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Les actionneurs et effectueurs sont les organes du robot qui animent la structure mécanique. La maitrise de leur commande permet de faire réaliser des tâches prédéfinies par l'opérateur.
Le mouvement est imposé au robot par un ou plusieurs actionneurs par transformation d'une énergie source en énergie mécanique. La technologie des actionneurs est liée à l'énergie de base utilisée. Nous allons, au cours de ce chapitre faire un tour d'horizon des divers actionneurs employées en robotique en les classant selon l'énergie utilisée.
L'énergie pneumatique est fréquemment employés sur les manipulateurs à cycles préréglés ou "tout ou rien" pour lesquels la précision n'est pas obtenue par une boucle d'asservissement mais par des butées mécaniques.
La compressibilité des gaz rend difficile la modulation fine de la pression. Une précision de répétabilité peut néamoins atteindre ±1 mm dans des cas particuliers d'asservissement électropneumatique. Une autre utilisation fréquente concerne les effecteurs (pinces par exemple) et les outils (visseuses par exemple).
La difficulté de contrôle des mouvements et le rendement peu important sont les inconvénients majeurs des systèmes pneumatiques. Cependant certains avantages sont à considérer:
Les actionneurs constituent les systèmes de conversion d'énergie. Trois types d'actionneurs sont à considérer:
Les verins linéaires sont utilisés couramment dans les automatismes. Ils sont constitues d'un corps dans lequel se déplace une tige lors de l'admission de la pression. Plusieurs variantes sont disponibles selon le nombre d'orifices et leurs positions
Le vérin pneumatique existe sous une forme assurant la génération d'un déplacement angulaire. En général, il est constitué d'un vérin linéaire et d'un système mécanique de transformation du mouvement linéaire en mouvement angulaire: pignon-crémaillère, vis-écrou, came..
Peu de vérins incrémentaux sont réalisés en technologie pneumatique. Citons un un exemple de vérins constutués d'une tige de forme particulière (dentée) et de plusieurs pistons perpenduculaires au sens du mouvement. Les pistons sont actionnés séquentiellement selon 2 ou 3 phases. Les dentures de la tiges permettent la création d'une force tangentielle résultante de la force F créée par les pistons et de la réaction de la tige R
Contrairement aux vérins, les moteurs génèrent un mouvement rotatif dont la course n'est pas limitée. Ils sont essentiellement utilisés dans la conception des outils (visseuse, perceuse ...). Le rendement mécanique est faible, de l'ordre de 20%.
Les moteurs à pistons comportent plusieurs vérins linéaires simple effet dont les tiges sont reliées à un arbre. La distribution de la pression est effectuée séquentiellement afin de créer le mouvement rotatif. La vitesse maximale de rotation atteint 3000 tr/min.
Ils sont constitués d'une chambre circulaire dans laquelle se trouve un arbre désaxé qui comporte sur sa circonférence des palettes radiales mobiles. Le fonctionnement repose sur la variation de volume des enceintes entre les palettes pendant le mouvement. La vitesse de rotation atteint 16000 tr/mn.
Dans le moteur à engrenages ou plus généralement à profils conjugués, la pression agit sur deux pignons dont l'un entraine l'arbre moteur. Le rendement est plus faible que celui des moteurs à palettes. Sa vitesse est comprise entre 3000 et 4000 tr/min.
La distribution de l'énergie aux divers actionneurs est réalisée par des organes de commande binaire activés de manière:
Deux technologie sont employées:
Le distributeur à tiroir cylindrique ou plan déplace une tige, par différence de pression, à la manière d'un vérin. Le déplacement de la tige à pour objectif de mettre en correspondance l'alimentation de la pression avec un orifice d'utilisation.
La technologie à clapet est constituée d'un ou plusieurs clapets mobiles qui selon un ordre de commande ouvre ou ferme le circuit de pression.
Selon la position des orifices, le distributeur réalise une fonction logique.
Toutes les cellules de base sont disponibles:
L'énergie hydraulique est l'une des plus intéressantes dans le domaine de la robotique pour de multiples raisons:
Certains problèmes sont cependant à considérer:
L'énergie est générée par un groupe moto-pompe qui réalise la mise sous pression par la compression du fluide. Le stockage de l'énergie est possible par un accumulateur oléopneumatique
La famille des actionneurs hydrauliques comporte les mêmes types de vérins et moteurs que la famille pneumatique avec quelques variantes supplémentaires. Prenons quelques exemples non envore évoqués
Le transfert du mouvement mécanique est réalisé par une tige solidaire du piston qui induit une commande dissymétrique
Cet inconvénient est éliminé en prolongeant la tige des deux côtés.
Le vérin numérique est un système dont la position est obtenue par une information numérique de commande. Cette technologie assure:
Trois types de commandes numériques sont proposées:
La commande absolue d'un vérin numérique consiste en deux méthodes:
Cette figure reprsente un vérin numérique double effet à 8 positions discrètes.
La commande incrémentale est réalisée selon deux principes:
Décrivons le principe d'un vérin numérique à commande séquentielle
Le vérin est constitué d'un corps dans lequel évolue une tige munis de m gorges avec trou radial et d'un perçage axial. 4 orifices d'alimentation mur le corps assurent l'avance séquentielle de la tige. Leurs positions sont telles qu'un orifice sur les quatre est en regard avec un trou radial tandis que les autres sont fermés par la présence de la tige
Au repos, le vérin est à l'équilibre hydraulique. Dans le cas de la figure précedente, l'orifice 1 est relié à la haute pression, 3 est relié à la basse pression, 2 et 4 sont fermés. Pour effectuer un pas il faut réaliser les actions suivantes: fermer 1 et 3, relier 2 à la haute pression et 4 à la basse pression. La tige se déplace jusqu'à ce que l'orifice 4 soit fermé.
Notons que si 2 avait été relié à la basse pression, le déplacement se serait effectué dans l'autre sens. Regroupons le séquencement dans un tableau
La technologie hydraulique propose les mêmes vérins rotatifs que la technologie pneumatique. Citons les vérins à palettes dont le principe est coparable à celui des vérins linéaires. Deux types de vérins sont disponibles selon que la palette est simple ou double. Les courses sont respectivement de l'ordre de 280° et 120°. Ces systèmes très attractifs pour une utilisation en robotique, posent néanmois des problèmes d'étanchéité.
Les moteurs, déjà décrits en énergie pneumatique sont disponibles en énergie hydraulique. D'autres moteurs par contre n'ont pas d'équivalent en pneumatique.
Ce moteur est constitué par des pistons libres sur le rayon d'un rotor portant un galet à leur extrémité. Ce dernier est en contact avec le stator de forme particulière jouant le rôle de came. L'alimentation des pistons est effectuée séquentiellement de manière à générer une force tangentielle. Le moteur posséde une grande plage d'utilisation.
Comme dans le moteur précédent, le principe du moteur à pistons axiaux repose sur la création d'une force tangentielle par des pistons, parallèles à son axe de rotation, agissant sur un plateau incliné. Une autre forme du moteur est obtenue en disposant le plateau perpendiculaire à l'arbre de sortie et en inclinant l'ensemble des pistons.
Les vitesses obtenues sont de l'ordre de 3600 tr/min à 1000 tr/min pour des pressions allant de 210 à 140 bars, avec un rendement qui varie entre 70 et 80%
La servo-valve est l'organe de commande de la technologie hydraulique qui assure la modulation du débit par un courant électrique. Nous nous restreignons à la description d'un type de servo-valve. Notons cependant que plusieurs dizaines de principes différentes sont utilisés.
Le dispositif représenté sur la figure suivante constitu un servo-valve dite à buse-palette. Il comporte:
Au repos, c'est à dire lorsque les deux bobines créent un moteur couple nul, les pressions régnantes aux orifices et dans les chambres de commandes sont égales. Le tiroir distributeur est en équilibre hydrostatique et centré tel qu'il n'existe aucun débit. Une différence de courant dans les bobines crée un couple électrique qui met la palette en mouvement. Un déséquilibre existe maintenant dans les chambres de commande qui à pour effet de mettre le tiroir en mouvement jusqu'à ce que l'action des ressorts équlibre l'action des pressions. On constate que le déplacement du tiroir est proportionnel à la différence de pression créée par la différence de courant dans les bobines.
L'énergie électrique est certainement celle qui est la mieux maitrisée à l'heur actuelle. Les commandes sont aisées, précises et fiables. Des développement importants ont été effectués et les applications à la robotique sont de plus en plus nombreuses. Cette énergie n'a pas que des avantages. Le principal inconvénient réside dans le rapport puissance sur masse qui est faible. L'introduction des matériaux à base de terres rares va donner une nouvelle impulsion au développement des moteurs électriques. Malheureusement, ces matériaux ont encore un coût élevé qui freine leurs applications.
La génération de l'énergie électrique est réalisée selon de nombreux principes. Pour les robots en poste fixe, le réseau EDF fournit l'énergie nécessaire. Pour les autres (robot mobile ou sur site non desservi par le réseau), l'énergie est fournie soit par un groupe électrogène dont l'énergie de base est thermique, soit par des accumulateurs.
La robotique emploie deux types d'actionneurs électriques:
Le fonctionnement d'un moteur à courant continu repose sur la création d'une force sur des conducteurs traversés par un courant I et soumis à une induction magnétique. L'ensemble des conducteurs est disposé de manière à créer un couple qui génère une rotation autour d'un axe.
La force électromotrice est égale au produit d'un coefficient K qui dépend de paramètres de constructions, de la vitesse augulaire et du flux magnétique.
Les équations de fonctionnement d'un moteur à courant continu bobiné s'écrivent, en négligeant la réaction magnétique d'induit:
D'où:
et
Dans cette expression nous nous apercevons que la vitesse est règlable en agissant sur deux paramètres V2 et Φ. Les actions donnent lieu à deux types de commande:
Les moteurs discoïdaux sont constitués d'un disque isolant sur lequel sont collés des conducteurs perpenduculairement à l'axe de rotation. Un champ axial est généré par des aimants permanents. Le courant est transmis aux conducteurs par l'intermédiaire de balais. L'intérêt de ce moteur réside dans la faible inertie du disque qui entraine une constante de temps mécanique faible.
Le fonctionnement du moteur pas à pas diffère des moteurs précédentes par la discrétisation des positions du rotor. La distance entre deux positions consécutives est appelée pas. La commande en position nécessite la génération d'un nombre d'impulsions tout ou rien qu permet une liaison directe avec un ordinateur.
Trois principes sont utilisés dans la conception d'un moteur pas à pas:
Ces moteurs sont constitués d'un rotor à structure cylindrique ou discoïde, à aimants permanents et d'un stator bobiné. Un champ tournant est créé par une alimentation séquentielle des bobines. L'aimant s'oriente suivant le champ créé. Regardons de manière plus détaillée le principe de fonctionnement en prenant l'exemple simple d'un moteur constitué par quatre phases et un rotor à une paire de pôles.
La figure ci-dessus représente les quatre configurations possibles d'alimentation des enroulements. Le moteur pas à pas ainsi créé a un pas de 90°. Le nombre de pas est doublé si l'on admet la possibilité de pouvoir activer soit les deux circuits magnétiques soit un seul. Nous obtenons alors un fonctionnement en demi-pas.
Le sens de rotation est fonction de l'ordre d'alimentation des bobines. L'augmentation du nombre de phases et du nombre de paire de pôles permet d'atteindre des pas de 1,8°, soit 200 pas par tours.
La reluctance variable est l'équivalent de la résistance électrique. Elle se caractérise par l'opposition au passage du flux dans un circuit magnétique. Elle est définie par l'expression:
avec
e : l'entrefer
µ : la perméabilité relative
S : la surface en regard dans l'entrefer
Sous l'action d'un champ magnétique, le rotor de déplace de manière à minimiser la reluctance ou, en d'autres termes, à augmenter la surface S en regard, créant ainsi un couple.
Le moteur hybride associe la reluctance variable à une excitation par aimant permanent. Il présente l'avantage d'un fort couple et d'un nombre de pas élevés (200 à 400). D'autre part, comme le moteur à aimants permanents, il fournit un couple de détente qui maintient une position hors alimentation des bobines.
La forme du rotor est, soit cylindrique, sot discoïde, soit encore polidiscoïde. Un moteur couple polidiscoïde, réalisé par Alsthom, développe un couple de 300mN à 120 tr/min. Il est destiné à équiper le bras d'un robot en prise directe.
La rotation du moteur est le résultat d'une alimentation séquentielle des phases selon cinq méthodes:
Le séquencement est réalisé par une logique cablée ou programmée. L'alimentation des bobines est réalisée selon deux manières: soit le courant est unidirectionnel dans les phases (unipolaire), soit il est bidirectionnel (bipoliare) et la commutation s'effectue par inversion du sens du courant.
Les diodes assurent la récupération de l'énergie magnénique et limite la constante de temps.
Des circuits intégrés sont disponibles assurant les fonctions de séquencement et d'amplification (exemple: le circuit SAA1042 Motorola).
Le principe des actionneurs thermo-mécanique repose sur la modification des formes géométriques de cetrtains alliages (Ni-Ti, Cu-Zn-Al, Cu-Zn, Cu-Al, ...) portés à température. Le principe réside dans la transformation réversible martensite-austénite.
Une transformation de phase est réalisée lorsque un matériau à structure austénitique (température élevée) est refroidi. Une réorganisation de la structure cristaligne (matensite) est effectuée mais sans modification de l'aspect géométrique macroscopique.
A basse température, l'application d'une contrainte mécanique déforme un échantillon. Une transformation de phase a lieu lorsque le matériau est porté à une température supérieure à une valeur critique As (Austérinite Start) ce qui a pour conséquence de rendre à l'échelle macroscopique les caractéristiques géométriques antérieures à la déformation. De cette propriété est issue la dénomination de matériaux à mémoire de forme. La plage de température s'échelonne de 40 à 60°C environ pour le Cu-Zu-Al.
Les applications sont nombreuses dans les domaines variés comme la médecines, l'aéronautique, la connectique, ...
Dans tous les cas, le matériau est utilisé sous la forme d'un fil qui permet d'élever la température par effet Joule en le faisant traverser par un courant électrique. La contrainte est imposée sous la forme d'une traction qui présente l'avantage de faire participer le volume global du matériau à la transformation de l'actionneur.
Les problèmes d'utilisation résident essentiellement dans la constante de temps au refroidissement (quelques secondes avec radiateur), et au nombre de cycles réduits de mise sous contrainte (quelques milliers).
Les effecteurs sont les composants du robot qui forment l'interface avec l'environnement. Ils sont classés selon deux types:
Le préhenseur est un système permettant de manipuler des objets. La manipulation est un terme qui englobe les divers aspects de ralation possible entre un objet de l'organe de préhension. Nous considèrerons les relations de saisie, de maintien et de dépôt
La saisie consiste à réaliser une relation de contact mécanique maintenue durant un temps déterminé. Le préhenseur universelle n'existe pas en robotique. Le seul qui soit réellement opérationnel est la main humaine avec ses multiples degrés de liberté (et ses capteurs). Les techniques employées en robotique sont orientées vers la saisie de familles d'objets.
Le maintien du contact est obtenu selon plusieurs méthodes en considérant diverses caractéristiques des objets:
Le dépôt constitue l'opération inverse de la saisie. Selon la tâche elle est réalisée soit sans contrainte sur l'environnement, c'est à dire sans se soucier des conséquences soit en considérant des contraintes de mise en contact avec le lieu de dépôt. En assemplage, par exemple, le dépôt est réalisée en un lieu géométrique précis.
Considérons les diverses techniques de préhension:
La préhension par serrage mécanique constitue la technique la plus couramment utilisées. Elle consiste à appliquer deux ou trois forces sur l'objet de manière à éviter tout mouvement relatif par rapport au préhenseur. Les forces sont créées par deux ou trois mors (ou doigts ou mâchoires) dont la forme est liée au type d'objets à manipuler.
Les mécanismes qui activent les mors sont nombreux et actionnés, principalement par les énergies pneumatique, hydraulique et électrique. La transmission du mouvement est obtenue par:
La préhension par dépression concerne une famille d'objets ayant les caractéristiques suivantes:
La partie du préhenseur en contact avec l'objet est réalisée en matière souple (caoutchouc au silicone, polyuréthanne, ...), afin de s'adapter aux irrégularités de la planéité. La dépression est obtenue par des pompes à vides (palettes, pistions). Pour les objets légers une simple ventouse est employée fonctionnant par expulsion d'air.
La masse soulevée est une fonction de la différence entre la pression ambiante et celle règnant à l'intérieur de la coupe à vide. Nous avons
Les préhenseurs magnétiques sont constitués d'un aimant permanat ou d'un électro-aimant. Ils sont utilisés dans la manipulation d'objets ferromagnétiques.
Dans le cas de l'emploi d'un aimant permanent, il est prévu un dispositif mécanique de décrochage de l'objet. L'utilisation d'un électro-aimant est plus souple. La création du champ magnétique est commandée, ce qui permet de choisir l'objet à saisir et éventuellement d'éliminer les pièces parasites qui se sont collées au dispositif.
L'amplitude de la force magnétomotrice développée est une fonction de l'entrefer. Un interface souple entre l'objet et l'électro-aimant permet d'adapter le préhenseur à la forme de l'objet. Cet interface est constitué d'une enveloppe contenant de petites particules magnétisables. Hors alimentation, le préhenseur vient épouser la forme de l'objet. A la mise sous tension, le champ magnétique rigidifie l'ensemble avec un entrefer minimum.
Les techniques décrites ci-dessus ne sont pas applicables quelles que soient la formes et le type d'objet. Citons quelques autres techniques employées dans des cas particuliers de saisie:
Lorsque l'objet à saisir dispose d'un crochet, il est possible de s'en servir pour le soulevet.
Dans le cas de manipulations de matériaux isolants de faible masse comme les feuilles de papier ou de tissu, il est possible d'utiliser un dispositif électrostatique.
Les liquides sont manipulés à l'aide de préhenseurs ayant la forme de cuillères.
Les rubans adhésifs et dandes velcro sont appliqués dans la manipilation de pièces de tissus.
Les préhenseurs de formes plates permettent de soulever des pièces volumineuses mais de faible masse (boites de cartion par exemple).
Les terminaux d'assemblage sont constitués d'un préhenseur, en général à serrage mécanique, dont la fonction consiste à assurer le dépôt d'une pièce avec précision. Celle-ci est, dans de nombreux cas, supérieure à la résolution du robot. Il faut alors disposer d'un intérface qui absorbe les erreurs automatiquement. Cette propriété est appelée compliance passive. Les préhenseurs compliants ont suscités de nombreux travaux.
La tâche d'un robot n'est pas toujours liée à la manipulation de pièces. Des outils viennent se substituer au préhenseur dans de nombreuses applications. Un système de jonction automatique est utilisé pour permettre le changement de l'outil en cours de tâche (dispositif à encliquetage, douille à baîonnette). Citons quelques exemples d'outils employés couramment:
Ce chapitre a permis de passer en revue les composants du robot qui animent la structure mécanique (actionneurs), et ceux qui réalisent un travail par le contact direct ou indirect avec l'environnement (effecteurs). La technologie est liée à la spécificité de l'application ainsi qu'aux performances qui sont attendues.
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