Introduction a La Robotique
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Transcript of Introduction a La Robotique
E. Dombre, octobre 2007 (1)
Introduction à la Robotique
Etienne DombreLIRMM, Montpellier
Dombre sur(P).lnk
Octobre 2007
E. Dombre, octobre 2007 (2)
E. Dombre, octobre 2007 (3) E. Dombre, octobre 2007 (4)
Seulement 15 % des applications automatisables sont robotiséesMarge importante dans l’agro-alimentaire
E. Dombre, octobre 2007 (5) E. Dombre, octobre 2007 (6)
E. Dombre, octobre 2007 (7) E. Dombre, octobre 2007 (8)
Les pages précédentes sont extraites de la présentation d'EUROP (European Robotic Platform)
E. Dombre, octobre 2007 (9)
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
E. Dombre, octobre 2007 (10)
User Interfacefor
programming
MotionGenerator+ Inverse
GeometricalModel
Servodrivers
D/Aconv.,Poweramp.
Joint or cartesianinputs
Internalsensors
Externalsensors
Sampled jointinputs
OPERATOR
CONTROLLER
Mechanical structure
End-effector
Architecture générale d’un robot
E. Dombre, octobre 2007 (11)
• 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)
E. Dombre, octobre 2007 (13)
Structure mécanique
• Principales liaisons de la robotique :- Prismatique (glissière) P- Rotoïde (pivot) R- (Rotule / Spherical joint (S) : 3R d’axes concourants)- (Cardan / Universal joint (U) : 2R)
E. Dombre, octobre 2007 (14)
Structure mécanique
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
E. Dombre, octobre 2007 (15)
Porteurs PPP
Exemples : robot Adept Python linear modules, robot portique LinatecVolume de travail : parallélépipédique
Structure mécanique
Adept
Linatec
E. Dombre, octobre 2007 (16)
Porteurs RPP
Exemple : Acma TH8, robots AFMAVolume de travail : cylindrique
Structure mécanique
E. Dombre, octobre 2007 (17)
Porteurs RRP
Exemples : Stanford arm (historique), Unimate 1000, 2000, 4000Volume de travail : sphérique
Structure mécanique
Stanford arm
Unimate 2000
E. Dombre, octobre 2007 (18)
Porteurs RPR
Exemple : ACMA H80, Reis RHVolume de travail : cylindrique
Structure mécanique
Reis RH16
E. Dombre, octobre 2007 (19)
Cas particulier des porteurs RRP, PRR, RPR : le robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm)
Exemples : Adept Cobra, Stäubli RS 80Volume de travail : cylindrique
Structure mécanique
Essentiellement utilisé pour le "Pick & Place" rapide (palettisation, chargement / déchargement de machines, convoyeurs...)
Adept Cobra
Stäubli RS 40B
E. Dombre, octobre 2007 (20)
Porteurs RRR
Architecture la plus répandue parmi les robots industriels :
robot anthropomorphe
Exemples : Adept, StäubliVolume de travail : sphérique
Structure mécanique
Adept Viper S850
Stäubli RX80
Pratiquement, le seul fabriqué
E. Dombre, octobre 2007 (21)
Porteurs parallèles
Structure mécanique
Exemple : ABBVolume de travail : cylindrique et conique
ABB IRB-340
Porteur constitué de 3 chaînes cinématiques
E. Dombre, octobre 2007 (22)
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
Structure mécanique
One-axis wrist
Two intersecting-axis wrist
Two non intersecting-axis wrist
Three intersecting-axis wrist (spherical wrist)
Three non intersecting-axis wrist
E. Dombre, octobre 2007 (23)
Poignets : cas des robots parallèles
Structure mécanique
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
E. Dombre, octobre 2007 (24)
Structure mécanique
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
E. Dombre, octobre 2007 (25)
Structure mécanique
• 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
E. Dombre, octobre 2007 (26)
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
Structure mécanique
E. Dombre, octobre 2007 (27)
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
Structure mécanique
Exactitude de poseRépétabilitéde pose
Pose commandée
E. Dombre, octobre 2007 (28)
Structure mécanique
Adept Viper
E. Dombre, octobre 2007 (29)
Structure mécanique
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
E. Dombre, octobre 2007 (30)
• 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
E. Dombre, octobre 2007 (31)
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...
E. Dombre, octobre 2007 (32)
Architecture générale d’un robot
User Interfacefor
programming
MotionGenerator+ Inverse
GeometricalModel
Servodrivers
D/Aconv.,Poweramp.
Joint or cartesianinputs
Internalsensors
Externalsensors
Sampled jointinputs
OPERATOR
CONTROLLER
Mechanical structure
End-effector
E. Dombre, octobre 2007 (33)
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
E. Dombre, octobre 2007 (34)
Architecture générale d’un robot
User Interfacefor
programming
MotionGenerator+ Inverse
GeometricalModel
Servodrivers
D/Aconv.,Poweramp.
Joint or cartesianinputs
Internalsensors
Externalsensors
Sampled jointinputs
OPERATOR
CONTROLLER
Mechanical structure
End-effector
E. Dombre, octobre 2007 (35)
• 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
E. Dombre, octobre 2007 (37)
• 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
Capteurs proprioceptifs
E. Dombre, octobre 2007 (39)
• 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
Capteurs proprioceptifs
R. Bataille, EMA
E. Dombre, octobre 2007 (40)
Proximity sensorForce sensorVision (voir cours O. Strauss)
Architecture générale d’un robot
User Interfacefor
programming
MotionGenerator+ Inverse
GeometricalModel
Servodrivers
D/Aconv.,Poweramp.
Joint or cartesianinputs
Internalsensors
Externalsensors
Sampled jointinputs
OPERATOR
CONTROLLER
Mechanical structure
End-effector
E. Dombre, octobre 2007 (41)
• 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
E. Dombre, octobre 2007 (43)
• 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
Capteurs extéroceptifs : mesure de positionE. Dombre, octobre 2007 (44)
• 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
E. Dombre, octobre 2007 (45)
• 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
Capteurs extéroceptifs : mesure de positionE. Dombre, octobre 2007 (47)
B. Hannaford, Lecture Notes UEE 2003, Montpellier
Capteurs extéroceptifs : mesure de force
Quelques rappels
E. Dombre, octobre 2007 (48)
= 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
Revisited from B. Hannaford, Lecture Notes UEE 2003, Montpellier
Capteurs extéroceptifs : mesure de force
E. Dombre, octobre 2007 (50)
B. Hannaford, Lecture Notes UEE 2003, Montpellier
Capteurs extéroceptifs : mesure de forceE. Dombre, octobre 2007 (51)
R = ρ l / s
Revisited from B. Hannaford, Lecture Notes UEE 2003, Montpellier
Capteurs extéroceptifs : mesure de force
E. Dombre, octobre 2007 (52)
Revisited fromB. Hannaford, Lecture Notes UEE 2003, Montpellier
Capteurs extéroceptifs : mesure de forceE. Dombre, octobre 2007 (53)
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 extéroceptifs : mesure de force
E. Dombre, octobre 2007 (54)
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 extéroceptifs : mesure de forceE. Dombre, octobre 2007 (55)
Capteurs miniatures …Capteur d’effort de type MEMS (F. Van Meer, LAAS, Toulouse)
Capteurs extéroceptifs : mesure de force
E. Dombre, octobre 2007 (56)
Capteur d’effort sur un forceps actionné (DLR, Munich)
Capteur d’effort sur un scalpel (DLR, Munich)
Capteurs extéroceptifs : mesure de forceE. Dombre, octobre 2007 (57)
• 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
Capteurs extéroceptifs : mesure de force
E. Dombre, octobre 2007 (58)
• … 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
Capteurs extéroceptifs : mesure de forceE. Dombre, octobre 2007 (59)
• … 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)
Capteurs extéroceptifs : mesure de force
E. Dombre, octobre 2007 (60)
Controller
User Interfacefor
programming
MotionGenerator+ Inverse
GeometricalModel
Servodrivers
D/Aconv.,Poweramp.
Joint or cartesianinputs
Internalsensors
Externalsensors
Sampled jointinputs
OPERATOR
CONTROLLER
Mechanical structure
End-effector
E. Dombre, octobre 2007 (61)
E. Dombre, octobre 2007 (62)
• Bibliographie- W. KHALIL, E. DOMBRE, "Modelisation, identification and control of
robots", Hermes Penton Science, London, ISBN 1-90399-613-9, 2002, 480 p.