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page 1 R RO OB BO OT TI IQ QU UE E ISTIA, Université Angers Jean-Louis Boimond

page 1 R RO OB BO OT TI IQ QU UE E ISTIA, Université Angers Jean-Louis Boimond La robotique peut être définie comme l'ensemble des techniques et études tendant à concevoir des systèmes mécaniques, informatiques ou mixtes, capables de se substituer à l'homme dans ses fonctions motrices, sensorielles et intellectuelles. 1 GÉNÉRALITÉS 1.1 Définitions 1.2 Constituants d'un robot 1.3 Classification des robots 1.4 Caractéristiques d'un robot 1.5 Les générations de robot 1.6 Programmation des robots 2 DEGRÉ DE LIBERTÉS - ARCHITECTURE 2.1 Positionnement d'un solide dans l'espace 2.2 Liaison 2.3 Mécanismes 2.4 Morphologie des robots manipulateurs 3 MODÈLE GÉOMÉTRIQUE D'UN ROBOT EN CHAÎNE SIMPLE 3.1 Nécessité d'un modèle 3.2 Coordonnées opérationnelles 3.3 Translation et rotation 3.4 Matrices de transformation homogène 3.5 Obtention du modèle géométrique 3.6 Paramètres de Denavit-Hartenberg modifié 3.7 Exemple 3.8 Exercice 3.9 Inversion du modèle géométrique - Méthode de Paul 3.10 Solutions multiples – Espace de travail – Aspects 4 GÉNÉRATION DE MOUVEMENT 5 DESCRIPTION PRATIQUE DU ROBOT STÄUBLI RX 90 5.1 Description générale 5.2 Mise en route du système 5.3 Mise en position initiale du bras du robot 5.4 Arrêt du système 6 MISE EN MOUVEMENT DU BRAS DU ROBOT STÄUBLI RX 90 6.1 Les modes de déplacement 6.2 Contrôle du robot à partir du pendant 6.3 Contrôle du robot à partir d’un programme page 2 7 DESCRIPTION PRATIQUE DES ROBOTS FANUC LR MATE 100 IB ET ARC MATE 100 IB 7.1 Description générale 7.2 Mise en route du système 7.3 Arrêt du système 8 MISE EN MOUVEMENT DU BRAS DES ROBOTS FANUC LR MATE 100 IB ET ARC MATE 100 IB 8.1 Les modes de déplacement 8.2 Mise en mouvement en mode manuel 8.3 Mise en mouvement en mode programme 8.4 Quelques instructions de mouvement 8.5 Entrées/Sorties 8.6 Structures algorithmiques de base 8.7 Sous-programme 8.8 Exemple de programme Bibliographies : 1) Modeling, Identification & Control of Robots, W. Khalil, E. Dombre, Hermes Penton Science 2002, 480 pages 2) Robotique. Aspects fondamentaux, J.-P. Lallemand, S. Zeghloul, Masson 1994, 312 pages 3) Modélisation et commande des robots, W. Khalil, G. Lebret, Cours EI3 Automatique de l'ECN 94/95 4) Cours de robotique, J.-L. Ferrier, DESS ASC 5) Robots. Principes et contrôle, C. Vibet, Ellipses 1987, 207 pages 6) Cours de robotique, J. Gangloff, ENSPS, http://hp2gra.u-strasbg.fr/library/teaching/robotics/ 7) Introduction to Robotics Mechanics and Control, 2th edition, John J. Craig, Addison-Wesley Publishing Company, 1989, 450 pages. 1 GÉNÉRALITÉS Pour concevoir, simuler ou commander un robot, il est nécessaire, entre autres, de disposer de modèles du mécanisme. Plusieurs niveaux de modélisation sont possibles. Ils dépendent des spécifications du cahier des charges de l'application envisagée : il en découle des modèles géométriques, cinématiques1 et dynamiques à partir desquels peuvent être engendrés les mouvements du robot, ou bien des modèles statiques qui décrivent les interactions du mécanisme avec son environnement. L'obtention de ces différents modèles n'est pas aisée, la difficulté variant selon la complexité de la cinématique de la chaîne articulée. Entrent en ligne de compte le nombre de degrés de liberté, le type des articulations mais aussi le fait que la chaîne peut être ouverte simple, arborescente ou fermée. 1.1 Définitions Le Petit Larousse définit un robot comme étant un appareil automatique capable de manipuler des objets, ou d'exécuter des opérations selon un programme fixe ou modifiable. En fait, l'image que chacun s'en fait est généralement vague, souvent un robot est défini comme un manipulateur automatique à cycles programmables. Pour "mériter" le nom de robot, un système doit posséder une certaine flexibilité, caractérisée par les propriétés suivantes : 1 cinématique : partie de la mécanique qui étudie les mouvements des corps, abstraction faite des forces qui les produisent. page 3 - La versatilité 2 : Un robot doit avoir la capacité de pouvoir exécuter une variété de tâches, ou la même tâche de différente manière ; - L'auto-adaptativité : Un robot doit pouvoir s'adapter à un environnement changeant au cours de l'exécution de ses tâches. L'Association Française de Normalisation (A.F.N.O.R.) définit un robot comme étant un système mécanique de type manipulateur commandé en position, reprogrammable, polyvalent (i.e., à usages multiples), à plusieurs degrés de liberté, capable de manipuler des matériaux, des pièces, des outils et des dispositifs spécialisés, au cours de mouvements variables et programmés pour l'exécution d'une variété de tâches. Il a souvent l'apparence d'un, ou plusieurs, bras se terminant par un poignet. Son unité de commande utilise, notamment, un dispositif de mémoire et éventuellement de perception et d'adaptation à l'environnement et aux circonstances. Ces machines polyvalentes sont généralement étudiées pour effectuer la même fonction de façon cyclique et peuvent être adaptées à d'autres fonctions sans modification permanente du matériel. Historique : 1947 : Premier manipulateur électrique téléopéré. 1954 : Premier robot programmable. 1961 : Utilisation d’un robot industriel, commercialisé par la société UNIMATION (USA), sur une chaîne de montage de General Motors. 1961 : Premier robot avec contrôle en effort. 1963 : Utilisation de la vision pour commander un robot. Pour illustrer ce cours, nous utiliserons deux robots industriels : un robot Stäubli de la gamme RX, un robot FANUC ARC (6 axes) ou LR (5 axes). Une synthèse sur le thème de la robotique est faite dans un article écrit par B. Espiau (INRIA Rhône-Alpes) et intitulé La robotique : Histoire et perspectives. Ce document est disponible sur le WEB à l'adresse http://www.inrialpes.fr/bip/Bip-2000/article-long.html. 1.2 Constituants d'un robot Vocabulaire : 2 versatilité : caractère versatile (changeant). Actionneur (moteur) Corps (segment) Base (socle) Axe (articulation) Organe terminal (outil) page 4 On distingue classiquement 4 parties principales dans un robot manipulateur : Sous le terme organe terminal, on regroupe tout dispositif destiné à manipuler des objets (dispositifs de serrage, dispositifs magnétiques, à dépression, …), ou à les transformer (outils, torche de soudage, pistolet de peinture, …). En d'autres termes, il s'agit d'une interface permettant au robot d'interagir avec son environnement. Un organe terminal peut être multi-fonctionnel, au sens où il peut être équipé de plusieurs dispositifs ayant des fonctionnalités différentes. Il peut aussi être mono-fonctionnel, mais interchangeable. Un robot, enfin, peut-être multi-bras, chacun des bras portant un organe terminal différent. On utilisera indifféremment le terme organe terminal, préhenseur, outil ou effecteur pour nommer le dispositif d'interaction fixé à l'extrémité mobile de la structure mécanique. Le système mécanique articulé (S.M.A.) est un mécanisme ayant une structure plus ou moins proche de celle du bras humain. Il permet de remplacer, ou de prolonger, son action (le terme "manipulateur" exclut implicitement les robots mobiles autonomes)3. Son rôle est d'amener l'organe terminal dans une situation (position et orientation) donnée, selon des caractéristiques de vitesse et d'accélération données. Son architecture est une chaîne cinématique de corps, généralement rigides (ou supposés comme tels), assemblés par des liaisons appelées articulations. Sa motorisation est réalisée par des actionneurs électriques, pneumatiques ou hydrauliques qui transmettent leurs mouvements aux articulations par des systèmes appropriés. Précisons la notion d'articulation : Une articulation lie deux corps successifs en limitant le nombre de degré de liberté (notion précisée au §2.2) de l'un par rapport à l'autre. Soit m le nombre de degré de liberté résultant, encore appelé mobilité de l'articulation. La mobilité d’une articulation est telle que : 6 0 ≤ ≤m . Lorsque m = 1 ; ce qui est fréquemment le cas en robotique, l'articulation est dite simple : soit rotoïde, soit prismatique. 3 Les caractéristiques propres aux robots mobiles ne sont pas prises en compte dans ce cours. La mobilité d'un robot permet notamment d'augmenter son espace de travail. actionneurs système mécanique articulé (S.M.A.) + un organe terminal (voire plusieurs) capteurs système de commande et de traitement de l'information environnement informations proprioceptives informations extéroceptives page 5 • 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 qui leur est commun. La situation relative entre les deux corps est donnée par l'angle autour de cet axe (voir la figure suivante). Figure : Symbole de l'articulation rotoïde. • Articulation prismatique : 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 (voir la figure suivante). Figure : Symbole de l'articulation prismatique. Remarque : Une articulation complexe, i.e., avec une mobilité supérieure à 1, peut toujours se ramener à une combinaison d'articulations prismatique ou rotoïde. Par exemple, une rotule est obtenue avec trois articulations rotoïdes dont les axes sont concourants. Pour être animé, le S.M.A. comporte des moteurs le plus souvent avec des transmissions (courroies crantées), l'ensemble constitue les actionneurs. Les actionneurs utilisent fréquemment des moteurs électriques à aimant permanent, à courant continu, à commande par l'induit (la tension n'est continue qu'en moyenne car en général l'alimentation est un hacheur de tension à fréquence élevée ; bien souvent la vitesse de régime élevée du moteur fait qu'il est suivi d'un réducteur, ce qui permet d'amplifier le couple moteur). On trouve de plus en uploads/Industriel/ cours-robotique.pdf