA

Capteurs proprioceptifsE. Dombre, octobre 2007 (38)

• Codeur optique incrémental- deux signaux diphasés permettant de détecter le sens de rotation.- s’utilise avec un compteur/décompteur d ’impulsions.- nécessite une initialisation du compteur pour connaître la position

absolue.- de 50 à 36000 impulsions par tour.- existe également sous forme de règle optique linéaire :

Deux signaux diphasés

R. Bataille, EMA



• Résolveur- délivre un signal sinusoïdal dont le déphasage permet de connaître la

position absolue sur un tour - bonne précision et bonne immunité aux parasites - nécessite des circuits d’alimentation, de traitement et de conversion

particuliers - existe également sous forme linéaire

Signal de référence : tension sinusoïdale VR (4 à 8 Khz) dans le rotor. VS1 et VS2 tensions induites sinusoïdales dans les 2 enroulements du stator disposés à 90°

α = Arctg (a1/a2)a1 et a2 amplitudes de VS1 et VS2

VS1VS2

VR

α

Rotor

Stator


R. Bataille, EMA


Proximity sensorForce sensorVision (voir cours O. Strauss)


User Interfacefor

programming


GeometricalModel

Servodrivers

D/Aconv.,Poweramp.


Internalsensors

Externalsensors

Sampled jointinputs

OPERATOR

CONTROLLER


End-effector


• Capteur inductif - mesure de faibles distances sans contact- la mesure dépend de la nature du matériau, du volume et de la

forme de l’objet, de l’environnement proche» Voir par exemple Keyence

Objetconducteur

Valeur de l’inductancefonction de la distancede l’objet en matériau conducteur

R. Bataille, EMA

Capteurs extéroceptifs : mesure de positionE. Dombre, octobre 2007 (42)

• Capteurs capacitifs- mesure de faible distance sans contact (proximétrie) - mesure précise possible (nanomètre) - mesure sur des objets constitués de matière quelconque - mesure dépendant de l’environnement proche et de la nature du

matériau constituant l’objet

Objet La capacité varie suivantla distance de l’objet

R. Bataille, EMA

Capteurs extéroceptifs : mesure de position


• Capteurs à ultrasons- principe du sonar : temps d’aller retour d’une onde ultrasonore- portée jusqu’à 10 m dans l’air - vitesse de propagation fonction des conditions atmosphériques

(température, hygrométrie) - faisceau d’émission large : peu directif et risque d’échos

parasites - écho fonction de l’état de surface de l’objet et de la nature du

matériau (mesure possible dans un liquide homogène)

objet Capteurà US

Impulsion ultrasonore émise

Écho renvoyé

R. Bataille, EMA


• Capteur optique à triangulation- portée limitée (< quelques dizaines de cm)- mesure précise - mesure ponctuelle - point de mesure visible si lumière visible - peu sensible à l’état de surface - lumière pulsée pour s’affranchir de lumières parasites

» Voir par exemple Keyence

α fonction de la distance de l ’obstacle

obstacles

R. Bataille, EMA

Capteurs extéroceptifs : mesure de position


• Capteur optique à réflexion (mesure du temps de vol) - portée importante (mesure non possible pour de faibles

distances: temps de vol trop court).- mesure précise.- mesure ponctuelle.- point de mesure visible si lumière visible.- lumière pulsée pour s’affranchir de lumières parasites.

R. Bataille, EMA


B. Hannaford, Lecture Notes UEE 2003, Montpellier

Capteurs extéroceptifs : mesure de force

Quelques rappels


= contrainte

Revisited from B. Hannaford, Lecture Notes UEE 2003, Montpellier

Capteurs extéroceptifs : mesure de forceE. Dombre, octobre 2007 (49)

= déformation

Eacier = 200GPaEalu = 70GPa

Echêne = 12GPa




B. Hannaford, Lecture Notes UEE 2003, Montpellier


R = ρ l / s




Revisited fromB. Hannaford, Lecture Notes UEE 2003, Montpellier


Fy

τy

τz

τx

Fz

Fx

Autre structure de capteur : plate-forme de Gough / Stewart(DLR, Munich)

Revisited fromB. Hannaford, Lecture Notes UEE 2003, Montpellier



Capteurs 6 axes ATI (Apex, NC)Gamme de 12N à 7000N, Poids de 10g à 45Kg

Taille depuis diamètre 15mm à 110mmEpaisseur : 15mm à 110mm

Quelques capteurs d’effort commercialisés :

ATI – Nano 43

Capteurs 6 axes JR3 (Woodland, CA)Gamme de 0,5N à 12 000N

Taille depuis diamètre 50mm à 160mmEpaisseur de 25mm à 50mm

Capteurs monoaxes ENTRANDiamètre 5mm, Epaisseur 2mm

Gamme : 10 – 100N


Capteurs miniatures …Capteur d’effort de type MEMS (F. Van Meer, LAAS, Toulouse)



Capteur d’effort sur un forceps actionné (DLR, Munich)

Capteur d’effort sur un scalpel (DLR, Munich)


• Quelques difficultés liées au capteur d’effort :- Bruits de mesure- Dérive en température- Couplage entre les directions de mesure

traitement du signal approprié

• Quelques difficultés liées à son utilisation :- Coût- Maintenance- Stérilisabilité

• Quelques difficultés liées à son intégration :- Intégration au contrôleur du robot- Intégration au robot

http://www.cs.cmu.edu/~deadslug/ft.sensor.pdf



• … et les capteurs tactile : mesure du toucher- Pas de produits commerciaux avec les performances attendues- Mesure : pb de la miniaturisation

• sensibilité de la peau humaine• peau artificielle : 1977…• techno MEMS ? Nouveaux matériaux (polymères…)…

Ultra-thin flexible printed circuit that sensescontact force (piezoelectric) (Model A201,

Tekscan, Boston, MA)

Tactile shape sensing (capacitive effect)(Kontarinis, Harvard Univ., Cambridge, MA)

Pressure distribution measurement(capacitive effect) (Novel, Munich)

..\Conf. Rob Méd\Novel.avi


• … et les capteurs tactile : restitution du toucher- Restitution à l’opérateur

• matrice de picots : mécanique, pneumatique• stimulation électrique

Stimulation mécaniqueInterface tactile utilisant 64 micro-actionneurs

en AMF, 320mN, 1,5Hz (LRP, CEA)

Stimulation électrique, matrice 12x12(Tong Display Unit TIMC, Grenoble) A tactile shape display using RC

servo-motors, (Wagner, Harvard Univ., Cambridge, MA)



Controller

User Interfacefor

programming


GeometricalModel

Servodrivers

D/Aconv.,Poweramp.


Internalsensors

Externalsensors

Sampled jointinputs

OPERATOR

CONTROLLER


End-effector



• Bibliographie- W. KHALIL, E. DOMBRE, "Modelisation, identification and control of

robots", Hermes Penton Science, London, ISBN 1-90399-613-9, 2002, 480 p.

introduction a la robotique

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