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Introduction à la robotique
  • Auteur : jarod01
  • Difficultée :
  • Créé : le 17/07/2009 à 11:37:12
  • Modifié : le 17/07/2009 à 12:28:58
  • Avancement : 100%

Ce cours, comme son nom l'indique, fait une introduction dans le monde de la robotique, et ce, en définissant, sous un aspect global, les éléments constitutifs des robots.


Introduction

L'automate, selon le dictionnaire, est "une machine qui, par le moyen de dispositifs mécaniques, pneumatiques, hydroliques ou électriques, est capable d'actes imitant ceux des corps animés".

Dés la plus haute Antiquité, l'homme a voulu concevoir une machine à son image. Les premiers automates connus datent des Egyptiens dont on peut admirer une réalisation au Musée su Louvre: une figurine égyptienne à bras articulé représentant un boulanger pétrissant sa pâte. Le véritable essor des automates a lieu avec l'avènement de l'horlogerie au XVIIIeme siècle. Les automates n'avaient pour seule ambition que d'imiter les mouvements de la vie dans le seul but de la curiosité et de l'agrément.

Le français Jacques de Vaucanson (1709-1782) fut associé au développement des automates par ses belles réalisations (le joueur de flûte traversière, le joueur de tambourin, le canard), mais également par l'application des principes aux premières machines-outils (métier à tisser 1745).

Le tterme "robot" est bien plus récent. En 1920, Karel Capek a employé le mot "robota" dans l'une de ses pièces de théâtre pour désigner un androïde capable d'accomplir les tâches qui lui ont été imposées. Dans le terme "robota" (tchèque) est inclus la notion de corvée. Les gestes effectués par l'androïde ne sont pas une fin en soit mais un moyen pour réaliser une tâche.

Néanmoins, le terme "automate industriel" est employé pour désigner une machine automatique capable de réaliser des mouvements cycliques. Le robot désigne des machines dont les mouvement sont plus complexes et adaptables à la tâche et aux modifications de l'état de l'environnement.

Terminologie et classification des robots

Des confusions apparaissent en robotique industrielle entre divers termes: manipulateur, automate industriel, robot industriel... La classification de ces machines est délicate de par le recoupement de leurs fonctionnalités et potentialités.

Le manipulateur à cycles préréglés



Le manipulateur à cycles préréglés est une machine à deux, trois ou quatre articulations, dont l'extrémité atteint un nombre fini de points stables dans l'espace. Il est désigné abusivement par l'expression "robot tout ou rien". Les séquences de mouvements sont réglées mécaniquement par déplacement de butées ou cames.

Ces systèmes sont principalement employés en manutention, chargement et déchargement de machines-outils, palétisation.

Le télémanipulateur



Le télémanipulateur ou robot de téléopération est un système mécanique polyarticulé et multifonctionnel capable d'assister l'homme dans les opérations effectuées en milieu hostile ou de suppléer un homme handicapé.
Il est constitué par deux entités: un bras maître et un bras esclave.

Le bras esclave reproduit instantanément le mouvement imposé par un opérateur à un bras maître. Ce dernier est constitué d'une boite à boutons, d'une poignée de commande ou d'une structure articulée identique à celle du bras esclave.

Malgré la présence indispensable d'un opérateur, ce système est doté de potentialités comparables aux robots évolués:

L'application des télémanipulateurs est répandue dans les domaines nucléaire (manipulation de produits radioactifs), spatial (exploration de planètes), sous-marin (forage), militaire (déminage), et médical (prothèses).

L'automate industriel



L'automate industriel est un système mécanique destiné à exécuter de manière autonome des tâches répétitives dans un environnement fixe et ordonné et dont les mouvements enregistrés dans une mémoire se répètent de manière cyclique. Aucnune fonction de décision ne lui permet de réagir dans le cas d'un événement inattendu, d'où le terme "automate".
Les domaines d'application sont la peinture, le soudage par points, la manipulation d'objets ...

Le robot industriel



Le robot constitue l'association d'un automate et d'organes aptes à acquérir, traiter et gérer des informations issues de l'environnement. Ils sont dotés de sens artificiels (vision, tactile, ...) et de ressources méthodologiques leur permettant de résoudre des problèmes de difficultés toutefois limitées.

Les robots sont essentiellement orientés vers les applications nécessitant une adaptabilité à la tâche: assemblage, soudage à l'arc, vérification, test ...

Constitution d'un robot industriel

Nous nous intéressons essentiellement au robot industriel puisque celui-ci intègre toutes les fonctions et potentialités des autres systèmes automatiques cités précédemment.

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Globalement le robot se décompose en quatre entités, distinctes par leur fonctionnalité

La structure mécanique articulée



La structure mécanique articulée (SMA) constitue le lien physique entre un lieu de référence et le lieu de la tâche.

Prenons un solide indéformable quelconque dans l'espace à trois dimensions. Il possède 6 degrés de liberté, c'est à dire 6 mobilités indépendantes:

Une combinaison des deux mobilités de base (translation et rotation) permettent d'atteindre un point de l'espace avec une orientation donnée.

Représentation d'un mécanisme



Une norme (AFNOR E04-E015) définit la représentation des différentes combinaisons des liaisons mécaniques élémentaires. Elle permet la simplification de la représentation graphique. En robotique, seuls trois types de liaison sont employés:

- La liaison "encastrement" qui constitue le lien entre la base du robot et le support. Elle se compose de zéro degré de liberté
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- La liaison pivot ou rotoïde, notée R, ayant un degré de liberté en rotation
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- La liaison glissière ou prismatique, notée P, qui permet une seule mobilité en translation.
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Prenons un exemple de représentation graphique d'un robot:

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Les degrés de liberté d'un système mécanique articulé



Le nombre de degrés de liberté ou axes de liaison représentent le nombre de mouvements élémentaires (rotation et translation par rapport au référentiel de base) appliqués à un solide indéformable lié à l'extrémité de la structure mécanique. Par exemple un mécanisme qui comporte trois articulations autour du même axe de référence possède deux degrés de liberté. Le lieu des points atteignables par l'extrémité reste localisé dans un plan.

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Ce mécanisme est dit redondant. Plusieurs combinaisons des articulations permettent d'atteindre le même point de l'espace. Cette propriété est utilisée pour éviter les obstacles dans le cas de l'exécution de tâches dans un environnement complexe.

D'après la définition, les degrés de liberté des outils ou du préhenseur ne constituent pas des degrés de liberté supplémentaires de la structure mécanique.

Constitution d'une structure mécanique articulée



La structure mécanique d'un robot se distingue par trois ensembles:

- Le véhicule

Le véhicule assure le transport de la structure mécanique vers la zone d'action. Ce sous-ensemble est inexistant sur les robots industriels à poste fixe (majorité des cas). Néanmoins, certains robots possèdent un véhicule à six (satellite, sous-marin), deux (robot mobile terrestre) ou un (pont roulant) degré de liberté. Le robot mobile tel qu'il est défini habituellement n'a pour structure mécanique que le seul véhicule.

- Le porteur

Le rôle du porteur consiste à mener un point du robot vers un lieu précis de l'espace. Une combinaison de trois degrés de liberté (rotation ou/et translation) est nécessaire. Les différentes configurations permettent de classifier les robots:

La structure cartésienne: trois degrés de liberté en translation
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La structure cylindrique: deux degrés de liberté en translation et un en rotation

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La structure sphérique ou polaire: deux rotations et une translation

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La structure angulaire: trois rotations

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La structure SCARA: une translation et deux rotations

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Chaque classe possède des caractéristiques particulières pour des applications spécifiques. Par exemples la configuration SCARA est intéressante dans les tâches d'assemblages verticaux.

Une description rapide, due à Roth et Pieper, consiste à énumérer l'ensemble des types d'articulations élémentaires (rotation R et translation P) en partant de la base. Prenons l'exemple d'un robot à 6 articules: une rotation, deux translations puis 3 rotations. Il se décrit par la chaine de caractères suivante:

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Une chaine de caractère peut être complétée par des constantes définissant la structure avec plus de précision.

- L'organe terminal

L'organe terminal assure l'orientation d'un vecteur passant par l'extrémité du porteur. Trois degrés de liberté en rotation autour de trois axes concourant sont nécessaires pour atteindre toutes les orientations possibles. Une rotation autour d'un axe d'un solide ne passant pas par son centre de gravité a pour effet secondaire une translation.

Toutes les structures mécaniques ne possèdent pas un organe terminal à trois degrés de liberté ce qui réduit leurs potentialités mais également leur coût.

L'unité de contrôle, commande et gestion des tâches



Le problème d'automatisme que pose la robotique a de nombreuses solutions tant méthodologiques que technologiques. Le choix est guidé par la complexité de la structure mécanique, de l'ampleur des tâches à réaliser et des performances attendues. La panoplie des outils proposés s'échelonne de la solution câblée simple mais rigide des manipulateurs à cycles préréglés à la solution programmée qui est d'une grande souplesse d'utilisation. Les coûts aidant, la solution la plus communément adoptée consiste à utiliser une unité de contrôle à microprocesseurs. Souple et adaptable à tous les problèmes, cette solution dispose de tous les outils nécessaires à son développement tant matériel (conception de circuits) que logiciel (développement de programmes en langage évolué et adaptés à la robotique).

Les tâches exigées d'une unité de contrôle sont nombreuses, variées et exécutées de manière parallèle. Les processeurs sont en général trop lents pour prendre à leur charge l'ensemble des tâches. L'architecture la plus répandue est parallèle. Plusieurs processeurs travaillent en même temps à la réalisation de la même tâche en exécutant des sous-tâches différentes, indépendantes ou liées:

Dialogue Homme/machine



Le dialogue Homme/machine (ou éventuellement machine/machine) représente le support de communication entre un opérateur et le robot. Les moyens de dialogue sont nombreux et dépendants du type de tâche.

L'environnement



Il peut paraître étonnant d'inclure l'environnement dans la constitution d'un robot. C'est pourtant lui qui définit les trajectoires à parcourir pour réaliser une tâche (sur l'environnement). Ses modifications et évolutions sont déterminées par un ensemble de capteurs qui définissent à tout instant son état (capteurs extéroceptifs).

Si l'on regarde le schéma de constitution du robot on s'aperçoit que l'ensemble est équivalent à une boucle d'asservissement:

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Ce cours a permis de décrire les différents constituants de la robotique. Chacun est repris et détaillé dans d'autres cours sauf les divers aspects de la conception mécanique.

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