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الجمهورية الجزائرية الديمقراطية الشعبية République Algérienne Démocratique et P

الجمهورية الجزائرية الديمقراطية الشعبية République Algérienne Démocratique et Populaire وزارة التعليم العالي والبحث العلمي Ministère de l’enseignement Supérieur et de la Recherche scientifique Université Mohamed Khider Biskra Faculté des Sciences et de la Technologie Département de Génie Electrique Filière : Electronique Option : Microélectronique et Hyper fréquence Réf: … Mémoire de Fin d'Etudes En vue de l’obtention du diplôme : MASTER Présenté par : HEDDOUCHE Kamel Soutenu le : 03 Juin 2014 Devant le jury composé de : Mr KAHOUL Nadhir M.A.A Président Mr HEZABRA Adel M.A.A Examinateur Mr RAHMANI Nacer Eddine M.A.A Rapporteur Année universitaire : 2013 / 2014 Thème Etude et conception d’un Robot marchant الجمهورية الجزائرية الديمقراطية الشعبية République Algérienne Démocratique et Populaire وزارة التعليم العالي والبحث العلمي Ministère de l’enseignement Supérieur et de la recherche scientifique Université Mohamed Khider Biskra Faculté des Sciences et de la Technologie Département de Génie Electrique Filière : Electronique Option : Microélectronique et Hyper fréquence Mémoire de Fin d'Etudes En vue de l’obtention du diplôme : MASTER Etude et conception d’un Robot marchant Présenté par : Avis favorable de l’encadreur : - HEDDOUCHE Kamel - RAHMANI Nacer Eddine . Avis favorable du Président du Jury -KAHOUL Nadhir . Cachet et signature Thème الجمهورية الجزائرية الديمقراطية الشعبية République Algérienne Démocratique et Populaire وزارة التعليم العالي والبحث العلمي Ministère de l’enseignement Supérieur et de la Recherche scientifique Université Mohamed Khider Biskra Faculté des Sciences et de la Technologie Département de Génie Electrique Filière : Electronique Option : Microélectronique et Hyper fréquence Etude et conception d’un Robot marchant Proposé par : RAHMANI Nacer Eddine Dirigé par : RAHMANI Nacer Eddine Thème Dédicaces C’est avec une grande émotion, Je dédier ce modeste travail de fin d’étude aux êtres les plus chères ; La prunelle de mes yeux mes parents : Alkhamsa et Khalifa À mes chers grands parents : Messaouda et Mebarek. À mes chers frères : Hamza et Walid. À mes oncles maternels : Saïd, Tahar, Farouk, et petit oncle Kada. À mes tantes ; Hadda ; Rachida, Djamila et Hamida. Ainsi à mon cousin et frère : Lakhdar et sa famille. Je dédie aussi à toute la famille Heddouche. Sans oublier mes chères amies : Aboud Bekhocha et Ilyes Barbari. A tous ceux qui m’ont aidé de près ou de loin pour la réalisation de ce travail. Remerciements Au terme de ce modeste travail, nous tenons à remercier et glorifier en premier lieu, notre Allah le tout puissant et miséricordieuses pour nous avoir donné la patience et la volonté durant le cursus universitaire. Mes vifs remerciements vont également à mon promoteur : Rahmani Nacer Eddine ; Qui m’a encadré d’une manière exemplaire, pour son aide, sa patience, son appui et ses conseils tout à la file de cette tâche, qu’il soit assuré de ma reconnaissance et de mes sentiments les plus respectueux. Mes vifs remerciements vont également à tous les enseignants du département de Génie Electrique. Nous remercions vivement aussi : - Mokrani Faisel ingénieur de travaux hydrauliques - Bekhocha Hamza étudient à l’université de Blida - Barbari Ilyes étudient génie civil à l’université de Biskra - Wafi Heddouche étudient gestion d’économie à l’université de Biskra En fin, je remercie tous ceux qui m’ont apporté de l’aide dans la réalisation de ce modeste travail. SOMMAIRE INTRODUCTION GENERALE……………………………………………………………….. 1 CHAPITRE 1 GENERALITES SUR LA ROBOTIQUE 1. INTRODUCTION ………………………………………………………………………….. 2 2. HISTORIQUE…………………………………………………………..…………………… 3 3. DEFINITION………………………………………………………………………………... 5 3.1 Origine des termes ………………………………………………………………………… 5 3.2 Définition d'un robot ………………….…………………………………………………… 5 4. TYPES DES ROBOTS ……………………………………………………………………… 5 4.1 Robots manipulateurs ……………………………………………………………...………. 6 4.1.1 La structure mécanique et la motricité…………………………………………………… 7 4.1.1.1 Les robots sériels…………………………...…………………………………………... 7 4.1.1.2 Les robots parallèles …………………………………………………………………… 8 4.1.1.3 Deux générations de robots parallèles………………………………………………….. 7 4.1.2 Domaines d'application ………………………………………………………………….. 9 4.2 Robots mobiles ……………..………………………………………………………….….. 10 4.2.1 Classification …………………………………………………………………………….. 10 4.2.2 Applications…………………………………………………………………………......... 11 4.2.3 Architecture des robots mobiles…………………………………………………………... 12 4.2.3.1 La structure mécanique et la motricité …………………………………………………. 12 4.2.3.1.1 Les mobiles à roués…………………………………………………………………… 12 4.2.3.1.2 Les mobiles à chenilles ………………………………………………………… ……. 12 4.2.3.1.3 Les mobiles marcheurs ………………………………………………………………. 13 4.2.3.1.4 Les robots rampants …………………………………………………………………. 13 4.2.3.2 La motricité et l’énergie…………………………………………………..……………. 13 4.2.3.3 Les organes de sécurité ……………………………………………………………….… 14 4.2.3.4 Traitement des informations et gestion des taches ……………………………………… 15 4.2.3.5 La navigation……………………………………………………………...…………….. 15 4.2.3.6 La modélisation de l’environnement ………………………………………………….... 16 4.2.3.7 La planification de trajectoire …………………………………………………............ 16 5. CONCLUSION ……………………………………………………………………………. 17 CHAPITRE 2 LES ROBOTS MARCHEURS BIPEDES 1. INTRODUCTION …………………………………………………………………………. 18 2. LA MARCHE BIPEDE HUMAINE……………..…………………………………… …… 18 2.1 Concepts et facteurs de la marche humaine……………………………………………….. 19 2.2 Paramètres de la marche humaine…………………………………………………………. 19 2.3 Polygone de sustentation………………………………………………………………….. 22 2.4 Anthropométrie……………………………………………………………………………. 22 3. LA MARCHE BIPEDE ROBOTIQUE……………………………………………………. 13 3.1 Principes de la marche robotique bipède………………………………………………….. 24 3.2 Degrés de liberté nécessaires à la marche…………………………………………………. 25 4. LES MODES DE LA MARCHE ROBOTIQUE…………………………………………… 26 4.1 La marche statique ……………………………………………………………………….... 26 4.2 La marche dynamique……………………………………………………………………… 27 5. QUELQUES EXEMPLES DE CINEMATIQUES DES ARTICULATIONS……………... 33 5.1 Cinématique du genou en robotique humanoïde…………………………………………… 33 5.2 Autres cinématiques intéressantes………………………………………………………….. 37 6. Conclusion…………………………………………………………………………………… 38 CHAPITRE 3 LA CONCEPTION MECANIQUE DU ROBOT 1. INTRODUCTION ………………………………………………………………………….. 39 2. ÉLEMENTS DE CONCEPTION DU ROBOT ………………………………………..…… 39 2.1 Éléments de choix de la motorisation……………………………………………….……... 39 2.2 Éléments de choix des transmissions……………………………………………..………… 40 3. ETUDE DE LA CONCEPTION DU ROBOT…………………………………………..….. 41 3.1 Présentation la cinématique du robot bipède ……………….……………………………… 41 3.2 Observations cinématiques……………………………………………………………….… 42 3.3 Le cycle de marche du robot………………………………………………………………... 44 4. LA CONCEPTION 3D DU ROBOT………………………………………………………… 49 4.1 Présentation d’Autodesk 123D Design……………………………………………..………. 49 4.2 Conception des pièces………………………………………………………………………. 50 4.3 L’assemblage………………………………………………………………………………… 51 5. CONCLUSION…………………………………………………………………………...….. 52 CHAPITRE 4 LA CONCEPTION ELECTRONIQUE ET INFORMATIQUE DU ROBOT 1. INTRODUCTION …………………………………………………………………………… 53 2. STRUCTURE GENERALE DU ROBOT…………………………………………………… 53 3. LES ELEMENTS ELECTRONIQUES ……………………………………………………... 54 3.1 Carte alimentation ………………………………………………………………………….. 54 3.1.1 Les régulateurs……………………………………………………………………………. 55 3.2 Commutateur de puissance ULN2803 ……………………………………………………… 55 3.3 Les Moteurs pas à pas unipolaire……………………………………………………………. 57 3.3.1 Fonctionnement d’un moteur pas à pas …………………………………..………………. 57 3.4 Les capteurs ………………………………………………………………………………… 58 3.4.1 Capteur ultrason FESTO177469 ……………………………………………….………… 58 3.4.2Capteur Micro Switch …………………………………………………………………….. 60 3.5 Microcontrôleur :………………………………………………………………...…………. 60 3.5.1 L’horloge…………………………………………………………………………………. 62 4. STRUCTURE GENERALE DE LA CARTE DE COMMANDE………………………….. 64 4.1 Électronique de commande motrice ……………………………………………………….. 64 4.2 Caractéristique et brochage des capteurs…………………………………………………… 67 4.2.1 Brochage de capteur ultrason FESTO177469 …………………………………………… 67 4.2.2 Brochage de Capteur Micro Switch………………………………………………...…… 68 4.2.3 Perspective d'utilisation des capteurs sous le robot………………………………………. 69 5. PROGRAMMATION DU PIC16F877………………………………………………….….. 69 5.1 Présentation de l’environnement de travail sous MikroC………………………………….. 69 5.1.1 Editeur de code …………………………………………………………………………... 69 5.1.2 Outils intégrés…………………………………………………………………….………. 70 5.2 Les étapes de l'assistant de projet………………………………………………………….. 71 5.3 Ecriture du programme…………………………………………………………………..…. 73 5.3.1 Choix de l’architecture…………………………………………………………………… 73 5.4 Affectation des entrées/sorties du robot aux broches du PIC 16F877……………………… 74 5.5 Description du programme et des fonctions ……………………………………………….. 75 5.5.1 Programme pour commander les moteurs………………………………………………… 75 5.5.2 Programme de convertisseur analogique/numérique …………………………….………. 76 6. CONCLUSION ……………………………………………………………………………… 78 CHAPITRE 5 SIMULATION DE CIRCUIT DE COMMANDE 1. INTRODUCTION………………………………………………………………….……….. 79 2. PRESENTATION GENERALE DE PROTEUS ISIS………………………………...……… 79 2.1 Lancement du module ISIS ……………………………………………………………...…. 79 3. ETAPES DE DEVELOPPEMENT D’UN PROGRAMM………………………………..…. 81 4 SIMULATION DU PROGRAMME:………………………………………………………… 82 4.1 Teste des périphériques qui entoure le PIC ………………………………………..……….. 84 4.1.1 Simulation du capteur ultrason FESTO177469………………………………..….……… 84 4.1.2 Pilotage du moteur pas à pas ………………………………………………..….………… 85 4.1.3 Visualisation des signaux de commande ………………………………………………… 86 5. CONCEPTION DE CIRCUITS IMPRIMES……………………………………………….. 89 5.1 Connexion des composants :……………………………………………………………….. 89 5.2 Circuit imprimée …………………………………………………………………………… 91 6. L’OUTIL DE VISUALISATION EN 3D ………………………………..…………………. 93 7. Conclusion …………………………………………………………………………………... 94 CONCLUSION GENERALE……………………………………………………………………. 95 Bibliographie Annexe A : Dessins mécaniques Annexe B : Feuilles de spécifications des pièces LISTE DES TABLEAUX Tableau 1-1 : Applications des robots mobiles………………………………………………….. 11 Tableau 3-1 : Correspondance Moteur et Articulation.…………………………………………. 39 Tableau 3-2: Caractéristique des moteurs……………………………………………………..… 39 Tableau 3-3: Masse de chaque corps du robot…………………………………………………... 42 Tableau 3-4: la position d’éléments du robot……………………………………………………. 46 Tableau 3-5: Couple nécessaire des moteurs……………………………………………….......... 49 Tableau 4-1: l’état de fonctionnement du circuit ULN2803………………………………...…... 56 Tableau 4-2 : Cycle de rotation du moteur pas à pas…………………………………………….. 64 Tableau 5-1 : les états successifs des différentes étapes d’un cycle…………………...………… 87 LISTE DES FIGURES Figure 1-1 : Structure générale d’un robot industriel…………………………………………………… 6 Figure 1-2 : Le robot IRB 7600-150 (ABB, photo et graphe d’agencement)…………………………… 7 Figure 1-3 : Le robot Hexamove-System…………………………………………………………….…. 8 Figure 1-4 : Le robot FlexPicker (ABB)……………………………………………………………….. 9 Figure 1-5 : Architecture d’un robot mobile……………………………………………………………. 12 Figure 1-6 : Synoptique de la sécurité…………………………………………………………………... 14 Figure 1-7 : Navigation de robot mobile en environnement encombré…………………………………. 16 Figure 2-1 : Décomposition d'un cycle de marche humain…………………………………………….. 20 Figure. 2-2 : Plans principaux dans lesquels les mouvements prennent lieu…………………………… 21 Figure. 2-3: Débattement du centre de gravité pendant la marche……………………………………… 22 Figure 2-4 : Polygone de sustentation…………………………………………………………………... 22 Figure 2-5 : Longueurs des segments du corps exprimées en fraction de la hauteur H………………… 23 Figure 2-6 : Structure simple d'un robot bipède………………………………………………………… 23 Figure 2-7 : Séquence des phases dans la marche…………………………………………………...….. 25 Figure 2-8 : Séquence des phases dans la course……………………………………………………….. 25 Figure 2-9 : Marche statique quadrupède……………………………………………………………….. 26 Figure 2-10: Marche statique bipède, vue de dessus …………………………………………………… 27 Figure 2-11 : Marche statique bipède (vue dans le plan sagittal)……………………………………….. 27 Figure 2-12 : Marche dynamique uploads/Science et Technologie/ these-robotique-pdf.pdf