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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de l’Enseignement Sup

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université de Batna Faculté Des sciences de l’Ingénieur Département d’Electronique MEMOIRE En Vue de l’Obtention du Diplôme de MAGISTER EN ELECTRONIQUE Option : Robotique Présenté par : Bechka Larbi Ingénieur d’état en électronique De l’Université de Batna Thème Commande Adaptative d’un Robot Manipulateur Flexible A Deux Degrés de Libertés Soutenu le : ……/……/2007 Devant Le jury composé de : Dr AMEDDAH Djamel-Eddine MC Université de Batna Président Dr SERAIRI Kamel MC Université de Biskra Examinateur Dr ABDESSEMED Yassine CC Université de Batna Rapporteur Dr KHIREDDINE Mohamed Salah CC Université de Batna Examinateur I Remerciements En premier lieu, je remercie dieu de m’avoir donné la force et la volonté pour achever ce travail ensuite mon professeur Dr ABDESSEMED Yassine pour son savoir, ses conseils et ses directives durant toutes les étapes de ce travail . En second lieu Je remercie messieurs : Dr AMMEDAH Djamel-eddine, Dr SERAIRI Kamel et Dr KHIREDDINE Mohamed Salah d’avoir acceptés d’être membres du jury. Enfin, je remercie toutes les personnes de prés ou de loin qui m’ont aidé à finir ce travail . II SOMMAIRE I Introduction générale I.1 Introduction……………………………………………………………………..1 I.2 problématique…………………………………………………………………...2 I.3 présentation du mémoire………………………………………………………..3 II Les robots manipulateurs II.1 Introduction…………………………………………………………………….4 II.2 Modélisation des robots manipulateurs………………………………………...6 II.2.1 Modèle cinématique……………………………………………………...6 II.2.2 Modèle dynamique……………………………………………………….9 II.3 Commande des bras manipulateurs…………………………………………….13 II.3.1 Méthode de la commande par couple calculé……………………………13 II.3.2 Méthode de la commande P.D…………………………………………...15 II.4 Conclusion……………………………………………………………………....16 III Modélisation du système III.1 Modélisation cinématique……………………………………………………..17 III.2 Modélisation dynamique………………………………………………………19 III.2.1 L’énergie cinétique..……………………………………………………...20 III.2.2 L’énergie cinétique..……………………………………………………...20 III.3 Forme des modes assumés……………………………………………………..21 III.4 Forme approchée des équations du mouvement……………………………….23 III.5 Modèle dynamique explicite du bras flexible………………………………….25 III.6 Conclusion……………………………………………………………………...31 III IV Les réseaux de neurones artificiels IV.1 Introduction……………………………………………………………………..32 IV.1.1 Les neurones naturels……………………………………………………...32 IV.1.2 Les neurones artificiels…………………………………………………….32 IV.2 Architecture du perceptron multicouches……………………………………….33 IV.2.1 Modèle d’un neurone……………………………………………………….33 IV.2.2 Réseaux à couche unique…………………………………………………...34 IV.2.3 Réseaux multicouches………………………………………………………35 IV.3 L’apprentissage des réseaux de neurones………………………………………..36 IV.3.1 L’apprentissage supervisé……..…………………………………………….36 IV.3.2 L’apprentissage non supervisé.……………………………………………...36 IV.3.3 Normalisation des entrées et sorties…………………………………………36 IV.3.4 Entraînement des réseaux multicouches..……………………………………37 IV.4 Application des réseaux de neurones dans les systèmes de contrôle…………….39 IV.4.1 Les approximateurs de fonctions…………………………………………….39 IV.5 Conclusion………………………………………………………………………..40 V La commande d’un bras flexible V.1 Introduction………………………………………………………………………..41 V.2 Commandes des bras flexibles…………………………………………………….41 V.2.1 Commande articulaire………………………………………………………...41 V.2.2 Commande par redéfinition de sortie………………………………………....43 V.2.3 Commande par planification de trajectoire…...………………………………44 V.3 Résultats de simulations…………………………………………………………...44 V.4 Commentaires……………………………………………………………………...74 V.5 Conclusion…………………………………………………………………………75 IV VI Conclusion générale V.1 Conclusions………………………………………………………………………...76 V.2 Propositions futures………………………………………………………………...77 Références bibliographiques………………………………………………………………..78 Annexe A…………………………………………………………………………………….i Annexe B……………………………………………………………………………………vii Chapitre 1 Introduction Générale 1 INTRODUCTION GENERALE I.1 Introduction Les robots manipulateurs sont actuellement d’une très large utilisation dans les applications industrielles et spatiales. Ils sont d’une importance majeure, surtout dans les travaux dangereux, fastidieux et monotones [15]. En 1979 l’institut américain de robotique a donné une définition pour un robot manipulateur: ‘‘ Un manipulateur multi-fonctionnel reprogrammable conçu pour déplacer des matériaux, des pièces, des outils ou des appareils spécialisés et ceci à travers des mouvements programmables et variés pour la performance d’une variété de tâches ’’ [16]. Ces manipulateurs sont composés de liaisons rigides interconnectées par le moyen d’articulations, et un organe effecteur se trouvant à l’extrémité de la dernière liaison. Le mouvement de ces liaisons est assuré par des actionneurs et l’état du manipulateur est donné par des mesures issues des capteurs . Le mouvement désiré du manipulateur est achevé en utilisant un système de contrôle qui fournit des commandes aux actionneurs des articulations dépendant sur la méthodologie de commande implémentée. La plupart de ces robots manipulateurs ont été conçus d’une manière à maximiser leur raideurs ainsi donc augmenter leur rigidités, afin de minimiser les vibrations de l’organe effecteur pour achever son bon positionnement. Ceci est obtenu en choisissant un matériau lourd pour la conception de manipulateur [17]. Cependant leur capacité de port des charges est seulement cinq à dix pour cent de leur propre poids. Vu leur dimensions relativement énormes, ces manipulateurs nécessitent des grands actionneurs et par conséquent une grande consommation d’énergie et une vitesse d’opération qui est généralement lente. Le nombre des applications de ces manipulateurs a augmenté notamment lors de ces dernières années, par exemple les applications dans l’espace nécessitent les mêmes manipulateurs mais avec des poids légers les rendants ainsi des manipulateurs à liaisons flexibles. Les avantages des manipulateurs à liaisons flexibles sont : - Augmentation de la capacité de port des charges, le rapport acceptable du poids de la charge par rapport au poids du robot est augmenté. Chapitre 1 Introduction Générale 2 - Diminution dans la consommation de l’énergie, puisque les manipulateurs à poids légers nécessitent seulement des petits actionneurs qui ont une faible consommation d’énergie. - Un coût moindre, les robots flexibles ne demandent pas beaucoup de matériaux pour leur fabrication, en plus des petits actionneurs sont utilisés (donc le coût est moindre). - Ils possèdent des mouvements rapides puisque les liaisons flexibles supportent bien les grandes accélérations. - La sécurité des tâches est meilleure durant les opérations, à cause de la faible inertie que présentent les manipulateurs flexibles : les dommages pouvant avoir lieu lors d’une interaction physique entre le manipulateur et l’environnement sont réduits. A coté de ces avantages on retrouve aussi des inconvénients en utilisant les robots flexibles tels que : - Les effets non-linéaires très forts qui sont dus à la friction au niveau des articulations. - Les interactions non-linéaires et les couplages, avec la flexibilité des liaisons . - La diminution de la performance des manipulateurs en termes de précision, vibrations et/ou l’interaction avec l’environnement du travail . Dans le but de minimiser les effets de la flexibilité des liaisons et d’exploiter les avantages maximums fournis par les manipulateurs flexibles, on a besoin d’un modèle dynamique complet, précis et réel afin de l’utiliser dans la commande . En pratique un modèle convenable est très utilisé dans le développement des méthodologies de commande des manipulateurs et aussi bien pour des objectifs de simulations. I.2 Problématique Dans cette partie on cite les objectifs de ce travail qui s’intéresse à : 1) l’élaboration du modèle d’un bras flexible à deux degrés de libertés à travers la mise en forme des équations mathématiques régissant la mouvement de ce bras. Pour ceci on est amené à prendre en considération les suppositions suivantes : Supposition 1 Le bras est composé de lames minces avec des caractéristiques géométriques uniformes et une distribution de masse homogène . Supposition 2 Le bras est élastique dans la direction latérale présentant une raideur par rapport aux forces axiales, le mouvement de torsion, les forces de flexion dues à la gravité, cependant seulement les déformations élastiques sont présentes . Supposition 3 Chapitre 1 Introduction Générale 3 Les déformations non linéaires tels que les frottements internes et les perturbations internes sont négligeables . 2) implémentation des équations du modèle du bras manipulateur à travers le logiciel Matlab- Simulink . 3) recherche des commandes permettant le contrôle en position du bras manipulateur et leur implémentation à travers Matlab-Simulink . I.3 Présentation du mémoire Ce mémoire se compose de quatre chapitres : Le premier chapitre donne un aperçu sur les bras manipulateurs rigides, leurs modélisations et quelques commandes employées dans le contrôle de ces robots. Le deuxième chapitre consiste en une élaboration des modélisations cinématiques et dynamiques des robots à liaisons flexibles. Le troisième chapitre donne une revue générale sur les réseaux de neurones ainsi que leur application dans la commande des processus industriels. Enfin Le quatrième chapitre est consacré à l’étude des méthodes de commandes implémentées pour le positionnement du bras flexible et ainsi que les résultats de simulations obtenues. Finalement ce mémoire est clôturé par une conclusion générale sur le travail de recherche élaboré, ainsi que nous donnons quelques suggestions pour des études de recherches futures permettant l’amélioration de la commande en position des robots flexibles. Chapitre II Les robots manipulateurs 4 LES ROBOTS MANIPULATEURS II.1 Introduction Depuis quelques décennies, la recherche dans la robotique s’est concentrée presque entièrement sur la commande des robots manipulateurs. Récemment le besoin pour des manipulations complexes et l’évolution des dispositifs tels que les effecteurs à plusieurs doigts et les plates-formes à plusieurs pieds a engendré un large domaine de recherche dans l’étude des systèmes robotiques. Cependant la pièce maîtresse de ces systèmes est le robot manipulateur. Un robot manipulateur se compose de plusieurs liaisons connectées par des articulations pour former un bras. On peut retrouver deux formes de manipulateurs en fonction de la manière dont les liaisons sont connectées : une forme sérielle et une autre parallèle [11]. liaisons un bras plan à trois liaisons plate forme Stewart à six pieds liaisons sérielles liaisons parallèles Figure 2.1 : Manipulateurs à liaisons sérielles et parallèles La plupart des robots utilisés actuellement sont des robots ayant des liaisons connectées sériellement . Les robots manipulateurs sériels, dans leur formes de base, sont des chaînes cinématiques ouvertes composées de liaisons rigides ou flexibles connectées par des articulations : ces robots peuvent se déplacer circulairement dans l’espace par des mouvements générés par des articulations commandées par les actionneurs. Typiquement chaque articulation possède un degré de liberté et elle est de type uploads/Ingenierie_Lourd/ commande-adaptative-d-x27-un-robot-manipulateur-flexible.pdf