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Ti 660 42398 Robotique Robotique Réf. Internet : 42398 Actualisation permanente sur www.techniques-ingenieur.fr Techniques de l'Ingénieur ÉLECTRONIQUE - AUTOMATIQUE

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SOMMAIRE

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INNOVATION

© Techniques de l’Ingénieur03 - 2005 IN 28 - 1

Dispositif de caractérisation mécanique pour la microrobotiquepar Mehdi BOUKALLEL Emmanuel PIAT et Joël ABADIE

En microrobotique, la mesure de forces issue du monde des objets micromé-triques constitue une problématique scientifique à forte dominante. En raisondes échelles de travail considérées ainsi que des résolutions de mesureattendues, la conception et la réalisation de capteur de forces performants seheurte à plusieurs difficultés. Solutionner ces problèmes en proposant denouveaux concepts de réalisation constitue l’un des enjeux actuels du micro-roboticien.

1. Présentation générale

La microrobotique est une thématique de recher-che pluridisciplinaire faisant notamment appel auxsciences de l’automatique, de la thermodynamique,de la magnétostatique, de la mécanique des milieuxcontinus, des microtechniques, de l’intelligence arti-ficielle. La microrobotique a été initiée au départprincipalement au Japon et aux États-Unis d’Améri-que. Par sa nature pluridisciplinaire, la microroboti-que ouvre le champ à des applications que larobotique conventionnelle n’avait probablement pasexplorées auparavant [1]. La microrobotique estune discipline dont l’objectif est de concevoir, réa-liser et commander des systèmes robotiques agis-sant dans le micromonde. Le fruit de cettedémarche est appelé microrobot. Beaucoup d’idéesreçues tendent à faire penser qu’un microrobot n’esten réalité qu’un robot conventionnel dont on aréduit les dimensions. Plusieurs contraintes, tellesque les contraintes cinématique et mécanique, fontque les lois de comportements à l’échelle macrosco-pique ne sont qu’en partie applicables lors de la

conception d’un microrobot. Ainsi, le plus souvent,la diminution de la taille n’est pas une approche per-tinente pour la conception d’un microrobot. Lesinteractions entre les objets dans le micromondesont régies par les lois de la « micro-physique ». Ceterme peut laisser penser que les lois qui régissentle comportement des corps dans le micromondesont différentes de celles du macromonde. En réa-lité ce n’est pas le cas et la différence provient dufait que des forces, totalement négligeables àl’échelle macroscopique, deviennent prépondéran-tes du fait de la taille réduite des objets. Les effetsde surface jouent alors un rôle plus important queles effets de volume. Dans la vie courante, un bonnombre d’exemples attestent de l’influence desforces surfaciques dans le micromonde.

Dans le contexte de la microrobotique, la mesured’informations issues du monde des objets micromé-triques est une problématique importante. Du fait dufacteur d’échelle, le comportement dynamique desmicro-objets n’est plus gouverné par leur masse,mais par les effets de surface qui correspondent auxforces d’adhésion (tension de surface, forces élec-

Mehdi BOUKALLEL : Ingénieur en électro-nique et automatique, Docteur de l’Université deFranche-Comté[email protected]

Emmanuel PIAT : Ingénieur en informatique,Docteur de l’Université de Technologie deCompiègne

Maître de conférences à l’ENSMM, BesançonJoël ABADIE : Ingénieur en automatique et

robotique, Docteur de l’Université de Franche-Comté

Ingénieur de recherche, CNRS

Exemples

1. Le plus flagrant est le moustique qui peut res-ter accroché au plafond. Cela est possible dès lorsque les forces d’adhésion (forces surfaciques) entreles pattes de l’insecte et le plafond sont suffisam-ment importantes pour compenser son propre poids(force volumique).

2. L’humain qui tente de saisir un objet de petitetaille (telle qu’une épingle) : très souvent, et demanière inconsciente d’ailleurs, il humecte sondoigt pour saisir l’objet en question plus facilementen exploitant l’adhésion par tension de surface. Enprocédant ainsi, il augmente les forces d’adhésionentre l’épingle et son doigt [2].

Micromonde : envi-ronnement où évoluent des objets dont la taille varie entre 1 µm et 1 mm.

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03 - 2005IN 28 - 2 © Techniques de l’Ingénieur

trostatiques...). La dynamique d’un tel environne-ment micrométrique diffère donc totalement de celledu monde métrique habituel. Qui plus est, ces forcesd’adhésion sont, dans le cas général, dépendantes dutype de milieu (milieu sec ou milieu liquide), varia-bles dans le temps (modification des conditionsd’environnement, d’humidité, de température, etc.)et dans l’espace (types de matériaux en contact,géométrie et rugosité locales). Dans ces conditions,la compréhension et la prédiction du comportementdynamique des micro-objets nécessitent, au mini-mum, d’une part la connaissance de leurs positionsdans le micromonde et d’autre part la connaissancede l’amplitude et du gradient des forces qui s’exer-cent sur eux. Ce n’est que grâce à ce type d’informa-tion que l’on pourra à terme garantir le succès d’unetâche en microrobotique. Dans cette optique, nousavons développé un nouveau type de capteur demicro- et nanoforces. Ce capteur repose sur le prin-cipe de la lévitation passive diamagnétique à tempé-rature ambiante. Il permet de sustenter uniquementdes objets de très faible masse (typiquement quel-ques dizaines de milligrammes), ce qui le rend« compatible » avec l’univers des micro-objets. Lalévitation diamagnétique possède un atoutsupplémentaire : elle est naturellement stable. Onparle alors de lévitation passive. Ce point est fonda-mental en microrobotique, car il signifie qu’on pourrafaire l’économie de capteurs habituellementnécessaires pour asservir en position l’objet quilévite. Ce point se traduira par une simplification enterme de complexité d’intégration et une diminutionen terme de coût. Ces caractéristiques constituentl’un des enjeux actuels en microrobotique.

Dans un contexte plus large que la mesure de for-ces, la lévitation est un phénomène physique qui sem-ble avoir beaucoup de potentialités en microrobotique.Le principal atout de la lévitation réside dans la sup-pression des frottements secs. Comme ces dernierssont difficilement prédictibles, ils font partie des phé-nomènes physiques qui réduisent les performances decertains types de microrobots tels que par exemple lemicropousseur de cellules biologiques développé auLaboratoire d’Automatique de Besançon (LAB) [3].Ainsi, la conséquence première des frottements secsest la diminution de la répétabilité et de la résolutionde positionnement des microrobots.

2. Lévitation passive d’aimantspermanents : lévitation diamagnétique

Sur un plan pratique, si on considère l’expériencequi consiste à suspendre un aimant permanent dansun champ magnétique créé par un second aimant, ons’apercevra très vite que cela est impossible. Sur unplan théorique, Earnshaw [4] en 1842 a démontréqu’il n’est pas possible d’obtenir un point d’équilibrestable avec une configuration constituée d’élémentsqui interagissent avec des forces proportionnelle-ment inverses au carré de la distance. Les forcesmagnétiques produites par les aimants ont juste-ment cette propriété. Il démontra également que leseul cas de figure permettant d’obtenir un pointd’équilibre stable en gardant la même configurationest d’utiliser des matériaux avec une perméabilitérelative µr inférieure à l’unité. Dès lors que les maté-

riaux diamagnétiques font partie de cette classe, lalévitation passive d’aimants permanents dansun champ magnétostatique devient possible. Lespropriétés des matériaux diamagnétiques font quelorsque ces derniers sont soumis à un champ magné-tique extérieur, ils réagissent en créant un champmagnétique contraire. Par conséquent, une forcerépulsive est produite et ce quelle que soit la direc-tion du champ extérieur appliqué [5].

Il existe communément trois configurations per-mettant de réaliser la lévitation d’aimants perma-nents à l’aide de matériaux diamagnétiques(figure 1). Dans chacune des configurations possi-bles, le matériau diamagnétique joue le rôle d’unagent répulsif dans le champ magnétique généré parl’aimant en lévitation M2. Le matériau diamagnéti-que, étant fixe, exerce alors une force contraire ausens de déplacement de l’aimant M2. Le module decette force augmente à mesure que M2 se rapprochedu matériau diamagnétique.

L’intensité de la force de répulsion exercée varie enfonction de deux paramètres :

— l’intensité du champ magnétique appliqué ;

— la nature du matériau diamagnétique utilisé.

Le second paramètre est quantifié à l’aide de lavaleur de la susceptibilité diamagnétique χm dumatériau :

µr = 1 + χm

Le tableau 1 présente la valeur de χm pour certainsmatériaux diamagnétiques. Plus la valeur de χm estproche de − 1 plus le phénomène diamagnétique estaccentué.

Par conséquent, la force de répulsion induite aug-mente, lorsqu’un champ magnétique extérieur estappliqué, si χm approche de − 1.

3. Description du dispositif de mesure de forces

Le dispositif de mesure de forces, appelé capteurde micro- et nanoforces, se présente sous la formed’une tige qui est mise en lévitation par les procédésdécrits au paragraphe 2. Cela est rendu possible parle biais de deux modules de sustentation identiques(appelés L1 et L2). Chaque module de sustentationest constitué de deux aimants porteurs (appelés M1),de deux plaques d’un matériau diamagnétique (gra-phite) et d’un aimant permanent appelé M2(figure 2). Les aimants porteurs, sont disposés demanière à ce que leurs pôles nord et sud soientinversés (figure 2). L’aimant M2, aimanté suivantson épaisseur, est placé à mi-distance entre lesaimants porteurs dans le champ d’induction magné-tique produit par ces derniers (figure 3). Le matériaudiamagnétique, disposé de part et d’autre de M1,sert à contrer l’instabilité produite suivant ladirection x par les forces d’interaction magnétiquedues entre les aimants M1 et M2. Enfin, les deuxaimants M2 de chaque module de sustentation sontsolidarisés par l’intermédiaire d’une tige tubulaire enverre de faible section (figure 4).

Dans les Techniques de l’Ingénieur : Bio-micromanipulation par poussée [IN 17] de M. Gauthier et E. Piat.

Dans les Techniques de l’Ingénieur : Aimants permanents. Matériaux et applica-tions [D 2 100] de F. Leprince-Ringuet.

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Préhension en robotique

par Philippe BIDAUDProfesseur à l’Université Pierre-et-Marie-Curie, Paris VI

a main chez l’homme constitue l’effecteur du membre supérieur. C’est« l’instrument des instruments », doté d’une très grande richesse fonction-

nelle due à son architecture, à la mobilité de ses différents éléments, au grandnombre de muscles moteurs, à ses récepteurs sensoriels extrêmement sensibleset au couple indissociable qu’elle forme avec le cerveau. La main de l’hommepossède une structure parfaitement logique et optimisée relativement aux dif-férentes fonctions pour lesquelles on l’utilise.

La fonction préhension est l’une des fonctions les plus complexes à réaliserpar un système robotisé. Elle suppose l’utilisation des systèmes mécaniquescommandés, adaptés à la saisie des objets et aux actions désirées. L’intégrationde capteurs au préhenseur s’avère nécessaire pour de multiples raisons commeen particulier : la localisation des surfaces de saisie des objets, la déterminationde la configuration de la prise, le contrôle de l’effort de saisie et plus largementle contrôle des actions réalisées par le préhenseur.

La commande de ces systèmes doit permettre, à bas niveau, d’assurer par lepilotage des mouvements des doigts la prise des objets et un maintien de la

1. Systèmes de préhension ........................................................................ S 7 765 - 2

2. Mécanique de la préhension ................................................................. — 32.1 Prise des objets............................................................................................ — 42.2 Modèle des effets pour la saisie................................................................. — 4

2.2.1 Effet de dépression............................................................................. — 42.2.2 Effet électromagnétique..................................................................... — 52.2.3 Effet électrostatique............................................................................ — 52.2.4 Force d’adhésion de Van der Waals .................................................. — 52.2.5 Actions de contact .............................................................................. — 6

2.3 Définition d’un système de contacts pour une saisie stable.................... — 62.4 Stabilité de la prise et des contacts............................................................ — 72.5 Condition pour la fermeture géométrique d’une prise ............................ — 72.6 Calcul des forces de contact ....................................................................... — 72.7 Rigidité de la prise ....................................................................................... — 8

3. Mécanismes de préhension................................................................... — 83.1 Conception ................................................................................................... — 83.2 Mécanismes à 1 degré de liberté ............................................................... — 83.3 Mécanismes à plusieurs degrés de liberté ................................................ — 103.4 Analyse de la cinématique des doigts ....................................................... — 123.5 Analyse de la cinématique des contacts.................................................... — 123.6 Mise en position des contacts .................................................................... — 133.7 Mécanique de la manipulation coordonnée.............................................. — 14

3.7.1 Modèles cinématiques ....................................................................... — 143.7.2 Modèle cinématique inverse ............................................................. — 15

3.8 Contrôle de la saisie et de la manipulation coordonnée.......................... — 16

Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. S 7 765

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configuration. La mise en œuvre des prises-actions nécessitent des commandesplus sophistiquées où les mouvements coordonnés des doigts et les interactionsde l’objet manipulé doivent être maîtrisés.

L’exécution de fonctions complexes, faisant appel aux capacités d’adaptationet de perception de l’environnement des systèmes de préhension, suppose unecommande de haut niveau avec l’apprentissage et la planification réactive desactions élémentaires.

1. Systèmes de préhension

Les systèmes de préhension prennent des formes très diversesselon les objets à manipuler et la nature des tâches à exécuter. Ilpeut s’agir de systèmes extrêmement versatiles, d’inspirationanthropomorphe, offrant une forte capacité d’adaptation de laprise ou à l’opposé de préhenseurs spécifiques très simples.

Lorsque les opérations de manipulation à robotiser sont simpleset répétitives, comme fréquemment en production manufacturière,on exploite de simples pinces à serrage symétrique, commandéesen tout ou rien, ou encore des systèmes de préhension paradhésion utilisant différents effets : électromagnétique pour lesmatériaux ferreux, électrostatique pour de très petits objets, pardépression, etc. Plusieurs illustrations de ces derniers sontdonnées (figure 1).

Pour améliorer la robustesse de fonctionnement du systèmerobotique ou pour l’adaptation de la prise face à une variétéd’objets et/ou aux variations de l’environnement de tâche, on estamené à faire usage de préhenseurs intégrant des capteurs(figure 2) :

— des capteurs de position pour asservir la position des doigtset leur vitesse de déplacement ;

— des capteurs tactiles ou d’effort pour la détection du contactdes doigts avec l’objet à saisir et asservir l’effort de serrage ;

— des capteurs de proximité pour maîtriser la distance relativedoigt/objet ;

— des capteurs de vision pour déterminer la géométrie localedes surfaces de prise.

Les applications robotiques d’assemblage complexe, de télé-opération, où l’organe de préhension doit être très versatile, ontinduit le développement des préhenseurs articulés où les méca-nismes des doigts disposent d’une haute mobilité pour satisfaireaux besoins d’adaptation des prises et l’exécution d’actions. Plu-sieurs illustrations de tels systèmes sont données figure 3.

La réalité virtuelle et la réhabilitation fonctionnelle constituentégalement de nouveaux champs d’application pour les systèmesde préhension robotisés. Il s’agit alors d’exosquelettes (figure 4)dont la fonction est de capter les mouvements des doigts de lamain de l’opérateur et éventuellement d’appliquer des forces surles doigts pour reproduire la sensation d’interaction haptique avecun environnement virtuel.

La manipulation d’objets de taille millimétrique, voire submilli-métrique, conduit quant à elle au développement de systèmes depréhension dont la plus grande dimension est de l’ordre dequelques millimètres. On utilise alors pour leur réalisation destechnologies propres aux microsystèmes et à la microrobotique [1](figure 5). À cette échelle, les forces d’adhésion peuvent devenirFigure 1 – Exemples de préhenseurs simples

préhenseur à dépressionbpréhenseur mécaniquea

préhenseur magnétiquec

Figure 2 – Exemples de préhenseurs « intelligents »

préhenseur bidigitalà sens tactile

bpince tridigitaleà sens tactile

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prépondérantes devant les forces de gravité. La maîtrise des inter-actions entre les surfaces de contact et les objets devient alorsdéterminante pour rendre la « saisie » faisable et reproductible.

2. Mécanique de la préhensionPour saisir un objet, on peut utiliser différents principes que l’on

classera en trois grandes catégories : (1) les effets d’adhésion,(2) les actions de contact, (3) les effets à distance. Les effetsd’adhésion utilisés reposent sur des principes physiques telsqu’une action magnétique, électrostatique ou une dépression [2].

Figure 3 – Exemples de préhenseurs articulés

préhenseur du LMS(Université de Poitiers)

a

préhenseur articulé(NASA)

d

préhenseur du MIT/UTAHc

préhenseur du LRP(Université Paris 6)

f

préhenseur du DLR(German Aerospace Center)

b

préhenseur articulé(Université de Toronto)

e

Figure 4 – Exosquelette pour la manipulation virtuelle d’objets(LRV Univ. de Versailles)

Figure 5 – Exemples de micropréhenseurs

préhenseur en alliageà mémoire de forme EPFL

a

micromanipulation (UCB)dpréhension par adhésionc

préhenseur bidigital (MEL)b

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Pour des objets de taille submillimétrique, les seules forces de Vander Waals ou les forces capillaires peuvent être suffisantes à la sai-sie. Le choix de l’un de ces principes dépend de la nature desobjets et des performances de la prise ainsi que des caractéristi-ques des actions. Notons que l’on utilise également des pincesoptiques, principalement pour manipuler une molécule uniqued’ADN ou de protéine. La « prise » d’une particule, immergée dansun milieu aqueux, est ainsi réalisée par un faisceau laser qui danscertaines conditions crée une pression électrostatique s’exerçant àl’interface à cause de la différence entre les constantes diélectri-ques et qui tend à confiner la particule.

2.1 Prise des objets

La prise d’un objet définit la configuration des éléments maté-riels qui concourent à la saisie de l’objet et les efforts qu’ils déve-loppent sur l’objet. Ces éléments de contact sont selon les casponctuels, linéïques ou surfaciques. Ils peuvent développer desforces de saisie unilatérales (forces de contact) ou bilatérales(forces d’adhésion).

La définition de la prise constitue une spécification fonctionnelleimportante dans la conception ou dans le choix d’un préhenseur.Le choix d’une prise dépend des propriétés intrinsèques de l’objet(sa géométrie, ses dimensions, son comportement mécanique, lescaractéristiques physiques et fonctionnelles des surfaces de l’objet)et aussi de l’encombrement de l’environnement de saisie et dedépose des objets ainsi que des spécificités de la manipulation desobjets.

Les modes de préhension pour la prise proprement dite et lesprises-actions peuvent être classées en deux grands groupes :

— les prises bidigitales et pluridigitales distales, privilégiéesquand on recherche la précision de la configuration de l’objet dansle préhenseur (figure 6) et lorsque le mouvement des doigts est enoutre utilisé pour produire une action sur l’objet. La configurationdes doigts dépend alors principalement de la taille des objets et dela « fermeté » recherchée dans la prise ;

— les prises palmaires qui font intervenir les doigts et la paumede la main. Ces prises, plus « enveloppées », servent à saisir trèsfermement de gros objets sans précision dans leur positionnement(figure 7).

Dans la conception d’un préhenseur, plusieurs types d’attributspeuvent être recherchés. On peut privilégier selon les cas :

— la stabilité de la prise ;— la stabilité des contacts ;— la rigidité (ou inversement la compliance) de la prise ;— la manipulabilité de l’objet par les mécanismes des doigts ;— le domaine de variation de configuration de l’objet manipulé

par les doigts ;— la maîtrise des efforts intérieurs et extérieurs.

Pour les qualifier, nous introduisons par la suite certains élé-ments de modélisation et de quantification.

2.2 Modèle des effets pour la saisie

2.2.1 Effet de dépression

La force de saisie est produite par un élément de succion assu-rant un contact étanche avec l’objet, en créant une pression néga-tive à l’intérieur d’une cavité de préhension comme celle montréesur la figure 8. La force de saisie F ainsi obtenue est :

F = (Pa – Pv ) A

avec A surface de contact,

(Pa – Pv ) pression différentielle entre la pression atmos-phérique et la dépression produite.

Ce principe, très simple de mise en œuvre, est peu consom-mateur d’énergie si l’étanchéité du contact est bonne. Dès lors oùles surfaces sont irrégulières et les objets poreux, il existe un débitde fuite qui altère l’efficacité du principe. Pour produire et contrôlerla dépression, une solution technologique est d’utiliser un généra-teur de vide à Venturi. Le principe du Venturi consiste à injecter de

Figure 6 – Modes de préhension : prises pluridigitales

Figure 7 – Modes de préhension : prises palmaires

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Actionneurs électromécaniquespour la robotique et le positionnement

Fondamentaux et structures de base

par Bertrand NOGAREDEProfesseur des Universités à l’Institut Polytechnique de Toulouse INPT/École nationaleSupérieure d’électrotechnique, d’électronique,d’informatique, d’hydraulique et des télécommunications ENSEEIHT

Carole HENAUXMaître de Conférence à l’Institut Polytechnique de Toulouse INPT/École nationaleSupérieure d’électrotechnique, d’électronique,d’informatique, d’hydraulique et des télécommunications ENSEEIHT

et Jean-François ROUCHONMaître de Conférence à l’Institut Polytechnique de Toulouse INPT/École nationaleSupérieure d’électrotechnique, d’électronique,d’informatique, d’hydraulique et des télécommunications ENSEEIHT

u’il s’agisse de convertir l’énergie du mouvement en électricité ou récipro-quement d’effectuer une action mécanique à partir d’une source

électrique, les machines et actionneurs électromécaniques constituent unvecteur de développement technologique désormais incontournable. Descommandes de vol électriques aux microsystèmes, les fonctionnalitésmultiples du « tout électrique » se déclinent selon une grande variété deconcepts et de structures. En outre, l’émergence de matériaux « électroactifs »,doués de propriétés et de fonctionnalités inédites, constitue une puissantemotivation pour envisager les futurs défis qui se profilent dans des secteursaussi variés que l’aéronautique ou la médecine.

Le présent dossier propose un tour d’horizon des concepts et technologiesde base utilisées dans le domaine des actionneurs électromécaniques.

1. Conversion électromécanique de l’énergie ...................................... D 5 341 - 2

1.1 Actionneur dans les systèmes électromécaniques :point de vue fonctionnel.............................................................................. — 2

1.2 Procédés élémentaires de conversion ....................................................... — 2

1.3 Bilan comparatif des différents procédés exploitables............................. — 6

2. Structures opérationnelles d’actionneurs linéaires ou rotatifs .. — 6

2.1 Actionneurs à effets électromagnétiques .................................................. — 6

2.2 Piézoactionneurs et piézomoteurs.............................................................. — 12

2.3 Actionneurs à plusieurs degrés de liberté ................................................. — 17

2.4 Dispositifs à constantes motrices réparties ............................................... — 19

Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. D 5 341

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ACTIONNEURS ÉLECTROMÉCANIQUES POUR LA ROBOTIQUE ET LE POSITIONNEMENT ___________________________________________________________

La première partie est consacrée à l’analyse des phénomènes et procédésphysiques élémentaires susceptibles de réaliser la conversion d’énergierecherchée [D 3 410], [D 3 411].

La deuxième partie [D 5 342] décrit les principales familles d’actionneurs quien découlent. Le cas des structures à effets électromagnétiques [D 3 720] etcelui des actionneurs et systèmes à base de matériaux électroactifs [D 3 765]sont tour à tour considérés. L’analyse proposée permet ainsi de dégager lespropriétés intrinsèques caractérisant les différentes technologies en présence.

1. Conversionélectromécaniquede l’énergie

1.1 Actionneur dans les systèmesélectromécaniques :point de vue fonctionnel

Constituant un des maillons principaux du système dans lequelil s’intègre, l’actionneur électromécanique réalise la conversiond’énergie nécessaire à l’accomplissement d’une action mécaniqueà partir d’une source d’énergie électrique primaire. Cette action peutrevêtir un grand nombre de formes possibles depuis le déplacementélémentaire et unidimensionnel d’un corps mobile (actionneur detype électroaimant, par exemple), jusqu’au contrôle multidimen-sionnel d’un mouvement complexe impliquant la gestion simul-tanée de plusieurs degrés de liberté (actionneur rotoïde pourprothèse médicale, par exemple). À cette fin, l’actionneur électro-mécanique est généralement associé à un organe capteur (position,vitesse, force...). Les informations disponibles peuvent alors êtretraitées par un moyen de contrôle électronique approprié, en vued’élaborer les signaux de commande transmis à l’actionneur pourassurer la consigne imposée par un opérateur extérieur.

Les moyens électroniques mis en jeu se décomposent générale-ment en deux sous-ensembles principaux :

– un convertisseur d’alimentation réalisant la mise en forme dessignaux de puissance appliqués sur les entrées électriques del’actionneur ;

– un module de commande traitant l’ensemble des informationsdisponibles en vue de synthétiser les ordres transmis aux étagesde puissance.

1.2 Procédés élémentaires de conversion

Dès l’apparition des premières machines électriques opérationnel-les au milieu du XIXe siècle, les principes utilisés en conversion élec-tromécanique de l’énergie se sont focalisés sur l’exploitation desactions électrodynamiques réciproques s’exerçant entre des corpsaimantés et des circuits parcourus par des courants [2]. Il n’en

demeure pas moins qu’une grande variété de phénomènes physi-ques sont a priori susceptibles de concourir à une telle transforma-tion de l’énergie. Ainsi, ouvrant la voie à de nouveaux concepts demachines et d’actionneurs électromécaniques, les progrès récem-ment accomplis dans le domaine des matériaux « électroactifs »(céramiques et polymères piézoélectriques, alliages à mémoire deforme...), donnent lieu aujourd’hui à des développements technolo-giques relativement prometteurs en matière de microsystèmes(figure 2), d’équipements embarqués pour l’aéronautique et l’espace,de prothèse et orthèse motorisées dans le secteur médical...

1.2.1 Couplage électromécanique globalou couplage local

Deux grandes classes de phénomènes physiques assurant uncouplage énergétique entre les systèmes électriques et méca-niques peuvent être distinguées :

– les processus d’interaction monovalents résultent d’unedépendance macroscopique de l’énergie stockée dans le système,sous forme purement électromagnétique, vis-à-vis d’un paramètrede configuration électromécanique à caractère global (ouvertured’un entrefer, décalage angulaire entre deux pôles...) (tableau de lafigure 3). Tel est le cas des interactions s’exerçant entre des corpsélectriquement ou magnétiquement polarisés qui, sous l’effet deforces d’origine électrostatique ou magnétique, tendent spontané-ment à se positionner dans une configuration minimisant leurénergie potentielle (§ 1.2.2) ;

– contrairement au cas précédent, la classe des processus d’inte-raction divalents résulte d’une interdépendance des grandeurslocales caractérisant les propriétés élastiques de la matière et sonétat électrique ou magnétique (tableau de la figure 4). Ainsi, lesphénomènes de couplage de type électro-élastique (piézoélectri-cité, électrostriction) ou magnéto-élastique (magnétostriction, pié-zomagnétisme) offrent respectivement la possibilité de produireune déformation au sein d’un corps électriquement ou magnéti-quement polarisé. À noter que ces phénomènes se manifestentégalement au travers d’effets réciproques conduisant à une polari-sation électrique ou magnétique de la matière sous l’effet d’unecontrainte mécanique (§ 1.2.3).

1.2.2 Interaction par effets électromagnétiques

Les procédés les plus couramment utilisés pour la conversionélectromécanique de l’énergie résultent de manière générale del’interaction de sources magnétiques (corps magnétiquement pola-risés, circuits parcourus par des courants) couplées à distancedans le champ électromagnétique. Les machines et actionneursqui en résultent fonctionnent ainsi grâce aux actions électrodyna-miques s’exerçant entre des systèmes d’aimants et de courantssupportés par les parties fixes et mobiles du convertisseur. Dans lecadre d’une interaction opérée en régime statique, ces actions

À titre d’illustration, on peut considérer le système employé à borddes aéronefs de nouvelle génération pour les commandes de vol(tableau de la figure 1) [1]. Initialement mus au moyen de systèmesmécanique ou hydrauliques, les gouvernes (aileron, spoiler...) font deplus en plus appel à la technologie des actionneurs électriques pourretranscrire les ordres du pilote ou du calculateur de vol.

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____________________________________________________________ ACTIONNEURS ÉLECTROMÉCANIQUES POUR LA ROBOTIQUE ET LE POSITIONNEMENT

correspondent notamment aux forces de Laplace subies par un cir-cuit de courants plongé dans un champ magnétique fixe. Enrégime dynamique, l’effet réciproque conduit à la création d’uncourant induit au sein d’un conducteur soumis à un champ varia-ble. Ce phénomène d’induction électromagnétique concerne ainsiindifféremment le cas d’une bobine fixe plongée dans un champd’intensité variable (effet exploité dans les transformateurs) ou

celui d’un conducteur mobile se déplaçant dans un champ fixe(effet exploité dans les générateurs électrodynamiques).

Donnant lieu à des applications relativement spécifiques tellesque les générateurs à très haute tension (plusieurs GV), il estégalement possible d’exploiter un couplage utilisant la compo-sante électrique du champ (effets électrostatiques) grâce auxactions réciproques subies par des corps électriquement chargés

Figure 1 – Évolution des systèmes de commande de vol employées en aéronautique

Figure 2 – Des premières expérimentations aux concepts avancés de l’électromécanique : plus de 150 ans d’histoire

Transmission signal électrique

ServocommandePuissance hydraulique

CalculateurCapteur

Système hydromécanique

Système mécanique intégral

Système FBW

Le système FMW (Fly by wire) est le système de commande de vol hydraulique/électrique équipant l’airbus A 380

(source Airbus département Commandes de vol)

a actionneur hydraulique

b actionneur électrohydraulique

a b

Roue de Barlow (1822) Moteur électromagnétique discoïdal

http://www.parvex.com

Micropompe médicale à base d’actionneur piezoélectrique

http://www.thinxss.com

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ACTIONNEURS ÉLECTROMÉCANIQUES POUR LA ROBOTIQUE ET LE POSITIONNEMENT ___________________________________________________________

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Figure 3 – Interaction monovalente

Figure 4 – Interaction divalente

x

qc1

qc2

i1

i2

Couplage électrique

Effet direct : actions mécaniques

subies par des diélectriques

polarisés et/ou des

conducteurs chargés

Effet inverse : variation de charge

ou de potentiel résultant

du déplacement des sources

de champ

Couplage « magnétique »

Effet direct : actions mécaniques

subies par des corps aimantés

et/ou des conducteurs

parcourus par des courants

Effet inverse : force électromotrice

induite par le mouvement

relatif des sources de champ

qc charge électrique

xqc

x

i

Type d’interaction et effets associés Exemple de base

Couplage électro-élastique

Effet direct : déformation d’un diélectrique

soumis à un champ électrique

(effet piézoélectrique inverse)

Effet inverse : polarisation d’un diélectrique

soumis à une contrainte mécanique

(effet piézoélectrique direct)

Couplage « magnéto-élastique »

Effet direct : déformation d’un corps aimanté

soumis à un champ magnétique

(effet piézomagnétique inverse)

Effet inverse : aimantation d’un corps

magnétique soumis à une contrainte mécanique

(effet piézomagnétique direct)

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____________________________________________________________ ACTIONNEURS ÉLECTROMÉCANIQUES POUR LA ROBOTIQUE ET LE POSITIONNEMENT

ou polarisés. Si ces effets se révèlent généralement peu perfor-mants comparés au couplage magnétique, ils trouvent néanmoinsà l’échelle micrométrique des applications très prometteuses dansle domaine des microsystèmes (figure 5).

1.2.3 Couplages électro-magnéto-élastiques :piézoélectricité, magnétostriction

Sous l’effet d’un couplage des propriétés diélectriques, magné-tiques et élastiques de la matière, la déformation d’un corps et sonétat de polarisation électromagnétique peuvent se trouver enétroite dépendance. Rattachés à la classe des processus d’inter-action divalente (§ 1.2.1), les effets de ce couplage électro- oumagnéto-élastique sont directement exploitables en conversiond’énergie.

Étudié dès la fin du XIXe siècle par les frères Curie, le phéno-mène de couplage électroélastique linéaire connu sous le nom depiézoélectricité est observé dans certains cristaux naturels tel quele quartz (SiO2) ou dans des composés synthétiques comme lescéramiques ferroélectriques de type PZT (Pb(Zr-Ti)O3). Il se mani-feste au travers de deux effets réciproques conduisant à (figure 4) :

– la polarisation électrique du corps sous l’action d’unecontrainte mécanique d’origine extérieure (effet piézoélectriquedirect) ;

– la déformation mécanique de ce même corps lorsqu’il estsoumis à un champ électrique (effet piézoélectrique inverse).

Constituant le pendant magnétique des effets de couplageprécédemment décrits, le phénomène non linéaire de magné-tostriction conduit à l’allongement d’un barreau de fer soumis àun champ magnétique longitudinal (figure 4). Un effet de strictionest conjointement obtenu dans les directions transversales (effetJoule transversal). Réciproquement, le barreau s’aimante sousl’effet d’une déformation longitudinale (effet Villari). Ce phéno-mène peut également se manifester, suivant la géométrieconsidérée, au travers d’autres modes de couplage donnant lieunotamment à des effets de flexion (effet Guillemin) ou de torsion(effet Wiedemann).

1.2.4 Couplages électro-thermo-élastiques :alliages à mémoire de forme

Certains alliages métalliques tels que les composés de type NiTi,CuZnAl ou CuAlNi présentent des propriétés thermoélastiquesremarquables qui permettent de contrôler leur état de défor-mation, dans des proportions relativement importantes (plus de50 000 ppm pour certains composés) par simple variation de latempérature. La déformation obtenue résulte d’une transition dephase solide de type martensitique-austénitique. Le corps est alorscapable de recouvrer à chaud sa forme initiale préalablementmodifiée à froid, d’où le nom d’alliage à mémoire de forme. Si lescontraintes développées durant la phase de chauffage peuventatteindre des valeurs très élevées (de l’ordre de 100 MPa), lestemps de réponse (constante de temps thermique) sont parprincipe relativement faibles (de l’ordre de 0,1 à 1 s pour desdispositifs de dimensions millimétriques). Le contrôle électrique dela température (par effet Joule) au moyen d’un courant circulantdirectement dans le matériau permet de disposer d’un actionneurrelativement compact. L’effet peut être exploité selon diversesgéométries, donnant lieu à des actionneurs linéaires ou rotatifsutilisés notamment en robotique (préhenseur, robot d’inspection).

1.2.5 Interaction électromécaniquedans les fluides

Outre les processus exploitant les actions dynamiques engendréespar le champ électromagnétique sur des corps solides, déformablesou indéformables, il est également possible de tirer profit des forcesélectrodynamiques s’exerçant au sein de certains fluides.

Une première classe de processus concerne ainsi les couplagesmagnétohydrodynamiques prenant naissance dans des fluidesconducteurs soumis à la variation d’un champ magnétique. Lescourants induits qui en résultent sont à même de modifier lescaractéristiques de l’écoulement [3].

Remarquons qu’une difficulté majeure repose sur la productionde champs et de courants d’intensité significative, au sein demilieux dont les propriétés de perméabilité et de conductivitérestent souvent limitées. Pour cette raison, la mise en jeud’aimants supraconducteurs s’avère le plus souvent nécessaire.

Une autre famille de processus utilise la possibilité de modulerla viscosité d’un fluide elle-même à l’aide du champ électro-magnétique dans lequel il est plongé. Tel est le cas des liquidesélectro- ou magnétorhéologiques. Ce type de comportement estobtenu à l’aide de suspensions non colloïdales à base de poudresà grains micrométriques dotées de propriétés diélectriques (fluidesélectrorhéologiques) ou ferromagnétiques (fluides magnéto-rhéo-logiques). Dans ce deuxième cas, la viscosité apparente du fluide

Figure 5 – Microactionneur électrostatique, microturbine à gaz(société Silmach)

À noter que l’intensité des forces d’origine magnétiqueengendrées à l’interface (entrefer) séparant les parties fixes etmobiles d’un convertisseur électromagnétique varie en raisondu carré de l’intensité du champ produit. Ainsi sous 1 T, laforce surfacique disponible est au maximum de 0,4 MPa.Cette force, qui peut paraître relativement faible comparéeaux pressions couramment exploitées en hydraulique (de10 à 35 MPa), est en revanche près de 105 fois plus élevéeque la force d’origine électrostatique générée sous un champélectrique de 1 MV · m–1.

Retenons ici simplement que, même dans le cas de maté-riaux performants, les déformations engendrées par effet decouplage électro- ou magnéto-élastique sont relativementfaibles. Ainsi, sous un champ de 1 MV · m–1, la déformation(relative) observée dans une céramique PZT de compositionstandard est de l’ordre de 500 ppm (partie par million) enrégime quasi-statique. On observe des déformations du mêmeordre dans les alliages magnétostrictifs à base de terres rarestels que le Terfenol-D. En revanche, les contraintes dévelop-pées par effets piézoélectriques ou magnétostrictifs atteignentcouramment plusieurs dizaines de MPa, dépassant ainsi de plu-sieurs ordres de grandeur les pressions exploitées dans lesconvertisseurs à effets électromagnétiques.

Une application directe de tels effets concerne le brassage descoulées dans le domaine de la métallurgie. Appliqués au domainenaval, ce procédé peut être utilisé pour propulser un navire sans tur-bine grâce aux forces générées dans l’eau de mer sous l’actioncombinée d’un courant électrique et d’un champ magnétique.

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Actionneurs électromécaniques pour la robotique et le positionnement

Conception, alimentation et commande

par Bertrand NOGAREDEProfesseur des Universités à l’Institut polytechnique de Toulouse INPT/École nationalesupérieure d’électrotechnique, d’électronique, d’informatique, d’hydrauliqueet des télécommunications ENSEEIHT

Carole HÉNAUXMaître de Conférence à l’Institut polytechnique de Toulouse INPT/École nationalesupérieure d’électrotechnique, d’électronique, d’informatique, d’hydrauliqueet des télécommunications ENSEEIHT

et Jean-François ROUCHONMaître de Conférence à l’Institut polytechnique de Toulouse INPT/École nationalesupérieure d’électrotechnique, d’électronique, d’informatique, d’hydrauliqueet des télécommunications ENSEEIHT

a technologie des actionneurs électromécaniques repose sur l’exploitationde procédés physiques relativement variés. Si les effets électrodynamiques,

fondés sur l’interaction de champs et de sources électromagnétiques, donnentlieu aux solutions les plus classiquement employées pour produire un effort ouun mouvement à partir d’une source d’énergie électrique, l’idée d’utiliser lesdéformations produites au sein de certains types de matériaux, dits électroac-tifs, constitue une alternative de plus en plus crédible, notamment dans le casd’actions électromécaniques distribuées (structure intelligente).

Sur la base de la classification des procédés et structures exposée dans ledossier précédent [D 5 341], le présent dossier précise les conditions de miseen œuvre des solutions techniques correspondantes.

Les éléments de conception et de dimensionnement de l’actionneur fontl’objet de la première partie. Les techniques d’alimentation électroniqueemployées pour le pilotage des différentes structures à armature inductive oucapacitive sont ensuite examinées. Enfin, les lois de commande permettant lecontrôle de l’actionneur selon différentes stratégies (commande en positionvitesse ou en effort) font l’objet de la dernière partie (cf. dossiers sur lesmachines asynchrones [D 3 620] [D 3 622] et [D 3 623]).

1 . Éléments de conception ......................................................................... D 5 342 - 21.1 Principes du dimensionnement électromécanique................................... — 21.2 Prise en compte des contraintes mécaniques et thermiques .................. — 21.3 Du cahier des charges à la solution optimisée : méthodologie

de conception ............................................................................................... — 3

2 . Stratégie d’alimentation et de commande........................................ — 42.1 Modélisation des actionneurs électromécaniques.................................... — 42.2 Structures d’alimentation électronique...................................................... — 42.3 Stratégies de commande ............................................................................ — 11

Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. D 5 342

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ACTIONNEURS ÉLECTROMÉCANIQUES POUR LA ROBOTIQUE ET LE POSITIONNEMENT ___________________________________________________________

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1. Éléments de conception

1.1 Principes du dimensionnementélectromécanique

De manière générale, le déroulement du processus deconception d’un actionneur électromécanique s’articule autourdes trois préoccupations incontournables que constituent :

– la formulation du cahier des charges traduisant le besoin sur leplan électromécanique ;

– la définition d’un concept répondant à ce besoin ;– enfin, la détermination des caractéristiques physiques de

l’objet recherché.

Quoique bien souvent négligée, l’étape de définition du cahierdes charges constitue une clé décisive dans la recherche d’une solu-tion optimisée vis-à-vis d’un besoin fonctionnel donné. Cette tâcheest d’autant plus délicate que les conditions de service des disposi-tifs considérés sont de plus en plus complexes (fonctionnement enrégime fortement variable, prise en compte de contraintes sécuri-taires...). Il s’agit à ce stade de définir précisément un ensemble decontraintes et de critères dimensionnants tels que la caractéristiqueeffort-vitesse, les conditions d’environnement thermiques...

Une fois le besoin formulé, il s’agit de définir le conceptd’actionneur servant de base à la synthèse de la solution soit parsélection au sein d’un panel de solutions traditionnelles, soit autravers d’une démarche innovante. Compte tenu de l’éventail desconcepts potentiellement pertinents, une phase comparative,généralement fondée sur un prédimensionnement par voie analy-tique des structures préselectionnées, est souvent nécessaire.

À l’aide des modèles disponibles pour caractériser finement lastructure retenue, il s’agit enfin de procéder à la déterminationprécise des caractéristiques physiques définissant la solution auproblème posé (dimensions, choix des matériaux, forme d’onded’alimentation...) et les spécifications visées (efforts nominaux,contraintes géométriques).

À l’issue de l’étape de dimensionnement, la solution obtenuedoit enfin être validée et affinée en prenant en compte des aspectsavancés négligés lors des étapes précédentes (phénomènes vibra-toires, etc.). Faisant généralement appel à la réalisation d’un proto-type, cette étape s’appuie de plus en plus sur les ressourcesqu’offrent la simulation numérique (prototypage virtuel).

Conformément à la classification qui veut que l’on sépare lesstructures résonantes des structures quasistatiques, les élémentsde conception associés aux moteurs piézoélectriques suivent logi-quement cette différenciation.

1.2 Prise en compte des contraintesmécaniques et thermiques

1.2.1 Cas des machines électromagnétiques

Dans la conception des machines électromagnétiques, la priseen compte des contraintes mécaniques et thermiques reste uneétape primordiale car elle conditionne non seulement laconfiguration de la structure envisagée mais aussi son cycle defonctionnement et sa durée de vie.

Ainsi si l’on considère les aspects thermiques, le dimensionne-ment de la machine qui passe par le choix combiné d’une chargelinéique et d’une densité de courant volumique reste majoritaire-ment tributaire du système de dissipation des pertes et de l’envi-ronnement dans lequel la machine doit fonctionner(environnement confiné ou ventilé). En effet, en première approxi-mation, le produit de ces deux variables donne une image del’échauffement moyen généré au sein de la machine par les pertesJoule. Le tableau 1 résume à ce titre de façon non exhaustive, lesvaleurs de charge linéique et de densité de courant usuellementexploitées en fonction du mode de refroidissement envisageable.

Les matériaux constitutifs constituent naturellement une limita-tion thermique avec leur température de fonctionnement maxi-male intrinsèque. Si les matériaux de bobinage ainsi que lesmatériaux constituant le circuit de guidage de flux (tôles ferroma-gnétiques, ferrite) offrent par classe distinctive (délimitée par lestempératures de fonctionnement) une large marge de manœuvre,des matériaux plus spécifiques tels que les aimants permanents oules matériaux composites imposent des températures de fonction-nement relativement basses pour certains type d’application (sys-tèmes embarqués, environnement confiné).

Soulignons qu’une des difficultés majeures du problèmeméthodologique associé à la conception d’un convertisseurélectromécanique repose sur la mise en jeu de compétencespluridisciplinaires étroitement couplées au sein d’unedémarche éminemment itérative.

Exemple

À titre d’illustration, on peut citer l’exemple suivant des moteursindustriels asynchrone à cage d’écureuil de petite et moyennepuissances distribués par la société Intradeq et dont la puissance utilePu dépend de la température ambiante.

Ainsi, à puissance nominale Pn donnée pour une températureambiante de 40 oC, la puissance utile est paramétrée en fonction dela température comme suit :

avec k t = 1 pour T = 40 oC et k t = 0,76 pour T = 60 oC.

P k Pu t n=

Tableau 1 – Valeurs usuelles de densité de courant en fonction du mode de refroidissement des machines

Mode de refroidissementCharge linéique A

(A/m)Densité de courant

(A/mm2)Produit A

(A · m–1/(A · mm–2))

Convection naturelle : environnement non confiné 3 · 104 10 à 15 3 · 105 à 4,5 · 105

Convection naturelle : environnement confiné 2,5 · 104 10 2,5 · 105

Convection forcée : refroidissement par air ventilé 4,5 · 105 10 à 15 4,5 · 105 à 6,8 · 105

Convection forcée : refroidissement par liquidedans un circuit externe au stator 6 · 104 10 à 15 6 · 105 à 9 · 105

Convection forcée : refroidissement par circulation et brouillard d’huile sur les chignons des bobines 6 · 104 20 à 30 12 · 105 à 18 · 105

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____________________________________________________________ ACTIONNEURS ÉLECTROMÉCANIQUES POUR LA ROBOTIQUE ET LE POSITIONNEMENT

S’agissant des contraintes mécaniques, celles-ci sont étroite-ment liées aux forces centrifuges ainsi qu’aux efforts de torsion etde flexion qui s’exercent sur les parties tournantes des action-neurs. Ainsi, une première limitation concerne la vitesse critiquede rotation au-delà de laquelle les parties tournantes risquent unecassure majeure en raison des forces centrifuges générées. Defaçon générale, si une vitesse critique peut facilement se calculeren première approximation en considérant un rotor massif, lerecours à des logiciels de simulation numérique peut s’avérerindispensable s’il s’agit de vérifier que certaines parties constituti-ves du rotor maintenues par collage ne subissent pas des effortstangentiels dommageables (tel est majoritairement le cas pour desactionneurs à aimants permanents). En outre, il faut s’assurer queles fréquences naturelles de l’arbre rotorique ne recoupent pas desvitesses de rotation afin de s’affranchir de toute instabilité.

En phase de prédimensionnement, un graphe de référence peutêtre utilisé pour fixer les limites de faisabilité en fonction de lavitesse périphérique maximale souhaitée. Ce graphe (figure 1)indique la vitesse de rotation envisageable en fonction de la puis-sance de coin de la machine (produit du couple maximal par lavitesse maximale).

1.2.2 Cas des piézoactionneurs

Dans le contexte d’une application industrielle, il convient derespecter certaines limites inhérentes aux propriétés des maté-riaux piézoélectriques et de leur mise en œuvre. Aussi, la puis-sance maximale émise par l’actionneur peut ainsi dépendre decontraintes, liées à l’ambiance (températures, pressions), auxpertes (mécaniques et diélectriques), aux contraintes mécaniquesadmissibles par le matériau, aux propriétés diélectriques, vis-à-visdu champ électrique appliqué :

– limites thermiques ; les pertes engendrées au sein du trans-ducteur (pertes mécaniques, diélectriques), associées à la tempéra-ture ambiante de fonctionnement de l’actionneur, tendent à éleverla température qui doit rester dans une limite acceptable vis-à-visdu matériau électroactif, conditionnée par sa température de Curie(risque de dépolarisation des céramiques). Les distributeurs préco-nisent généralement une température maximale située à la moitiéde la température de Curie du matériau actif, ce qui correspond àenviron 150 oC ;

– limites électriques ; le champ électrique au sein des céramiquespeut entraîner la rupture diélectrique de celles-ci et la dépolarisationdu milieu actif par un champ élevé opposé à la polarisation réma-nente. Cette limite dépend du type de matériau, de la températurede travail et de la durée d’application. Les limites sont typiquementcomprises entre 500V/mm et 1 000 V/mm à champ constant ;

– limites mécaniques ; des contraintes mécaniques trop impor-tantes sur les matériaux piézoélectriques peuvent entraîner leurrupture. En effet, les matériaux fragiles que sont les céramiquespiézoélectriques possèdent une limite en compression élevéed’environ 500 MPa, mais une limite en traction faible d’environ5 MPa (rupture des céramiques non précontraintes pour unecontrainte d’environ 25 MPa).

1.3 Du cahier des charges à la solutionoptimisée : méthodologiede conception

Dans la procédure d’élaboration d’une solution électromécaniquerépondant à un cahier des charges donné, le dimensionnement pré-liminaire des structures potentiellement pertinentes constitue uneétape clé. Celui-ci doit pouvoir répondre aux exigences de rapiditéet de souplesse imposées par le caractère itératif du processus deconception (prédimensionnements comparatifs, etc.). Par consé-quent, plutôt que de s’appuyer dès le départ sur une représentationcomplète visant à décrire finement l’ensemble des phénomènesagissant (simulation par éléments finis), il convient plutôt à ce stadede privilégier des techniques de modélisations à caractère global.Celles-ci se définissent plus par la cohérence de l’ensemble des loisde dimensionnement attachées aux divers volets physiques mis enjeu que par leur degré de finesse ou de précision vis-à-vis de la des-cription de tel ou tel phénomène particulier. Si la formulation de ceslois peut être simple, le nombre de variables nécessairement misen jeu pour définir la structure d’un convertisseur électromécaniqueest tel qu’une exploration « manuelle » de l’espace des solutionsreste généralement très incertaine. L’obtention systématique et fia-ble des dimensions et caractéristiques définissant la solution doitdonc reposer sur l’exploitation d’un outil mathématique adapté : lesthéories de l’optimisation offrent un cadre tout naturellement indi-qué pour traiter le problème.

Ainsi, le processus de conception peut être avantageusementramené à un problème d’optimisation formulé analytiquement : lescritères considérés découlent directement des objectifs deconception privilégiés par le cahier des charges (minimisation de lamasse des parties actives, des pertes...) tandis que les contraintesauxquelles la solution est assujettie correspondent, d’une part, auxspécifications de ce même cahier des charges (limitations dimen-sionnelles, environnement thermique...), et d’autre part, aux rela-tions constitutives du modèle analytique caractérisant la structure(expression des efforts produits en fonction des dimensions etcaractéristiques de l’actionneur...). Dès lors, la conception du dispo-sitif se ramène à la résolution d’un problème d’optimisation à varia-bles mixtes (entières et réelles), et incluant un ou plusieurs critères.D’un point de vue mathématique, les formulations engendrées parla conception des actionneurs électromécaniques correspondent leplus souvent à des problèmes non linéaires et, qui plus est, nonconvexes (existence d’un grand nombre de minima locaux).

La mise au point de méthodes numériques susceptibles dedéterminer la solution d’un problème d’optimisation non linéaireet non convexe constitue en soi un problème mathématique déli-cat. Si de nombreux algorithmes de programmation non linéaireont néanmoins été exploités dans ce domaine [1], le problème dela conception par optimisation des actionneurs électromécaniquesdoit être initialement posé en termes « d’optimisation globale ».Dans ce contexte, les techniques d’optimisation avec satisfactionde contraintes susceptibles d’être utilisées se subdivisent classi-quement en deux types d’approches donnant lieu à des méthodesde nature soit « déterministe », soit « non déterministe » ou« stochastique ».

Les méthodes stochastiques, les plus couramment utilisées, cor-respondent essentiellement :

– aux méthodes de « Branch & Bound » stochastiques ;– aux méthodes de « recuit simulé » ;– aux méthodes à base d’« algorithmes génétiques ».

Figure 1 – Limite de faisabilité des machines en fonctionde la vitesse périphérique

Vit

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tr/m

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Puissance de coin maximale (kW)

0,1 1 10 100 1 000 10 000 100 000

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Robot anguille sous-marin en 3D

par Frédéric BOYERMaître assistant à l’École des mines de NantesInstitut de recherche en communications et cybernétique de Nantes(IRCCyN, UMR CNRS 6597)

Mazen ALAMIRChargé de recherche CNRS, laboratoire d’automatique de Grenoble

Damien CHABLATChargé de recherche CNRS, Institut de recherche en communications et cybernétiquede Nantes

Wisama KHALILProfesseur à l’École centrale de NantesInstitut de recherche en communications et cybernétique de Nantes

Alban LEROYERMaître de conférences à l’École centrale de NantesLaboratoire de mécanique des fluides (LMF, UMR CNRS 6598)

et Philippe LEMOINEIngénieur de recherche à l’École centrale de NantesInstitut de recherche en communications et cybernétique de Nantes

omparées à nos réalisations technologiques, les performances despoissons font rêver. Au nombre de celles-ci, on compte leurs prodigieuses

capacités d’accélération pouvant atteindre jusqu’à vingt fois la gravité, leurvitesse excédant 70 km/h, leur extraordinaire manœuvrabilité : virage à 180o

sans ralentir et sur des rayons de courbure de l’ordre du dixième de leurlongueur, tandis que les véhicules actuels doivent ralentir de moitié et prendredes rayons de courbure de l’ordre de dix fois leur longueur. En termes d’effi-cacité, leur rendement est de l’ordre de dix fois supérieur à ceux de nosmeilleurs sous-marins, etc. Ces chiffres motivent à eux seuls les efforts actuelspour comprendre et reproduire les solutions des poissons sur nos systèmesrobotiques. Dans ce domaine, relevant de la biomimétique, la première desdifficultés rencontrées est décrite en ces termes :

« Reproduire les performances d’un poisson par simple imitation de sa forme etde sa fonction serait impossible car la mise au point d’un véhicule fléchissant defaçon lisse et continue est au-delà des possibilités actuelles de la robotique » [1].

Aussi le caractère continu des poissons constitue-t-il la difficulté essentielle dela recherche dans ce domaine. C’est l’objet de ce projet que de renforcer le bio-mimétisme en réalisant un prototype de robot anguille « plus continu » que seshomologues actuels. Pour cela, l’architecture mécanique du prototype est baséesur l’empilement en série de plates-formes parallèles gainées par un organe

1. Nage de l’anguille .................................................................................... S 7 856 - 2

2. Conception du prototype....................................................................... — 2

3. Modélisation du prototype .................................................................... — 5

4. Modélisation du contact fluide-structure ......................................... — 9

5. Commande ................................................................................................. — 12

6. Implémentation informatique .............................................................. — 14

7. Conclusion et perspectives................................................................... — 16

Références bibliographiques ......................................................................... — 16

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ROBOT ANGUILLE SOUS-MARIN EN 3D _____________________________________________________________________________________________________

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continu flexible jouant le rôle de la peau. La modélisation elle-même s’appuiesur des modèles dynamiques dits macrocontinus (macro pour macroscopiques)basés sur la théorie des poutres Cosserat actionnées de manière continue.

Afin d’atteindre cet objectif, nous avons débuté le projet par une étudebiomécanique. Sur la base de cette étude, la conception assistée d’une modé-lisation macroscopique de type continu (macrocontinue) a été lancée et menéeen parallèle d’une modélisation polyarticulée plus fidèle à la réalité techno-logique du futur prototype. Enfin, dès le départ, une modélisation du contactentre le fluide et la structure a été initiée. Soulignons que nous avons d’embléeadopté une approche hiérarchisée de modélisation tant pour la mécanique durobot que pour le contact fluide-structure. Sur la base de ces modèles etsimulateurs associés, la commande est en cours d’étude et sera implémentéein fine sur une architecture informatique.

1. Nage de l’anguille

Dans la nature, on rencontre deux grands types de poissons,chacun étant inféodé à un type de nage. Les premiers sont ditscaranguiformes, ce sont les meilleurs nageurs en eau libre, tel lethon. Les seconds sont les anguilliformes, telles l’anguille et lamurène, dont les capacités de manœuvrabilité atteignent desrecords. C’est ce second type de performance que notre projet veutatteindre. Dans ce cas de figure, la manœuvrabilité est le résultatde la redondance élevée (hyperredondance) induite par les défor-mations du corps du poisson relativement aux dimensions de latâche (mouvoir sa tête). Avant toute investigation technique, leprojet a démarré par une étude de la littérature biomécaniciennedes poissons en général et de l’anguille en particulier. Chaqueacteur du projet, selon ses préoccupations, a pris en charge undomaine bibliographique. Les concepteurs ont étudié le système« squelette – muscles – tendons », les acteurs de la modélisationet de la commande ont étudié la biomécanique de la nage,sous l’aspect de la mécanique des fluides, ou plus globalementsous celui des allures de la nage. Concernant ce dernier point, lesdonnées des zoologistes expérimentateurs relatives aux allures denage de l’anguille sont aujourd’hui restreintes à la locomotionplane et se présentent sous la forme de films dont sont extraitesles lois d’évolution en déplacement et orientation des vertèbresainsi que celles des flexions intervertébrales prenant dans notreterminologie le sens de courbure. À partir de ces données, nous

nous sommes attachés à caractériser et identifier des alluressimplifiées sous-tendant des paramétrages minimaux des défor-mées mises en jeu. Nous avons pour cela mis à jour des lois depropagation d’ondes sinusoïdales de courbure progressives ourétrogrades combinées à des courbures (de tangage et lacet). Afinde compenser les couplages induits par les courbures, des lois detorsion sont en cours d’étude. Sur la base de ces réflexions, lacinématique interne du robot a été décidée : il pourra fléchir dansles deux plans (lacet/tangage) et se tordre autour de sa colonne. Leprototype comprendra douze vertèbres (soit au moins trente-sixdegrés de liberté internes), une tête rigide et une queue passive. Latête sera munie d’ailerons latéraux, mimant les nageoirespectorales de l’animal, dédiés au contrôle du roulis et du tangage.

2. Conception du prototype

Depuis l’origine de la robotique, les ingénieurs ont constammentadapté leur conception aux technologies disponibles. Pour lesrobots, lorsque l’on parle de technologie, on entend surtout latechnologie des actionneurs, de l’informatique ou des matériaux.Ainsi, en parcourant l’historique des catalogues de robots, onconstate que pour une même morphologie de robot, l’augmen-tation de la puissance des moteurs électriques ainsi que leurminiaturisation a permis dans un premier temps de remplacer lesmoteurs hydrauliques puis de simplifier et réduire le nombre depièces par l’élimination des parallélogrammes ou des massesd’équilibrage. Dans un autre ordre d’idée, l’augmentation de lapuissance des moyens informatiques a permis d’imaginer desstructures mécaniques plus complexes et l’intégration de modèlesdynamiques. Ainsi, à partir des structures mécaniques simplestelles que des robots cartésiens ou anthropomorphes, on a vuapparaître des robots à structures mécaniques dites parallèlestelles que les plates-formes de Gough-Stewart [2].

Pour la conception d’un robot anguille, nous devons adapter noscontraintes à des technologies matures. En effet, nous aurions puutiliser des actionneurs à mémoire de forme ou des piézo-électriques si ceux-ci avaient possédé la dynamique et la puis-sance demandées pour le déplacement d’un robot dans l’eau.Aussi nos choix se sont-ils orientés vers des micromoteurs élec-triques à courant continu qui ont comme principal avantage depouvoir être commandés en couple (à la différence des servo-moteurs). Dans le même ordre d’idée, notre prototype étant uni-taire, nous pouvons choisir des technologies qui auraient étéinadaptées pour une fabrication en grande série (principalementpour l’électronique).

Partenaires du projet

L’objectif de ce projet, soutenu par le programme ROBEACNRS, est de concevoir, étudier et réaliser un robot « anguille »capable de nager en trois dimensions. Pour cela, nous étudionssur la base de modèles continus macroscopiques, les pro-blèmes de la simulation, locomotion et commande. L’études’appuie sur une analyse biomécanique de la nage et seconcrétise par la réalisation d’une plate-forme logicielle et d’unprototype. Pour atteindre ces objectifs, un groupe pluri-disciplinaire d’équipes et laboratoires a été formé :

— Muséum national d’histoire naturelle (MNHN), laboratoired’ichtyologie ;

— laboratoire de mécanique des fluides (LMF) de Nantes,divisions modélisation numérique (DMN) et hydrodynamiquenavale (DHN) ;

— IRCCyN, équipes robotique, méthodes de conceptionmécanique et systèmes temps réel ;

— LAG, axe commande et observation ;— LIRMM, équipe robotique sous-marine.

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____________________________________________________________________________________________________ ROBOT ANGUILLE SOUS-MARIN EN 3D

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2.1 Choix de l’architecture mécanique

À partir de l’étude biomécanique, il a été décidé de réaliser leprototype par l’empilement de douze vertèbres ayant chacune troisdegrés de liberté de rotation. Pour notre étude, les contraintessuivantes ont été considérées :

— réduire au maximum l’espace intervertébral afin de pouvoirs’approcher le plus possible du modèle de déformation continue(figure 1) ;

— utiliser au maximum la section elliptique des vertèbres(figure 1) ;

— équilibrer le placement des éléments mécaniques afind’assurer l’équilibre hydrostatique des vertèbres ;

— trouver les mécanismes les plus robustes vis-à-vis des erreursd’assemblage.

Afin de pouvoir loger la mécanique, l’informatique et l’électroniquedans le corps de l’anguille, nous avons fixé les dimensions suivantespour chaque vertèbre : longueurs des focales 0,18 m et 0,13 m, hau-teur de 0,15 m. Cela revient à construire une anguille de plus de 2 mde long lorsque l’on tient compte de la tête et de la queue.

Sur la base d’une observation du système musculaire despoissons, on est tenté de réaliser les vertèbres avec uniquementdes actionneurs linéaires. Malheureusement, nous constatons quepour de petits encombrements, il existe peu d’alternatives robustesaux actionneurs rotatifs. En effet, pour réaliser une translation, lamajeure partie des actionneurs linéaires utilise un actionneurrotatif, couplé à une liaison hélicoïdale. Les pertes dues auxfrottements sont, dans ce cas, non négligeables. De plus, deuxinconvénients s’ajoutent à ce type d’actionnement :

— l’encombrement : moteur + guidage ;— les débattements réduits.

De même, la réalisation des vertèbres à partir d’une architecturecinématique sérielle a été écartée. En effet, l’utilisation d’unechaîne cinématique sérielle telle que représentée sur la figure 2pose les problèmes suivants :

— les moteurs sont placés de manière asymétrique ;— le couplage entre les moteurs ➀ et ➂ de chaque vertèbre

nécessite la présence d’un montage complexe pour le transfert descontraintes entre les vertèbres ;

— le déplacement du moteur ➁ entraîne des déplacements demasses importantes.

Finalement, nous avons opté pour une architecture parallèle. Cechoix fait, il existe de nombreuses solutions parallèles réalisant unpoignet sphérique. Elles sont habituellement classifiées suivant lespropriétés suivantes [3] :

— symétrique/asymétrique ;— isostatique/hyperstatique ;— actionneurs linéaires/actionneurs rotatifs.

Cependant, et malgré les efforts de classification, peu deréalisations technologiques de « liaison rotule parallèle » existent àce jour. Parmi ces rares prototypes, le plus connu en robotique estprobablement l’œil agile développé par Clément Gosselin [4]. Cettearchitecture a été utilisée pour orienter une caméra dans l’espace

(d’où son nom d’œil agile) ou comme périphérique haptique [5]. Elleest constituée de trois moteurs rotatifs dont les axes se croisent aucentre de la rotule et de trois « pattes » comprenant deux pivots cha-cune, dont les axes coupent aussi le centre de la rotule (figure 3). Cesont ces pattes qui réalisent la liaison entre la partie fixe du méca-nisme et la caméra (respectivement le poignet de l’utilisateur).

Enfin, lorsque l’on assemble en série un tel mécanisme répété àl’identique, tous les efforts transitent par l’intermédiaire de chaque

Figure 1 – Décomposition du corps de l’anguille en vertèbres

avec leurs dimensions

0,15 m

0,18 m

0,13 m

Figure 2 – Prototype de robot anguille basé

sur une architecture complètement sérielle

Figure 3 – Œil agile développé à l’université Laval de Québec

Figure 4 – Exemple de poignet sphérique avec le centre

de rotation contraint par une articulation passive

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1

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3

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avec actionneur rotatif bavec actionneur linéairea

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ROBOT ANGUILLE SOUS-MARIN EN 3D _____________________________________________________________________________________________________

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moteur, obligeant à renforcer les liaisons pivots de ces derniers. Pouréliminer ce problème, nous avons étudié une famille de poignetspossédant une rotule passive au centre de la rotation (figure 4).

Ainsi, une solution entre l’œil agile et un poignet parallèle àquatre pattes peut être obtenue en motorisant la patte portant larotule. Dans ce cas, on obtient une patte centrale constituée d’unpivot motorisé suivi d’un cardan. En affectant les deux autrespattes au contrôle des deux rotations du cardan, on obtient lepoignet représenté sur la figure 5. Ce mécanisme est dérivé dumécanisme de poignet défini par Agrawal [6] avec des actionneursrotatifs en lieu et place des actionneurs linéaires.

C’est cette architecture qui a été retenue. Au nombre de ses avan-tages, remarquons qu’elle est très compacte et peut facilement êtreplacée dans la forme elliptique de l’anguille. De plus, la cinématiquepermet de reproduire, au travers de l’action des deux biellettes ➀ et➁, le rôle des muscles attachés au squelette et travaillant en addition(dans le sens du lacet, pour la propulsion) et en soustraction (danscelui du tangage, pour la plongée). Le moteur placé sur la patte ➂

permet de réaliser le mouvement de roulis. Plusieurs variantes deplacement des moteurs ont été testées dans le projet (figures 5a, b

et c ). C’est la solution de la figure 5c qui a été retenue car, dans cecas, l’axe des moteurs est colinéaire à l’axe de la plus grande focalede l’ellipse. Lorsque l’angle de roulis est nul, les deux moteurscoaxiaux fonctionnent alors comme un différentiel. Sur la base dece choix, les modèles cinématique et géométrique (direct et inverse)de ce robot parallèle ont été élaborés [7]. Pour la commande, seul lemodèle géométrique inverse est calculé. Avec notre conception, ils’écrit sous forme d’équations quadratiques, ce qui permet de lerésoudre algébriquement. Cet aspect est crucial en raison des puis-sances de calcul limitées des calculateurs embarqués. Pour éviterque ce moteur ne supporte des efforts axiaux trop importants, nousavons placé deux engrenages parallèles déportant le moteur relati-vement à l’axe vertébrale. Ce dispositif permet aussi de placer unmoteur dont la longueur axiale est importante.

2.2 Assemblage des vertèbres

Le corps de l’anguille est réalisé par la mise en série de sesvertèbres. Dans cet assemblage, l’emplacement des moteurs, del’informatique embarquée ainsi que de l’électronique de puissancedoit être pris en compte. Après analyse des besoins de calcul enligne, le choix a été adopté d’affecter un microcontrôleur à deux ver-tèbres. Les moteurs contrôlant le tangage et le lacet sont côte à côtetandis que ceux contrôlant le roulis sont en opposition. Ce choix per-met d’équilibrer les masses sur deux vertèbres. Enfin, sur chaquesection elliptique sera fixée la peau de notre robot. La figure 6 repré-sente la position des différents éléments dans le prototype.

La modélisation sous CATIA de chaque vertèbre a permis desimuler le déplacement des moteurs et d’éviter les interférencesentre les pièces en mouvement (figure 7).

2.3 Conception de la peau

La peau de l’anguille sera fixée sur chaque vertèbre, l’objectif denotre conception étant d’assurer le maintien de cet organe afinde réaliser un contact continu. La difficulté résulte ici de la tensionentre deux objectifs contradictoires mettant en jeu les défor-mations de l’organe. En effet, la peau doit offrir une déformationtrès aisée en flexion-flexion-torsion tout en garantissant unerésistance importante aux pressions du fluide. À cette difficulté deprincipe, s’ajoutent les déformations importantes que doit subirl’organe. En témoigne la figure 8 relative au plan du lacet. Lorsquel’angle de lacet est égal à 30o, la courbure extérieure augmente de24 % tandis que la courbure intérieure diminue de 28 %. Afind’éviter que la peau ne plisse, une première solution serait de laprécontraindre lorsque la courbure extérieure est minimale. Mal-heureusement, si la peau est constituée d’un matériau élastique(caoutchouc, Lycra), son étirement axial s’accompagne d’uninévitable rétrécissement transverse (figure 9).

Aussi la solution a-t-elle été adoptée de soutenir une telle peaud’une structure sous-jacente. Cette structure pourrait par exempleêtre basée sur l’empilement de vertèbres intermédiaires évidéesconnectées par des anneaux en caoutchouc (figure 9). Au nombredes avantages d’une telle solution, on compte, outre la garantie decontinuité en courbure recherchée : les grands débattementsoctroyés, la facilité de montage et le faible encombrement radial.

Figure 5 – Modèle des vertèbres basé sur une architecture parallèle et son placement dans l’enveloppe elliptique

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A1 θ1 θ2

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Moteurs

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Figure 6 – Organisation des éléments mécaniques, de l’informatique

et de l’électronique de puissance

Contrôleur/puissance

Moteurs du roulis Moteurs du tangageet du lacet

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Robots : les problématiquesactuelles

par Philippe COIFFETMembre de l’Académie des technologies

’ère des recherches de base sur la conception et la réalisation des robotsindustriels s’est achevée vers 1990, date à partir de laquelle la présence de

ces machines s’est généralisée dans toutes les industries manufacturières despays dits « développés ».

Néanmoins, ces robots industriels travaillent à poste fixe et en environne-ment totalement connu. Leur succès n’a donc constitué qu’une étape qui apermis d’aborder la genèse de robots mobiles évoluant en environnement malconnu dont le secteur bénéficiaire principal sera celui des services (matériels).

Cette genèse n’est pas terminée. L’article rappelle les différentes pistesd’étude. Elles posent le problème des liens entre « robots » et « vivant » quiamènent à faire glisser les problématiques de la robotique vers celles de labiorobotique.

1. Contexte...................................................................................................... S 7 702 - 2

1.1 Robotique ..................................................................................................... — 2

1.2 Robot ............................................................................................................. — 2

2. Variété des problèmes qu’on peut se poser en robotique............ — 3

3. Pistes d’exploration des problématiques .......................................... — 3

3.1 Méthodologie de la piste : objectif « tâche » ............................................. — 4

3.2 Méthodologie de la piste : objectif « comportement » ............................. — 4

3.3 Méthodologie de la piste : objectif « système » ........................................ — 4

4. Référence au vivant : son importance dans le concept de robot — 5

5. Biorobotique .............................................................................................. — 5

5.1 Biorobotique non anthropomorphe ........................................................... — 6

5.2 La biorobotique n’est-elle que l’imitation des êtres vivantspar des moyens électroniques et mécaniques ? ....................................... — 6

5.3 Niveau d’imitation de l’homme dans la conception de robotshumanoïdes .................................................................................................. — 7

6. Avenir des robots et de la biorobotique ............................................ — 8

Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. S 7 702

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ROBOTS : LES PROBLÉMATIQUES ACTUELLES ____________________________________________________________________________________________

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1. Contexte

1.1 Robotique

Le monde scientifique et des ingénieurs s’est intéressé au robotà partir des années 1950-1960. Dans ces années, la robotique a étéabordée par deux voies principales que l’on peut qualifier decomplémentaires, mais aussi d’opposées.

p L’une a répondu à un besoin industriel patent : le transfert depièces, exécuté soit à la main par un ouvrier, soit à l’aide d’outilsmanipulés par un ouvrier si l’objet est lourd ou autrement dange-reux. À de nombreux postes de transfert, sur des distances dequelques mètres, on va remplacer de manière avantageuse sur leplan des cadences et sur celui de la sécurité, la fonction de mani-pulation assurée par l’homme par des manipulateurs qui sont laforme la plus archaïque du robot. Le manipulateur peut fonctionnerde manière automatique et il est ajustable dans ses mouvements.Cette adaptation valorise énormément la machine qui acquiert dèslors un petit côté « universel » augmentant la rentabilité de l’inves-tissement.

C’est à M. Devol aux États-Unis que l’on doit l’invention de cespremiers robots industriels pour la manipulation ; mais c’est à soncélèbre associé et créateur de la firme Unimation, J. Engelberger,que l’on doit le succès commercial. Grâce à son opiniâtreté et à sonentregent, il a beaucoup contribué à ce que le robot soit adopté parl’industrie manufacturière dans son ensemble. C’est pourquoi onconsidère J. Engelberger comme le père de la robotique indus-trielle, qui, on l’aura compris, se caractérise par le pragmatisme enmatière de rentabilité financière de ce nouvel outil ou de cettenouvelle machine.

p Dans les mêmes années 1960, l’autre voie de la robotique prenaitcorps en s’appuyant sur des idées diamétralement opposées àcelles de la robotique industrielle, ne serait-ce que par leur aspectrecherche à long terme. Ces idées étaient les conséquences del’invention de l’« intelligence artificielle » par le quatuor JohnMcCarthy, Marvin Minsky, Herbert Simon et Allen Newell. Dès lorsque l’IA (intelligence artificielle) était possible, il fallait l’appliquer àdes engins mobiles (robots mobiles) dans l’espoir de les doter d’uncomportement « intelligent ».

Ainsi, le robot et la robotique se sont trouvés propulsés sur deuxchemins qui ne se sont longtemps rencontrés que dans les livres.Remarquons aussi que, dès ces années 1960, l’impossibilité d’unedéfinition claire du robot se trouve quasiment établie. En effet, ducôté industriel, ce ne sera jamais qu’une machine dont la nature de« machine » n’est pas remise en cause, même si elle amène quel-ques perfectionnements par rapport aux machines « classiques ».Et, du point de vue de l’IA, le terme même d’intelligence artificiellea été créé par référence à l’homme. En effet, le thème de la confé-rence de Darmouth en 1956 (qu’on considère comme le départ del’IA) a été avancé par McCarthy sous la forme de la propositionsuivante : « L’intelligence peut, en principe, être décrite de façonsuffisamment précise pour qu’on puisse faire une machine per-mettant de la simuler ». On aura donc une référence explicite àl’homme dès qu’on cherchera à implanter des algorithmes d’IAdans des systèmes de commande d’engins mobiles.

En conséquence, une définition du robot satisfaisant les deuxpoints de vue opposés précédents semble difficile à formuler. Onpeut penser que, mis à part quelques puristes ou théoriciens, cetteabsence de définition n’empêche pas le progrès des travaux surl’autonomie ou l’intelligence des machines par exemple. Si ceci estglobalement vrai, il faut aussi constater que l’absence de définitiondu robot a créé des controverses étonnantes jusque dans lesannées 1980.

Lorsque la robotique industrielle a véritablement décollé entre1970 et 1980, il était de bon ton (car les robots étaient majoritaire-ment utilisés dans l’industrie automobile, fer de lance de la

compétition entre pays industrialisés) de donner un indice de la« modernité » d’un pays en terme de nombre de robots installés.Or, chaque année, le Japon (qui, par ailleurs, était au mieux de sonexpansion économique) avançait des chiffres de plusieurscentaines de milliers de robots installés, alors que les États-Unis nerevendiquaient que quelques dizaines de milliers de robots, suivispar les autres pays européens qui parlaient en milliers. L’explica-tion, qui ne fut trouvée qu’après quelques années de dispute, étaitfinalement très simple. Chaque pays utilisait une définition diffé-rente du robot industriel pour faire ses comptes. En particulier, lesJaponais incluaient dans les robots les manipulateurs manuels(non motorisés), ce que ne faisaient pas les autres pays.

Depuis lors, se focalisant sur l’existant, les industriels des diverspays et les associations de robotique industrielle auxquelles ilsparticipent se sont mis d’accord sur des définitions et des classifi-cations permettant la compréhension mutuelle et les échangesd’informations techniques (voir le dossier [S 7 700] des Techniquesde l’Ingénieur, référence [1] de la fiche documentaire [doc.S 7 702]). Cependant, ces classifications restent très « mécanistes »,très portées à s’appesantir sur ce qui existe et fonctionne industriel-lement, ce qui a pour conséquence de rejeter tout ce qui a trait àdes propriétés avancées pas totalement maîtrisées (comme l’intel-ligence ou l’autonomie) dans une catégorie « fourre-tout », bienséparée des produits immédiatement utilisables. Et c’est au sein decette catégorie que se développent aujourd’hui les robots, car lesrobots industriels à poste fixe sont bien maîtrisés depuis la décen-nie 1980-1990. Aussi bien, en complément de l’article [S 7 700], onpeut envisager le robot d’un autre point de vue.

1.2 Robot

On peut dire que le robot est une entité physique que l’on peutqualifier de « système » car il s’agira bien d’une sorte de machinecréée par l’homme. Mais, dès qu’on parle d’un objet artificiel, ladéfinition prend un tour nouveau car celui qui pose la question« qu’est-ce que c’est ? » y ajoute obligatoirement « à quoi çasert ? » ou « ceci a été conçu et fabriqué dans quel but, avec quelobjectif ? ». Ainsi, l’objectif de l’homme sur ce système va êtreinclus dans une définition. Cependant, on vient de voir, avec larobotique industrielle d’un côté et l’IA de l’autre, que les objectifspeuvent être variés. À chaque objectif vont correspondre certainescaractéristiques, certaines spécifications conduisant à un type derobot. On peut malgré tout regrouper tous les objectifs en grandescatégories relativement homogènes ramener ces dernières à seule-ment trois ; chacune d’entre elles montre des idées et méthodes quiseront amenées à être mises en œuvre lors de la conception durobot de cette catégorie. Ces trois objectifs généralistes sont lessuivants : l’objectif « tâche », l’objectif « comportement » et l’objec-tif « système ».

• Objectif « tâche »

Cette expression est un raccourci pour indiquer que l’objectifaffecté au robot par son concepteur est l’exécution de tâche(s),c’est-à-dire de transformation(s) désirée(s) d’un environnementmatériel. Le robot est alors une sorte d’outil affecté à l’hommepour exécuter ces tâches. Toute la robotique industrielle estconcernée par l’objectif « tâche ».

• Objectif « comportement »

Le but n’est plus l’exécution d’un travail ou de tâches souhaitées,déterminées, mais l’imitation de certains comportements ou pro-priétés comportementales d’êtres vivants (animaux ou hommes),considérés isolément ou en groupes. Bien entendu, au travers de larecherche de l’imitation du comportement du vivant, deux butsseconds se dessinent. L’un est une meilleure compréhension duvivant. L’autre est l’utilisation de ces comportements pour exécuterhabilement ou intelligemment des tâches matérielles (qui peuventêtre celles de l’objectif « tâche »).

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Modélisation et commandedes robots manipulateurs

par Alain LIÉGEOISProfesseur de l’université Montpellier-II, Institut des sciences de l’ingénieurEnseignant-chercheur au Laboratoire d’informatique, de robotiqueet de microélectronique de Montpellier (LIRMM )

1. Morphologie .............................................................................................. S 7 730 - 31.1 Graphe du mécanisme................................................................................ — 31.2 Articulations ou « liaisons »........................................................................ — 31.3 Torseurs cinématique et dynamique d’un corps rigide............................ — 41.4 Degrés de liberté d’un mécanisme ............................................................ — 5

1.4.1 Premier mode de calcul ..................................................................... — 51.4.2 Second mode de calcul ...................................................................... — 5

2. Changements de coordonnées directs .............................................. — 62.1 Modèle géométrique direct ........................................................................ — 6

2.1.1 Structures arborescentes ................................................................... — 72.1.2 Robots manipulateurs avec boucles cinématiques planes ............. — 72.1.3 Robots parallèles ................................................................................ — 8

2.2 Modèle cinématique direct ......................................................................... — 82.2.1 Structure de chaîne ............................................................................ — 82.2.2 Structures avec des boucles simples................................................ — 92.2.3 Robots parallèles ................................................................................ — 9

3. Changements de coordonnées inverses ............................................ — 93.1 Modèle géométrique inverse...................................................................... — 9

3.1.1 Structures série................................................................................... — 103.1.2 Robots avec des boucles.................................................................... — 103.1.3 Robots parallèles ................................................................................ — 10

3.2 Modèle cinématique inverse ...................................................................... — 113.2.1 Structures série................................................................................... — 113.2.2 Robots avec des boucles simples ..................................................... — 113.2.3 Robots parallèles ................................................................................ — 11

4. Utilisation des matrices jacobiennes ................................................. — 124.1 Calcul des efforts statiques......................................................................... — 124.2 Inerties de l’organe terminal vues par l’environnement .......................... — 124.3 Indice de manipulabilité.............................................................................. — 134.4 Commande « jacobienne » ......................................................................... — 134.5 Commande en effort ................................................................................... — 13

4.5.1 Retour par matrice de raideur ........................................................... — 134.5.2 Commande d’impédance................................................................... — 14

4.6 Commande hybride position-force ............................................................ — 14

5. Commande dynamique........................................................................... — 145.1 Modèles théoriques de la dynamique ....................................................... — 14

5.1.1 Équations de Newton ......................................................................... — 145.1.2 Équations de Lagrange ...................................................................... — 15

5.2 Commande dynamique............................................................................... — 155.2.1 Commande théorique : méthode des couples calculés .................. — 165.2.2 Commande avec prédicteur............................................................... — 16

6. Conclusion ................................................................................................. — 16

Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. S 7 730

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MODÉLISATION ET COMMANDE DES ROBOTS MANIPULATEURS ________________________________________________________________________________

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.S 7 730 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Informatique industrielle

a maîtrise de la conception et du fonctionnement de mécanismescomplexes motorisés, ou « machines », a toujours été un facteur important

de progrès technologiques et parfois aussi sociaux et économiques dans diversdomaines : transports, production industrielle, travaux publics, exploration ettravail en milieux hostiles, imagerie médicale, etc. La conception, la fabricationet le pilotage de ces machines ont été rendus possibles grâce aux connaissan-ces scientifiques et techniques en mécanique, thermodynamique, électrotech-nique et hydraulique. Ces machines sont destinées à augmenter les possibilitésde l’homme pour la rapidité de ses déplacements et de ses actions, et pourl’amplification de sa force et de son champ d’action, notamment dans l’accom-plissement de tâches pénibles, dangereuses et/ou répétitives. Les fonctionsgénéralement concernées sont :

— le déplacement à plus ou moins longue distance sur terre, sur mer, dansl’air et sous l’eau ;

— la « manipulation » au sens large du terme :• déplacer un outil pour saisir des objets ou de la matière, les transporter et

les déposer,• exercer des efforts sur l’environnement ;

— la combinaison des deux fonctions précédentes.

Un robot manipulateur peut donc être considéré d’une manière générale, vupar son environnement, comme un générateur de mouvements et d’effortsdans les diverses directions de l’espace.

Sur le plan des applications les plus courantes, on peut distinguer :— les robots industriels, travaillant généralement à poste fixe, de manière

totalement autonome, et dont les « tâches » sont programmées sur le site parapprentissage, ou bien hors ligne en utilisant un langage spécialisé ou desmoyens de conception assistée par ordinateur ;

— les robots pour l’intervention et l’exploration en milieu hostile et mal connu(nucléaire, planétaire, sous-marin ) qui sont le plus souvent téléopérés mais peu-vent être dotés d’une certaine autonomie locale compte tenu des difficultés rela-tives aux délais des transmissions et à leur faible bande passante. Les outils dela « réalité virtuelle » qui émergent dans de nombreux laboratoires et industriessont susceptibles d’aider les opérateurs dans la commande des manipulateursdont sont dotés les véhicules robotisés.

Dans tous ces cas où les robots manipulateurs ne sont pas directement télé-opérés et doivent posséder une certaine autonomie d’action, leurs systèmes decommande automatique doivent connaître et compenser les imprécisionséventuelles puisque l’opérateur humain n’est pas directement dans la boucled’asservissement, pour s’adapter aux caractéristiques des machines et de leurenvironnement. Pour cela, il est nécessaire de passer par une modélisationmathématique précise de la géométrie et de la dynamique des bras manipu-lateurs.

Cet article a pour but de familiariser le lecteur avec les principales notionsnécessaires à l’analyse de la morphologie d’un robot et de ses capacités de tra-vail, afin de choisir et d’utiliser au mieux un robot industriel du commerce oumême de concevoir une machine particulière mieux adaptée à ses besoins.

Le lecteur est invité à se reporter à l’article [R 7 734] traitant de l’application de la réalité vir-tuelle à la robotique, et plus généralement aux articles [R 7 700] et suivants du présent traitéconsacrés à la robotique.

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________________________________________________________________________________ MODÉLISATION ET COMMANDE DES ROBOTS MANIPULATEURS

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1. Morphologie

Un robot manipulateur est constitué par l’assemblage de corps(segments) rigides en première approximation, et articulés entreeux. Les articulations peuvent être motorisées (actives) ou non(articulations passives).

1.1 Graphe du mécanisme

Pour décrire la topologie du mécanisme constituant le robotmanipulateur, on lui associe un graphe dont les sommets sont lescorps constitutifs et les arcs représentent les assemblages entreces corps. Deux corps extrêmes ont des rôles particuliers :

— la base, qui est fixée au sol ou sur un véhicule ;— l’organe terminal qui porte l’outil (ou effecteur).

En partant de la base pour aller vers l’effecteur, on pourradistinguer :

— les structures série, ou sérielles, pour lesquelles le graphe estarborescent, la base étant la racine et les feuilles étant les organesterminaux (dans le cas général où il y en aurait plusieurs) (figure 1par exemple) ;

— les structures parallèles pour lesquelles toutes les chaînespartent de la base pour aller vers l’organe terminal [4] (figure 2 parexemple) ;

— les structures mixtes, présentant des boucles cinématiques,par exemple des parallélogrammes ou des motorisations parvérins linéaires (figure 3 par exemple).

1.2 Articulations ou « liaisons »

On admettra qu’un corps solide rigide isolé dans l’espace à troisdimensions possède six degrés de liberté : trois composantes d’unvecteur position et trois composantes d’orientation. Les divers for-malismes pratiques utilisés pour quantifier ces degrés de libertésont précisés au paragraphe 1.4. Quand on relie un tel corps à unautre, au moyen de « liaisons » mécaniques, il perd de sa mobilitépar rapport au second. On peut imaginer diverses combinaisons detranslations et de rotations, dont quelques-unes sont représentéessur la figure 4.

Figure 1 – Exemple de structure série. Bras (doc. Adept)

Dispositifd'accouplement

Avant-bras

Bras

Base

Figure 2 – Exemple de structure parallèle. Poignet à compliance active développé par C. Reboulet (doc. ONERA/CERT, Toulouse)

Figure 3 – Exemple de structure mixte. Robot avec boucles(doc. Afma Robots)

Base attachée à un porteur

Pince

Corps des vérins

Tiges des vérins

Poignet

Avant-bras

Bras

Épaule

Base

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MODÉLISATION ET COMMANDE DES ROBOTS MANIPULATEURS ________________________________________________________________________________

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Dans l’assemblage de robots manipulateurs, les liaisons les pluscourantes sont :

— la liaison rotoïde R (ou pivot) à un degré de liberté(figure 4j ) ;

— la liaison prismatique P (ou glissière) à un degré de liberté(figure 4k ) ;

— la liaison rotule S (sphérique) à trois degrés de liberté, équi-valente à R3 (figure 4f ) ;

— la liaison cardan U (joint universel) à deux degrés de liberté,équivalente à R2 (figure 4i ).

Nous avons également représenté des liaisons unilatérales(figures 4a, c et g ) qui ne servent pas à proprement parler dansl’assemblage de mécanismes, mais peuvent représenter locale-ment (une surface est approchée par son plan tangent) des rela-tions temporaires entre l’organe terminal du robot et sonenvironnement.

D’autres liaisons, comme le roulement sans glissement, équiva-lent à un mouvement plan sur plan, existent dans les cames et lesréducteurs à engrenages (figure 5). Comme dans le système vis-écrou (figure 4l ), elles ne rajoutent pas de degré de liberté puisquel’on peut écrire, en coordonnées polaires :

r1 dθ1 + r2 dθ2 = 0 avec r1 + r 2 = constante (1)

1.3 Torseurs cinématique et dynamiqued’un corps rigide

Le mouvement d’un corps solide rigide est déterminé à chaque

instant par le vecteur vitesse d’un de ses points (son centre

Figure 4 – Liaisons. Paires cinématiques

4b5a

4d

4c

3f3e

2h3g

1j

2i

1l1k

Le chiffre indique le nombre de degrés de liberté de la liaison

Figure 5 – Came ou engrenage

θ1

θ2r2r1

Origine de θ1

Origine de θ2

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Système de commande d’un manipulateur

par Nicolas SÉGUYLaboratoire systèmes complexes (CNRS-ERE 2494)

es robots manipulateurs industriels sont utilisés pour réaliser des tâches dedéplacements d’outils, de manutention ou d’assemblage. Ils se substituent à

l’homme ou prolongent son action en apportant précision, rapidité ou capacité àappliquer d’importants efforts.

Ils sont généralement constitués d’un bras manipulateur plus ou moinsanthropomorphe mis en mouvement par des actionneurs électriques, hydrauli-ques ou pneumatiques et dont la position est repérée par une série de capteurs.Une interface permet de spécifier la tâche à réaliser et un dispositif de com-mande en contrôle l’exécution par l’unité mécanique.

Cet article propose une description des éléments constitutifs, des modes deprogrammation et des caractéristiques du robot Fanuc S430. Les calculs desmodèles géométriques et cinématiques sont également présentés. À titred’exemple, une application industrielle, liée au secteur de l’automobile, illustrel’utilisation de ce robot. Le procédé et l’outil spécifique y sont présentés.

1. Description du robot............................................................................... S 7 732 – 21.1 Unité mécanique.......................................................................................... — 21.2 Baie de commande...................................................................................... — 21.3 Éléments annexes........................................................................................ — 21.4 Langages de programmation ..................................................................... — 2

2. Modèles géométriques ........................................................................... — 32.1 Notations. Définitions.................................................................................. — 32.2 Modèle géométrique direct ........................................................................ — 42.3 Modèle géométrique inverse...................................................................... — 4

3. Modèles cinématiques............................................................................ — 53.1 Modèle cinématique direct ......................................................................... — 53.2 Modèle cinématique inverse ...................................................................... — 6

4. Exemple d’application industrielle ..................................................... — 64.1 Problématique.............................................................................................. — 64.2 Description de l’outil et du procédé .......................................................... — 7

5. Caractéristiques ...................................................................................... — 7

6. Conclusion ................................................................................................. — 7

Références bibliographiques ......................................................................... — 8

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SYSTÈME DE COMMANDE D’UN MANIPULATEUR ____________________________________________________________________________________________

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1. Description du robot

Le robot Fanuc S430 est spécialement dédié aux applications demanipulation et de soudure par points. Nous présentons dans cettepartie ses principaux constituants que sont l’unité mécanique etl’armoire de commande. Certains des éléments périphériques sontdécrits, ainsi que les deux langages de programmation nécessairesà sa mise en œuvre.

1.1 Unité mécanique

Le bras manipulateur possède une structure série à six liaisonsrotoïdes repérées de J1 à J6 de la base vers le poignet (figure 1).

Les mouvements sont réalisés grâce à six servomoteurs électri-ques à courant alternatif de type « sans-balais ». Chacun des axesest équipé d’un codeur absolu sur un tour permettant de repérer saposition angulaire par rapport à la configuration d’origine.

Les déplacements du robot s’effectuent par l’intermédiaire du boî-tier d’apprentissage (cf. § 1.3). On distingue quatre types de dépla-cements (figure 2) :

— articulaire : mouvement axe par axe du robot (indiqués sur lafigure 1);

— dans le repère universel (figure 2) ;— dans un repère utilisateur (figure 2) ;— dans un repère outil (figure 2).

La position du repère universel est imposée par le constructeur.L’utilisateur peut quant à lui définir jusqu’à neuf repères utilisateurset neuf repères outils. Les déplacements du bras dans ces repères,lors de la phase d’apprentissage, sont ainsi facilités.

On notera la position des actionneurs des axes J4 à J6, ramenésà proximité de l’axe J3, limitant ainsi le poids à l’extrémité du robot.

1.2 Baie de commandeElle contient l’ensemble des éléments nécessaires à l’alimentation

électrique et au contrôle de l’unité mécanique du robot (figure 3) :

— l’unité de puissance (PSU) qui assure l’alimentation de la baieet des servomoteurs ;

— le variateur qui fournit la puissance nécessaire à l’asservisse-ment des axes du robot ;

— l’unité centrale (Main-CPU), carte multiprocesseurs possédantdes processeurs dédiés à la trajectoire, à la communication ou auxopérations logiques de l’interface d’Entrées/Sorties ;

— le panneau opérateur, interface de la baie de commande com-portant les touches et voyants de base (marche/arrêt, départ decycle, pause, arrêt d’urgence…) et les ports de connection de cer-tains éléments annexes (§ 1.3) ;

— la carte Process I/O : support de cartes d’Entrées/Sorties.

Tous ces composants sont connectés entre eux par l’intermédiairedu bus constructeur assurant une grande rapidité de communi-cation.

1.3 Éléments annexes

Ce sont les divers éléments de communication et d’interfaçage.On distingue :

— le boîtier d’apprentissage (Teach pendant), constitué d’un cla-vier et d’un écran à cristaux liquides. Il est l’interface de déplace-ment du robot et d’apprentissage des trajectoires. Il permet de créeret tester des programmes, de fonctionner en production ou decontrôler l’état de certaines données ;

— les périphériques de sauvegarde et de chargement, ensembledes supports et connections : carte PCMCIA, lecteur de DK7, impri-mante ou ordinateur, liaison série ;

— les cartes Entrées/Sorties, digitales ou analogiques ;— la communication, les nombreuses possibilités de liaisons Ether-

net, Device Net, Profibus, Fanuc I/O Link… permettent d’intégrer lerobot au réseau de l’entreprise ou d’effectuer du diagnostic à distance.

1.4 Langages de programmation

Deux types de programmation sont disponibles afin de produireles trajectoires et gérer les communications avec les périphériques.

Le langage TPE (Teach Pendant Editor) est un langage de niveauopérateur entré par l’intermédiaire du boîtier d’apprentissage. Laprogrammation est de type mnémonique : l’utilisateur construit sonprogramme en utilisant les mots clés contenus dans des menus. Ilpermet de gérer les Entrées/Sorties, de fonctionner en multitâche…L’apprentissage s’effectue en déplaçant le robot et en apprenant dif-férents points caractéristiques de la trajectoire. L’opérateur à la pos-sibilité de spécifier de plus :

Figure 1 – Articulations et sens de rotation (doc. Fanuc Robotics)

Figure 2 – Repères de déplacement (doc. Fanuc Robotics)

J3

J1

J2

J4

J5 J6+

+ +

+

++

– –

––

X

Z

Y

Repèreuniversel

Y

Z

X

Repère outil

Repère utilisateur

X

Z

Y

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Intégration robot-capteur

par Jacques GANGLOFFProfesseur à l’université de Strasbourg

et Philippe POIGNETMaître de conférences à l’université de Montpellier 2, LIRMM (Laboratoire d’informatique,de robotique et de microélectronique de Montpellier)

a grande majorité des robots industriels installés fonctionne dans un mode derépétition : ils exécutent une séquence de mouvements appris. La réactivité

par rapport à un événement externe est très limitée : elle se borne souvent à desréactions basiques déclenchées par des événements de type « tout ou rien ».

L’environnement doit donc être constant et connu avec une grande précision.Pour un poste de soudage robotisé, par exemple, les pièces à souder doiventêtre positionnées avec précision face au(x) robot(s) avant que celui-ci effectue satâche apprise. Toute erreur dans ce positionnement se répercutera directementsur la précision de la tâche.

D’autre part, lorsque le robot travaille au contact (ce qui est le cas des tâchesd’insertion, de polissage ou de vissage, par exemple), en l’absence de capteuradditionnel et si les cotes ou le positionnement de la pièce s’éloignent des valeursnominales, les efforts engendrés peuvent croître de manière très importante,pouvant aller jusqu’à la destruction de la pièce ou de l’outil.

1. Interaction robot-vision ......................................................................... S 7 780 — 21.1 Motivations .................................................................................................. — 21.2 Acquisition et traitement de l’image.......................................................... — 2

1.2.1 Le capteur............................................................................................ — 21.2.2 Transmission ....................................................................................... — 31.2.3 Traitement ........................................................................................... — 3

1.3 Commande par vision................................................................................. — 41.3.1 Position de la caméra ......................................................................... — 41.3.2 Types de mesure................................................................................. — 41.3.3 Types de commande .......................................................................... — 5

1.4 Études de cas ............................................................................................... — 71.4.1 Montage d’un radiateur de climatisation ......................................... — 71.4.2 Assemblage de commande hydraulique de boîtes de vitesse ....... — 7

2. Interaction robot-effort .......................................................................... — 82.1 Motivations .................................................................................................. — 82.2 Acquisition et traitement de l’effort ........................................................... — 8

2.2.1 La mesure d’effort............................................................................... — 82.2.2 Le capteur............................................................................................ — 9

2.3 Commande en effort.................................................................................... — 112.3.1 Contrôle d’effort implicite .................................................................. — 112.3.2 Contrôle d’effort explicite................................................................... — 12

2.4 Études de cas ............................................................................................... — 132.4.1 Quelques applications industrielles proposées

par Fanuc Robotics ............................................................................. — 132.4.2 Un robot de prélèvement de peau .................................................... — 13

3. Vers une interaction robot-vision-effort............................................ — 14

Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. S 7 780

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INTÉGRATION ROBOT-CAPTEUR __________________________________________________________________________________________________________

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Afin de donner au robot plus de flexibilité et d’adaptabilité, il est nécessaired’inclure dans sa commande des retours sensoriels externes.

La vision permet de prendre en compte des variations dans l’environnementde travail du robot. On parle alors de « commande par vision » ou« asservissement » visuel. Lorsque le robot travaille au contact, la mesure desefforts d’interaction fournie par un capteur d’effort permet de contrôler, et doncde limiter, ces efforts d’interaction. On parle alors de « commande en effort ».

Cet article est dédié à l’interaction robot-capteur pour les deux capteursextéroceptifs les plus couramment utilisés en robotique : la caméra et le capteurd’effort.

Les aspects théoriques concernant les différentes architectures de commandesont abordés de façon très synthétique, en donnant au lecteur la possibilitéd’approfondir le sujet à travers la citation de références.

La technologie des capteurs, des exemples et des études de cas réels,constituent le volet pratique de l’article.

1. Interaction robot-vision

1.1 Motivations

Le capteur visuel est un capteur dit « extéroceptif ». Il est capable,avec une grande richesse d’informations, d’appréhender l’environ-nement de travail du robot.

L’information extraite de l’image permet, par exemple, de corrigerla trajectoire du robot de manière à s’adapter à une variation dansles cotes des pièces à traiter. On peut aussi imaginer un systèmerobotique capable de reconnaître automatiquement le type de piècequi se présente et d’adapter la tâche en fonction de la pièce et/ou desa position par rapport au robot.

Le capteur visuel fournit un flux d’informations. Le caractèretemps-réel de cette information peut être utilisé pour corriger entemps réel la position du robot, notamment pour réaliser une tâcheà la volée sur une pièce circulant sur un convoyeur.

Les deux premiers exemples mentionnés ont tendance à devenirde plus en plus courants dans l’industrie. Ceci a été rendu possible,ces dernières années, grâce à l’augmentation de la puissance detraitement de l’image (qui suit la courbe des fréquences des micro-processeurs) et, aussi, en raison de l’accès à un certain degré dematurité et donc de robustesse des algorithmes de traitementd’image.

Dans ces exemples le fonctionnement du système est séquentiel :on regarde, on traite et on bouge le robot en fonction du résultat dutraitement. Cette approche est dénommée « look then move » dansla littérature scientifique et ne permet pas une correction active de latâche.

Le dernier exemple qui consiste à suivre une pièce en train debouger, relève de ce qu’on nomme la « vision active » ou « visualservoing ». Dans ce cas, les commandes envoyées au robot sontréactualisées à une fréquence égale ou harmonique de la fréquenced’acquisition d’images.

Le système peut être vu comme un asservissement de positionavec un capteur visuel.

Dans cette partie, les différentes notions fondamentales en com-mande par vision sont abordées de manière progressive et didacti-que. Une section est dédiée aux capteurs avec une présentation desdifférentes technologies et leur adéquation avec la commande parvision.

Les différentes architectures d’asservissement visuel sont ensuitepassées en revue et, pour finir, un panorama des futures applica-tions industrielles de la vision active est proposé.

1.2 Acquisition et traitement de l’image

La maîtrise des technologies d’acquisition d’image est primor-diale pour une bonne compréhension des enjeux et limitations de lacommande par vision.

Dans cette partie, on dressera un état de l’art de l’existant en don-nant un aperçu qualitatif du point de vue de l’utilisateur.

1.2.1 Le capteur

Si on schématise, on trouve actuellement sur le marché deuxtechnologies de capteur visuel : la technologie CCD (plus ancienne)et la technologie CMOS.

■ La technologie CCD (« Charge Coupled Device ») a été inventéeen 1969. Elle consiste en une matrice de photo-sites ou pixels quiconvertissent la lumière en charges électriques.

Cette conversion nécessite un certain temps, réglable électroni-quement, qui correspond au temps de l’obturateur électronique ou« electronic shutter ». Ensuite les charges sont transférées d’un coupvers une zone de stockage d’où elles sont dépilées et convertiesséquentiellement en niveaux de tension. Chacun d’eux est propor-tionnel à la luminance du pixel codé.

■ Les capteurs CMOS utilisent une technologie largement éprou-vée dans le domaine de l’électronique numérique pour intégrer, surle même substrat de silicium, la fonction capteur et la fonction demise en forme du signal.

La fonction capteur utilise les mêmes principes qu’en technologieCCD. C’est au niveau du conditionnement du signal que réside laprincipale différence.

Ce type d’approche est encore très rare dans l’industrie maiselle est courante dans le milieu de la recherche où on adémontré son intérêt et son efficacité.

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__________________________________________________________________________________________________________ INTÉGRATION ROBOT-CAPTEUR

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En technologie CMOS, un pixel contient, non seulement une zonesensible, mais également un circuit d’amplification. L’accès à unpixel se fait à la manière d’une mémoire, c’est-à-dire par un systèmed’adressage : on peut ainsi accéder directement au niveau de ten-sion d’un pixel, sans avoir à dépiler les pixels précédents commepour un CCD.

■ Le tableau 1 suivant dresse un bilan des principaux avantages/inconvénients des deux technologies.

(0)

Pour résumer, la technologie CCD reste à privilégier par rapport àla CMOS lorsque la qualité de l’image est primordiale (sensibilitémeilleure, rapport S/B meilleur).

Si c’est la rapidité d’accès aux pixels qui est recherchée (ce qui estsouvent le cas en vision active), alors on préférera la technologieCMOS.

D’autre part, cette dernière technologie permet d’intégrer sur lecapteur des fonctions avancées telles que des pré-traitements basi-ques (filtrages, détection de motifs) ce qui est impossible en techno-logie CCD.

Enfin, la technologie CMOS étant plutôt récente, on assiste à unrattrapage rapide du CMOS sur le CCD en ce qui concerne ses prin-cipaux défauts.

1.2.2 Transmission

La commande par vision est une commande numérique qui faitintervenir un calculateur. L’information du capteur doit donc êtrenumérisée avant d’être traitée.

Historiquement, les caméras étaient toutes analogiques : le signalcodant l’image est une tension analogique transitant dans un câblecoaxial. Dans ce cas, la numérisation de l’image s’effectue par le biaisd’une carte d’acquisition dans l’ordinateur qui fait le traitement.

L’utilisation d’une transmission analogique de l’image pose un cer-tain nombre de problèmes, surtout dans un environnementindustriel : la distance entre la caméra et la carte d’acquisition est limi-tée à quelques mètres et, de plus, l’information est sujette aux pertur-bations électromagnétiques et peut donc être facilement dégradée.

Plus récemment sont apparues des caméras numériques. Dans cecas, l’information est numérisée directement au niveau de lacaméra, puis transmise numériquement.

Il existe plusieurs standards concurrents pour la transmissionnumérique d’image :

— LVDS : transmission parallèle. 1 paire de fils par bit, 32 bits autotal. Débit maximum : 400 Mo/s. Inconvénient : connectiqueencombrante ;

— CamLink : transmission série. Débit maximum : 7,14 Gbits/sdans sa version full. C’est une norme dédiée aux caméras numéri-ques. Transmission point à point. Inconvénient : carte d’interfacedédiée onéreuse ;

— FireWire : transmission série. Débit maximum : 800 Mbits/s.Possibilité de connecter plusieurs caméras sur le même bus. Moinscher que le CamLink. Inconvénient : faible débit ;

— USB 2 : transmission série. Débit maximum : 480 Mbits/s.Caractéristiques similaires au FireWire ;

— Ethernet Gigabit : transmission série. Débit maximum :1 Gbits/s. Distance maximum : 100 m. Possibilité de brancher plu-sieurs caméras. Carte d’interface bon marché.

Les solutions USB 2 et FireWire correspondent plutôt à des appli-cations bas de gamme car leur débit maximum est assez limité.

La solution Ethernet Gigabit est un bon compromis : elle offre undébit correct mais sans plus, elle est relativement peu onéreuse et,surtout, elle autorise une transmission sur une longue distance.

Pour finir, il faut également mentionner une nouvelle approchequi consiste à embarquer, dans le boîtier de la caméra, un calcula-teur destiné à traiter l’image : il s’agit des caméras « intelligentes ».Il est ainsi possible, grâce à un kit de développement, de program-mer des routines de traitement d’image et de les télécharger direc-tement sur la caméra. Ainsi le transfert caméra vers ordinateur neconcerne plus l’image entière mais un résultat de traitement dont ledébit est nettement inférieur. L’inconvénient de cette approche estune puissance de traitement limitée.

1.2.3 Traitement

On suppose que l’image a été numérisée et qu’elle est stockéedans la mémoire locale de la carte d’acquisition qui, elle-même, estenfichée dans un connecteur de l’ordinateur devant traiter l’image.

La première étape consiste donc à transférer l’image de lamémoire locale à la mémoire centrale de l’ordinateur.

Pour une application où le temps n’est pas critique, la durée de cetransfert est négligeable. Mais, dans le cas de la vision active quidoit être synchrone avec l’acquisition d’image, tout délai pénalise laperformance de l’asservissement.

Le débit maximum théorique d’un bus PCI est de 133 Mo/s, ce qui estlargement inférieur au débit maximum du CamLink (830 Mo/s). Aussi,afin de tirer pleinement parti des performances du transfert caméravers carte d’acquisition, encore faut-il que le transfert carte d’acquisi-tion vers mémoire centrale ne soit pas un goulet d’étranglement.

Le PCI express, successeur du PCI, permet d’éliminer ce gouletgrâce à un débit théorique maximal de 8 Go/s. On privilégiera doncce format lorsqu’un temps de réponse rapide est demandé (imagesde très haute résolution en fonctionnement « look then move » oude résolution moyenne en vision active).

Nous ne détaillons pas ici les algorithmes de traitements d’image.Pour cela, le lecteur peut se référer aux ouvrages [1] à [5].

Il existe des outils de vision industrielle de haut niveau offrant àl’utilisateur une bibliothèque de fonctions avancées de traitementd’image et une interface de développement simplifiée basée sur unlangage descriptif par diagrammes fonctionnels.

Cette approche évite toute programmation de bas niveau et offreun degré de flexibilité important avec une légère pénalité sur larapidité.

La robustesse du traitement d’image est souvent le point faibled’une application de commande par vision. Néanmoins, on peut

Tableau 1 – Bilan comparatif

Points principaux CCD CMOS

Sensibilité Bonne Moyenne

Accès aux pixels Lent Rapide

Rapport S/B Bon Moyen

Consommation Élevée Faible

Prix de revient Moyen Faible

Fonctions avancées Rares Courantes

L’avantage est clair : le signal étant numérisé au plus près dela source, on minimise le bruit de transmission. D’autre part, ilest possible de transmettre sans perte et sur une longuedistance.

Pour résumer, le standard le plus performant actuellement estle CamLink. Il offre la bande passante la plus élevée tout enayant une connectique légère qui peut atteindre 10 mètres.C’est aussi la solution la plus onéreuse.

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INTÉGRATION ROBOT-CAPTEUR __________________________________________________________________________________________________________

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dire que l’environnement industriel est le plus propice, si on le com-pare aux applications en extérieur ou aux applications médicales,par exemple, environnement complexe non modélisé avec éclai-rage non maîtrisé.

Une fiabilité maximale du traitement d’image passe souvent parune maîtrise de l’espace de travail : éclairage puissant et constant,arrière-plan uniforme, position relative caméra-scène à peu présconstante. Si ces critères sont respectés, on atteint une fiabilité detraitement d’image proche de 100 %.

1.3 Commande par vision

La commande par vision, ou asservissement visuel, est la com-mande de la position d’un système mécanique actionné (typique-ment un robot) grâce à une mesure provenant d’un dispositifimageur (typiquement une caméra).

Dans cette partie, on passe en revue les principales stratégies decommande par vision. Ces approches peuvent être classées en fonc-tion de 3 critères : la position de la caméra, le type de mesure, letype de commande envoyée au robot.

1.3.1 Position de la caméra

■ Caméra embarquée

La configuration « caméra embarquée », aussi appelée eye inhand (figure 1), est celle où la caméra est solidaire de l’un des corpsdu robot.

Cette configuration est adaptée à des tâches de suivi (suivi d’unjoint de soudure, suivi de surface pour la peinture, dépose d’un jointde colle, ...), de préhension (saisie d’un objet sur un convoyeur) oud’assemblage (insertion d’un piston dans un cylindre).

■ Caméra déportée

Dans cette configuration (figure 2), la caméra est fixe et observe lascène constituée de l’organe terminal du robot et de l’objet d’intérêt.

Ici, la tâche asservie par vision doit être réalisée dans le champ devision de la caméra qui est fixe. Elle est donc plus adaptée à destâches locales exécutées dans un petit sous-espace de l’espace detravail du robot.

1.3.2 Types de mesure

On appelle primitive visuelle un objet géométrique élémentaire(point, segment, ellipse, ...) qui a été identifié dans l’image. Les pri-mitives correspondent souvent aux arêtes ou aux contours desobjets de l’image.

Il y a principalement deux approches pour l’exploitation de cesprimitives pour la commande : l’approche 3D et l’approche 2D.

Cette distinction concerne essentiellement le type de mesure, oude consigne, utilisé pour l’asservissement visuel.

En 3D, ces grandeurs définissent une attitude (6 coordonnées,3 coordonnées de translation et 3 coordonnées de rotation). Les6 coordonnées d’attitude sont calculées à partir des primitives etd’un modèle de la scène.

En 2D, la mesure et la consigne de l’asservissement visuel sontdirectement exprimées en terme de coordonnées de primitives.

■ Approche 3D

L’approche 3D est la plus intuitive. Ce fut aussi, historiquement, lapremière.

Elle suppose que le modèle de la scène est connu par le systèmede vision. La figure 3 donne le schéma-bloc d’un asservissementvisuel 3D (aussi appelé position-based).

La consigne p* est comparée à la mesure estimée à partir del’image.

Dans la figure 3 on voit qu’il y a un bloc « reconstruction 3D » quireprésente la phase d’estimation de , à partir des primitives extrai-tes de l’image et du modèle de l’objet.

■ Approche 2D

La figure 4 donne le schéma-bloc d’un asservissement visuel 2D(image-based).

Par exemple, dans le cas de primitives ponctuelles, la mesure et laconsigne sont les coordonnées en pixels des points d’intérêt dansl’image.

Figure 1 – Configuration « eye in hand »

Figure 2 – Configuration « eye to hand »

Figure 3 – Commande 3D

Exemple : Dans le cas d’une tâche de positionnement, p* est laposition à atteindre et est la position courante mesurée grâce à lacaméra. Le correcteur génère la commande qui permet de faire conver-ger vers p*.

L’avantage du 3D est une parfaite maîtrise des trajectoires durobot dans l’espace opérationnel.

Son principal inconvénient est la nécessité d’avoir à recourir àun modèle de la scène.

+

-Correcteur

(contrôleur +) variateurs

+ robot + caméra

Reconstruction

3D

Extraction

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Teleoperation –Principes et technologies

par Philippe GARRECIngenieur de l’Ecole Nationale Superieure des Arts MetiersIngenieur senior au CEAExpert CEA Technologie Conseil et ANVARExpert AFNOR et ISO/WG 5 – Remote HandlingExpert AFNOR – ISO – Remote Handling

Alain RIWANIngenieur de l’Ecole Nationale Superieure des Arts MetiersAdvanced Master of Innovative Design (INSA Strasbourg)Ingenieur senior au CEAExpert CEA

Olivier DAVIDIngenieur de l’Ecole Nationale Superieure des Arts Metiers

et Yvan MEASSONIngenieur de l’Ecole Centrale de NantesResponsable du laboratoire de teleoperation et cobotiqueCharge d’affaire robotique et realite virtuelle

1. Definitions – Architectures et principes fonctionnels ............ S 7 810 – 21.1 Definition et classification des telemanipulateurs maıtre-esclave

a retour d’effort .................................................................................. — 21.2 Classification des telemanipulateurs maıtre-esclave ........................ — 21.3 Retours sensoriels .............................................................................. — 31.4 Modes de fonctionnement ................................................................. — 3

2. Elements technologiques .............................................................. — 52.1 Cinematique (ou architecture) des manipulateurs ............................ — 52.2 Manipulateur maıtre........................................................................... — 52.3 Manipulateur esclave ......................................................................... — 62.4 Transmissions mecaniques – Couplage............................................. — 72.5 Equilibrage.......................................................................................... — 82.6 Actionneurs ........................................................................................ — 82.7 Capteurs.............................................................................................. — 152.8 Performances d’un systeme de teleoperation................................... — 15

Pour en savoir plus.................................................................................. Doc. S 7 810

La teleoperation ou « operation a distance » au sens le plus general est unensemble de techniques qui permettent a l’homme de transposer ses capa-

cites d’action en temps reel (observation, manipulation) a distance grace a desretours sensoriels. Nous nous limiterons dans cet article aux manipulateurspermettant d’agir mecaniquement a distance grace a des retours sensoriels(vision et effort au minimum), utilises essentiellement dans un milieu impos-sible d’acces ou hostile a l’homme (nucleaire, spatial, sous-marin, sous-terrain,corps humain, off-shore, etc.). Ces telemanipulateurs maıtre-esclave a retourd’effort, vont bien au-dela des outils de manipulation primitifs comme les pin-ces et permettent de realiser des taches de manipulations complexes.

Nota : par « temps reel » on comprend des actions et des processus interpretables et controlables consciemment parl’Homme.

Le premier de cette serie de trois articles consacres a la teleoperation a pourbut de presenter les differents termes employes dans le domaine et egalement

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de donner au lecteur un apercu des technologies les plus courammentemployees.

Dans un second article [S 7 811], nous aborderons la problematique ducontrole commande de ces systemes.

Enfin, le lecteur trouvera dans la derniere partie de cette serie [S 7 812] lesdifferentes applications en zone controlee de cette technologie et les perspecti-ves d’evolution.

1. Definitions – Architectureset principes fonctionnels

1.1 Definition et classificationdes telemanipulateurs maıtre-esclavea retour d’effort

Le terme « telemanipulateur maıtre-esclave a retour d’effort »designe un ensemble de deux manipulateurs (ou bras) – maıtre etesclave – relies par des transmissions mecaniques ou des action-neurs asservis en mode maıtre-esclave a retour d’effort. Notonsque topologiquement le manipulateur n’est pas simplement inter-pose entre l’operateur et l’objet, mais relie en son milieu a une par-tie fixe (paroi) qui fait office de bati.

La classification des telemanipulateurs maıtre-esclave corres-pond aux differentes etapes de leur developpement technologiquedans l’industrie nucleaire, celle-ci nous servant de referenceincontournable :

– telemanipulateur maıtre/esclave a commande mecanique(MSM pour Master-slave manipulator) ;– telemanipulateur maıtre/esclave electro-mecanique ou servo-

manipulateur (EMSM pour Electrical master-slave manipulator) ;– telemanipulateur maıtre/esclave assiste par ordinateur ou tele-

operateur (teleoperator).

Seules les deux premieres categories de systemes ont ete fabri-quees a une echelle industrielle et sont couvertes par des normesAFNOR/ISO.

1.2 Classification des telemanipulateursmaıtre-esclave

1.2.1 Mecanique

Cette categorie domine toujours tres largement les applicationsavec des dizaines de milliers d’exemplaires en service a travers lemonde et beneficient du retour d’experience le plus significatif.

Ils sont typiquement constitues d’un bras maıtre et d’un brasesclave a six degres de liberte (six axes) et de meme cinematique(iso-cinematiques ou encore isomorphes) relies par six transmis-sions mecaniques reversibles. Des architectures iso-cinematiquessont telles que lorsque l’on parcourt chacun des bras en partantde leur base ou de leur extremite, on trouve des axes identiques(rotatifs ou lineaires) et de meme orientation relative. Les six trans-missions mecaniques relient ainsi les axes homologues des deuxbras. Une pince commandee par un levier (parfois appele 7e axe)est ajoutee pour permettre la saisie des objets.

1.2.2 Electrique (ou servo-manipulateur)

Ces manipulateurs ont la meme architecture generale que leursalter ego mecaniques (iso-cinematiques) si ce n’est que les bras

maıtre et esclave sont actionnes individuellement par des moteurselectriques, ce qui autorise un eloignement plus important.

Certains exemplaires beneficient d’un grand retour d’experience.C’est le cas du servo-manipulateur MASCOT exploite sous le nomde DEXTER pour travaux de maintenance effectues sur le tokamakeuropeen JET (UK), avec plus de 7 000 heures en operations cumu-lees (chiffre datant de 2006).

1.2.3 Assiste par ordinateur (ou teleoperateur)

La teleoperation assistee par ordinateur (TAO) a ete demontreedepuis le debut des annees 1980 et employee depuis dans certainestaches industrielles.

Des progre s importants ont e te obtenus avec la re alisationd’operations de maintenance significative comme la reparationde la roue d’un dissolveur a l’usine AREVA-Hague (systeme RXStaubli/MA 23 developpe par CEA LIST/MECACHIMIE).

La TAO est promise a un developpement important en raison desa genericite, tant du point de vue controle que du point de vuearchitecture materielle, les bras maıtre et esclave pouvant etre inde-pendamment optimises. L’ordinateur qui est utilise pour le traite-ment de l’information (consignes, signaux capteurs, peripheri-ques), pour effectuer les calculs en temps reel necessaires auxasservissements et a la commande, offre des possibilites etenduesd’assistance. Il est aussi utilise pour la simulation interactive (rea-lite virtuelle) de l’ensemble du systeme et de son environnement,soit hors ligne pendant les phases de formation des operateurs oude preparation des taches, soit en temps reel pour l’ameliorationdu retour sensoriel et la supervision du travail.

Manipulateur(ou bras) esclave

Manipulateur(ou bras) maître

Équilibrage :ressort,contrepoids

Segment

Palier

Paroi

Transmissionsmécaniques :câbles, rubans,chaînes,arbres tournants

Poignée maître

Pince esclave

123

4

5

6

Figure 1 – Architecture type d’un telemanipulateur maıtre-esclavemecanique

TELEOPERATION – PRINCIPES ET TECHNOLOGIES –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

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1.3 Retours sensoriels

Le retour sensoriel privilegie pour toute manipulation a distanceest le retour visuel. Dans les cellules blindees de l’industrienucleaire, il est assure en partie par des hublots et en partie pardes cameras. En teleoperation, le retour visuel peut-etre completepar des moyens de realite virtuelle. On parle de realite augmenteelorsque l’on complete le retour visuel reel par des informationssynthetiques superposees.

Le retour d’effort a un statut essentiel car il permet de completerefficacement le retour visuel ou meme de le suppleer en casd’insuffisance de visibilite (travail « a tatons »). Il permet de rac-courcir notablement la duree de certaines taches ainsi que celledes phases d’apprentissage et de formation des operateurs. Leretour d’effort comporte une composante musculaire et une com-posante de contact (toucher). Le contact lui-meme peut etre localisedans la main (prise en poignee), sur les doigts ou au niveau desmembres (cas des ortheses).

Les organes maıtres repondent a l’une et l’autre de ces exigencesde maniere variable, suivant leur conception et leurs performances(bras maıtre, orthese, organe haptique).

Remarquons que seul le retour d’effort continu est mesure dansles normes concernant les manipulateurs (mesure de frottement).Au contraire, la sensation de toucher, qui est bien entendu ressen-tie de facon combinee par l’operateur, n’est pas identifiee du pointde vue conceptuel comme un critere de performances et ne faitdonc pas actuellement l’objet de controle. Les techniques permet-tant de specifier et de controler le spectre du retour d’effort fontl’objet de nombreux travaux de laboratoire.

Le retour du son est souvent tres utile bien que moins determi-nant que les deux premiers. Notons que comme pour la vision, destravaux de recherche visent a enrichir la perception auditive grace ala synthese acoustique.

Quant aux retours olfactif et gustatif, qui peuvent avoir leur inte-ret dans le domaine de la telepresence, ils ne sont cites ici que pourmemoire.

1.4 Modes de fonctionnement

1.4.1 Maıtre-esclave a retourd’effort – Reversibilite reelle et apparente :bilateralite

Puisque un telemanipulateur a six axes comporte six transmis-sions de meme principe, on choisit de raisonner sur un telemanipu-lateur elementaire a un axe (figure 3).

Par definition, le retour d’effort est l’effort percu par l’operateurvia l’interface que constitue le bras maıtre (FOP). Il est une caracte-ristique fondamentale d’un telemanipulateur maıtre-esclave.

Idealement l’effort P applique par l’objet sur le manipulateuresclave doit etre identique (fidele) a celui applique par le manipula-teur maıtre sur l’operateur (FOP), et ce, quel que soit le sens dumouvement. On parlera alors de transmission parfaite de l’effort(ou de retour d’effort parfait). Par exemple, la perception du poidsd’un objet tenu en main ne change pas, qu’on eleve ou qu’onabaisse cet objet.

Pour parvenir a ce resultat, le telemanipulateur maıtre-esclavedoit lui aussi se comporter a la facon d’un transmetteur de l’effortparfait, comme le ferait un objet passif telle qu’une tige infinimentrigide, et basculant sur un pivot sans frottement.

Opérateur

Levier ininiment rigide

Pivot sans frottement

Charge(poids)

FOP

FOP = P� sign (V )

P

V > 0

V < 0

Figure 3 – Telemanipulateur maıtre-esclave elementaire a retourd’effort parfait (bascule)

Satellite

Transmissions

Côté esclave(pince)

Planétaire

Transmissions

Côté maître(poignée de commande)

Poignée de commande du maître

Figure 2 – Mecanique typique de poignet avec pince de telemanipulateur mecanique

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Remarque : notons que si l’on cherche toujours a etendre lesperformances du retour d’effort on ne cherche pas toujours atransmettre symetriquement les defauts (force ou position) del’operateur vers l’esclave (filtrage).

La figure 4 reprend le principe elementaire de la bascule en yajoutant une transmission mecanique symbolisee ici par desengrenages avec frottement. Celle-ci permet au passage de redres-ser le sens de l’effort pour etre conforme aux lois de la manipula-tion directe. De plus, les bras sont de longueurs inegales afin depouvoir, le cas echeant, multiplier le deplacement cote esclave (rap-port LE/LM) et ils ont une masse. Un dispositif d’equilibrage estprevu (ici schematiquement des contrepoids) afin que leurs poidsne soit pas percu.

L’alteration du retour d’effort par le frottement est expliquee surles schemas vectoriels.

Examinons le cas du mecanisme reversible. On constate que leretour d’effort est bien toujours oppose a P, mais qu’il est alterepar le frottement f : l’operateur surevalue la charge en montant etla sous-evalue en descendant.

Remarques : en fait le frottement sec f a une valeur differentedans les deux sens car il depend du bilan des efforts de contactdans l’engrenage. En general, le frottement ne peut etre correc-tement calcule que dans le cadre d’une theorie de la transmis-sion de l’effort dans les chaınes cinematiques.

On constate qu’un mecanisme irreversible (ou arc-boutant)donne un retour d’effort incoherent : en descente, l’operateur nepercoit que le frottement (f ′), correspondant au decoincement dusysteme.

On peut resumer en generalisant ces constations comme suit.

Le retour d’effort sera coherent, a minima, si :

– le telemanipulateur maıtre-esclave est equilibre ;– le telemanipulateur maıtre-esclave se comporte comme un sys-

teme reversible (on dit parfois bilateral) ;– les resistances sont suffisamment faibles par rapport aux

efforts a percevoir (notion de frottement relatif).

Un systeme reel comporte des flexibilites et des jeux qui condui-sent a des ecarts de position entre maıtre et esclave. L’evaluation deces defauts entre dans les criteres de qualite normalises.

Remarques :� Le comportement reversible (ou bilateral) ne suppose pas

necessairement la reversibilite mecanique. Cette nuance estimportante car en teleoperation on peut obtenir le comporte-ment bilateral avec des transmissions irreversibles (exemple :roue et vis tangente) grace a l’utilisation d’un asservissementsur capteur d’effort place en sortie (ou couplemetre). On ditparfois qu’on a « reversibilise » la transmission, ce termeetant bien entendu pratique mais inexact en toute rigueur.Nous renvoyons au chapitre de la commande consacre specia-lement a ce sujet (2.6.2.1).

� Les telemanipulateurs maıtre/esclave mecaniques et electri-ques ont des transmissions reversibles ou, de plus, les frotte-ments sont minimises par conception. Notons que cettecontrainte conduit toujours a une rigidite inferieure a celle d’unmanipulateur industriel (robot). On peut parler de source d’effortdans le premier cas et de source de position dans le second.

Regime transitoire

Les masses se traduisent par une perturbation du retour d’ef-fort, lies aux efforts d’inertie. Ce type ne fait pas encore l’objetd’une caracterisation normalisee.

La figure 5 decrit le principe d’une transmission electromeca-nique entre le levier maıtre et le levier esclave.

Le systeme fonctionne suivant le meme principe que precedem-ment, mais cette fois grace a un asservissement qui tend a alignerles deux leviers (couple de rappel elastique). La liaison electriqueautorise l’eloignement des manipulateurs maıtre et esclave et l’ener-gie du reseau permet de demultiplier (multiplier) les forces et lesvitesses independamment. Une autre distinction importante est quel’equilibrage peut etre realise si necessaire par l’action des moteurs(§ 2.5). L’echange de donnees ne concerne ici que les coordonneesarticulaires. Il s’effectue de maniere analogique ou numerique.

De ce point de vue, la difference principale entre un servo-mani-pulateur et un systeme TAO reside dans la possibilite de controlerles deux manipulateurs dans un referentiel geometrique commun,exprime en coordonnees cartesiennes. Pour plus de details, sereporter au chapitre controle commande (§ 2.6.2.1). Ce principe apermis de travailler avec des manipulateurs maıtre et esclave tota-lement heterogenes (cinematique et technologie), comme l’illustrela figure 6.

Opérateur

FOP

P

FrottementCharge

ContrepoidsContrepoidsMAÎTRE MAÎTRE

ContrepoidsMAÎTRE

ContrepoidsESCLAVEMasse

LEVIER MAÎTRE

MasseLEVIER ESCLAVE

LM

LE

FOP

P

f

FOP P

f

V > 0

V < 0

RÉVERSIBLE

FOP

P

f

FOP

P

f’

V > 0

V < 0

IRRÉVERSIBLE

Figure 4 – Telemanipulateur maıtre-esclave elementairea transmission mecanique avec frottement

Opérateur

P

Frottement Frottement Charge

ContrepoidsMAÎTRE

(optionnel)

ContrepoidsESCLAVE(optionnel)

MasseLEVIER MAÎTRE

MasseLEVIER ESCLAVE

LM

LE

Intercom-munication

Énergie

Servo-amplificateurMAÎTRE

Servo-amplificateurESCLAVE

Figure 5 – Telemanipulateur maıtre-esclave elementaire a transmission electromecanique avec frottement (servo-manipulateur)

TELEOPERATION – PRINCIPES ET TECHNOLOGIES –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

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Teleoperation. Controle commande

par Franck GEFFARDIngenieur de l’Ecole Centrale de NantesIngenieur de Recherche CEA LIST

Francois-Xavier RUSSOTTOIngenieur de Recherche CEA LIST

Yvan MEASSONCharge d’affaire robotique et realite virtuelle CEA LIST

et Claude ANDRIOTExpert senior CEA LIST

1. Teleoperation assistee par ordinateur (TAO) a retourd’effort : controle commande ...................................................... S 7 811 – 2

1.1 Introduction ........................................................................................ — 21.2 Principe de commande d’un telemanipulateur a retour d’effort ...... — 2

1.2.1 Du telemanipulateur mecanique a la TAO : concepts de base — 2

1.2.2 Un couplage bilateral en TAO ................................................. — 2

1.2.3 La reversibilisation par capteur d’effort.................................. — 5

1.2.4 Les assistances apportees par la TAO..................................... — 51.3 Architecture informatique .................................................................. — 6

1.3.1 Architecture materielle ............................................................ — 6

1.3.2 Architecture logicielle .............................................................. — 61.4 Analyse et evaluation des systemes de teleoperation...................... — 6

1.4.1 Reseau a deux ports d’interaction........................................... — 6

1.4.2 Transparence............................................................................ — 7

1.4.3 Stabilite et passivite ................................................................ — 7

1.4.4 Limites de performance de la boucle d’effort......................... — 71.5 Autres architectures de commande ................................................... — 8

1.5.1 Le couplage position/couple ................................................... — 8

1.5.2 La liaison quatre canaux.......................................................... — 8

1.5.3 Les variables d’ondes .............................................................. — 8

2. La supervision des systemes de teleoperation ......................... — 82.1 Motivations......................................................................................... — 9

2.1.1 Contexte et objectifs ................................................................ — 9

2.1.2 Etapes d’une intervention robotisee ....................................... — 92.2 Fonctions et outils pour la supervision ............................................. — 11

2.2.1 Modelisation de l’environnement ........................................... — 11

2.2.2 Preparation de la mission........................................................ — 11

2.2.3 Execution de la mission .......................................................... — 13

Pour en savoir plus.................................................................................. Doc. S 7 811

La seconde partie de cette serie de trois articles consacres a la teleoperationtraite du controle commande, en termes d’architectures materielles et logi-

cielles, algorithmes et automatiques, et de la supervision de ces systemes.

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1. Teleoperation assisteepar ordinateur (TAO)a retour d’effort :controle commande

1.1 Introduction

La particularite de la commande des systemes de teleoperation aretour d’effort est d’introduire l’operateur (ainsi que l’environne-ment) dans la boucle de commande. Cette particularite a bienentendu enormement d’impact sur l’architecture informatique,ainsi que sur les lois de commande. La surete de fonctionnementdu systeme et donc la securite de l’operateur et de l’environnement(qui peut egalement etre, dans le cas de la telechirurgie, un etrehumain) est la contrainte de base de la conception et du reglaged’un systeme de teleoperation. Le celebre compromis de l’automa-ticien « performance/robustesse » reste bien entendu pertinentdans le cas de la commande des systemes de telemanipulation.Neanmoins, pour repondre a la problematique particuliere de lateleoperation des techniques specifiques d’analyse et de concep-tion des lois de commande sont employees (§ 1.4).

Differentes architectures de commande ont ete proposees (§ 1.5),mais par soucis pedagogique et de completude, uniquementl’approche passive modulaire de la figure 1 sera detaillee (§ 1.2.2).De part sa modularite et sa robustesse, cette architecture de com-mande a pu etre integree dans un controleur de teleoperation uti-lise actuellement en contexte industriel.

1.2 Principe de commande d’untelemanipulateur a retour d’effort

1.2.1 Du telemanipulateur mecanique a la TAO :concepts de base

C’est dans l’industrie nucleaire, durant les annees 1950, qu’appa-raissent les premiers telemanipulateurs mecaniques. Ils sontconstitues d’un organe maıtre place du cote sain (aussi appelecote froid) de la paroi, et d’un organe esclave situe dans le milieuradioactif (aussi appele cote chaud). Ces deux organes mecaniquessont lies l’un a l’autre, axe par axe, par l’intermediaire d’un systemede poulies et de cables (figure 1).

Dans le cas des telemanipulateurs mecaniques, les mecanismesmaıtre et esclave sont concus specifiquement pour la teleoperation,avec notamment tres peu de frottements articulaires (§ 2 de l’arti-cle [S 7 810]). Ainsi, l’operateur peut deplacer le maıtre (et doncl’esclave) sans effort dans l’espace libre (pas de contact). De lameme facon, il suffit d’un faible effort de l’environnement pourdeplacer l’esclave, et donc le maıtre. Les mecanismes maıtre etesclave sont dits « reversibles ».

Lorsque les deplacements et les efforts du cote maıtre sont par-faitement transmis du cote esclave, et inversement de l’esclavevers le maıtre, le systeme de teleoperation est dit parfaitement

« transparent ». Si la transparence parfaite ne peut etre atteinte,un des objectifs de conception (en mecanique et en commande)est de s’en approcher le plus possible. L’objectif ultime etant latransparence totale :

F FV V

esc maî

esc maî

=={ (1)

Les ameliorations technologiques en robotique et en informa-tique ont permis de couper le lien mecanique reliant le maıtre etl’esclave de la figure 1. Les organes maıtre et esclave ont ete rem-places par des robots (motorises) maıtre et esclave, et les cablesmecaniques ont ete remplaces par des fils electriques. Une ideeseduisante de commande qui s’est rapidement imposee, fut desimuler le principe physique de la liaison par cable du telemanipu-lateur mecanique, intrinsequement passive, tout d’abord electroni-quement, puis informatiquement en emulant une liaison ressortamortisseur virtuelle (figure 2). Cette technique de couplage estappelee position/position. Bien que la technologie de couplage aitevolue, l’objectif de transparence reste identique, et la reversibilitenaturelle (mecanique) ou active (par capteur) des robots maıtre etesclave est une condition necessaire pour s’en approcher.

Une fois l’informatique integre dans les systemes de teleopera-tion, de nombreuses evolutions ont vu le jour telles que l’asservis-sement cartesien permettant de coupler des bras non homotheti-ques (figure 3) quelconques, le decalage, les assistances au geste,ainsi qu’une multitude d’autres assistances.

1.2.2 Un couplage bilateral en TAO

& Principe de la TAO : cas mono-axe

L’emulation informatique d’un systeme ressort amortisseur, telqu’il est presente sur la figure 2, est realisee simplement en asser-vissant le robot esclave sur la position du robot maıtre, et recipro-quement le robot maıtre sur la position du robot esclave, avec uncorrecteur de type proportionnel-derive. Ce type de couplage estappele couplage position/position, et necessite un maıtre et unesclave reversibles.

Organeesclave

Liaisonbilatérale

Milieu hostileMilieu sain

Paroi épaisse(verre transparent)

Organemaître

Figure 1 – Telemanipulateur mecanique

Liaisonvirtuelle

Robot esclave ObservationRobot maître

Fmaî

VmaîFesc

Ro

Vesc

Figure 2 – Principe de base du couplage bilateral en TAO

EnvironnemenEnvironnementEnvironnement

Axe maître

Opérateur

-tmaî tesc tenvtop

Mm s2+Bm s

1

Axe éclave

Ms s2+Bs s

1

qmaîqmaî qescqesc

PD

-

Figure 3 – Schema bloc de la commande bilaterale mono-axe

TELEOPERATION. CONTROLE COMMANDE ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

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Dans le cas mono-axe (couplage d’une seule articulation maıtre aune seule articulation esclave), la loi de commande bilaterale s’ecrit :

τ τesc maî= − = −( ) + −( )k q q b q qmaî esc maî escɺ (2)

ou ti effort articulaire (force ou couple),

qi position articulaire,

ɺqi vitesse articulaire,

i = maı ou esc(respectivement pour maıtre ou esclave).

Selon que l’equation (2) est vue comme l’equation mecaniqued’un systeme ressort amortisseur, ou comme une equation de com-mande en position d’un moteur electrique, la variable k represen-tera respectivement une raideur ou un gain proportionnel, et lavariable b un frottement visqueux ou un gain derive (figure 9).

La loi de commande (2) permet d’obtenir des positions et surtoutdes efforts de consigne identiques sur le maıtre et sur l’esclave. Lecouplage bilateral (a retour d’effort) obtenu est comparable a celuid’un telemanipulateur mecanique.

Neanmoins, un des interets de la TAO est de pouvoir appliquerdes facteurs d’echelle quelconques sur les mouvements et lesefforts entre le maıtre et l’esclave. Aussi, la loi de commande (2)sera completee de facon a introduire les coefficients d’homothetieen vitesse h

net en effort hf :

τ τ ν νesc maî f mai esc mai esch k q h q b q h q= − = − + −( )( )− − −1 1 1ɺ ɺ (3)

L’effort applique sur le bras maıtre sera alors hf fois le coupleapplique sur le bras esclave, et le deplacement du bras maıtresera h

nfois le deplacement sur le bras esclave. La contrepartie de

ces amplifications quelconques est la perte de l’analogie physiqueavec le ressort amortisseur. Neanmoins, en mono-axe cette liaisonreste inconditionnellement stable en mode couple quels que soienthf et hn

.

& Espace articulaire vers espace cartesien

Le cas mono-axe presente ci-dessus peut s’appliquer a tous lesaxes des robots maıtre et esclave ; le couplage obtenu est un cou-plage articulaire bilateral. Neanmoins, avec un tel couplage, sil’operateur effectue un mouvement en ligne droite avec le maıtre,l’esclave reproduira ce mouvement en ligne droite uniquement siles bras maıtre et esclave sont de meme geometrie (memes axes,memes dimensions entre les axes, et memes orientations desaxes). Des bras de meme geometrie sont dits homothetiques.

L’asservissement cartesien permet de coupler des bras nonhomothetiques (figure 2) tout en preservant la coherence desdeplacements et des efforts entre le maıtre et l’esclave.

Pour ecrire la loi de commande dans l’espace cartesien, nousdevons definir les differents reperes qui y interviennent :

– Rbmaî: repere de base du maıtre,

– Rtmaî: repere lie a l’organe terminal du maıtre,

– Rbesc: repere de base de l’esclave,

– Rtesc: repere de l’organe terminal de l’esclave,

– Ro : repere d’observation ; c’est le repere qui coordonne les uni-vers maıtre et esclave.

Pour le mecanisme m (m = maı ou esc), les positions cartesien-

nes �Xtm, egalement appelees deplacements, sont composees

d’une partie translation notee

° = ⎡⎣ ⎤⎦P p p pt x y zm

Τ (4)

et d’une partie rotation notee �Rtm. Si la representation des trans-

lations est unique, la partie rotation quant a elle, peut etre repre-sentee de differentes facons [22] [34]. Du fait de ses proprietes inte-ressantes, la representation sous la forme de quaternions [11] esttres repandue, et sera utilisee dans cet article pour le calcul deslois de commande. Ainsi, la partie rotation sera souvent et notam-ment pour ce qui nous concerne ici

° = ° = ° °⎡⎣

⎤⎦ = ° ( ) ( )⎡

⎣⎤⎦R Q ut t t

Tt

T

tT

T

m m m m mε θ θη sin cos/ /2 2 (5)

ou q est l’angle autour du vecteur �utT

m, permettant de passer du

repere d’observation au repere terminal.

Nota : pour toutes les variables, les exposants a gauche indiquent le repere de projec-tion. Les deplacements ci-dessus sont donc exprimes/projetes dans le repere d’observa-tion.

La position cartesienne du mecanisme dans le repere d’observa-tion est obtenue par application du modele geometrique direct(MGD) [22] :

bt î( )m

m mX MGD q= (6)

suivie d’une projection dans le repere d’observation :

° = ° = °X X X X MGD qt bb

t b î( )m m

m

m m m

(7)

La vitesse cartesienne °Vtmest la vitesse de l’organe terminal du

mecanisme m par rapport a la base de ce mecanisme, projeteedans le repere d’observation, et reduite au centre du repereterminal :

° = °V J qt m îm mɺ (8)

Relation dans laquelle °Jm represente la jacobienne du meca-

nisme m reduite au centre du repere de l’organe terminal et proje-tee dans le repere d’observation [22].

Une relation duale de (8) permet de passer du torseur d’effortscartesien aux efforts articulaires, a l’aide de la matrice jacobiennetransposee du mecanisme :

τî mT

tm mJ F= ° ° (9)

Les torseurs cinematiques sont representes sous la forme d’unvecteur a six composantes

° = ° °⎡⎣⎢

⎤⎦⎥

V v wtm tm tm

Τ ΤΤ

(10)

dans lequel les trois premieres composantes sont des vitesses detranslation selon les axes x, y et z du repere d’observation, et lestrois dernieres des vitesses de rotation autour de ces memes axes.

Les torseurs d’efforts sont representes sous la forme d’un vec-teur a six composantes

° = ° °⎡⎣

⎤⎦F f mt t tm m m

Τ ΤΤ

(11)

dans lequel les trois premieres composantes sont des forcesselon les axes x, y et z du repere d’observation, et les trois dernie-res des moments autour de ces memes axes.

& Couplage cartesien

Comme pour le cas mono-axe, le principe du couplage cartesienposition/position, permettant d’emuler le ressort amortisseur de lafigure 2, est d’asservir la position de l’esclave sur la position dumaıtre, et la position du maıtre sur la position de l’esclave. Lespositions du maıtre et de l’esclave sont alors comparees dansl’espace cartesien [6] [8] [4], et l’erreur est interpretee comme pro-portionnelle a un effort cartesien. Les valeurs echangees entre les

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bras sont alors les positions et les vitesses cartesiennes de l’organeterminal de l’esclave et du maıtre, projetees dans le repere d’obser-vation Ro de la scene (figure 2). Comme pour le cas mono-axe cetype de couplage necessite un maıtre et un esclave reversibles.

La loi de commande peut s’ecrire de la facon suivante :

K X B V Vt t tF Ft tesc maî maî esc m esc= − ° =° ° ° + ° ° − °( )Δ

, aî

(12)

ou °∆Xtmaî esc,est le delta de translation et de rotation entre la posi-

tion cartesienne ° = ° °X P Rt t tmaî maî maî,( ) de l’organe terminal du maıtre

projetee dans le repere d’observation, et la position cartesienne

° = ° °( )X P Rt t tesc esc esc, de l’organe terminal de l’esclave egalement

projetee dans le repere d’observation. Si le delta en translation estsimplement une difference des composantes de translation

°Δ = ° − °P P Pt t tmaî esc maî esc,, la relation liant l’effort cartesien aux rotations

n’est pas lineaire. En utilisant les quaternions, un couple de rappelderivant d’une energie potentielle peut neanmoins etre obtenu via ledelta de rotation

°Δ = ° −⎛⎝

⎞⎠×Qtmaî,esc

2 Rtt

t

tt

t

esc

esc

maî esc

esc

maî esc

es

η ε, ,

I3 3ɵ

cc

maî esctε,

(13)

ou le ^ indique l’utilisation de la matrice de pre produit vectoriel.

Dans le repere d’observation, les torseurs d’effort °Ft esc,

applique sur l’esclave et °Ft mai, applique sur le maıtre sont egaux

et opposes, ce qui correspond exactement au comportement sou-haite pour un systeme a retour d’effort.

La matrice ° =° °° °

⎡⎣⎢

⎤⎦⎥

KK K

K KPP PR

RRPRΤ est une matrice 6 x 6 representant

une raideur cartesienne exprimee dans le repere d’observation.Dans le cas d’un robot utilise en mode automatique, cette matricepeut-etre choisie en fonction de la tache a realiser. Des valeursnumeriques avec validations experimentales peuvent etre trouveesdans [9]. Dans le cas de la teleoperation, aucune direction n’est pri-vilegiee, aussi une solution de couplage simple et neanmoins fonc-

tionnelle consiste a poser ° =KPR 03 3x , ° = ×K kPP Ι3 3 et ° = ×KRR µΙ3 3.

Finalement, l’effort articulaire sur chacun des mecanismes per-mettant d’appliquer les efforts calcules en (12) est obtenu en utili-sant la relation (9). L’effort articulaire est ensuite multiplie par lamatrice des coefficients de reduction pour obtenir le couple reelle-ment applique aux moteurs.

& Les facteurs d’homothetie en cartesien

Les deplacements, les efforts, la sensibilite et la precision del’operateur etant limites, l’ajout de facteur d’echelle en vitesse eten effort permet d’adapter le systeme de telemanipulation a l’envi-ronnement et a la tache a effectuer par l’esclave. Typiquement, enmicrochirurgie les mouvements de l’operateur seront divises parun coefficient d’homothetie en vitesse avant d’etre transmis al’esclave afin d’obtenir un travail plus precis, et les efforts mesura-bles par l’esclave seront amplifies. A l’inverse, dans le demantele-ment nucleaire, le sous-marin, le BTP, les efforts et les mouvementsfournis par l’operateur seront amplifies pour augmenter les capaci-tes humaines en effort et diminuer la fatigue.

Sur le meme principe qu’en articulaire, les coefficients d’homo-thetie en effort (Hf) et en vitesse (H

n) peuvent etre appliques en

cartesien :

V V

F H F

maî v esc

maî f esc

==

H(14)

Si en monovariable les valeurs des facteurs d’homothetie peu-vent etre quelconques, en multivariable avec couplage (ce qui est

le cas pour la commande cartesienne), certaines regles doiventetre respectees de facon a ne pas creer d’energie par l’interme-diaire des couplages. Ainsi, pour assurer la passivite du systemede telemanipulation, les coefficients d’homothetie peuvent etrequelconques a condition qu’ils respectent la condition suivante [3] :

V J V

F J F

maî vf vf esc

esc vf vfT

maî

=

= −

α

α 1(15)

ou avf est un scalaire et Jvf un jacobien.

Une representation globale de la commande bilaterale carte-sienne peut alors etre celle du schema bloc de la figure 4.

& Les mecanismes virtuels

Partant du fait qu’il est plus facile de percer avec une perceuse acolonne (fixee sur un bati) plutot qu’avec une perceuse a main, leschercheurs ont eu l’idee de contraindre les mouvements de l’opera-teur au moyen de guides virtuels. Le principe de ces guides est deseparer l’espace cartesien en deux : une partie des degres de liberteetant controles en position, et l’autre partie en effort. Les degres deliberte pilotes en effort correspondent aux deplacements autorisespour l’operateur, alors que les degres de liberte controles en posi-tion correspondent aux directions bloquees. En robotique, ce typede commande est appelee commande hybride position/force [33] [35].

Basee sur le principe de la liaison virtuelle ressort/amortisseurdes systemes de telemanipulation et la possibilite de coupler encartesien un robot a six degres de liberte a un robot possedantmoins de degres de liberte, l’idee des mecanismes virtuels [17] estapparue comme un moyen simple, efficace, robuste et passif decontraindre les mouvements d’un operateur : le principe etant sim-plement de rajouter un robot simule entre le maıtre et l’esclave etde coupler les extremites des robots reels et virtuels en cartesien(figure 5).

Comme tout mecanisme, le mecanisme virtuel (MV) est defini apartir de son modele geometrique direct MGDmv et son jacobien

Jmv, tels que ° = ° ( )X Rt bmv mvMGD qmv et ° = °V J qt mv mvmv

ɺ .

Espace articulaire

Espace articulaire

Espace cartésien

MGDmaî Jmaî JmaîT

τdmaî

τdesc

VmaîXmaî

Opérateur

Effort

Vitesse

Brasmaître

EnvironnementManipulateur

esclave

qmaî

qmaî

Hv-1 Hv

-1

MGDesc Jesc

-Hf

Fd

K

JescT

Effort

Vitesse

B

qesc

VescXesc

qesc

-

Figure 4 – Schema-bloc de la commande bilaterale cartesienne

TELEOPERATION. CONTROLE COMMANDE ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

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Teleoperation : les applicationsen zone controlee

Philippe GARRECIngenieur de l’Ecole Nationale Superieure des Arts MetiersIngenieur senior au CEAExpert CEA Technologie ConseilExpert AFNOR-ISO/WG 24 – Remote Handing

Yvan MEASSONIngenieur de l’Ecole Centrale de NantesExpert CEA Technologie conseilCharge d’affaires robotique et realite virtuelle

Rodolphe GELINIngenieur des Ponts et ChausseesResponsable des projets collaboratifs chez Aldebaran Robotics

Jean-Pierre FRICONNEAU

Philippe DESBATS

et Alain RIWANIngenieur de l’Ecole Nationale Superieure des Arts MetiersAdvanced Master of Innovative Design (INSA Strasbourg)Ingenieur senior au CEAExpert CEA

1. Contexte reglementaire ................................................................. S 7 812 – 2

2. Les applications dans l’industrie nucleaire ............................... — 2

3. Les applications dans le domaine de la recherche ................... — 3

4. Les applications dans le domaine des accelerateursde particules .................................................................................... — 4

5. Perspectives ..................................................................................... — 55.1 Les nouvelles applications ................................................................. — 5

5.1.1 La telechirurgie ........................................................................ — 5

5.1.2 Cobotique................................................................................. — 6

5.1.3 Realite virtuelle ........................................................................ — 7

5.1.4 Le spatial .................................................................................. — 8

5.1.5 Direction a commande numerique ou « steer-by-wire » ........ — 8

5.1.6 Le changement d’echelle ......................................................... — 85.2 Les futurs defis ................................................................................... — 8

5.2.1 Le besoin d’un nouveau standard ? ........................................ — 8

5.2.2 Nouveaux actionneurs ............................................................ — 9

5.2.3 Nouveaux organes maıtre – Exosquelette et orthese ............. — 10

5.2.4 La comprehension semantique de la tache ............................ — 10

Pour en savoir plus.................................................................................. Doc. S 7 812

La teleoperation trouve son origine dans la necessite d’eloigner les person-nes des sources de rayonnement ionisant. Ce troisieme et dernier article

consacre a la teleoperation traite des applications en zone controlee, dans lesdomaines du nucleaire, de la recherche, et des accelerateurs de particules. Il secloture par un chapitre consacre aux perspectives d’application de cettetechnologie.

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1. Contexte reglementaire

Le decret n� 2003-296 du 31 mars 2003 relatif a la protection destravailleurs contre les dangers des rayonnements ionisants (NOR :SOCX0200138D) encadre le travail en zone controlee. Cette zone estsoumise a une reglementation speciale pour des raisons de protec-tion contre les rayonnements ionisants et de confinement de lacontamination radioactive ; l’acces est donc reglemente.

L’arrete du 15 juin 2006 (« arrete zonage » du JO n� 137) relatifaux conditions de delimitation et de signalisation des zones surveil-lees et controlees et des zones specialement reglementees ou inter-dites definit les modalites de delimitation des zones ou sont dete-nues ou utilisees des sources d’emission de rayonnementsionisants (matieres nucleaires, sources radioactives, dechets radio-actifs, accelerateurs de particules, appareils electriques emetteursde rayons X, etc.).

La delimitation des zones d’acces reglemente repose sur lescaracteristiques de la source de rayonnements ionisants et sur desvaleurs d’exposition des personnes.

La zone est designee zone controlee des que la dose efficace sus-ceptible d’etre recue en une heure est superieure 0,0075 mSv [1].Au-dela et jusqu’a 0,025 mSv, la zone est designee zone controleeverte. Concernant les zones controlees jaunes, la dose reste infe-rieure a 2 mSv/h. Au dela et jusqu’a 100 mSv/h la zone est designeezone controlee orange. La zone est interdite a l’acces du personnel,designee zone rouge, pour les doses efficaces ou equivalentes [1]egales ou superieures a 100 mSv/h (figure 1).

Les criteres essentiels a prendre en compte concernant le respectdes normes de radioprotection en vigueur pour l’organisation despostes de travail seront bien sur la duree annuelle maximale legaledu temps de travail et les limites annuelles d’exposition fixees pourles travailleurs affectes a des travaux sous rayonnement et la popu-lation, soit respectivement 20 mSv et 1 mSv. En general, pourchaque projet, les preconisations sont traduites en dose maximalepar poste de travail. La notion de dose collective traduit la dosemaximale annuelle pour une equipe.

Dans la pratique de la radioprotection, suivre la demarcheALARA [2] conduit a appliquer des la conception des contraintesde limite d’exposition du personnel inferieures aux normes autori-sees et a prendre des marges de dimensionnement significativesdes equipements de confinement et de protection contre lesrayonnements.

L’utilisation des moyens de teleoperation contribue a assurer laprotection operationnelle des travailleurs face au risque d’expositionaux rayonnements ionisants au cours d’une intervention en zonecontrolee, mais surtout permet le travail a distance dans les zonesinterdites dans de bonnes conditions operationnelles de securite.

2. Les applicationsdans l’industrie nucleaire

Dans l’industrie nucleaire, que ce soit pour la production, lamaintenance ou le demantelement des installations, dans lesconditions presentees ci-avant, l’homme doit etre eloigne des

matieres irradiantes. Les taches a effectuer en teleoperation y sontdonc extremement variees et correspondent aux manipulationsque l’on pourrait effectuer directement a la main, donc par essencenon programmables.

Le telemanipulateur mecanique – type predominant encoreaujourd’hui, comme on l’a vu dans l’article [S 7 810] – constitueun prolongement simplifie du bras humain et lui permet d’agir entemps reel sur les objets. C’est un outil de travail polyvalent quisert a monter/demonter des equipements mecaniques, a brancherdes prises electriques, a manœuvrer des vannes, a deplacer desobjets, a manipuler des outils, etc. Des lors qu’il peut saisir desoutils grace a sa pince universelle, il peut mettre en œuvre de nom-breux procedes mecaniques de transformation (decoupe, polis-sage, meulage, etc.) et d’assemblage (percage, vissage, etc.).

C’est dans les usines ou laboratoires du cycle du combustiblenucleaire – comme celle d’AREVA NC a La Hague ou l’on traite lescombustibles uses – que l’on trouve le plus grand nombre de tele-manipulateurs (zones controlees). Les telemanipulateurs mecani-ques y sont generalement montes par paire et fixes a la paroi dela cellule blindee au-dessus d’un hublot (figure 2). Cette dispositionautorise une certaine collaboration des deux bras (reparationmutuelle, assistance d’un second operateur, etc.) L’operateur agitsur le bras maıtre et surveille les evolutions du bras esclave enobservant l’interieur de la cellule au travers du hublot. On parlealors de travail en vision directe. L’homothetie qui est en touterigueur liee au rapport des bras de leviers maıtre et esclave (ceux-ci etant de longueurs inegales) est cependant d’un rapport voisinde l’unite en moyenne, ce qui entraıne pour l’operateur des effortset une fatigue qui peuvent etre non negligeables. Les operateurssont tres nombreux et recoivent une formation specifique a lateleoperation completee sur le terrain par un apprentissage dumetier avec l’aide de collegues experimentes.

Zone surveillée

Accès personnel

< 0,0075 mSv/h1) < 0,025 mSv/h1)

1) Pour l’exposition externe et interne de l’organisme entier

< 2 mSv/h1) < 100 mSv/h1)≥ 100 mSv/h1)

Accès

interdit

Zone contrôlée

Figure 1 – Definition du zonage en radioprotection

Figure 2 – Telemanipulation de paroi pour cellule chaude avec visiondirecte (hublot)

TELEOPERATION : LES APPLICATIONS EN ZONE CONTROLEE ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

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Les operateurs peuvent aussi s’aider d’une ou de plusieurs came-ras video placees dans la zone controlee (figure 2). Le travail avecretour video (on parle alors de vision indirecte) est plus delicat dufait que l’operateur doit reconstruire mentalement les trois dimen-sions de l’espace a partir d’une ou plusieurs images en deux dimen-sions. La teleoperation exclusivement en vision indirecte (sanshublot) qui serait bien entendu extremement avantageuse pourl’exploitant, pose donc des problemes d’ergonomie qui ne pourrontetre resolus de facon satisfaisante sans le concours de la realite vir-tuelle ou realite augmentee, ou les images synthetiques viennentcompleter judicieusement les points de vue manquants. Ce type deteleoperation (dite supervisee) qui permet aussi de traiter efficace-ment les problemes de collision est tres prometteuse.

Le systeme MT200 TAO developpe en commun par CEA etAREVA NC est un systeme prototype en cours de test a l’usine deLa Hague (figure 3) qui illustre cette perspective.

Il permettrait a terme une economie sur le cout de l’installationgrace a la suppression d’un certain nombre de hublots (figure 4).

Lorsque les telemanipulateurs mecaniques de parois ne peuventpas intervenir, et pour certaines operations de maintenance neces-sitant une bonne precision de positionnement et des efforts impor-tants, des teleoperateurs ont ete concus pour pouvoir etre installesa volonte a n’importe quel endroit d’une installation.

Le systeme de teleoperation par ordinateur RX industrialise parAREVA MECACHIMIE a partir de travaux de recherche et developpe-ment CEA-AREVA NC est representatif de cette categorie (figure 5).Le bras esclave est un manipulateur industriel equipe d’un capteurd’effort d’effecteur durci aux radiations. Le bras maıtre a retour d’ef-fort permet sa commande grace a un controle/commande et autorisenon seulement le mode maıtre-esclave a retour d’effort avec desassistances evoluees (mecanismes virtuels) mais aussi la mise enœuvre de procedes automatises impliquant des trajectoires pro-grammees : taches de soudage, de decoupe jet d’eau ou laser, etc.

3. Les applications dans ledomaine de la recherche

Dans le contexte des laboratoires de recherche et des equipementsscientifiques associes, plusieurs experiences d’utilisation en exploita-tion des technologies de telemanipulation en maintenance routiniereconstituent un retour d’experience tres significatif. On peut citer, parexemple, l’installation europeenne de fusion controlee JET qui tota-lise plus de 7 500 heures d’utilisation de moyens de teleoperationen exploitation (http://www.jet.efda.org/). L’installation de SpalationNeutron Source (http://www.ornl.gov) du laboratoire Americain OakRidge National Laboratory, est equipee egalement de systemesrecents de teleoperation a retour d’effort, dedies a la maintenance.

A l’interieur de la chambre a vide d’un tokamak de fusion thermo-nucleaire dont ITER (http://www.iter.org) est l’exemple emblema-tique ; les constituants « critiques » (ceux soumis aux flux deplasma) devront etre installes (assemblage), inspectes et changesen cours d’exploitation, a travers des acces (« ports ») assez reduits.

Au cours de l’exploitation de la machine, des que les plasmasgeneres a l’interieur de la chambre a vide du tokamak atteignentun seuil de puissance correspondant a l’activation des materiaux,l’environnement du tokamak devient inaccessible a l’interventiondirecte du personnel et les moyens teleoperes d’intervention s’im-posent. La telemanipulation constitue donc un systeme majeurparmi les equipements d’exploitation dans un contexte d’opera-tions et de processus complexes en environnement confine.

Les systemes de robotique et de telemanipulation doivent satis-faire des criteres de performance essentiels pour ce type d’installa-tion (liste non exhaustive) :

– de reduction de la duree des operations,– de flexibilite pour couvrir des situations experimentales multi-

ples durant l’exploitation d’ITER,– de fiabilite et de disponibilite,– de surete, en particulier, eviter tout blocage qui interromprait

tres longuement l’exploitation experimentale, et toute degradationdes installations dans lesquelles les operations sont realisees :tokamak, cryostat en priorite.

Les moyens ITER de robotique et telemanipulation sont prevuspour assurer les operations principales suivantes :

– le remplacement des « modules de couverture » (blanketremote handling equipment),– le remplacement des cassettes du « divertor » (divertor remote

handling equipment),– le transfert de la cellule chaude au port du tokamak (transfert

cask system),

Figure 3 – Teleoperateur de paroi MT200 TAO (CEA/AREVA NC)

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– TELEOPERATION : LES APPLICATIONS EN ZONE CONTROLEE

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Réalité virtuelle et applicationà la robotique

par Philippe FUCHSProfesseur à l’École Mines Paris Tech

et Alexis PALJICIngénieur de recherche, École Mines Paris Tech

et article présente en premier le domaine de la réalité virtuelle et sesapplications actuellement les plus courantes. Les actions de recherche et

de développement des techniques portent sur trois axes, dont deux sont pré-sentés à la suite :

– l’interfaçage de l’utilisateur avec cet environnement virtuel ;– la création informatique de ce monde virtuel.

La troisième problématique, la compréhension de l’Homme en activitésensori-motrice dans un environnement virtuel, faisant appel au domaine dessciences cognitives, n’est pas exposée ici.

1. Domaine de la réalité virtuelle ............................................................. S 7 735 - 2

1.1 Définition et finalité...................................................................................... — 2

1.2 Ses trois problématiques ............................................................................ — 2

2. Applications ............................................................................................... — 3

2.1 Applications générales ................................................................................ — 3

2.2 Applications professionnelles ..................................................................... — 3

3. Interfaçage de l’homme en environnement virtuel ........................ — 6

3.1 Concepts de base de l’immersion et de l’interaction................................ — 6

3.2 Taxonomie des interfaces de la réalité virtuelle........................................ — 7

4. Environnements virtuels ........................................................................ — 11

4.1 Moteur d’application interactive................................................................. — 11

4.2 Modeler ......................................................................................................... — 13

4.3 Scénariser ..................................................................................................... — 14

Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. S 7 735

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RÉALITÉ VIRTUELLE ET APPLICATION À LA ROBOTIQUE _____________________________________________________________________________________

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1. Domaine de la réalitévirtuelle

1.1 Définition et finalité

Le domaine technique et scientifique de « la réalité virtuelle »aborde des questions issues de l’association de deux termes enapparence opposés : le choix entre le réel et le virtuel se pose àl’ingénieur. Par exemple, dans une phase de conception d’un pro-duit, l’évaluation des qualités de l’objet peut se faire sur sa repré-sentation virtuelle (grâce à un modèle numérique) ou sur unprototype réel. De même, lors de la conception sur des chaînesd’assemblage de pièces par des robots et des opérateurs, le fonc-tionnement de la chaîne peut être testé virtuellement. L’ingénieurest donc souvent confronté au dilemme suivant : soit tester virtuel-lement à partir d’un modèle paramétrable, mais peut-être peu réa-liste, soit évaluer un produit réel, mais figé.

Ce questionnement n’est pas nouveau, mais depuis l’essor destechniques de réalité virtuelle permettant d’associer l’humain à desmodèles numériques, il peut être plus utile et efficace de passerpar une simulation virtuelle. Mais celle-ci est plus complexe àconcevoir en général, car nous verrons qu’elle fait intervenir descritères humains subjectifs.

p Il est souhaitable de bien définir ce domaine technique et scien-tifique et de présenter ses principales applications profession-nelles. C’est l’objectif de la première partie de cet article. Commetoute nouvelle technique, il existait avant son essor des domainesscientifiques connexes qui ont permis son développement. Dansles domaines professionnels, la CAO (conception assistée par ordi-nateur) et la simulation de phénomènes physiques sont étudiéesvirtuellement par l’intermédiaire de modélisation numérique. Enrobotique et en téléopération, on a utilisé l’immersion et l’interac-tion de l’opérateur dans un environnement réel déporté. Ce n’étaitpas dans un environnement virtuel, mais les techniques en téléo-pération sont en partie similaires, voire identiques pour certainsdispositifs, comme les interfaces à retour d’effort. Il faut aussinoter le cas particulier des simulateurs de transport, qui ont per-mis depuis des dizaines d’années à des professionnels d’interagiravec un environnement virtuel.

• Nous trouvons dans la littérature plusieurs définitions qui sontassez proches, faisant intervenir des termes identiques ou simi-laires. Deux termes ressortent de toutes ces définitions : immer-sion et interaction. Il s’agit d’une immersion efficace etpartiellement naturelle de l’utilisateur dans un environnement vir-tuel. Cette immersion doit être analysée sous l’aspect technique etsous l’aspect psychologique, car il s’agit bien de mettre un sujetdans un monde virtuel et non pas seulement de connecter soncorps à un ordinateur via des interfaces matérielles.

De même, le sujet doit pouvoir interagir sur ce monde virtuelpar des actions pensées et volontaires : l’interaction est donc aussià étudier sous les aspects technique et psychologique. Ce sont cesdeux fonctions essentielles qui posent les problèmes fondamen-taux de la réalité virtuelle, aussi bien au niveau matériel (informa-tique et interfaces) qu’au niveau logiciel ; aussi bien au niveauphysique qu’au niveau cognitif.

• Les interfaces comportementales sont des dispositifs dont lesusages permettent d’exploiter un comportement humain, commela manipulation d’objets virtuels grâce à un gant de données.

Mais cette définition technique ne dit pas quelle est la finalité dela réalité virtuelle. Que recherchons-nous lorsque nous faisonsappel à ces environnements virtuels interactifs ? Suivant le cadred’utilisation, nous pouvons avoir des objectifs très différents. Quelest le rapport entre les aspirations d’un artiste exploitant les tech-niques de la réalité virtuelle et les objectifs d’un ingénieur enbureau d’études ? Dans tous les cas, il s’agit de mettre physique-ment une personne en activité dans un monde artificiel.

p Les termes « activités sensorimotrices » sont employés pourbien indiquer que la réalité virtuelle permet d’immerger l’utilisa-teur en exploitant efficacement certains de ses sens et qu’il agitsur l’environnement virtuel par ses réponses motrices, activées parses muscles.

C’est donc bien pour permettre de meilleures immersion et inte-raction au niveau sensorimoteur que les techniques de réalité vir-tuelle ont été développées, par exemple :

– un capteur de localisation à six degrés de liberté permet demanipuler plus aisément en translation et en rotation spatiales desobjets comme l’extrémité d’un robot (virtuel) pour tester rapide-ment une future opération robotisée ;

– un casque immersif (visiocasque) permet de regarder efficace-ment autour de soi en tournant simplement la tête, donc avec uncomportement similaire à celui dans un monde réel. Ces interfacesvisuelles sont, par exemple, exploitées en simulation chirurgicale,avec ou sans assistance robotisée ;

– une interface à retour deffort permet de ressentir « presquenaturellement » des collisions entre objets virtuels.

1.2 Ses trois problématiques

Les techniques de la réalité virtuelle doivent permettre à toutepersonne de s’immerger et d’interagir avec un environnement vir-tuel. En conséquence, le monde virtuel doit être simulé sur dumatériel informatique avec la contrainte extrêmement forte dutemps réel. Le lecteur doit retenir qu’actuellement, avec cet objectifd’interaction en temps réel, les techniques informatiques ne per-mettent pas de simuler tout ce que l’on souhaite.

p Par exemple, il est difficile d’afficher en temps réel des imagesd’objets de formes complexes avec des reflets réalistes.

Les recherches et les développements en informatique se fontaux niveaux matériel et logiciel. C’est sur les deux fronts que leschercheurs doivent porter leur effort. Les applications développéesà ce jour fonctionnent en temps réel mais, souvent, soit avec desmodèles physiques très approximatifs, soit avec des environ-nements virtuels simplifiés (absence d’humains virtuels, objetspeu complexes, etc.).

Nous avons ainsi proposé une définition de la réalitévirtuelle [1] :

« Les techniques de la réalité virtuelle sont fondées sur l’inte-raction en temps réel avec un monde virtuel, à l’aide d’inter-faces comportementales permettant l’immersion de l’utilisateurdans cet environnement ».

La finalité de la réalité virtuelle est de permettre à une ou àplusieurs personnes des activités sensorimotrices, et donccognitives, dans un monde artificiel, créé numériquement, quipeut être, soit imaginaire, soit symbolique, soit une simulationde certains aspects du monde réel [1].

C’est donc la première problématique de la réalité virtuelle :la création informatique d’un monde virtuel sur lequel le sujetpeut interagir en temps réel.

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_____________________________________________________________________________________ RÉALITÉ VIRTUELLE ET APPLICATION À LA ROBOTIQUE

p La réalité virtuelle implique une immersion et une interactionefficaces d’un ou plusieurs sujets dans un monde virtuel. Cet inter-façage comportemental d’une personne avec cet environnementvirtuel par l’intermédiaire d’interfaces matérielles et d’un ordina-teur est la deuxième problématique multidisciplinaire de la réalitévirtuelle. Celle-ci fait appel à des domaines bien différents : l’infor-matique, la physique des interfaces matérielles, la neurophysio-logie pour les activités sensorimotrices de l’utilisateur, l’ergonomieet la psychologie pour l’immersion et l’interaction mentales dusujet. Cette approche multidisciplinaire est incontournable.

p La troisième problématique est la compréhension de l’Hommeen activité (sensori-motrice) dans un environnement virtuel, quifait appel au domaine des sciences cognitives. Nous n’en parle-rons pas, renvoyant le lecteur au volume 1 sur le sujet du Traité dela réalité virtuelle [1].

Ce découpage des deux premières problématiques « interfaçagecomportemental » et « création du monde virtuel » se retrouvedans les § 3 et 4 de cet article. Mais avant de les présenter, lesapplications de la réalité virtuelle sont exposées en précisant sur-tout les applications professionnelles qui intéressent plus spécifi-quement l’ingénieur.

2. Applications

2.1 Applications générales

Cette partie donne une information générale sur toutes les poten-tialités de la réalité virtuelle concernant les applications non profes-sionnelles. Il est difficile de faire une classification homogène, carcertaines applications sont plus en développement qu’en utilisationbanalisée, d’autres ont un poids économique, tandis que d’autresencore ne sont réalisées que sur un prototype unique. Si l’onconsidère que la plupart des jeux vidéo, utilisant partiellement cestechniques, sont des applications de réalité virtuelle, l’importanceéconomique de la réalité virtuelle n’est pas du même ordre de gran-deur. Pour notre part, nous considérons que seuls certains jeuxexploitent les techniques de réalité virtuelle, lorsqu’ils permettentune immersion et une interaction importantes au niveausensorimoteur : lorsque le joueur interagit avec d’autres typesd’interfaces que le clavier ou la manette d’un ordinateur ou d’uneconsole de jeu vidéo, comme maintenant avec la Wiimote deNintendo, qui permet des commandes gestuelles.

Suivant notre finalité de la réalité virtuelle, nous avons troisgrands domaines selon que nous immergeons la personne dansun monde imaginaire, un monde symbolique, ou dans un mondesimulant certains aspects du monde réel.

p Dans le premier domaine, nous avons principalement lesœuvres artistiques qui permettent à l’artiste de créer une œuvreinteractive : elle réagit au comportement de l’observateur. Celui-cin’est pas qu’un simple spectateur passif de l’œuvre, mais un spec-tateur actif face à l’œuvre.

p L’exploitation d’un monde symbolique permet de manipuler desdonnées ou des concepts représentés virtuellement. Nous pou-vons citer pour les applications en géosciences où la structure dusous-sol est représentée visuellement par des courbes et deséchelles de couleur suivant les données géologiques, sismiques oupétrolifères.

La plupart des pétroliers exploitent maintenant des sallesimmersives pour concevoir leur puits de forage. Un autre domaineexploite les représentations symboliques en général couplées avecune simulation d’un monde réel, le cas de formation en environne-ment virtuel. Pour une meilleure compréhension d’une tâche, d’unmécanisme ou d’un processus, une représentation symboliquepeut éclairer le formé, comme la représentation par un graphe du

déroulement d’une série de tâches à accomplir suivant uneséquence donnée. Autre exemple, des zones dangereuses peuventêtre indiquées artificiellement.

p Le troisième secteur implique la simulation de certains aspectsdu monde réel, qui est le plus exploité actuellement. Avant de par-ler des applications professionnelles, la réalité virtuelle est exploi-tée dans divers secteurs :

– les loisirs. Les parcs d’attraction et les salles de jeux proposentdes activités ludiques dans des environnements virtuels pour lesloisirs des clients. Certaines de ces activités utilisent les simula-teurs de transport (avions, voitures, navettes spatiales...), d’autresdes équipements sportifs pour des simulations plus ou moins réa-listes (ski sur piste virtuelle, survol en deltaplane, surf sur mer vir-tuelle, golf virtuel, etc.) ;

– si le grand public peut utiliser les dispositifs de réalité virtuelledans leurs activités de loisir, un autre secteur commence à exploi-ter ces techniques pour le grand public : celui de la présentationpublique de nouveaux projets environnementaux, urbains, paysa-gistes ou autres. Avant la réalisation d’un aménagement urbain, ilest toujours souhaitable de montrer ses fonctionnalités et sonimpact au public ou aux décideurs. Par exemple, l’impact sur lepaysage de l’implantation d’éoliennes. Celui-ci peut être visualisé àl’échelle 1 sur grand écran, comme dans les salles immersivesavec écran semi-cylindrique. L’interaction y est en général limitéeà une simple navigation (déplacement) dans le lieu virtuel.

2.2 Applications professionnelles

Nous présentons dans ce paragraphe les applications de la réa-lité virtuelle qui sont des outils de travail pour le professionnel.Ces applications peuvent être des outils orientés vers l’objet fabri-qué, aidant à sa conception, sa maintenance, son évaluation ou savente. Elles peuvent être aussi orientées vers le professionnel pourle former, l’informer, l’aider à communiquer, etc.

2.2.1 Domaines

Concernant les domaines d’applications professionnelles, nousne citons que les plus importants en termes de débouchés. Le casde la conception d’un produit par les techniques virtuelles est pré-senté au paragraphe suivant.

En dehors de la conception d’un produit industriel, l’architecture,la médecine, les activités commerciales, dont le marketing, laformation du personnel (en particulier à la maintenance), lacommunication intra entreprise et extra entreprise sont desdomaines qui peuvent exploiter efficacement les techniques de laréalité virtuelle.

p Dans le secteur de l’architecture, le développement destechniques de présentation de bâtiments virtuels doit avoir unimpact économiquement important à moyen terme, même si, àcourt terme, des freins culturels et techniques existent. La percep-tion des dimensions d’un bâtiment à l’échelle 1 est une caractéris-tique utile pour se faire une représentation correcte, surtout envolume.

p La médecine est aussi un secteur où il n’y a aucun doute sur lapertinence et l’efficacité des techniques de réalité virtuelle. L’ima-gerie médicale tridimensionnelle, couplée à la réalité virtuelle, per-met d’aider le praticien à la préparation et à l’exécution d’uneopération chirurgicale (figure 1).

La chirurgie est composée de tâches manuelles (sensorimo-trices) complexes et spécifiques. L’immersion et l’interaction sen-sorimotrices sur un modèle virtuel du corps du patient, issu del’imagerie médicale, sont exploitables pour l’entraînement desgestes du chirurgien. Elles peuvent permettre aussi une vérifica-tion de la stratégie opératoire, avant ou pendant l’intervention.

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Au-delà de l’activité chirurgicale, la médecine peut profiter del’essor des techniques virtuelles pour la thérapie en environ-nement virtuel. Les thérapeutes se sont saisis des potentiels de laréalité virtuelle pour améliorer la prise en charge du handicap. Ilsont ainsi développé de nouvelles approches d’évaluation et derééducation des fonctions cognitives et motrices [3].

p En téléopération, l’objectif est d’agir sur des zones distantes oudangereuses. Au lieu d’agir à distance par l’intermédiaire directd’un robot réel, l’opérateur perçoit et commande un robot virtuel,modèle du robot réel. Le robot virtuel est situé dans un environ-nement virtuel, qui est un modèle de la scène réelle distante. Lesactions de l’opérateur sur le robot virtuel sont répercutées sur lerobot réel.

Un des intérêts de cette méthodologie de téléopération estd’obtenir des perceptions prédictives. Si les modélisations sontsuffisamment exactes, les réponses aux actions réelles peuventêtre prédites sur la modélisation du robot virtuel dans son environ-nement virtuel, avant le retour des informations réelles de la scènedistante.

p Un autre secteur est celui des activités commerciales, dont lemarketing. La réalité virtuelle peut servir pour l’analyse des outilsdu commerce. L’étude de l’aménagement d’un magasin est plusefficace si nous pouvons immerger des consommateurs dans sonmodèle virtuel avant sa construction, pour le tester.

L’analyse du comportement d’achat des consommateurs dansun magasin virtuel est aussi envisageable. Nous avons conçu unmagasin virtuel pour l’entreprise IN VIVO, permettant d’étudierl’impact des emballages des produits (figure 2).

p Certaines formations, principalement celles faisant intervenirdes actions physiques, composent un secteur qui peut bénéficierdes derniers développements des mondes virtuels. Il peut êtreopportun de former des sujets à des tâches simulées en environ-nement virtuel. L’écart entre ces actions virtuelles et les tâchesréelles est peut-être non négligeable, mais ce n’est pas forcémentun obstacle quand il s’agit d’apprendre un protocole d’opérationsou un comportement spécifique.

La formation peut être plus délicate à réaliser s’il s’agitd’apprendre des gestes précis, mais cela est envisageable commenous l’avons indiqué pour la formation en chirurgie. Le Centre derobotique de l’École des Mines de Paris a collaboré avec la Direc-tion de la recherche de la SNCF pour réaliser un simulateur pour la

formation à des tâches sur des infrastructures ferroviaires [3]. Laformation a été validée et est efficace, comparée à la même forma-tion en environnement réel.

La formation en environnement virtuel offre des avantages qu’ilfaut savoir exploiter : il est possible de changer les conditions etles paramètres de l’environnement (pour faciliter ou complexifierla séance de formation), de former les personnes sans danger, dereprésenter symboliquement l’environnement pour une meilleurecompréhension par le formé.

La formation à la maintenance et au dépannage d’un produit oud’une installation peut être étudiée virtuellement (figure 3). Cesactivités sont semblables à toute formation en environnement vir-tuel, mais dans le cas de la maintenance ou du dépannage demécanismes ou d’assemblage (voiture, machine, etc..), la percep-tion du retour d’effort sur les mains de l’opérateur est souventindispensable. Il est alors plus difficile de réaliser des dispositifsavec retour d’effort ou tactile réellement efficaces.

Figure 1 – Simulation avec retour d’effort d’une opérationchirurgicale par endoscopie (photo INRIA)

Figure 2 – Magasin virtuel pour INVIVO, conçu et réalisé par l’Écoledes Mines de Paris et par Sim Team (photo EMP)

Figure 3 – Maintenance par un opérateur équipé d’un visiocasqueet d’un gant numérique (photo SimTeam)

Par exemple, la transparence partielle des objets permet de mieuxpercevoir leur géométrie tridimensionnelle et(ou) leur fonction-nement.

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Programmation des robots

par Étienne DOMBREDirecteur de Recherche au CNRSLaboratoire d’Informatique, de Robotique et de Microélectronique de Montpellier (LIRMM)CNRS-Université Montpellier II

n robot manipulateur est une machine programmable capable d’exécuterdiverses tâches répétitives et, en principe, d’adapter son comportement à

certains aléas et événements perturbant le fonctionnement nominal prévu. Lestâches peuvent être de type point à point ou de type continu (suivi de courbes,suivi de surfaces). Les premières correspondent aux procédés les plus répandusdans l’industrie manufacturière (soudage par résistance, palettisation, manuten-tion...) par comparaison aux secondes (soudage à l’arc, encollage, découpe, pro-jection/peinture...).

1. Apprentissage............................................................................................ — 31.1 Principes........................................................................................................ — 31.2 Tâches point à point..................................................................................... — 31.3 Tâches continues.......................................................................................... — 41.4 Avantages et limitations .............................................................................. — 5

2. Programmation hors ligne : les langages de programmation...... — 52.1 Mode de programmation explicite ............................................................. — 5

2.1.1 Principe................................................................................................. — 52.1.2 Exemple de langage du type primitives de mouvements : VAL II... — 62.1.3 Exemple de langage structuré : KAREL............................................. — 62.1.4 Gestion des interactions avec l’environnement ............................... — 82.1.5 Limitations ........................................................................................... — 9

2.2 Programmation implicite ............................................................................. — 102.2.1 Principe................................................................................................. — 102.2.2 Problématique de recherche .............................................................. — 10

3. Programmation hors ligne à partir de bases de données CAO-robotique.................................................................... — 10

3.1 CAO et robotique.......................................................................................... — 103.2 Méthodologie de la programmation par CAO ........................................... — 113.3 Avantages ..................................................................................................... — 113.4 Limitations .................................................................................................... — 123.5 Étalonnage .................................................................................................... — 123.6 Perspectives .................................................................................................. — 13

4. Conclusion .................................................................................................. — 13

Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. R 7 720

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PROGRAMMATION DES ROBOTS __________________________________________________________________________________________________________

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Fonctionnellement, un système robotisé se décompose en trois sous-ensembles (cf. figure) :

— le bras manipulateur qui agit sur l’environnement. Son état, mesuré par lescapteurs proprioceptifs (codeurs ou résolveurs), est modifié par les actionneurs ;

— le système de commande : il comprend les cartes d’axes qui réalisentl’asservissement des articulations aux positions de consigne. Elles engendrentles consignes de vitesse qui sont converties et envoyées aux variateurs pilotantles actionneurs. Les entrées des cartes d’axes sont calculées par le générateurde mouvement à partir des consignes articulaires (déplacement des axes durobot) ou des consignes opérationnelles (translation et rotation de l’outil). Lessystèmes de commande évolués peuvent traiter des données issues de capteursextéroceptifs encore appelés capteurs d’environnement (systèmes de vision,capteurs d’effort, capteurs tactiles, proximètres) et modifier en ligne le compor-tement du robot (suivi de joint, par exemple) ;

— le système de programmation qui réalise l’interface entre les actions spéci-fiées par l’opérateur et le système de commande du robot et des périphériquesde la cellule. Ce sous-ensemble est l’objet de cet article.

Le système de commande et le système de programmation sont inclus dans labaie de commande du robot.

Les fonctions essentielles que doit réaliser un système de programmation derobots manipulateurs sont les suivantes :

— spécifier des mouvements correspondant à la grande diversité d’opérationsque l’on trouve en robotique. Selon la tâche, ces mouvements doivent minimiserles temps de cycle ou satisfaire des contraintes de vitesse imposées par le pro-cédé. Ils peuvent être coordonnés avec les mouvements d’axes externes (posi-tionneurs, convoyeurs ou autres robots) ;

— synchroniser les mouvements du robot, des dispositifs périrobotiques etdes autres équipements de l’atelier ou de la cellule de production ;

— gérer les actions des outils ;— gérer les communications entrées/sorties ;— intégrer des informations sensorielles dans les primitives de mouvement :

ces informations proviennent le plus souvent de simples capteurs tout ou rien(détection de présence, sécurité...) ; elles peuvent aussi être fournies par descapteurs plus évolués permettant de réaliser des tâches en présence d’incerti-tudes importantes grâce à des commandes référencées capteur (commande eneffort, asservissement en distance) ;

— contrôler l’exécution des programmes ;— communiquer avec l’opérateur via une interface appropriée.L’évolution qu’ont subie les systèmes de programmation depuis une décennie

est liée au gain en puissance considérable des baies de commande des robots.Celles-ci sont à base de processeurs 32 bits − certaines sont multiprocesseurs −souvent sur bus VME (mais ce n’est pas une règle : la nouvelle baie KR C1 deKuka est équipée d’un processeur PC-Pentium, dispose de 4 emplacements ISAet fonctionne sous VxWorks). Elles peuvent ainsi intégrer un grand nombre decartes spécialisées disponibles chez un grand nombre de fournisseurs, que cesoit pour la gestion des entrées/sorties, la vision industrielle... Les progrès del’informatique ont par ailleurs permis de rendre les interfaces homme/machinebeaucoup plus conviviales dans des environnements de type Windows (menus

Consignesarticulaires ou

opérationnelles

Consignesarticulaires

échantillonnées

OPÉRATEUR

Baie de commande

Capteursextéroceptifs

Capteursproprioceptifs

Décomposition fonctionnelle d'un système robotisé

Systèmede programmation

Générateurde mouvement

Cartesd'axes

Convertisseur N/AVariateurs

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__________________________________________________________________________________________________________ PROGRAMMATION DES ROBOTS

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déroulants et multifenêtrage). Enfin, le développement des réseaux de terrain(CAN, Interbus-S, Profibus...) permet de faire communiquer beaucoup plus effi-cacement la baie de commande avec la périrobotique et les autres équipementsde l’atelier.

On présente dans cet article les deux familles de méthodes disponibles pourprogrammer les robots : les méthodes par apprentissage et les méthodes horsligne qui se caractérisent par des durées moindres d’intervention sur site. Onverra qu’à bien des égards ces méthodes sont complémentaires, la justificationdes coûts et des temps de mise en œuvre conduisant, selon le contexte indus-triel, à choisir l’une ou l’autre famille de solutions. Pour la clarté de l’exposé, unepremière partie sera consacrée aux méthodes par apprentissage, les deux par-ties suivantes traitant des méthodes hors ligne, l’une des langages de program-mation, l’autre de la programmation à partir de bases de données CAO-robotique.

1. Apprentissage

1.1 Principes

Les méthodes de programmation par apprentissage consistent àmontrer au robot ce qu’il doit faire, c’est-à-dire à amener l’outil surles poses (les repères) désirées successives représentant la tâche.Sur chaque pose, on enregistre la position et l’orientation du repèrelié au centre d’outil ou bien les positions articulaires correspondan-tes. À l’exécution, l’enregistrement est relu.

Tous les robots disposent en standard d’une interface d’apprentis-sage et peuvent être programmés de cette façon. On peut distinguertrois types d’interfaces : les boîtes à boutons, les syntaxeurs et lespantins. Depuis l’origine de la robotique, l’essor de l’informatiqueaidant, ces dispositifs ont considérablement évolué. Ils se sontadaptés au type d’application : tâches point à point ou tâches conti-nues, et c’est donc de cette façon que nous allons les présenter.

1.2 Tâches point à point

Pour les tâches point à point, la boîte à boutons reste le moyen deprogrammation le plus répandu. La fonction principale des premiè-res boîtes à boutons (figure 1 a) était une fonction géométriquepuisqu’elles permettaient essentiellement de déplacer le robot à lapose désirée selon différents modes d’interpolation :

— mode articulaire : déplacements axe par axe ;

mode cartésien : translation et rotation de l’outil dans différentsréférentiels (référentiel outil, référentiel atelier ou référentiel quel-conque défini par l’opérateur) comme indiqué sur la figure 2.

Elles possédaient aussi, selon le domaine d’utilisation du robot :

— des boutons de service pour commander les outils, gérer lespoints (point suivant, point précédent, point de rebouclage decycle), spécifier le mode d’interpolation entre deux points, modifierles vitesses... ;

— des boutons de sécurité : arrêt d’urgence, homme mort(gâchette de sécurité qui force l’arrêt du robot si elle est relâchée)...

Les boîtes à boutons s’appellent maintenant, selon leconstructeur, boîtier d’apprentissage, pupitre mobile d’apprentis-sage, console de programmation, pendant d’apprentissage... Ellesoffrent des fonctionnalités de programmation qui dépassent large-

ment la seule description géométrique de la trajectoire. Elles dispo-sent d’un écran à cristaux liquides (LCD) à partir duquel l’utilisateurdialogue avec la baie de commande et accède à différentes fonc-tions via des menus déroulants, des icônes, des touches reconfigu-rables... (figure 1 b).

Les boîtiers d’apprentissage ressemblent donc de plus en plus àun PC portable plutôt qu’à une simple boîte à boutons. Celui de lafigure 3 comporte un écran VGA 8”, un clavier alphanumérique, destouches de fonction à sélection multiple autour de l’écran et uneinterface graphique Windows 95. Il intègre aussi une souris 6D pourpiloter intuitivement les déplacements du robot.

Pratiquement, chaque interaction de l’utilisateur est traduite enune instruction, un argument ou une donnée visualisable surl’écran. Tous les paramètres d’une instruction peuvent ainsi être toutde suite vérifiés comme le montre la figure 4.

Les boîtiers d’apprentissage produisent donc un programme tex-tuel, mais de façon complètement transparente à l’utilisateur, dansle sens où il n’a pas à mémoriser sa syntaxe ni à éditer des instruc-tions depuis un micro-ordinateur. Il s’agit de véritables langages deprogrammation proposés par les principaux offreurs de robots :

— RAPID (Robotics Application Programming Interactive Dialog)de la baie de commande S4 (ABB), qui a remplacé ARLA de la baieS3 ;

— EZ User friendly de la baie C3G (Comau) ;— TPE de la baie RJ2 (Fanuc) ;— INFORM II de la baie MRC (Motoman) ;— V_TU de la baie CS7 (Stäubli)...

À partir de ces langages, des progiciels d’application ont été déve-loppés qui proposent à l’utilisateur des fonctions préprogramméesorientées métiers : soudage point à point, soudage à l’arc, encollagenotamment (Kuka Techware, ABB ProcessWare, par exemple). Leconcept est poussé à l’extrême chez Adept avec son progiciel métierAIM pour l’assemblage, l’emballage, la palettisation... : AIM tournesous AdeptWindows dans un environnement Windows 95 sur un PCqui communique avec la baie de commande via Ethernet. L’appren-tissage est complètement graphique et rappelle la programmationpar CAO (cf. § 2.2), la différence essentielle étant que chaque inte-raction de l’opérateur peut être interprétée en ligne par la baie decommande.

On notera enfin que certains boîtiers d’apprentissage sont munisd’un combinateur de mouvements qui permet de déplacer l’outil durobot selon différents modes coordonnés : déplacement à orienta-tion fixe par exemple, réorientation autour d’un point, déplacementcontraint dans un plan... Un tel dispositif appelé aussi syntaxeur(joystick) existait déjà sur la boîte à boutons du robot SCEMI audébut des années 80. Il s’est modernisé depuis, son évolution ayant

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Interfaces de localisationet de commande

par Olivier HUGUESEnseignant-chercheurÉcole Mines Paris Tech, équipe « Réalité virtuelle et réalité augmentée », Centre de Robotique

’objectif est ici de présenter un état de l’art des techniques et technologiesmises en œuvre pour obtenir la position et/ou l’orientation, en temps réel,

d’un objet dans un espace donné.

Dans le domaine de la réalité virtuelle, ces informations sont utilisées pourconnaître la position et l’orientation :

– d’une partie du corps de l’utilisateur (tête, main...) ;– du corps dans son ensemble ;– d’un solide, lui-même manipulé par l’utilisateur.

La connaissance de la position et de l’orientation de ces éléments permettraensuite, par exemple, d’adapter le comportement du système, ou la positiondes entités virtuelles entre elles, en fonction des positions respectives desobjets suivis.

1. Localisation et interfaces ................................................................... TE 5 902v2 - 21.1 Localisation spatio-temporelle................................................................. — 21.2 Interfaces de commande .......................................................................... — 21.3 Lien entre capteur de localisation et interface de commande .............. — 21.4 Interfaces spécifiques de localisation corporelle ................................... — 2

2. Conventions mathématiques ............................................................. — 3

3. Capteurs ................................................................................................... — 33.1 Technologie mécanique ........................................................................... — 33.2 Technologie électromagnétique .............................................................. — 53.3 Technologie optique ................................................................................. — 63.4 Technologie hybride ................................................................................. — 73.5 Comparaison des technologies ............................................................... — 8

4. Interfaces de commande ..................................................................... — 84.1 Suivi du regard.......................................................................................... — 104.2 Suivi de la main et des doigts.................................................................. — 114.3 Interfaces de localisation du corps .......................................................... — 124.4 Systèmes bas coûts .................................................................................. — 15

5. Conclusion............................................................................................... — 15

Pour en savoir plus ........................................................................................ Doc. TE 5 902v2

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INTERFACES DE LOCALISATION ET DE COMMANDE _______________________________________________________________________________________

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1. Localisation et interfaces

1.1 Localisation spatio-temporelle

Le plus souvent, ce sont des capteurs de localisation quipermettent d’obtenir la position spatiale, à un instant, d’un repèremobile dans l’espace, par rapport à un repère fixe, la référence.Plusieurs techniques existent, certaines ont l’avantage d’être, soitplus robustes ou plus précises que d’autres, soit moins invasivespour l’utilisateur. L’objet de cet article est de présenter cesdifférentes techniques pour guider le lecteur dans son choix.

■ Paramètres de positionnement

Le positionnement d’un repère mobile est parfaitementdéterminé si le système permet de mesurer les six degrés deliberté du repère.

Nous présentons ici les systèmes qui permettent la détermina-tion de la position et l’orientation d’un repère dans un espacedonné, par rapport à la référence dans cet espace.

■ Défis technologiques

En effet, la réalité virtuelle est un domaine qui met en œuvre, defaçon systématique, ce type de technique afin de déterminer la posi-tion et l’orientation d’objets réels dans l’espace. Mais, concevoir etréaliser un capteur de localisation, qui fournit en temps réel (à unefréquence supérieure à 100 Hz) six mesures très précises sanscontraintes d’exploitation et peu invasives, est un challenge.

Ne sont présentés ici que les capteurs localisant un objet dansune zone restreinte, telle que l’espace environnant d’un ordinateurou d’une pièce (quelques centimètres à quelques mètres). Nousn’étudions donc pas les capteurs de navigation permettant lalocalisation terrestre, hors du domaine de la réalité virtuelle.

1.2 Interfaces de commande

Posées en général sur une table, les interfaces de commandeclassiques permettent à l’utilisateur de piloter manuellement ledéplacement d’un curseur grâce aux mouvements relatifs del’interface par rapport à une position neutre ou à celle d’objetsdans l’environnement virtuel.

Elles permettent aussi de déclencher des évènements dansl’environnement virtuel par pressions sur les boutons. Cesmouvements ont de faibles courses (quelques millimètres à quel-ques centimètres). Il ne s’agit donc pas de localisation dansl’espace de la main pour ces interfaces de commande qui sontbasées évidemment sur d’autres principes que ceux des capteurs.

1.3 Lien entre capteur de localisationet interface de commande

■ Un capteur peut servir à manipuler un objet virtuel enasservissant la position et l’orientation du repère de l’objet réelsuivi à la position et à l’orientation du repère d’un objet virtuel.Dans ce cas, l’utilisateur agit « naturellement » sur le monde

virtuel, le capteur se contentant de suivre les positions et orienta-tions successives que l’utilisateur applique à l’objet réel.

■ Le capteur peut aussi servir à diriger un curseur symboliquedans l’environnement virtuel. Dans ce cas, il s’agit en général decommander une action spécifique dans l’environnement virtuelgrâce au curseur, par exemple :

– se déplacer dans le monde virtuel en indiquant une direction ;

– pointer sur un menu déroulant ;

– commander symboliquement l’ouverture d’une porte, etc.

Enfin, il est courant qu’un objet suivi, le plus souvent une partiedu corps de l’utilisateur, puisse déclencher une action dansl’environnement virtuel lorsque celui-ci entre dans une zone pré-déterminée de l’espace. Dans ce cas, le pied de l’utilisateur peutdéclencher une marche en avant dans l’environnement virtuel dèslors que le pied se trouve dans une zone spécifique de l’espace.

Cependant, nous avons décidé ici de présenter séparément lescapteurs et les interfaces de commandes.

L’utilisation des capteurs de localisation en interface decommande n’implique pas la réciprocité. En effet, les interfaces decommande classiques ne peuvent pas être employées en capteursde localisation de la main de l’utilisateur.

1.4 Interfaces spécifiquesde localisation corporelle

Certaines interfaces de localisation ont été conçues spécifi-quement pour positionner le corps de l’utilisateur, ou une partie decelui-ci, dans l’environnement virtuel. La partie du corps presquetout le temps localisée est la tête. La main l’est aussi très souvent,grâce aux gants de données capables de mesurer les mouvementsde la main et de ses doigts, avec un système de suivi de repèreclassique ou avec des algorithmes d’analyse d’image avancés.

Une autre partie du corps parfois localisée est constituée parl’ensemble des deux pieds pour certaines interfaces spécifiques delocomotion. Dans ce cas, l’objectif principal de l’interface n’est pasde déterminer précisément les mouvements des pieds, mais depermettre grâce à ces derniers une « locomotion » de l’utilisateurdans l’environnement virtuel. D’autres interfaces spécifiquesmesurent les positions de l’ensemble du corps du sujet. Cesinterfaces sont utiles lorsque l’on souhaite immerger« corporellement » tout le sujet dans le monde virtuel.

Nous proposons de présenter les capteurs classifiés selon lestechnologies utilisées (§ 3) :

– mécanique ;

– électromagnétique ;

– acoustique ;

– optique.

Nous terminerons par les interfaces de localisation du corps,après avoir présenté les interfaces de commande et les interfaceshybrides (§ 4).

Ces six paramètres sont définis par la matrice de transfor-mation géométrique entre ce repère mobile et le repère fixede référence lié à l’environnement.

Cette transformation est composée de trois paramètres derotation et de trois paramètres de translation.

Du point de vue cognitif, il faut noter que, dans le cas d’uncapteur, il s’agit de mouvoir « naturellement » l’objet, doncsans grand effort intellectuel. C’est une différence essentielled’exploitation avec les interfaces de commande avec lesquel-les le curseur est mû grâce à une action manuelle, réfléchie etpeu naturelle de l’utilisateur, sauf pour les habitués de ce typed’interface.

Seules les souris 3D, moins classiques que les joysticks,sont présentées au § 4.

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________________________________________________________________________________________ INTERFACES DE LOCALISATION ET DE COMMANDE

2. Conventions mathématiques

Les capteurs de localisation spatiale déterminent, le plus souvent,les six paramètres liés aux six degrés de liberté. Mais certains cap-teurs, pour des raisons techniques, ou encore pour limiter les coûtsou l’encombrement, ne mesurent que trois paramètres (il est sou-vent plus simple de mesurer les rotations que les translations).

■ Matrice de passage

De façon générale, c’est la notation mathématique sous formematricielle des « coordonnées homogènes » qui est utilisée pourmanipuler ces paramètres. Cette matrice, appelée « matrice depassage » ou « matrice de changement de base » est unematrice 4 × 4. La matrice correspond à la transformation mathéma-tique j T i (se lit « transformation de j vers i ») nécessaire sur chaqueaxe du repère Rj de l’objet suivi en question pour atteindre lerepère Ri de référence (figure 1) :

La matrice jTi intègre donc directement le vecteur colonne (1 × 3)de translation jTri entre les deux repères, ainsi que le vecteur(3 × 3) de rotation jRri . De plus, on trouve un facteur d’échellepermettant les homothéties.

■ Intérêt applicatif

En effet, cette notation permet très simplement de « transporter »un vecteur écrit dans le repère j vers le repère i par une simple mul-tiplication. Et c’est exactement ce que fait le logiciel de réalité vir-tuelle lorsqu’il obtient, grâce au capteur, la position et l’orientationd’un repère associé à un objet réel, pour connaître la position etl’orientation de ce même objet, dans le repère de référence : une (ouplusieurs) multiplication(s) matricielle(s) des coordonnées sousforme homogène.

■ Construction de la matrice homogène

Après ce rappel sur la façon dont le logiciel de réalité virtuelle uti-lise les paramètres de translation et de rotation d’un objet suivi, ilfaut présenter comment la matrice homogène est construite. Autre-ment dit, quelles techniques et technologies sont mises en œuvrepour obtenir les différents paramètres nécessaires aux calculs desvaleurs d’angles et de distances.

• Les capteurs utilisent de nombreuses techniques pour mesu-rer différents types de paramètres. Toutes les techniques à notredisposition ne sont pas en mesure d’obtenir ces valeurs de posi-tion directement, mais par le biais de la mesure, soit d’une vitesse,soit d’une accélération. Il est donc parfois nécessaire d’intégrer :

– l’accélération mesurée par rapport au temps pour obtenir lavitesse ;

– la vitesse par rapport au temps pour obtenir la position.

• Ces différentes opérations, réalisées directement par lecapteur, peuvent amener des dérives dont nous reparlerons dansla suite de l’article en fonction des différents capteurs présentés.

3. Capteurs

De façon générale, le capteur exprime les paramètres de translationet de rotation (lorsqu’il en est capable) dans un repère interne. Ladocumentation du capteur concerné renseignera l’utilisateur sur laposition et la configuration de ce repère. Nous allons aborder les cap-teurs utilisant la classification par technologies :

– mécaniques (§ 3.1) ;– électromagnétiques (§ 3.2) ;– optiques (§ 3.3) ;– hybrides (§ 3.4).

3.1 Technologie mécanique

Avec ce type de capteur, il existe en permanence une liaisonmécanique entre l’objet suivi et son environnement, tout enlaissant six degrés de liberté à l’objet ou trois degrés de liberté àun point. En général, la liaison mécanique est composée d’unechaîne de plusieurs barres articulées autour de liaisons pivots ourotules (figure 2).

Classiquement, les six degrés de liberté sont :– les trois coordonnées de translation de l’objet par rapport

à la référence ;– les trois coordonnées de rotation de l’objet par rapport à la

référence.

L’utilisation de cet outil mathématique est due à son intérêtprincipal : les changements de repères isométriques.

Figure 1 – Illustration de la transformation du repère Rjvers le repère Ri

jj j

TRr Tr

ji i

=

000 1

Zi

Xi

XjYi

jTi

Ri

Rj

Yj

Zj

Figure 2 – Interface de bureau à retour d’effort de SensAble,Phantom (Crédit SensAble Technologies)

© 3D Systems geomagic Solutions

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INTERFACES DE LOCALISATION ET DE COMMANDE _______________________________________________________________________________________

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■ Avantages

L’architecture mécanique est souvent identique à celle de robotsmanufacturiers, mais elle est plus légère afin de supprimer le pluspossible les contraintes de mouvement et d’inertie de l’objet suivi(dans l’illustration, l’objet suivi est la main).

■ Principe

Le capteur évalue l’orientation des différentes liaisons quiconstituent son bras pour déterminer la position et l’orientation del’outil manipulé par l’utilisateur.

Dans certains dispositifs, les liaisons peuvent aussi êtremotorisées, et donc limiter leur plage de fonctionnement dynami-quement (en plus des limitations mécaniques du bras). Dans detels dispositifs, l’utilisateur pourra percevoir un « retour d’effort »en atteignant une butée dépendante de ce qu’il est en train demanipuler dans l’environnement virtuel. Il s’agit d’un cas particu-lier d’interface, car c’est le retour d’effort qui est d’abord visé parcette technologie. Mais elle nécessite de connaître la configurationdes différents éléments qui le constitue.

Pour plus d’information sur ce type d’interface, nous renvoyonsle lecteur à l’article [AG 2 520].

■ Ce qu’il faut retenir

• Les capteurs mécaniques présentés dans la suite ne peuventdéterminer qu’un seul et unique paramètre d’orientation, devitesse ou d’accélération. Ils sont rarement vendus séparément,mais sont associés pour donner des capteurs à trois ou six degrésde liberté.

• Les différents types de capteurs mécaniques exploités pour laréalité virtuelle sont :

– les inclinomètres (§ 3.1.1) ;– les gyroscopes (§ 3.1.2) ;– les gyromètres (§ 3.1.2) ;– les accéléromètres (§ 3.1.3).

3.1.1 Inclinomètres

Ce capteur va utiliser le champ gravitationnel émis par la terrepour déterminer son inclinaison. Sans mouvement del’inclinomètre, il indique sa position angulaire avec la verticale dulieu dans lequel il se trouve.

Mais, s’il y a mouvement, il indique la direction de la force exté-rieure totale qui s’applique sur lui, due à l’accélération du mouve-ment et à l’attraction terrestre.

Différents types d’inclinomètre existent. On trouve des inclino-mètres qui utilisent un liquide visqueux. De part et d’autre duliquide se trouvent une source lumineuse et un récepteur delumière. L’inclinaison dépend ainsi de la quantité de lumière reçuepar le récepteur lumineux.

Ce type de capteur est rarement exploité seul, mais avecd’autres qui fonctionnent sur des principes différents pour obtenirdes capteurs de localisation mesurant trois ou six degrés deliberté. Nous verrons ces capteurs au § 4.

3.1.2 Gyroscopes et gyromètres

Le plus commun des gyroscopes est basé sur le principe méca-nique d’un rotor tournant à grande vitesse, dont l’axe garde unedirection constante. Mais, d’autres phénomènes physiques sontexploités pour mesurer des vitesses angulaires de rotation. Nousne présentons ici que les appareils susceptibles d’être miniaturiséset d’un coût acceptable pour être utilisés en réalité virtuelle.

■ Gyroscope à suspension de Cardan

Il s’agit d’un dispositif indiquant une direction constante grâce àune masse (toupie) en rotation autour de son axe de révolution. Latoupie du gyroscope est reliée, au niveau de son centre d’inertie, àune suspension de cardan qui permet à la toupie de s’orienterdans toutes les directions. Les frottements au niveau des liaisonssont réduits au minimum. On prévoit fréquemment un moteurentraînant la toupie pour corriger la dérive.

La mesure de localisation de l’objet en mouvement est obtenueà partir de la vitesse par intégration, d’où une augmentation deserreurs de position dans le temps.

Des constructeurs ont réussi à miniaturiser ces dispositifs, quipeuvent être exploités dans différents domaines (modélisme,réalité virtuelle, etc.).

Ces capteurs ont le défaut d’avoir une dérive dans le temps, del’ordre de plusieurs degrés par minute. Mais, dans les applicationsen réalité virtuelle, telles que la mesure de rotation de la tête, il estplus important de connaître la rotation relative que la rotationabsolue. Le poids peut être inférieur à 50 g, tout en gardant unebonne résolution.

■ Gyroscope piézoélectrique

Développé par la société Murata, il est basé sur le principe del’effet Coriolis. Il consiste en un petit prisme triangulaire piézoélec-trique, avec une excitation sur une face et réception sur les deuxautres. L’excitateur fournit des impulsions périodiques qui sontrecueillies en réception sur les deux autres faces de façonidentique quand l’appareil est au repos. Un quelconque mouve-ment de rotation du prisme produit des forces de Coriolis qui cau-sent une augmentation d’amplitude du signal de réception sur undétecteur par rapport à l’autre.

La différence entre les deux détecteurs est proportionnelle à lavitesse de rotation. Celle-ci doit donc être intégrée pour obtenir larotation angulaire, avec les problèmes inhérents à cette méthode :la dérive des mesures implique de faire un recalage, si on a besoind’une mesure absolue de position.

3.1.3 Accéléromètres

Les accéléromètres sont basés sur la mesure d’une forceprovenant de l’accélération d’une masse. Les accéléromètrespeuvent être en boucle ouverte ou en boucle fermée : pour lamesure en boucle ouverte, la force est mesurée par le faible allon-gement d’un ressort supportant la masse.

Cette mesure est détectée par :– principes piézoélectrique ou piézorésistif ;– des jauges de contrainte ;– principe à variation de capacité, etc.

Pour ce type d’accéléromètre en boucle ouverte se pose le pro-blème classique du compromis à faire entre précisions et rapiditéde réponse.

• Pour les accéléromètres en boucle fermée, on crée une forceopposée à la force inertielle, annulant le déplacement de la masse.

La miniaturisation de ces capteurs atteint un tel niveau queceux-ci sont tous intégrés dans de minuscules pucesélectroniques, implémentées dans de très nombreux casd’application.

Exemple

On en trouve dans :

– les automobiles ;– les téléphones portables intelligents ou les tablettes tactiles ;– des caméras ;– des consoles de jeux grand public ;– des machines-outils ;– des satellites ;– des montres ou bracelets connectés, etc.

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Architectures de controlepour la robotique

Approches et tendances

par Robin PASSAMAIngenieur de recherche CNRSLaboratoire d’informatique, de robotique et de microelectronique de Montpellier (LIRMM)

David ANDREUMaıtre de conferencesLIRMM, universite Montpellier 2

Didier CRESTANIProfesseurLIRMM, universite Montpellier 2

et Karen GODARY-DEJEANMaıtre de conferencesLIRMM, universite Montpellier 2

1. Paradigmes de conception des architectures de controle ..... S 7 791 – 31.1 Les architectures deliberatives .......................................................... — 31.2 Les architectures reactives ................................................................. — 41.3 Les architectures mixtes ou hybrides ................................................ — 6

2. Description de quelques architectures de controle................. — 62.1 Approches basees fonctions .............................................................. — 62.2 Approches basees objets ................................................................... — 72.3 Approches basees modules ............................................................... — 92.4 Approches basees agents .................................................................. — 112.5 Approches basees composants ......................................................... — 122.6 Conclusion .......................................................................................... — 13

3. Developpement des architectures de controle ......................... — 133.1 Les composants logiciels ................................................................... — 133.2 Les intergiciels ................................................................................... — 153.3 Les middleware pour la robotique .................................................... — 163.4 Ingenierie dirigee par les modeles et langages pour la robotique .. — 19

4. Conclusion........................................................................................ — 21

Pour en savoir plus.................................................................................. Doc. S 7 791

L a robotique est par essence multidisciplinaire, traitant des leur origine desproblemes couplant mecanique, automatique, electronique, informatique,

etc. sans omettre ceux relatifs au domaine d’application lui-meme. Elle doitses progres aux avancees realisees dans chaque discipline ainsi qu’a leur croi-see. Les robots sont des entites technologiques de plus en plus complexes aux-quelles sont confiees des missions toujours plus compliquees, relevant d’unemultitude de domaines applicatifs. Les specificites des divers domaines d’appli-cation et des grandes categories de robots (robotique terrestre, sous-marine,aerienne) sont souvent a l’origine de solutions differentes. Certaines applica-tions vont requerir une reactivite importante et des capacites decisionnellesmoindres, d’autres auront des besoins de planification importants, etc.

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Cette complexite induit de nombreuses exigences, notamment sur l’informa-tique censee gerer le fonctionnement du robot et supporter ses capacitesd’action, d’adaptation, de decision, etc., cette « intelligence » que lui confereson controle. C’est donc de l’architecture logicielle de controle, c’est-a-dire lamaniere dont est concu et developpe le logiciel charge du controle du robot,dont nous allons discuter dans cet article.

Ces architectures logicielles se distinguent par le besoin de prendre encompte tout un spectre de fonctions allant de calculs deliberatifs, tres gour-mands en temps et en espace, jusqu’au controle en temps reel de dispositifsphysiques. Organiser ces « fonctions », les mettre en relation requiert un niveaud’expertise eleve. C’est pourquoi des solutions generales ont initialement eteproposees sous la forme de « modeles architecturaux ». Les modeles architec-turaux classiquement admis seront presentes, sachant qu’ils sont encore sou-mis a evolution pour integrer la variete de schemas relationnels qui donnentune dimension unique a ces architectures. En effet, le robot immerge dansson environnement est aussi sujet a des relations homme-robot (autonomiedecisionnelle partagee), robot-robot (flottille) ou encore robot-environnementactif (capteurs de l’habitat et routes intelligentes par exemple) qui, declineessur le plan des architectures de controle, necessitent de considerer les relationsdynamiques qui peuvent s’instaurer.

Si le modele architectural guide dans la maniere de structurer une architec-ture, il reste a definir comment la decrire et la mettre en œuvre. Avec la crois-sance de la complexite des architectures logicielles robotiques et l’explosion dela diversite toujours plus grande des applications et des missions, la conceptionet le developpement d’architectures logicielles performantes et correctesdevient un enjeu majeur. Il n’y a a ce jour aucune approche communementadmise pour capitaliser et mutualiser les connaissances et les bonnes pratiqueset pour reutiliser les briques logicielles developpees. L’etat des lieux que nousallons dresser temoigne de la diversite des propositions, revelant l’influencedes cultures initiales des concepteurs, plus robotique, automatique ou informa-tique. Dans tous les cas, ces propositions visent, avec plus ou moins de succes,a definir comment decrire et encapsuler les diverses fonctions que le robot doitassurer sous la forme d’un ensemble d’entites logicielles en interaction. Ce fai-sant, l’objectif est de conferer a la solution des proprietes de modularite, deportabilite, de reutilisabilite, etc.

Decrire l’architecture logicielle n’est pas suffisant car il faut ensuite l’imple-menter, la deployer et l’executer. Implementer l’architecture logicielle et ladeployer sur une cible d’execution, tout en maıtrisant les contraintes logiqueset temporelles de l’execution typiques des systemes reactifs, conduisent aconsiderer les contraintes provenant de la plate-forme (materielle, systemed’exploitation, langages de programmation) sous-jacente. Construire des archi-tectures perennes, reutilisables et adaptables pour une grande variete de plates-formes et de composants physiques (capteurs, actionneurs, mais aussi proces-seurs, reseaux, et autres materiels parfois specifiques a la robotique) constitueun defi important. Nous evoquerons des lors, a travers la presentation desapproches recentes, les intergiciels (appeles « middleware ») pour les architec-tures de controle robotiques tant leur role peut etre primordial a ces egards.

ARCHITECTURES DE CONTROLE POUR LA ROBOTIQUE ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

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1. Paradigmes de conceptiondes architecturesde controle

De facon simplifiee, un robot a pour objectif de remplir une mis-sion pouvant etre decomposee en une succession de taches qu’ilaura a executer au sein d’un environnement connu ou inconnu, sta-tique ou dynamique.

Classiquement, un robot peut etre decompose en trois partiesdistinctes :

– d’une part, un ensemble de capteurs exteroceptifs et proprio-ceptifs lui permettant de recueillir des informations sur son envi-ronnement et sur son etat estime, avec dans certains cas des cap-teurs portes par l’environnement lui-meme ;

– d’autre part, un ensemble d’actionneurs lui permettant d’agirou d’interagir avec son environnement ;

– enfin, entre ces deux extremites de la chaıne de commande,une architecture de controle choisissant l’action (comportement) amettre en œuvre, en fonction de l’objectif de la mission, de l’etatcourant du robot et de celui de son environnement.

C’est donc au sein de l’architecture de controle que sont concen-trees les capacites decisionnelles du robot, potentiellement com-pletees par des interventions de l’operateur des lors que l’architec-ture de controle l’admet.

Trois fonctions fondamentales de la robotique peuvent alors etredegagees de ce cadre d’execution :

– « planifier » organise dans le temps les taches que le robot auraa mettre en œuvre pour atteindre l’objectif de sa mission ;

– « percevoir » traduit la capacite a recueillir le flux sensoriel pro-venant des capteurs et a en extraire ou a en reconstruire des infor-mations sur l’etat du systeme et de son environnement ;

– « agir » determine, a l’aide de lois de commande et autres trai-tements, les consignes a adresser aux actionneurs pour realiser latache robotique a effectuer puis les applique.

C’est de la presence ou non de ces fonctions et de leur declinai-son au sein des architectures de controle, ainsi que de leurs moda-lites d’interaction dans le temps, que l’on peut degager trois princi-paux paradigmes de conception.

1.1 Les architectures deliberatives

C’est a la fin des annees 1960 que le premier robot mobile reelle-ment dote de capacites decisionnelles, et donc d’une architecturede controle, a ete developpe a l’universite de Stanford [1](figure 1).

Il s’appuyait sur l’accomplissement en sequence des trois phasespercevoir-planifier-agir, classiquement appele le paradigme Sens-Plan-Act (figure 2). Ce schema d’execution peut etre precise defacon a degager cinq etapes distinctes :

– « percevoir » traduit la capacite a recueillir le flux sensoriel pro-venant des capteurs ;

– « modeliser » extrait du flux sensoriel des informations surl’etat du systeme et de son environnement de facon a construireun « modele du monde » ;

– « planifier » organise dans le temps les taches que le robot auraa mettre en œuvre pour atteindre l’objectif de sa mission ;

– « executer » determine pour chacune des taches la loi de com-mande ou autre traitement a appliquer ;

– « agir » calcule et applique, a partir des traitements choisis, lesconsignes actionneurs.

Ce paradigme souffre cependant d’un ensemble de limitationsliees essentiellement a la phase de planification et a son position-nement au sein du schema d’execution :

– la generation d’un plan necessite la mise a disposition d’unerepresentation precise et a jour de l’environnement afin d’identifierles actions a realiser pour atteindre l’objectif recherche. Cette hypo-these de travail est difficile a respecter en presence d’informationsnecessairement bruitees et d’un environnement dynamique ;– la generation d’un plan est une tache reconnue comme com-

plexe. Le temps de generation est d’autant plus important que l’es-pace d’etats a explorer est grand ;– les actions sont executees en boucle ouverte, en supposant que

l’environnement du robot n’a pas evolue depuis que le plan a etegenere ;– les actionneurs sont supposes executer parfaitement et sans

defaillance les ordres calcules. Ainsi, si l’application des ordres action-neurs n’est pas conforme aux attentes ou ne peut etre executee, leplan genere devient caduc et un nouveau plan doit etre elabore.

Figure 1 – Le premier robot mobile Shakey

ENVIRONNEMENT

ROBOT

Cap

teurs

PERCEVOIR

MODÉLISER

EXÉCUTER

AGIR

Actionneu

rs

PLA

NIFIER

Figure 2 – Le paradigme Sens-Plan-Act

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S’inspirant du paradigme Sens-Plan-Act les architectures delibera-tives placent au centre de leur modele de conception l’activite deci-sionnelle. Outre la couche physique, elles sont typiquement organi-sees en une succession de trois couches hierarchisees, chaquecouche ne pouvant communiquer qu’avec sa (ou ses) voisine(s).

On distingue :

– la couche decisionnelle qui planifie l’enchaınement des tachesrobotiques a realiser pour atteindre les objectifs imposes a traversla mission ;– la couche executive qui supervise l’execution des taches roboti-

ques planifiees ;– la couche fonctionnelle en liaison directe avec la couche phy-

sique (capteurs, actionneurs) qui supporte notamment les lois decommande.

Le Standard Reference Model de la NASA/NBS (figure 3), a labase de l’architecture NASREM de meme nom, est un exempled’architecture deliberative [2].

On y distingue deux flots d’informations. L’un ascendant delibe-ratif qui, depuis la couche physique, abstrait les donnees de facon ace qu’elles puissent etre utilisees par les couches superieures. L’au-tre descendant decisionnel, qui decline les choix effectues, depuisla forme symbolique de la couche decisionnelle, jusqu’aux ordresactionneurs de la couche fonctionnelle.

Ce modele architectural presente l’avantage de permettre la ges-tion de missions complexes en proposant une decomposition hie-rarchique des mecanismes de decision et de controle pouvant clai-rement etre apprehendee et maıtrisee. Cependant, sa limitationmajeure, dans le cadre de la robotique, est le temps de latenceinduit par la transmission couche a couche des informations delibe-ratives et decisionnelles.

Les capacites decisionnelles et de planification sont incontourna-bles lorsque l’on doit faire face a des missions demandant ledeploiement d’une strategie sophistiquee et ou la recherche d’uncomportement optimal est un critere important. Cependant, memesi l’approche deliberative a ete la premiere a etre experimentee, ellereste tres marginale car elle souffre d’un handicap redhibitoire enrobotique qui est son manque de reactivite. C’est pour cela que,dans un premier temps, des architectures pleinement reactives ontete proposees.

1.2 Les architectures reactives

Les architectures reactives ou comportementales, souvent inspireesde modeles biologiques, reposent sur l’idee que, de la composition deplusieurs comportements elementaires, peut emerger un comporte-ment plus elabore et adapte au contexte environnemental du roboten privilegiant une relation forte entre la perception et l’action.

Chacun des comportements elementaires met alors en œuvre uncycle de commande court ou, a partir des informations issues descapteurs, les consignes actionneurs sont directement calculeesconformement au comportement attendu.

Brooks [3], dans les annees 1980, a propose une architecture cele-bre, denommee « subsumption architecture ». Elle s’appuie sur uneapproche ascendante de la cognition et est inspiree des fonctionne-ments observes en biologie et ethologie chez des etres vivants sim-ples. Les comportements y sont composes hierarchiquement en dif-ferents niveaux de competences, des plus simples au plus abstraits.Les comportements des couches superieures integrent (to subsume)ceux des couches inferieures. La coordination (arbitrage) entre deuxniveaux voisins repose d’une part, sur le mecanisme d’inhibition qui,a partir du niveau N permet d’inhiber une sortie de rang N-1 et d’au-tre part, sur le mecanisme de suppression (remplacement) d’uneentree de rang N-1 par des donnees de niveau N.

Il est evidemment difficile de composer immediatement l’en-semble des comportements decrits au sein de l’architecture souspeine de chercher a integrer des reactions totalement contradictoi-res. Ce probleme peut etre resolu en inserant un module d’arbi-trage qui pondere les sorties des couches comportementales defacon a generer le vecteur des consignes a imposer aux action-neurs. Bien evidemment, c’est du bon reglage des coefficients deponderation, et donc du module d’arbitrage, que dependra la capa-cite de l’architecture complete a gerer les objectifs imposes a lamission. L’approche DAMN (Distributed Architecture for MobileNavigation) de l’universite Carnegie Mellon, basee sur un principede vote [4], est un exemple de ce type d’approche (figure 5).

Les architectures reactives ont rencontre et rencontrent encoreun large succes. Elles se caracterisent par une grande modulariteet simplicite de conception, l’absence de traitements complexes,ce qui leur confere une excellente robustesse. Leur capacite a

Abstract level

(mission management)

Concret level

(sensors, actuators)ACTIONSENSE

G1

G2

G3

G4

G5

G6

M1

M2

M3

M4

M5

M6

H1

H2

H3

H4

H5

H6

Global

Memory

MAPS

OBJECT LISTS

STATE VARIABLES

EVALUATION FCNS

PROGRAM FILES

OP

ER

AT

OR

INT

ER

FA

CE

COORDINATE

TRANSFORM

SERVO

PRIMITIVE

E-MOVE

TASK

SERVICE

MISSION

TASK

DECOMPOSITIONWORLD

MODELING

MODEL

EVALUATE

SENSORY

PROCESSING

DETECT

INTEGRATE

PLAN

EXECUTEGOAL

SERVICE BAY

Figure 3 – Exemple de modele d’organisation d’une architecture deliberative [2]

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reagir rapidement a toute evolution de l’environnement permet deremedier efficacement a l’une des faiblesses majeures des architec-tures deliberatives. Cependant, la structuration des architecturesreactives induit aussi un ensemble de limitations :

– la mise en place de comportements de type stimulus-reponsene necessite pas la construction et la mise a jour d’une modelisa-tion du monde. Brooks considerait que « le monde est son propreet meilleur modele ». Ce manque peut etre penalisant pour la reali-sation de missions complexes ;

– la simplicite et la modularite des architectures reactives ne sontqu’apparentes car il n’est pas toujours aise de faire emerger un com-portement elabore, adapte aux objectifs finaux d’une mission robo-tique, en composant des comportements elementaires deux a deux ;

– l’absence de modelisation du monde, couplee a des capacitesde calcul et de memorisation limitees, induit une connaissancepurement locale et instantanee qui exclut de fait toute planificationa long terme necessaire pour des missions complexes impliquantune prise en compte globale des objectifs a atteindre ;

integral

turn

nostop

done

command

command

straighten

heading

begin

integratemonitor

pathplan

goal

goal grab

heading12

13

12

21

3

131/4

1/2

313

313

sonar

robot

feelforce

map

collide

forcerunaway

halt

wander

grabber

avoid

travel

robot

Level 2

Level 1

Level 0

motor-status

robot

motor

Figure 4 – Le robot Allen et son architecture de subsumption [3]

Weighted sum

MODE

MANAGER

weights commands

votes

AVOID

TIP-OVER

MAINTAIN

HEADINGFOLLOW

ROAD

SEEK

GOAL

AVOID

OBSTACLES

VEHICLE

CONTROLLER

DAMN

ARBITER

Figure 5 – Le modele d’organisation d’une architecture reactive arbitree [4]

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La sécurité en robotique

par Jean-Paul VAUTRINChef du service Électronique - Sécurité des Systèmesà l’Institut National de Recherche et de Sécurité (INRS)Membre des commissions de normalisation AFNOR/UNM et ISOsur la sécurité en robotique

avec la collaboration de Marc KNEPPERT

Technicien à l’INRS

et de Daniel PAGLIÉRO

Ingénieur à l’INRS

1. Généralités sur la robotique du point de vue de la sécurité ....... R 7 795 - 21.1 Rappels terminologiques et domaines d’investigation............................ — 21.2 Conséquences de la robotique sur l’hygiène et la sécurité ..................... — 3

1.2.1 Aspects positifs : la robotique comme moyen de promotionde la prévention des accidents du travail et des maladiesprofessionnelles................................................................................ — 3

1.2.2 Aspects négatifs : les dangers liés à la robotique.......................... — 31.3 Étude de quelques cas exemplaires d’accidents ...................................... — 5

1.3.1 Exemple d’un accident lié à une coactivité homme/automatisme — 51.3.2 Cas d’un accident lié à une intervention de maintenance............. — 51.3.3 Cas d’un accident intervenant durant une opération normale

de production.................................................................................... — 51.3.4 Cas d’un accident lié à une opération de dépistage de faute

(trouble shooting) ............................................................................. — 51.3.5 Conclusions à tirer des études de cas précédentes....................... — 5

1.4 Robotique mobile ........................................................................................ — 6

2. Démarche de prévention adaptée à la robotique ........................... — 72.1 Considérations générales de sécurité........................................................ — 72.2 Planification orientée sécurité .................................................................... — 72.3 Gamme des mesures de sécurité............................................................... — 8

2.3.1 Conception sûre................................................................................ — 92.3.2 Dispositifs de sécurité ...................................................................... — 102.3.3 Mesures organisationnelles de sécurité ......................................... — 112.3.4 Équipement de protection individuelle........................................... — 112.3.5 Formation à la sécurité/enseignement............................................ — 11

3. Point sur la normalisation ..................................................................... — 123.1 Normes, guides et publications.................................................................. — 123.2 Normalisation en robotique........................................................................ — 123.3 Grandeurs d’influence................................................................................. — 123.4 Fonctions de sécurité impliquées par la normalisation ........................... — 13

3.4.1 Limitation des mouvements ............................................................ — 133.4.2 Fonction d’arrêt d’urgence............................................................... — 133.4.3 Consignation ..................................................................................... — 143.4.4 Vitesse réduite et fonction validation.............................................. — 143.4.5 Fonctions verrouillages.................................................................... — 14

4. Conclusion ................................................................................................. — 14

Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. R 7 795

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e texte a pour objectif de donner des informations sur le délicat problèmede la sécurité du personnel amené à côtoyer des sites robotisés à

l’occasion de tâches diverses (apprentissage, réglage, surveillance, dépistagede fautes, etc.).

Les lignes directrices qui ont guidé la rédaction peuvent être résuméescomme suit :

— informations générales sur la sécurité en robotique : définitions,conséquences de la robotique sur la sécurité, familles typiques d’accidents ;

— démarche de prévention : concept général de sécurité, planificationorientée de sécurité ;

— aperçu sur les techniques de sécurité à mettre en œuvre : site ouvert ou sitefermé, fonctions de sécurité ;

— aperçu sur la normalisation en cours d’élaboration.

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1. Généralités sur la robotique du point de vue de la sécurité

1.1 Rappels terminologiqueset domaines d’investigation

Bien que le titre choisi « sécurité en robotique » ne doive pasprêter à confusion quant à l’objectif visé par l’auteur, il est tout demême nécessaire de préciser d’emblée le domaine d’applicationtraité.

■ Le terme « robotique » est ici utilisé dans son sens générique,désignant de fait l’automatisation de la production manufacturière. Lemot français productique s’applique parfaitement, il présentetoutefois l’inconvénient de ne pas avoir de traduction simple enanglais avec une racine identique dans les deux langues. En anglais,on utilise indifféremment les mots automation et robotics.

Cet article concerne donc les sites de production automatiséscomportant ou non des robots manipulateurs industriels qui sontune des familles les plus représentatives et médiatiques des moyensde production mais pas les seuls : un manipulateur à séquence fixe,une machine à commande numérique, un système d’actionneurscommandés par automates programmables sont également descomposants essentiels d’automatisation et, à ce titre, ils sont prisen compte dans cet article.

■ Le terme « sécurité » recouvre l’ensemble des moyens destinés àempêcher l’occurrence d’accidents du personnel amené à côtoyer lessystèmes automatisés. En d’autres termes, de tels systèmesprésentent des dangers caractérisés par une probabilité d’occurrencenon nulle et par une gravité élevée, pouvant conduire à des accidentsmortels.

Faisant siennes les remarques formulées par Jean-Claude Laprie[1] au sujet de la sûreté de fonctionnement et de ses attributsperceptifs (fiabilité et sécurité), l’auteur restreint son champd’investigation à celui formulé en figure 1.

Figure 1 – Sources d’occurrence du dangerpour le personnel

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Sur cette figure, on constate que les situations dangereusespeuvent avoir plusieurs causes :

— l’occurrence de défaillances catastrophiques conduisant à desdysfonctionnements des actionneurs (démarrage intempestif,accélération anormale, mouvement aberrant, etc.) ;

— l’arrêt du service conduisant à des interventions humainessur site telles que dépistage de fautes, entretien, maintenance ;

— la non-préservation de l’intégrité du service par fautesintentionnelles, voire par négligence, ayant conduit à modifier unprogramme ou, pire, à rendre inefficaces les dispositifs de protectiondu personnel.

1.2 Conséquences de la robotiquesur l’hygiène et la sécurité

1.2.1 Aspects positifs : la robotique comme moyende promotion de la prévention des accidentsdu travail et des maladies professionnelles

■ Prévention des risques mécaniques

Contrairement aux machines semi-automatiques, comme lespresses, qui nécessitent une présence humaine dans leur voisinage,les robots industriels, durant leur phase automatique, fonctionnenthors présence du personnel. Cette technique conduit donc à éloignerl’homme des machines et des produits traités, ce qui est en soi unfacteur de sécurité. Rappelons que, sur les presses à travailler lemétal à froid, l’accident est consécutif à la coïncidence entre ladescente de l’outil et l’entrée de la main de l’opérateur dans la zonede travail. Cette coïncidence est liée à des dysfonctionnements auniveau de la machine ou des protecteurs. La robotique et, de façongénérale, l’automatisation des moyens de production éliminentnaturellement les risques mécaniques durant les phases automa-tiques du robot. Cet éloignement de la zone de travail du robot n’estcependant pas systématique, et une présence humaine inopportuneest toujours à redouter.

■ Prévention des autres risques

Sur les machines traditionnelles, les facteurs d’accidents ou demaladies professionnelles peuvent être classés en cinq groupes :

— facteurs physiques (poussières, gaz, température de l’air,niveau de bruit et de vibration, radiations ionisantes dans la zonede travail, rayonnements électromagnétiques) ;

— facteurs chimiques (toxiques, irritants, sensibilisants, cancéro-gènes, mutagènes) ;

— facteurs biologiques dont l’action sur les personnes peutprovoquer des maladies (lubrifiants, huiles de coupe, produits pournettoyage et lavage de pièces...) ;

— facteurs physiologiques (surcharge statique, surchargedynamique : efforts lors d’opérations de manutention) ;

— facteurs psychologiques (ayant trait à la difficulté de suivre unprocessus ou de l’anticiper, par exemple).

Une robotisation adéquate devrait empêcher que ces facteurspuissent avoir une influence néfaste sur le personnel et risquentd’entraîner des accidents ou des maladies professionnelles.

1.2.2 Aspects négatifs : les dangers liés à la robotique

■ Représentation du concept usine

On empruntera à Guy Benchimol [2] sa représentation du conceptusine prenant en compte l’interaction de quatre systèmes, auxquelson ajoutera un cinquième, à savoir l’environnement physico-chimique (climatique, électrique, vibratoire, chimique...) :

— le système physique : production - manutention - stockage,incluant les automatismes et l’informatique industrielle nécessairesà son fonctionnement, de même que les équipements pour la

maintenance et la sécurité, le sous-système énergétique, le sous-système bâtiments ;

— le système humain : il englobe la totalité de l’effectif humain(permanent ou temporaire) intervenant sur le site de l’usine ;

— le système nerveux : c’est l’ensemble de l’organisation del’information et des circuits de décision de l’usine ; c’est le logicielde l’usine (les équipements correspondants sont inclus dans lesystème physique) ;

— le système flux de produits : c’est le flux physique de tous lescomposants entrant dans l’usine, qu’il s’agisse de matièrespremières, d’articles de conditionnement, de semi-finis, de pièces derechange, de fournitures pour les ordinateurs, etc.

En fonctionnement satisfaisant, il s’établit un équilibre acceptableentre ces systèmes, assurant du même coup continuité du serviceet sécurité. Dans ce schéma, l’homme effectue des interventions liéesentièrement ou partiellement au cycle opératoire ou bien relatives àdes opérations de maintenance, de réparation ou de changement deparamètres.

Par contre, en fonctionnement dit de « crise » dû à des causesdiverses (dysfonctionnements du système de commande, pertur-bations diverses dues à l’environnement, dysfonctionnementsmécaniques du système physique ou du système flux de produits,erreurs humaines...), le système humain est particulièrement exposéà subir des agressions dues soit au système physique, soit au systèmeflux de produits.

Les relations entre le système humain et les systèmes« accidentogènes » sont complexes ; elles dépendent du degréd’automation et bien sûr de l’application concernée. On peutrencontrer les trois situations suivantes (tableau 1) :

— coactivité homme-automatisme ;— supervision d’un mode automatique ;— interventions. (0)

■ Recensement des dangers

Les dangers recensés sont de cinq types :— le danger de collision de l’homme avec le robot : une personne

peut être blessée, lors du mouvement du robot, par une partie decelui-ci (le bras par exemple), par une pièce en cours de manipulationou par un outil solidaire du bras ;

— le danger de projection : une personne peut être atteinte parune pièce lâchée ou projetée par le robot ; elle peut être blessée lorsde la projection de métal fondu (fonderies) ;

— le danger de coincement : une personne peut être coincée etblessée à l’occasion de mouvements du robot entre le bras de cedernier et des obstacles fixes (protecteurs fixes, autres machines...) ;

Tableau 1 – Les familles de situationsoù l’homme est exposé à des dangers

Modes

Source de danger

Mauvaise conception

du sitede production

Neutralisation des

protections périphériques.

Intrusion

Mauvaise conception

des protections proximétriques

À coactivité homme-automatisme

X X

Supervisionen automatique X X

Interventions (apprentissage, entretien)

X X

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— les dangers traditionnels dus à la reprise en manuel : pourcertains équipements robotisés, il est prévu la possibilité d’une repriseen manuel à l’occasion de pannes du dispositif. Cette possibilité, bienqu’exceptionnelle, recrée les conditions d’insécurité primitives,inhérentes à l’ancien système. Les risques sont toutefois amplifiéspar le fait que le personnel exerçant la fonction de surveillance n’aplus forcément l’expérience passée. On se retrouve confronté à unesituation comparable à l’occupation d’un poste dangereux par unopérateur inexpérimenté ;

— les autres dangers (brûlures, rayonnements divers, coups d’arc,etc.) ; cette dernière catégorie concerne davantage l’applicationelle-même.

■ Rosace des dangers

Une bonne façon d’illustrer les dangers dans une applicationrobotique consiste à utiliser une représentation sous forme de rosace :cinq cercles concentriques permettent de définir une échelle de gravitédes dangers de 0 (gravité nulle ou insignifiante) à 4 (gravité maximale,avec risques d’accidents très graves et même mortels).

Six rayons, distribués tous les 30 degrés, sont chacun porteurd’un type de danger spécifique.

Cette représentation est illustrée ici pour deux types d’applications,l’une pour un robot muni d’équipements laser (figure 2), l’autre pourun robot de soudage point à point (figure 3).

Dans le cas du robot laser, le danger principal est dû au rayonne-ment laser. Par contre, pour le robot de soudage, la rosace met enavant les dangers inhérents à la collision et au coincement.

■ Autres considérations

— Le travail isolé : l’usine de demain sera certainement une usineoù il y aura de plus en plus de travailleurs isolés côtoyant dessystèmes dangereux. On parle de travailleur isolé quand il y aconjonction d’isolement d’une part et de situation à risque d’autrepart. Même si ce problème évolue de pair avec l’automatisation, iln’en est cependant pas une composante spécifique.

Les solutions sont de type organisationnel et technique(dispositifs d’alarme pour travailleurs isolés utilisant des capteurs deperte de verticalité ou/et de perte de mobilité).

— L’intensification du travail sur écran : l’automatisation fait deplus en plus appel à l’ordinateur intensifiant la nécessité d’uninterfaçage entre l’homme et le système à tous les niveaux dusystème (sous-système robot, sous-système machine, sous-systèmeordinateur...).

En fait, l’introduction des nouvelles techniques et technologieschange la nature de la fatigue subie par l’homme, cette dernièredevenant mentale et psychique. Comme énoncé par R. Troxler,l’aménagement organique du travail sur écrans et postes decommande ou, plus exactement, la présentation de l’informationrevêt une importance de plus en plus grande afin de minimiser leserreurs d’information et de signalisation, donc les dangers.

Outre ce problème d’erreurs, il faut également considérer la fatiguevisuelle. L’outil de l’automaticien devenant de plus en plus l’écrande visualisation, cet aspect ne doit pas être négligé [9].

Nota : R. Troxler (Suva Suisse), communication au colloque de l’AISS (AssociationInternationale de la Sécurité Sociale), mai 1988, Friedrichshafen.

Figure 2 – Rosace des dangers potentielspour un robot muni d’équipements laser

Figure 3 – Rosace des dangers potentielspour un robot de soudage point à point

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Sécurité des systèmesde la robotique médicale

par Jérémie GUIOCHETMaître de Conférences à l’Université deToulouse IIIMembre du groupeTSF (Tolérance aux Fautes et Sûreté de Fonctionnement Informatique)au LAAS-CNRS (Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes)

Gilles MOTETProfesseur à l’INSAT (Institut National des Sciences Appliquées deToulouse)Directeur Scientifique de la Fondation pour une Culture de Sécurité IndustrielleMembre de l’équipe Systèmes Embarqués Critiques au LESIA de l’INSAT

Bertrand TONDUProfesseur à l’INSAT (Institut National des Sciences Appliquées deToulouse)Responsable de l’équipe Systèmes Dynamiques au LESIA de l’INSAT

et Claude BARONMaître de Conférences à l’INSAT (Institut National des Sciences Appliquées deToulouse)Directrice-adjointe du LESIA de l’INSAT et membre de l’équipe Systèmes Embarqués

’utilisation de systèmes robotiques dans le domaine médical a été initiée il ya quelques années et pose le problème de la sécurité au sein d’un environ-

nement où l’homme est très présent. La complexité de tels systèmes et le trans-fert de responsabilités du chirurgien vers le robot conduisent les concepteurs àintégrer dans leurs études des exigences de sûreté de fonctionnement, et

1. Sécurité et robotique .............................................................................. SE 3 781 - 2

2. Effets non désirés : les dommages ..................................................... — 32.1 Dommage..................................................................................................... — 32.2 Notion de risque .......................................................................................... — 32.3 Sécurité......................................................................................................... — 4

3. Causes : les dangers ............................................................................... — 43.1 Phénomène dangereux et situation dangereuse ...................................... — 43.2 Événement dommageable.......................................................................... — 53.3 Accident et incident ..................................................................................... — 53.4 Exemple d’utilisation des notions liées au risque .................................... — 6

4. Moyens : la gestion du risque............................................................... — 64.1 Vue d’ensemble ........................................................................................... — 64.2 Intégration des facteurs humains dans la gestion du risque................... — 64.3 Analyse du risque........................................................................................ — 74.4 Évaluation du risque.................................................................................... — 94.5 Maîtrise des risques des systèmes de la robotique médicale ................. — 11

5. Assurance de la sécurité : la certification ........................................ — 155.1 Certification et risque .................................................................................. — 155.2 Classification des dispositifs médicaux..................................................... — 155.3 Processus de certification ........................................................................... — 16

6. Conclusion ................................................................................................. — 16

Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. SE 3 781

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notamment un de ses attributs essentiels : la sécurité. Bien que cette disciplinesoit largement étudiée dans des domaines à sécurité critique comme l’avioni-que, la spécificité de la robotique médicale nous amène à reconsidérer la notionde risque qui y est associée. En partant de l’effet indésiré, le dommage, onremonte aux causes en considérant les notions de danger, de risque et de sécu-rité. Cela nous conduit à l’identification des moyens possibles pour gérer le ris-que associé à l’utilisation de systèmes de la robotique médicale. Les notionsintroduites sont illustrées par notre expérience issue du développement d’unrobot télé-échographe.

1. Sécurité et robotique

§ La robotique industrielle, essentiellement dédiée à des processusmanufacturiers, a récemment utilisé la technologie de ses brasrobots pour des applications hors de l’usine. Cette « robotique deservice », et plus particulièrement sa composante de pointe, la robo-tique médicale [11] [61], a fortement modifié la problématique de lasécurité des systèmes robotiques.

Alors que les problèmes de sécurité des robots industriels rele-vaient essentiellement de défaillances des systèmes de protection(barrières, grillages, etc.), et que l’opérateur humain ne pénétraitl’espace de travail que pour des opérations de maintenance ou deprogrammation, la robotique de service nécessite de prendre encompte la proximité physique et l’étroite collaboration entrel’humain et le robot [33]. L’impérieuse exigence de maîtriser lasécurité est d’autant plus urgente que les fonctionnalités et l’auto-nomie des robots de service ne cessent d’augmenter.

§ Le robot médical Robodoc, commercialisé pour effectuer le rem-placement de la tête du fémur au niveau de la hanche [7] [57], réa-lise, à l’issue de la planification de l’opération, la découpe et lapréparation de la cavité fémorale en totale autonomie. Ainsi, la res-ponsabilité d’actions médicales est progressivement transférée dupraticien vers le robot.

Par ailleurs, on assiste aujourd’hui à l’apparition de systèmes detélé-médecine (médecine à distance) qui permettent la télé-opéra-tion du robot par le spécialiste se trouvant à une grande distancedu patient.

Il existe également des systèmes de téléopération sur site, pourlesquels l’acte du praticien est effectué par l’intermédiaire durobot, permettant au spécialiste de pratiquer des interventions plusrapides et plus précises. Dans ce cadre, le système da Vinci, illustréfigure 1, permet de réaliser une opération minimalement invasivegrâce à un système de télécommande des outils et d’une visuali-sation en trois dimensions des images filmées par un endoscope.

Nota : cette technique opératoire minimise l’accès anatomique par le biais de petitesincisions pour insérer un endoscope et des instruments chirurgicaux.

Le système AESOP [44] permet également de réaliser des opéra-tions minimalement invasives, mais en guidant les déplacementsd’un endoscope grâce à la voix du praticien.

De façon plus générale, plusieurs projets de recherche, sur lemodèle de l’arthroscopie, visent à améliorer les opérations de chi-rurgie en miniaturisant les outils et en faisant appel à un guidagepar endoscope. Des robots miniatures ou microrobots pourraientrépondre à cette demande et permettre alors des opérationsjusqu’ici impossibles, car trop dangereuses, comme des opérationscomplexes du cœur ou du cerveau.

Nota : l’arthroscopie est l’examen d’une cavité articulaire au moyen d’une caméraappelée endoscope permettant par la suite d’effectuer des opérations sans ouvrir commeen chirurgie.

§ Dans ce contexte, les utilisateurs (patients et médecins), maiségalement les personnes se trouvant dans leur environnement oules autorités acceptant leur mise sur le marché, peuvent s’interrogerà juste titre sur la confiance qui peut être accordée à de tels systè-mes. La sécurité, l’un des facteurs de cette confiance, a longtempsété considérée comme une propriété résultant de l’utilisation d’unensemble de techniques sans qu’il y ait de lien entre elles. Il existenéanmoins aujourd’hui une science de la sécurité, parfois appeléescience du danger, science du risque, ou plus récemment cindyni-que. Bien que de nombreux domaines s’appuient sur ces sciencespour analyser la sécurité des systèmes, la robotique médicale posede nouvelles problématiques liées à la sécurité. En effet, l’interac-tion très forte avec l’humain ainsi que l’hétérogénéité des discipli-nes couvertes lors de la conception (informatique, électronique,mécanique, facteur humain) amènent à redéfinir certains conceptset à explorer de nouvelles techniques de conception.

§ Ce dossier a pour but de proposer un cadre générique permet-tant de définir les problèmes relatifs à la sécurité des systèmes dela robotique médicale et également de présenter les principalestechniques d’analyse et de conception améliorant la sécurité detels systèmes. Il est illustré par notre expérience issue du dévelop-pement d’un robot télé-échographique (TER). Il fonde ses analysessur le concept d ’e ffe t non dés i ré qu’es t le dommage(paragraphe 2). À partir de cette notion, et de l’ensemble des nor-mes qui lui sont dédiées, les parties suivantes traitent des causesdes dommages (paragraphe 3) et des moyens que l’on peutemployer pour les traiter (paragraphe 4). Nous abordons ensuite lanotion d’assurance de la sécurité que l’on peut obtenir grâce à lacertification (paragraphe 5).

Figure 1 – Système chirurgical da Vinci (source : Intuitive Surgical, Inc

2006), reproduit avec autorisation

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______________________________________________________________________________________ SÉCURITÉ DES SYSTÈMES DE LA ROBOTIQUE MÉDICALE

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2. Effets non désirés :les dommages

Afin d’analyser le concept de sécurité inhérente aux robots médi-caux, il est fondamental de revenir aux notions de base et decomprendre le mécanisme d’apparition d’un accident. Pour toutsystème, les effets non désirés sont identifiés par la notion dedommage, ce qui permet par la suite de définir les concepts de ris-que et de sécurité.

2.1 Dommage

2.1.1 Définition

La notion de dommage est commune à de nombreux domaines.Elle est définie de la même façon dans le médical [37], en robo-tique et au sein des normes génériques comme la CEI 60300 [31].La norme cadre ISO Guide 51 [38] définit ainsi le dommage :

Il est intéressant de comparer cette définition avec celle de lasécurité fréquemment utilisée en robotique industrielle, définiecomme la prévention de dégâts sur l’humain, le robot et leséléments avec lesquels le robot interagit [16]. On retrouve deuxcomposantes de la notion de dommage :

— les personnes, qui peuvent être les patients, les spécialistesou les assistants, identifiés ici comme les humains ;

— les biens, correspondant aux dispositifs médicaux utilisés (lerobot lui-même, les outils, les appareils de mesures, etc.).

Cependant, la définition adoptée dans le domaine médical intro-duit une composante supplémentaire : l’environnement. Ceci estparticulièrement important car les tâches des robots médicauxpeuvent influer sur l’état de l’environnement : destruction, pollu-tion, contamination, etc. D’une manière générale, il est importantde spécifier quelles sont les « parties prenantes » d’un dommagepotentiel. Ce concept est présenté dans la norme générique sur lerisque, l’ISO Guide73 [40]. À titre d’exemple, le dommage peutconcerner l’intégrité des biens (Ariane 5), des personnes(Therac-25), de l’environnement, ou tout à la fois (Tchernobyl).

2.1.2 Gravité d’un dommage

Pour des systèmes robotiques médicaux, la notion de gravité(severity en anglais) est identique à celle de nombreux autresdomaines technologiques : elle évalue la nuisance des dommages.Cependant, les normes relatives aux dispositifs médicaux ne pres-crivent aucune échelle de graduation de ces nuisances, et laissentainsi le choix aux fabricants, à l’opposé d’autres domaines où lesniveaux sont prédéfinis (en pétrochimie ou en avionique parexemple).

La liste suivante donne un exemple de métrique sur la gravité desdommages sur les seuls humains : catastrophique (décès d’une ouplusieurs personnes), majeure (blessures ou maladies graves, infir-mité permanente), mineure (blessures ou maladies mineures,nécessitant un traitement médical), minime (légères blessuresrelevant des premiers soins), négligeable (incident n’exigeant aucuntraitement médical). Notons que, dans cette échelle de mesure, ledécès d’une personne est classé comme catastrophique, alors quedans d’autres domaines technologiques le niveau catastrophiqueest réservé à l’occurrence du décès de nombreuses personnes,comme pour les dommages d’origine naturelle (séismes, etc.).

Pour les dispositifs médicaux, il est évident que l’enjeu est lasanté d’un patient, et que son décès est donc catastrophique. Lanotion de gravité en fonction du nombre de morts est parconséquent un concept inexistant en médecine. Il existe malgrétout un exemple de dispositif médical, le Therac-25, ayant pro-voqué plusieurs décès (six) de 1985 à 1987 aux États-Unis, du faitd’une trop forte exposition aux rayons X [48].

2.1.3 Occurrence d’un dommage

En plus de la gravité, un dommage est qualifié par sa fréquenced’occurrence.

Cette norme évoque le fait qu’« une bonne description qualita-tive est préférable à une inexactitude quantitative ». Ce point devue a un aspect novateur par rapport aux prescriptions qui ont étéfaites lors des premières études de sécurité, notamment dans lenucléaire où les approximations successives rendaient les résultatsnumériques inexploitables.

L’estimation des probabilités est généralement obtenue selontrois approches : données historiques de situations comparables,techniques d’analyse ou de simulation, jugements d’experts ou debases de données appropriées. En robotique médicale, il n’existepas de données historiques exploitables. Cette absence peut cepen-dant être palliée en se référant à des données sur des dommagesliés aux contrôleurs de robots industriels (notamment auprèsd’organismes comme l’INRS en France, l’OSHA et la FDA aux USA,ou le HSE en Angleterre), ou causés par l’utilisation de logiciels dansle milieu médical, ou encore induits par l’utilisation de dispositifsmédicaux autres que des robots, etc.

Le choix des niveaux d’occurrence dépend des concepteurs. Àtitre d’exemple, la liste suivante présente des niveaux de probabi-lité d’occurrence, généralement utilisés pour une estimationqualitative : fréquente, probable, occasionnelle, rare, improbable,invraisemblable. Dans cette classification utilisée en robotiquemédicale [25] [43], fréquente indique une fréquence d’occurrencedu dommage plusieurs fois par an, mais il existe des études où lafréquence est exprimée en fonction d’une heure d’utilisation. Lavariabilité des échelles de mesure diminue généralement lors del’estimation du risque global pour l’utilisateur, et l’on retrouve lesmêmes niveaux de risque dans différentes études (aspect présentédans le paragraphe suivant).

2.2 Notion de risque

2.2.1 Définition

Afin de rendre compte de l’interaction entre la gravité et l’occur-rence d’un dommage, la notion de risque a été introduite. (0)

La notion de risque connaît des fluctuations dans sa définition etest parfois présentée comme la probabilité du danger (par opposi-tion avec la probabilité d’occurrence du dommage) combinée avecla gravité du dommage. C’est notamment le cas dans les versionsprécédentes des normes médicales sur le risque. Dans le domainemédical, c’est la notion de probabilité du dommage qui est

Dommage : blessure physique ou atteinte à la santé des per-sonnes, ou dégât causé aux biens ou à l’environnement.

Dans la norme médicale ISO 14971 [37], la probabilité d’undommage est exprimée en termes d’occurrence d’un dommagepar une mesure qualitative (fréquent, occasionnel, etc.).

La définition de la norme médicale ISO 14971 [37] est iden-tique à celle de la norme plus générique ISO Guide 51 [38] : lerisque est la combinaison de la probabilité d’un dommage et desa gravité.

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SÉCURITÉ DES SYSTÈMES DE LA ROBOTIQUE MÉDICALE _______________________________________________________________________________________

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aujourd’hui utilisée, sans préciser quels événements ont provoquéce dommage. Les circonstances de l’apparition du dommage asso-ciées à la notion de danger seront exposées ultérieurement auparagraphe 3.

Dans le domaine médical, la combinaison n’est pas un simpleproduit entre probabilité et gravité. En effet, il est possible den’attribuer qu’une faible pondération à la probabilité. La détermi-nation de la probabilité étant parfois impossible, difficile, ou nonvérifiable, un risque sera principalement évalué en fonction de lagravité du dommage potentiel. Cette problématique est dévelop-pée dans le paragraphe 4.3.3.

2.2.2 Mesure du risque

Pour quantifier le niveau du risque, les couples [probabilité, gra-vité] sont comparés. Sur la base des classifications de gravité etprobabilité d’occurrence présentées au paragraphe 2.1.2, letableau 1 estime le risque suivant quatre niveaux : H (risque fort),I (risque intermédiaire), F (risque faible), et T (risque négligeable).

2.2.3 Risque acceptable

La notion de risque est essentielle pour caractériser la confianceattribuée à un système. En effet, si l’on s’expose à des dommagesgraves, seule leur faible probabilité d’occurrence nous les fontaccepter. Nous établissons généralement cet arbitrage en fonctiondes autres risques que nous encourons par ailleurs. La notion derisque acceptable [38] est alors définie comme un risque acceptédans un contexte donné basé sur des valeurs courantes de notresociété.

Les valeurs courantes de notre société sont souvent fondées surdes données associées à des phénomènes naturels. Ainsi, onaccepte le risque de mourir en prenant l’avion si la probabilité dece décès par cette cause est identique voire inférieure à la proba-bilité de décès induit par un séisme ou une crise cardiaque (pourun corps sain). La définition précise par ailleurs que l’acceptabilitéest fonction du contexte. Ce contexte exprime en particulierl’apport escompté malgré le risque pris. Ainsi, une opération chi-rurgicale sans robot a une probabilité non négligeable de conduireà des dommages graves. Mais ces risques sont acceptés enconfrontant le bénéfice d’une guérison aux dommages causés parune évolution naturelle de la maladie sans traitement médical.

Le risque acceptable est, par conséquent, le résultat d’un équi-libre entre l’idéal de la sécurité absolue et des facteurs comme lebénéfice pour les patients, les règles et les conventions de lasociété concernée. En robotique médicale, le patient sera confrontéaux mêmes risques que pour une opération classique, ajoutés àceux induits par l’utilisation d’un robot. Mais il convient alors debien identifier les bénéfices que l’on retire de cette utilisation (gainde temps, moins de perte de sang, etc.). Nous reviendrons sur

cette notion dans la partie 4.4, où nous présenterons les moyenspour spécifier un risque acceptable.

2.3 Sécurité

Le concept de sécurité est devenu un des enjeux les plus impor-tants pour de nombreux domaines technologiques. Il est parfoisutilisé pour exprimer l’absence d’accident ou de perte. Cette défi-nition donne une dimension absolue à la sécurité. Or, le domainemédical prouve bien qu’il n’y a qu’une sécurité relative ; il existetoujours un risque résiduel. Par exemple, sur un nombre donnéd’opérations chirurgicales, il est établi qu’il existe un certain nom-bre de rejets, d’infections, ou d’autres complications allant parfoisjusqu’au décès du patient. Au regard des bienfaits pour la majoritédes patients, la société permet de prendre ce risque. Dans cecontexte, le terme sécurité est employé dans le domaine médicalpour exprimer un niveau de sécurité atteint en réduisant le risqueà un niveau acceptable. La définition de la norme [38] illustre biencette relativité : la sécurité est l’absence de risque inacceptable.

La sécurité, dans cette optique, est donc un concept lié à uneconnaissance du niveau de risque accepté. Ainsi, pour beaucoupd’opérations chirurgicales, la gravité et la probabilité desdommages possibles (donc le risque) sont des informations que lepraticien transmet aux patients. Ce dernier accepte alors ou non leniveau de risque induit par l’intervention médicale. La décharge quesignent alors les patients (même aujourd’hui pour une simple écho-graphie), permet de protéger juridiquement les praticiens en casd’apparition du dommage. Il est donc évident que, pour une inter-vention avec un robot, une telle décharge doit comporter les mêmesinformations que pour une opération classique, augmentée desnouveaux risques induits par l’utilisation du robot.

3. Causes : les dangers

3.1 Phénomène dangereuxet situation dangereuse

§ Historiquement, le danger a été défini de différentes manières.Dans la méthode analytique MORT (Management Oversight andRiskTree présentée par [41]), un danger est principalement caracté-risé par un transfert d’énergie. De manière similaire, en robotiqueindustrielle, le danger se rapportait à une accumulation d’énergieaboutissant à un accident. Le danger a aussi été défini comme unepropriété inhérente d’un objet, d’une substance ou d’un sous-sys-tème qui a la capacité de provoquer un dommage. Dans le domainemédical, il est évident que les dangers ne se réduisent pas à un

Tableau 1 – Estimation du risque

Fréquenced’occurrence

Fréquenceindicative

(par année)

Gravité du dommage

1Catastrophique

2Majeure

3Mineure

4Minime

5Négligeable

Fréquente > 1 H H H H I

Probable de 1 à 10–1 H H H I I

Occasionnelle de 10– 1 à 10– 2 H H I I F

Rare de 10– 2 à 10– 4 H I I F T

Improbable de 10– 4 à 10– 6 I I F T T

Invraisembable < 10– 6 I F T T T

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Vision pour la robotique

par Guillaume CARONMaıtre de conferences a l’universite de Picardie Jules Verne, Amiens

et El Mustapha MOUADDIBProfesseur a l’universite de Picardie Jules Verne, AmiensLaboratoire MIS (modelisation, information et systemes), universite de Picardie JulesVerne, Amiens

1. Systemes de vision : generalites ................................................. S 7 797 – 21.1 Definitions, composants et caracteristiques ..................................... — 21.2 Typologie ............................................................................................ — 6

2. Geometrie ......................................................................................... — 92.1 Modelisation d’un systeme de vision monoculaire .......................... — 92.2 Etalonnage.......................................................................................... — 112.3 Vision stereoscopique ........................................................................ — 13

3. Extraction de primitives ................................................................ — 14

4. Applications ..................................................................................... — 154.1 Position relative camera-objet ........................................................... — 154.2 Localisation externe de robot mobile ................................................ — 164.3 Auto-localisation de robot mobile ..................................................... — 174.4 Autres applications du calcul de pose base vision en robotique ..... — 19

5. Conclusion........................................................................................ — 19

Pour en savoir plus.................................................................................. Doc. S 7 797

La vision par ordinateur est la science de l’extraction d’informations d’ima-ges provenant d’une camera, allant de points dans l’image a la reconstruc-

tion tridimensionnelle de la scene observee. La richesse des informationsapportees par une camera en fait un capteur de choix pour les applications derobotique autonome.

Cependant, contrairement a d’autres capteurs dont la mesure donne, parexemple, directement une distance, l’image, quant a elle, doit etre traitee. Cetraitement se concoit pour realiser des mesures geometriques utiles pourl’application. Ces mesures geometriques dans l’image conduisant a des mesu-res dans l’espaces sont au cœur de la vision par ordinateur. Les methodes repo-sent sur un socle commun mais se declinent differemment suivant le type decamera employe, conventionnel ou non.

L’objectif de l’article est de faire un tour d’horizon des cameras mono, bi ettridimensionnelles et de presenter comment les images de ces cameras sontgeometriquement modelisees et traitees dans le cadre d’applications de robo-tique. Les elements classiques des cameras sont d’abord rappeles pour mieuxexpliquer le caractere non conventionnel d’autres cameras de typologie diffe-rente, a fort potentiel en robotique. Ensuite, la geometrie d’une partie de cescameras est expliquee et formalisee avant d’aborder la notion de primitivevisuelle via l’extraction et la mise en correspondance de points d’interet. Lescameras, leur geometrie et les primitives visuelles sont ensuite appliquees a larobotique, avec une large mise en avant des cameras non-conventionnelles etde la robotique mobile.

L’article, meme s’il mentionne quelques outils classiques de vision indus-trielle, parfois associee a la robotique, se place plutot a la pointe des technolo-gies de vision pour la robotique en plein essor. En effet, la vision tridimension-nelle ou panoramique et la robotique mobile representent les deux grands axes

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d’innovation du secteur. La robotique mobile est clairement au cœur de l’inno-vation technologique via les robots compagnons, les robots d’aide a la per-sonne ou encore les systemes robotiques de transport.

L’industrie est bien entendu le secteur traditionnel dans lequel la vision et larobotique se retrouvent car l’environnement peut etre maıtrise. Mais les robotsont aussi montre leur potentiel dans des utilisations terrestres, aeriennes, mari-nes, sous-marines, et sont maintenant exploites dans les vastes domaines quesont la securite, le secourisme, l’assistance a la personne ou l’exploration.

Meme si cet article se focalise sur les techniques innovantes de vision pour larobotique, il est construit de maniere a les comprendre et commence donc parla decouverte de la camera classique. Au travers d’exemples, le lecteur estamene a apprehender entierement plusieurs techniques qui peuvent clairementetre detournees vers d’autres champs d’applications.

L’importante quantite de methodes et d’applications de la vision pour la robo-tique industrielle et mobile empeche une presentation exhaustive du domaine,tant technique que methodologique. Les quelques references fournies pourrontconduire le lecteur vers des documents plus precis sur certains aspects ou versdes sujets connexes.

1. Systemes de vision :generalites

L’expression « vision naturelle » designe le processus de percep-tion par l’organe de la vue. Ce processus est en fait compose a lafois de la vue et de la perception. La vue decrit le chemin suivi parla lumiere, element essentiel en vision, de la scene jusqu’a l’œil. Laperception decrit la maniere dont la lumiere est convertie en signalelectrique puis transmise par le nerf optique au systeme nerveuxqui le traite pour l’interpreter.

On retrouve tous ces elements en vision artificielle, qui realisefinalement un mimetisme saisissant de la vision naturelle, avecdes caracteristiques differentes cependant. En vision artificielle, lacamera remplace l’œil, la transmission se realise via diverses tech-nologies avec ou sans fil et, enfin, le traitement et l’interpretationsont realises par une unite de calcul informatique. Ce qui nechange pas dans le passage de la vision naturelle a la vision artifi-cielle, du moins dans une approche intuitive, c’est le chemin quesuit la lumiere, de sa source jusqu’a son entree dans la camera,que l’on peut diviser en trois etapes :

– emission de lumiere a partir d’une source ;– interaction de la lumiere avec l’environnement ;– reflexion de la lumiere dans l’environnement.

La suite de ce paragraphe presente successivement les compo-sants et les caracteristiques des cameras puis la typologie des sys-temes de vision.

1.1 Definitions, composantset caracteristiques

En tout point de l’environnement transite un ensemble de rayonslumineux de differentes longueurs d’ondes. De plus, cet ensemblevarie au cours du temps. Le role de la camera est d’en capter unsous-ensemble a un instant afin de former une image de l’environ-nement duquel ces rayons lumineux proviennent. Ces notions serontaffinees par la suite, une fois confrontees aux contraintes techni-ques, mais il apparaıt deja que la taille ou le volume du sous-ensemble de rayons lumineux captes, la sensibilite de la camera acertaines longueurs d’ondes ou encore sa capacite a faire cette cap-ture instantanement, forment une partie des parametres la caracteri-sant. La geometrie et les elements constituant une camera decritsdans ce qui suit precisent et expliquent ces parametres.

1.1.1 Origine et constitution de base

Une des premieres schematisations de camera fut la « cameraobscura » ou « chambre noire » qui est en fait une boıte complete-ment fermee, sauf au centre d’une de ses faces ou un trou appele« stenope » est perce. Le schema de la figure 1 illustre le trajet derayons lumineux provenant de la scene et passant par le stenopepour se projeter sur le fond de chambre ou l’image se forme. Lefond de chambre est plan et est appele « plan image ». Cette sche-matisation de la projection de rayons lumineux en une image est lefruit de reflexions menees depuis l’antiquite grecque.

Le modele stenope represente bien le phenomene de projectionde l’environnement en une image en introduisant deja deux parame-tres essentiels : la longueur focale et l’ouverture de la camera. Ces

Glossaire

Centre optique Point de convergence des rayons lumineux dans une camera

Champ de vue Le champ de vue est reduit quand la focale est longue et devient grand quand la focale est courte

Longueur focale Distance entre le centre optique et le plan image de la camera

Plan imageFond de la camera sur lequel les rayons lumineux provenant de la scene observee par la camera se projettentformant ainsi une image a deux dimensions spatiales

Profondeur de champ Intervalle de profondeurs de la scene nettes dans l’image

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parametres sont toujours cruciaux aujourd’hui et specifient l’un desdeux elements principaux constituant une camera (figure 2a) :l’objectif (figure 2c). L’autre element est le boıtier (figure 2b) formantla chambre noire dont le fond est equipe d’un capteur photosensibleconvertissant l’intensite lumineuse en signal electrique. Ces deuxelements sont detailles dans les parties suivantes.

1.1.2 Objectif

1.1.2.1 Longueur focale

La longueur focale caracterise la distance qui separe le stenopedu fond de chambre et definit directement le champ de vue de la

camera. Une courte longueur focale engendre un grand champ devue et inversement (figure 3).

1.1.2.2 Ouverture

L’ouverture de la camera caracterise la taille du stenope. Pour lacamera stenope parfaite, l’ouverture est infiniment petite, de tellesorte que le stenope ne forme qu’un point de l’espace, appele « cen-tre optique ». Cela a pour effet concret d’obtenir une image qui enun point n’a recu qu’un seul rayon lumineux. Par consequent, celasimplifie considerablement la geometrie de la formation d’uneimage comme etant un ensemble de points obtenus par l’intersec-tion des droites formees par les points de l’environnement et lecentre optique avec le plan image. Mais en pratique, une ouvertureinfiniment petite du stenope implique aussi l’entree dans la camerad’une quantite de lumiere tellement limitee que l’image n’existeratout simplement pas. Pour que l’image puisse exister, il faut doncse resoudre a augmenter l’ouverture de la camera afin qu’unequantite suffisante de lumiere y entre. Mais cela a pour effet demettre en avant l’inconvenient du stenope qui, des qu’il n’est plusun point, laisse passer de nombreux rayons lumineux en prove-nance d’un unique point de l’environnement. Ce dernier ne devientalors plus un unique point sur le plan image mais une tache, dontla taille varie en fonction de l’ouverture de la camera. En effet,l’ouverture de la camera est circulaire et la figure geometrique for-mee par le point de l’environnement et le stenope n’est plus une

Sténopé

Plan image

Focale

Figure 1 – Premiere schematisation d’une camera – La chambre noireavec un trou etroit : le stenope

ba cUne caméra industrielle

compacte (IDS uEye).

Le boîtier de la caméra qui contient

le capteur photosensible.

L’objectif de la caméra.

Figure 2 – Exemple de camera

Deux objectifs, à deux longueurs focales différentes, utilisés successivement avec le même boîtier donnent deux images aux

champs de vue différents. Le champ de vue est réduit quand la focale est longue (image de gauche) et devient grand quand la focale

est courte (image de droite, dans laquelle le rectangle montre le champ de vue commun entre les deux images).

Figure 3 – Photographies prises par deux objectifs a deux longueurs focales avec le meme boıtier

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droite, mais un cone oblique, et son intersection avec le plan imageforme une ellipse pleine. Cet inconvenient est verifie pour tous lespoints de l’environnement inclus dans le champ de vue de lacamera dont les taches sur le plan image se chevauchent (figure 4a)et, concretement, l’accumulation de ces taches engendre uneimage floue (figure 4b).

Une camera stenope reelle semble donc capable de produire uneimage si le stenope est suffisamment ouvert. Mais cette image estdifficilement exploitable pour la visualisation et encore plus pour lamesure geometrique, car trop floue. C’est pourquoi l’objectif d’unecamera est compose de lentilles.

1.1.2.3 Lentilles

Afin de compenser le probleme introduit par la necessaire ouver-ture suffisante du stenope, on utilise une lentille. Son axe est alignesur le centre du plan image de maniere a y etre orthogonal. Cet axes’appelle « l’axe optique de la camera ».

Une lentille peut avoir un effet divergent ou convergent. La len-tille convergente permet de concentrer un large champ de lalumiere emise par un point de l’environnement en un point sur leplan image (figure 5).

Mais cette caracteristique n’est valide que pour les points del’environnement se situant sur un plan, le plan de mise au point,ou plan focal, parallele au plan image, a une distance particulierede la camera. Cette distance depend de la forme de la lentille etde la distance la separant du plan image, c’est-a-dire la longueurfocale. Tous les points de l’environnement se situant sur le plande mise au point se projettent en un point sur le plan image ettous les autres points se projettent en une tache dont la tailledepend de l’eloignement du point de l’environnement par rapportau plan de mise au point. Par consequent, les zones de l’environne-ment appartenant au plan de mise au point seront nettes dansl’image alors que les autres seront floues (figure 6b).

Neanmoins, pour faire de la mesure et pour conserver aussi unerepresentation simple de la projection realisee par une camera, onprefere avoir une image nette, quelles que soient les profondeursobservees dans l’environnement, ou du moins, pour une plage deprofondeurs plus importante qu’un plan unique. Cette plage de pro-fondeurs qui se projette nette dans l’image s’appelle la « profondeurde champ » et est un autre reglage important de l’objectif de lacamera. Techniquement, pour le mettre en œuvre, un diaphragmeest installe dans l’objectif entre la lentille et le plan image. Le dia-phragme permet de regler l’ouverture de la camera. S’il est grandouvert, c’est comme s’il n’existait pas, alors la profondeur dechamp se limitera au plan de mise au point ou a un intervalle de pro-fondeurs tres limite (figure 6a, en haut). Inversement, plus le dia-phragme est ferme, plus la profondeur de champ augmente. Celaest optiquement du au fait qu’un diaphragme presque ferme coupeune partie des rayons lumineux qui le traverseraient s’il etait plus

ouvert (figure 6a, en bas). Ainsi, la ou un point de l’environnement,n’appartenant pas au plan de mise au point, se projette en une tachesur le plan image, quand le diaphragme est grand ouvert, la plupartdes rayons lumineux qu’il emet sont coupes par le diaphragmequand l’ouverture de celui-ci est reduite, jusqu’a, eventuellement,ne plus laisser passer qu’un rayon lumineux et ainsi obtenir unique-ment un point et non plus une tache sur le plan image, autrementdit, une image nette de tout l’environnement (figure 6c). Dans cetteconfiguration, les rayons lumineux atteignant le plan image se cou-pent tous au centre optique de la camera.

Neanmoins, reduire l’ouverture du diaphragme limite la quantitede lumiere entrant dans la camera, engendrant une image poten-tiellement plus sombre. Parametrer le temps d’exposition du cap-teur photosensible judicieusement permet de compenser ce pro-bleme et d’obtenir une image nette et claire. Mais cela se faitparfois au detriment de la nettete de zones de l’environnement enmouvement dans le champ de vue de la camera.

L’avantage de l’introduction d’une lentille dans l’objectif peut etrecontrebalance par un ensemble d’inconvenients si elle souffred’aberrations.

Plan image

SténopéFocale

ba Illustration géométrique de la projection de deux points

de la scène en taches superposées sur le plan image.

Image floue obtenue quand l’ouverture

est trop importante (le flou ne correspond

pas à une véritable image sténopé, qui,

avec une ouverture suffisante, serait

quasiment illisible) à comparer avec les

images de la figure 6.

Figure 4 – Il faut ouvrir suffisamment le stenope pour faire entrer la lumiere mais cela engendre du flou dans l’image

Plan

image

Sténopé

Lentille

Focale

En haut, le sténopé ouvert fait qu’un point de l’environnement se projette

en une tache sur le plan image. En bas, l’utilisation d’une lentille permet

d’avoir l’équivalent d’un sténopé grand ouvert, laissant donc entrer

beaucoup de lumière, qui projette un point de l’environnement en un

point sur le plan image.

Figure 5 – Difference entre stenope et lentille

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1.1.2.4 Aberrations des lentilles

Elles peuvent etre d’ordre geometrique ou chromatique. Au rangdes aberrations geometriques, on retrouve les aberrations spheri-ques, les aberrations de coma, l’astigmatisme ou encore les distor-sions. Les plus communes sont les distorsions radiales. Il est aisede les observer en s’interessant aux droites de l’environnement(figure 7a) ou d’une mire plane en grille car ces droites, qui se pro-jettent en droites sur le plan image d’une camera parfaite, se pro-jettent en courbes en presence de distorsions. Suivant le sens de ladistorsion radiale, on parle de distorsion en barillet ou en croissant.Ces noms viennent de la forme que prend une grille reguliere(figure 7b) projetee sur le plan image (figure 7c et d). Ces deuxtypes de distorsions radiales peuvent parfois se combiner pourengendrer une distorsion en moustache (figure 7e).

Les objectifs de camera presentent aussi des distorsions tangen-tielles. Dans une camera parfaite, les lentilles sont alignees, leursaxes sont confondus et sont orthogonaux au plan image. Les dis-torsions tangentielles sont dues a un alignement imparfait des dif-ferentes lentilles de l’objectif entre elles et donc par rapport a l’axeoptique de la camera. On les observe en realisant l’image d’unemire en etoile composee de droites (figure 8a), dont l’uniquepoint d’intersection est aligne au centre de l’image. La deformationinduite par ces distorsions se fait selon la tangente a un rayon par-tant du centre de l’image et d’amplitude variable selon la positiondans l’image (figure 8b).

En pratique, les distorsions radiales, quoique toujours presentes,sont limitees lors de l’utilisation d’un objectif de camera a focalemoyenne, mais vont en s’amplifiant en barillet a mesure que lafocale diminue (grand angle) ou en croissant a mesure que lafocale augmente (teleobjectif). Ces distorsions peuvent etre mode-lisees et corrigees.

b

b

b

a

ac

c

Focale

Plan

image

LentilleProfondeur

mise au point

Projection d’un point de l’environnement à une profondeur non mise au point, quand le diaphragme est

grand ouvert (en haut) et quand le diaphragme est plus fermé (en bas).

Photo où la mise au point est faite à l’arrière plan et les autres parties de l’environnement à d’autres

profondeurs sont floues dans l’image (environ 10 m entre le robot et le fond du couloir), ce qui dénote une

faible profondeur de champ.

L’image obtenue à partir de la même position et avec la même caméra qu’en , mais en fermant plus

le diaphragme : toute l’image est nette.

Figure 6 – La profondeur de champ

ba dc eImage d’une règle, rectiligne

dans l’espace, devenant une

courbe dans l’image.

Image schématique

d’une grille

sans distorsions.

Distorsions

en barillet.

Distorsions

en croissant.

Distorsions en moustache

(combinaison de barillet

et de croissant).

Figure 7 – Les distorsions radiales

ba Mire de droites en étoile. Image de cette mire en présence

de distorsions tangentielles.

Figure 8 – Les distorsions tangentielles

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Étalonnage des robots industriels

par Jean-François QUINETEx directeur général adjoint, Krypton FranceConseiller EGEE (Entente des générations pour l’emploi et l’entreprise)

et Patrick MAURINEMaître de conférencesDépartement de génie mécanique et automatiqueInstitut national des sciences appliquées (INSA) de Rennes

a robotique industrielle a pris son essor aux États-Unis en 1963 avec le robotUnimate de Unimation. Les premières applications consistaient en des

tâches de manutention dans des ateliers de mécanique automobile, puis destravaux de soudage par points dans les ateliers de montage et d’assemblagedes grands constructeurs automobiles. Toutes ces applications nécessitaientune main-d’œuvre importante et leur pénibilité était reconnue. Le soudage parpoints a donc été la première application de procédés à être robotisée. C’estaussi cette application qui a été motrice dans l’introduction de la programmationhors ligne (PHL) dans l’industrie.

La programmation du soudage par point a été réalisée uniquement parapprentissage pendant quinze ans. Dans ce mode de programmation, l’opé-rateur dispose d’un pupitre qui lui permet de déplacer manuellement le robotà partir de boutons poussoirs et de mémoriser la position du robot (à l’arrêt)sur des poses particulières. Au fil des ans, cette programmation s’est enrichie

1. Référentiels robotiques pour la programmationhors ligne et l’étalonnage...................................................................... S 7 733 - 2

2. Définition de l’étalonnage robotique industriel .............................. — 32.1 Définitions restrictives limitées au robot................................................... — 32.2 Définition élargie ou industrielle ................................................................ — 3

3. Robots dans l’industrie .......................................................................... — 33.1 Robots fréquemment utilisés ..................................................................... — 33.2 Autres structures ......................................................................................... — 3

4. Principaux objectifs de l’étalonnage.................................................. — 3

5. Méthodes d’étalonnage.......................................................................... — 45.1 Différentes méthodes et niveaux d’étalonnage ........................................ — 4

5.1.1 Niveau 1 : étalonnage des paramètres articulaires ......................... — 45.1.2 Niveau 2 : étalonnage des paramètres géométriques..................... — 45.1.3 Niveau 3 : étalonnage des paramètres non géométriques ............. — 4

5.2 Méthode d’étalonnage externe .................................................................. — 55.2.1 Principe................................................................................................ — 55.2.2 Phase de modélisation ....................................................................... — 55.2.3 Phase de mesure ................................................................................ — 75.2.4 Phase d’identification ......................................................................... — 85.2.5 Phases de compensation et de vérification...................................... — 11

6. Conclusion ................................................................................................. — 11

Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. S 7 733

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de fonctions diverses propres au robot ainsi que de fonctions propres auprocédé. Ces fonctions affinaient la programmation, facilitaient la tâche del’opérateur et permettaient d’améliorer la qualité du résultat final. Cependant,elles allongeaient le temps nécessaire à la programmation, mais le nombre derobots installés restant faible, les utilisateurs s’en contentaient. Au début desannées 1980, les lignes de montage et d’assemblage comptaient de plus enplus de robots et le temps nécessaire à leur démarrage et à leur mise au points’allongeait. Il fallait donc impérativement diminuer ces temps.

Deux possibilités s’offraient : la duplication (d’un robot à un autre) de pro-grammes existants et donnant satisfaction ou bien la création analytique deprogrammes (ancêtre de la PHL).

La duplication de programme pouvait s’effectuer de deux façons, soit à partird’un robot de l’installation, soit à partir d’une station dite école et située horsligne. La notion de programmation hors ligne était née.

Il a fallu pour cela revoir la conception des lignes d’assemblage car ellerendait la duplication de programmes quasiment impossible.

Cependant, pour être complet, signalons que les robots de peinture (parmiles pionniers de la robotique) ont utilisé un mode de programmationparticulier : l’apprentissage de la trajectoire du robot par l’opérateur via un gui-dage manuel à vitesse réelle. Les principaux défauts de cette programmationrésidaient dans la masse à manipuler (problèmes des inerties). La qualité et letemps de cycle requis n’étaient pas aisés à obtenir car les corrections de pro-grammes n’étaient pas possibles et obligeaient à créer un grand nombre deprogrammes pour ne retenir que le meilleur.

Une variante de cette programmation est apparue vers 1978 par la mise enœuvre d’une structure mécanique allégée de même modèle cinématiquethéorique que le robot. Cette structure s’appelait un syntaxeur (Renault plustard appela un tel système un « pantin »). On se trouvait alors dans le contexted’une programmation hors ligne, et les problèmes rencontrés préfiguraientceux qui allaient être spécifiques à ce mode de programmation.

La notion d’étalonnage de robot est alors apparue. Celle-ci a pour finalitéd’éliminer les erreurs des programmes générés par PHL qui sont dues à ladifférence existant entre les modèles cinématiques théoriques et les modèlesréels des robots installés.

Dans le même temps, le concept de cellule robotisée (aussi appelée îlot) s’estimposé et pour des raisons de sécurité, la présence humaine à l’intérieur decelle-ci a dû fortement se limiter. L’utilité de la PHL était renforcée. Dans cecontexte, la PHL ne peut être efficace que si la géométrie de l’ensemble desdifférents constituants de la cellule est connue. La notion d’étalonnage de robotdevient alors insuffisante et c’est la cellule dans son intégralité qui doit êtreétalonnée.

1. Référentiels robotiques pour la programmationhors ligne et l’étalonnage

À l’origine, les robots ne possédaient pas de référentiels liés àleur base et leur organe terminal mais une configuration articulaireinitiale dans l’espace. Ce principe de configuration initiale à partirde laquelle étaient générées les autres configurations du robotpour réaliser une trajectoire donnée était contraignant pour gérerle volume de travail disponible du robot ainsi que les évitementsd’obstacles.

Ces inconvénients ont été éliminés par l’adoption d’un systèmede coordonnées placé à la base du robot (qui deviendra le réfé-rentiel de la cellule) et de référentiels complémentaires placés surl’organe terminal, sur l’outil puis sur tous les éléments constitutifsde la cellule. Ces introductions de référentiels ont aussi permis auxconstructeurs de robots d’ajouter des fonctions de programmationsimples à utiliser telles que les symétries, les translations, lesdécalages dans l’espace, etc.

Ces fonctions ne peuvent être efficaces en termes de précisionque si le robot est correctement étalonné.

La PHL devient donc une réalité industrielle grâce à l’étalonnagedu robot mais surtout grâce à l’étalonnage de la cellule dans sonintégralité. Cela nous amène donc à parler non plus d’étalonnagede robots mais d’étalonnage robotique industriel.

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2. Définition de l’étalonnagerobotique industriel

Il n’existe pas de définition précise de l’étalonnage robotiqueindustriel. On trouve essentiellement des notions issues des pra-tiques de constructeurs ou d’utilisateurs de robots. Pour éviter touteconfusion, nous proposons des définitions auxquelles ensuite nousnous référerons avec en plus une notion industrielle récente derobot dit « à précision absolue » (il s’agit en fait d’un robot étalonnéd’origine).

Notons que le terme calibration est aussi fréquemment utilisé.Nous ne l’utiliserons pas ici et nous recommandons d’en éviterl’usage pour privilégier le substantif étalonnage et le verbe étalon-ner. Rappelons que la calibration est l’action de mettre au calibre,le calibre étant le diamètre intérieur d’un cylindre creux et, parextension, un instrument servant d’étalon pour le contrôle des fabri-cations mécaniques. L’étalon est une grandeur type et l’étalonnageest la détermination de la relation existant entre les indications d’unappareil de mesure et les valeurs de la grandeur à mesurer.

2.1 Définitions restrictiveslimitées au robot

Nous proposons trois définitions restrictives. Les deux premièresdécoulent d’habitudes déjà prises et fortement ancrées au niveauindustriel. La troisième est plus récente et ses applications indus-trielles ne sont pas systématiques à l’heure actuelle.

Nous expliquerons dans les paragraphes qui suivent la signi-fication de ces définitions et ce qui les différencie.

2.2 Définition élargie ou industrielle

La définition dite « élargie » intègre donc les outils embarquésainsi que l’environnement du robot. Dans ce cas, en plus de l’éta-lonnage du robot proprement dit (deuxième et troisième défi-nitions restrictives), on détermine la relation vraie (mesurée) entreles référentiels de chaque élément constituant la cellule robotisée.

Pour que l’étalonnage robotique industriel soit possible etefficace, il faut que chaque élément constitutif de la cellule possèdeson référentiel propre et que ces référentiels soient reliés entreeux.

3. Robots dans l’industrieDifférentes structures ont été employées et se sont concur-

rencées depuis l’apparition des premiers robots industriels.Chaque constructeur en fonction de son métier de base, de seshabitudes ou de ses convictions défendait sa structure.

3.1 Robots fréquemment utilisés

Actuellement, les robots les plus fréquemment rencontrés sontdes structures polyarticulées anthropomorphes ou des structuresde type SCARA (selective-compliance-assembly-robot-arm ).

La structure anthropomorphe est en général une structure séried’articulations rotoïdes (pivots), dont le nombre de degrés deliberté est de 6. Ces robots sont de toutes tailles et peuvent avoirdes volumes de travail importants. Ils manipulent des chargesvariant de quelques dizaines de grammes pour atteindre plusieurscentaines de kilogrammes. Dans l’industrie, c’est ce type de robotqui est le plus fréquemment étalonné.

Le nombre de degrés de liberté d’une structure SCARA est géné-ralement de 4 et parfois de 6. Elle est fréquemment formée d’unpremier axe de translation verticale sur lequel viennent s’articulerdeux autres axes de rotation verticale qui se prolongent par 1, 2 ou3 axes de rotation au niveau du poignet. Ces robots sont souventde petite taille ; ils peuvent avoir des capacités dynamiques éle-vées et ils sont utilisés pour des applications de manutention(assemblage) dans de petits volumes de travail pour des chargeslégères. De ce fait, ils ne sont que très rarement étalonnés.

3.2 Autres structures

La structure cartésienne (en général provenant de lamachine-outil) a longtemps résisté aux structures précédemmentdécrites. Elle était formée de 3 axes linéaires (axes de base) et de 2ou 3 axes rotatifs (axes poignets). Elle a aujourd’hui pratiquementdisparu (ce type de structure est cependant mis en œuvre enmétrologie de géométrie et porte le nom de robot de mesure).

Les structures mixtes sont utilisées pour le soudage de grandesstructures mécaniques ou de pièces de formes complexes. Le oules robots, souvent anthropomorphes, sont montés sur des axesde translation dont la course peut atteindre 20 m. Ces axes sontplacés au sol ou fixés au mur et ils sont parfois de type portique.Selon les cas de figure, le robot se positionne en un point d’arrêtde l’axe de translation et effectue son programme local, parfoisl’axe de translation est un axe asservi de même niveau que lesautres axes du robot. Ces configurations imposent souvent desétalonnages particuliers.

Enfin, citons les structures dites parallèles qui sont très récentes,certainement promises à un bel avenir bien que pour le momentpeu répandues dans l’industrie. Elles sont en évaluation dans dif-férents laboratoires (universitaires et privés) afin de déterminerleur potentiel à la fois en termes de performances pures et entypes de procédés. De nombreuses études sur leur étalonnagecomplexe sont en cours [1] [4] [10] [26].

4. Principaux objectifsde l’étalonnage

L’étalonnage s’impose dans plusieurs cas de figure. D’une façongénérale, il s’impose de par le mode choisi pour programmer lerobot ou de par le mode d’amélioration ou de modification de sesprogrammes de travail. Il peut aussi s’imposer pour des raisons de

■ Première définition restrictive : l’étalonnage d’un robotconsiste à déterminer, dans une position particulière du robot,les valeurs codeurs (décalages codeurs fréquemment appelésoffsets codeurs).

■ Deuxième définition restrictive : l’étalonnage d’un robotconsiste en la détermination des paramètres géométriques deséléments constituant l’architecture d’un robot.

■ Troisième définition restrictive : l’étalonnage d’un robotconsiste en la détermination des paramètres géométriques deséléments constituant son architecture ainsi qu’à la compensa-tion des effets non géométriques altérant sa précision.

L’étalonnage robotique industriel consiste à déterminer larelation métrologique existant entre les éléments constitutifsd’une cellule robotisée ainsi que la détermination des para-mètres géométriques et/ou non géométriques des élémentsconstituant la cellule.

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Robots industriels : concepts, définitions et classifications

par Philippe COIFFETMembre de l’Académie des technologies

ue de ce début du XXIe siècle, l’histoire des robots peut clairement serépartir en trois grandes phases. La première s’étend de l’Antiquité à la fin de

la Seconde Guerre mondiale, longue période durant laquelle le concept reste dudomaine des mythes et des idées. La seconde s’achève dans la décennie 1980-1990. Elle correspond à l’émergence de la robotique scientifique et à la maîtrisedes robots industriels à poste fixe. La troisième phase dont nous sommes lestémoins, très encouragée par l’extension extraordinaire de l’informatique, est à larecherche de la maîtrise du robot de service mobile, au comportement autonomeet à son insertion conviviale au sein de la société humaine.

Ce dossier s’intéresse aux concepts et définitions du robot ainsi qu’aux clas-sifications des robots industriels telles qu’arrêtées, mais toujours valides, dansla décennie 1980-1990. L’article suivant est dédié aux problématiques actuellesissues des notions de mobilité et d’autonomie qui n’étaient pas ou très peuconcernées par la robotique industrielle.

Avant même de classer, suivant certains critères ou certaines spécifications, unensemble d’objets complexes, il faut être capable de déterminer ce qui peut unirtous ces objets dans un même ensemble, et ce qui les sépare du reste du monde.Bien entendu, lorsque les distinctions s’affinent, la détection de frontières inatta-quables entre sous-groupes devient de plus en plus malaisée : il n’est pas rared’entendre qu’un animal attribué par des spécialistes à telle race ou à telle espèce,doit, en fait, être considéré comme appartenant à telle autre. Le phénomène estparticulièrement patent, par exemple, pour ce qui relève des animaux fossiles,disparus de nos jours.

1. Ambiguïtés du concept de robot ............................................................ S 7 700 – 21.2 Concept général .............................................................................................. – 21.3 Concept scientifique ....................................................................................... – 2

2. Ambiguïtés sur la définition du robot................................................... – 3

3. Problèmes de classification des robots................................................ – 43.1 Classification de la JIRA ................................................................................. – 43.2 Classification de la RIA ................................................................................... – 43.3 Classification de l’AFRI ................................................................................... – 53.4 Conclusion sur ces classements .................................................................... – 5

4. D’autres classifications possibles .......................................................... – 7

5. Une possibilité de classification générale ........................................... – 8

6. Champs d’application des robots industriels ..................................... – 8

7. Conclusion .................................................................................................... – 9

Pour en savoir plus .............................................................................................. Doc. S 7 700

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En ce qui concerne les robots, nous devons donc commencer par leur établirune « carte d’identité » qui amène à reconnaître certains objets comme ayant« le droit » de se nommer « robots ». Après quoi, il s’agira de découvrir les cri-tères permettant de les séparer en divers groupes ayant chacun leur unitépropre. Ces deux problèmes ne sont ni simples ni complètement résolus endépit de l’existence de certaines définitions normalisées et de certaines classifi-cations proposées par des spécialistes.

1. Ambiguïtés du conceptde robot

Étymologiquement, le mot « robot » tire sa racine du bulgarerobu qui signifie « serviteur » et qui a donné naissance, entreautres, au russe rabota qui signifie « travail » et au tchèque robotaqui se traduit par « travail forcé ». C’est justement l’écrivain tchè-que Karel Capek qui a popularisé le terme vers 1920, au traversd’une pièce de théâtre intitulée « Rossum’s Universal Robots » quia connu un certain succès, en particulier en France ; elle met enscène des petits êtres artificiels qui répondent au doigt et à l’œilaux ordres de leur maître. On se rend compte qu’au-delà de l’évo-cation théâtrale le thème du robot pose de nombreuses questionssur sa véritable nature, c’est-à-dire, d’un côté, son concept et, del’autre, l’incarnation matérielle de ce concept.

La définition des contours d’un concept ne coïncide pas forcémentavec la définition des objets réels qui satisfont le concept. C’estparticulièrement vrai pour les robots car, d’une part, le concept aplusieurs acceptions, d’autre part, aucun robot réel n’épuise l’unedes acceptions du concept ; enfin, les définitions et classificationscourantes ne s’adressent qu’à une partie des machines existantes enétant très influencées par ce que l’on nomme les « robotsindustriels ».

1.1 Concept général

Le concept le plus général de robot n’est pas très précis, car iln’hérite pas d’une approche scientifique, mais de traditions cultu-relles et religieuses remontant dans la nuit des temps. Il a été misen valeur depuis l’apparition du mot lui-même vers 1920 par unelittérature de fiction imposante et fortement relayée par les médiasaudiovisuels. Dans cette lignée, le robot apparaît comme uneentité créée (par des dieux, par des hommes, par des fous, des« esprits supérieurs », etc.) dont la caractéristique principale con-cerne au moins une égalité (la plupart du temps une supériorité)avec l’homme dans le domaine des propriétés du cerveau (au senslarge). Cependant, ce robot reste fortement aliéné dans son com-portement à la volonté de son créateur.

La transposition de ce concept à des travaux scientifiques con-duirait à faire porter les efforts sur la réalisation d’un véritablehomme artificiel, caractérisé principalement par la présence d’uneintelligence humaine incluant volonté et conscience.

Certaines recherches semblent aller dans ce sens et sont partieprenante du domaine de l’« intelligence artificielle » ou de la « vieartificielle ». Vis-à-vis de l’objectif précédent, rarement clairementaffiché par les spécialistes, les résultats sont pour l’instant peuencourageants.

Le concept général, bien médiatisé, a longtemps rendu confus leproblème scientifique du robot qui s’inscrit bien dans le conceptgénéral, mais comme un cas où l’accent n’est pas porté sur uneimitation des propriétés essentielles du cerveau humain.

1.2 Concept scientifique

Le concept scientifique du robot s’insère dans une probléma-tique spécifique : celle de l’assistance à l’homme par des machinespour l’exécution de travaux ou de tâches physiques. Cette assis-tance peut prendre deux grandes formes : ou bien il s’agit d’unoutil manipulé par l’homme pendant l’exécution de la tâche (onparle alors d’outil ou de machine de coopération), ou bien il s’agitd’une machine, qui, une fois en route, exécute le travail sansintervention humaine (on parle alors d’outil ou de machine desubstitution).

■ Dans cette optique, le robot est donc en premier lieu une machinephysique qui participe à l’automatisation de tâches physiques.

Cependant, cette description ne permet pas de distinguer lerobot de l’ensemble des machines dotées de certains automatis-mes et qui ont pour objectif l’exécution de tâches physiques. Detelles machines existent depuis fort longtemps, bien avant que lesscientifiques ne parlent de robots, et elles perdurent aujourd’huisans qu’on les qualifie de robots.

Le concept scientifique du robot doit donc être précisé, et il peutl’être par l’introduction de deux caractéristiques que, d’une part,on ne rencontre pas sur les machines en général, et qui, d’autrepart, engendreraient un comportement automatique de la machinequi ne serait pas sans évoquer (bien que de loin) le comportementmorphologique et psychomoteur d’un homme au travail.

• La première caractéristique spécifique est appelée « versatilité »ou « flexibilité ». Elle concerne la possibilité, pour une mêmemachine, d’exécuter des tâches différentes et/ou d’exécuter unemême tâche de plusieurs manières. Cette possibilité a une incidenceessentielle sur la structure mécanique de la machine, qui doit pou-voir faire des mouvements variés via un nombre suffisant de degrésde liberté ou de mobilité. Ce trait morphologique est le plus évidentlorsqu’on voit une machine et qu’on la nomme « robot ».

• La seconde caractéristique semble la plus importante et ellen’est pas pleinement maîtrisée. Elle correspond à une exécutiontotalement automatisée de la tâche, indépendamment d’une con-naissance « complète et à l’avance » de l’environnement dans lequella tâche est réalisée. Elle suppose donc que la machine puisseappréhender seule la situation de l’environnement, et établir lesconditions à respecter en permanence dans la mise en œuvre deson travail. Cette propriété d’autoadaptation aux conditions del’environnement est typiquement mise en évidence par l’hommelorsqu’il fait un travail physique. Sa transposition à la machine esttrès difficile, elle peut prendre des formes diverses et n’est pas obli-gatoirement une imitation de ce qui se passe chez l’homme.

Si l’on peut cerner le concept scientifique du robot par les troiscaractéristiques précédentes (machine physique exécutant destâches physiques ; versatilité ; autoadaptativité aux conditions del’environnement), l’usage scientifique pratique fait appeler« robots » des systèmes qui ne recouvrent pas ces trois propriétés.

Tout d’abord, il y a lieu de mettre à part, et nous n’y ferons plusallusion, à ce qu’on peut appeler les « robots logiciels ». Il s’agit

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_______________________________________________________________________ ROBOTS INDUSTRIELS : CONCEPTS, DÉFINITIONS ET CLASSIFICATIONS

uniquement de simulations (à l’aide, en général, d’informatiquegraphique) soit de robots réalistes, soit de groupes d’entités sim-ples qu’on dote de propriétés d’interactions mutuelles ou d’inte-ractions avec un environnement simulé. L’objectif est alors decomprendre l’émergence de phénomènes d’auto-organisation oude comportement apparemment intelligent, dans le but, beaucoupplus tard, d’être à même de faire coopérer des robots réels dansl’exécution de travaux.

Revenant aux systèmes physiques, toutes les machines appe-lées « robots » possèdent la première caractéristique ET, SOIT ladeuxième caractéristique, SOIT la troisième caractéristique SI elleatteint un niveau minimum de performances, SOIT la deuxième etla troisième caractéristique QUEL QUE SOIT le niveau de perfor-mance de cette dernière. Et ceci d’une manière indépendante dumoyen de commande (depuis la commande purement manuellejusqu’à la commande la plus automatisée).

Les trois catégories précédentes, assorties des deux grandstypes de commande (purement manuelle et automatique quelsque soient la qualification ou le degré d’automatisation), représen-tent l’ensemble des concepts scientifiques pratiques (conceptscientifique pratique global) qui permettent de doter une machinedu nom de « robot ». Mais il faut bien comprendre que tout lemonde n’appelle pas robot toute machine appartenant à l’unequelconque des trois catégories précédentes, assortie de l’une oul’autre des deux grands types de commande.

En effet, nous assistons à deux tendances dont les frontières sontparfois géographiques mais le plus souvent culturelles. Pour les uns,le robot est avant tout qualifié comme tel par sa deuxièmecaractéristique : la versatilité (qui conduit à certaines morphologies).Dans ces conditions, cette seule potentialité permet l’appellation« robot » tout à fait indépendamment de la commande. L’exemple leplus connu est celui du Japon, qui inclut dans la famille des robotsles manipulateurs manuels non motorisés qui sont de simples« bras » articulés passifs manœuvrés par un opérateur humain.

Pour les autres, le robot est avant tout qualifié comme tel par satroisième caractéristique d’autoadaptativité, qui sous-entend uneautomatisation par des moyens modernes ou avancés. Ainsi, onintroduira, dans la famille des robots, des machines spécialesmonotâches mais qui, par exemple, sont capables de contrôlerleurs interactions avec l’environnement (via des capteurs qui peu-vent être sophistiqués). Dans cette deuxième tendance, tout ce quiest « manuel » ne saurait être qualifié de « robotisé ».

Bien entendu, tout le monde s’accorde à nommer « robot » toutemachine montrant peu ou prou l’ensemble des trois caractéristi-ques évoquées. Sur la figure 1, nous avons tenté de schématiserl’ensemble des concepts de robot. L’examen de cette figure met enévidence une divergence de points de vue chez les praticiens de larobotique, qui, par ailleurs, se rallient tous au concept scientifique(mais non au concept scientifique pratique global). On peut doncprévoir que ceci donnera lieu à une première difficulté majeurelorsqu’on va vouloir classifier les robots.

2. Ambiguïtés sur la définition du robot

L’étude précédente du concept de robot nous indique que, souscertaines réserves, nous avons le droit de nommer « robots » desmachines faisant état des caractéristiques ou propriétés C1 C2 ouC1 C3 ou C1 C2 C3. Cela peut constituer une définition du concept,mais cette définition reste trop générale pour aborder une classifi-cation pratique des robots. Certains se sont donc essayés à trouverdes définitions du robot mettant en évidence des caractéristiquessupposées générales de sa structure et de ses potentialités, carac-téristiques plus proches de la construction d’un robot réel que ceque l’on peut déduire de la définition du concept. Cependant, il

faut noter que cette recherche de définition plus contrainte quecelle du concept n’exclut pas le risque de ne considérer commerobots que des sous-ensembles de ce que recouvre le conceptscientifique pratique global, puisqu’on va y préciser certainsmoyens mettant en évidence la versatilité et/ou l’autoadaptativitéen excluant d’autres moyens possibles.

En conséquence, plutôt qu’une définition générale du robot, onaura une définition de la manière dont les auteurs de cettedéfinition se représentent la construction d’un robot réel multi-usage (nous employons ce pléonasme pour montrer le niveau degénéralisation recherché au travers des définitions).

On trouve une définition du terme « robot » évidemment dansles dictionnaires ou encyclopédies, mais surtout dans les textesdes associations de robotique de divers pays, où des groupes deréflexion ont mené leur travail avec deux objectifs principaux : toutd’abord, la clarté et l’uniformité de vocabulaire afin que les spécia-listes ou les utilisateurs puissent être certains de parler des mêmeschoses dans leurs discussions, et ensuite, le souci d’aller vers despratiques de normalisation nationale et internationale, ce quioblige à être concret et précis.

■ Ainsi, le dictionnaire Le Robert propose comme définition :

« Mécanisme automatique pouvant se substituer à l’hommepour effectuer certaines opérations, et capable d’en modifier delui-même le cycle et d’exercer un certain choix (par la détectionphotoélectrique, des « cerveaux » électroniques, des servomo-teurs, etc.) »

■ La JIRA (Japan Industrial Robot Association), quant à elle, metplus l’accent sur la notion d’anthropomorphisme en donnantcomme définition (1980) :

« Dispositif versatile et flexible offrant des fonctions de déplace-ment similaires à celles des membres humains ou dont les

Figure 1 – Le concept de robot

Vers l'homme artificiel

Robots logiciels

Concept scientifique

Concept scientifiquepratique global

Concepts scientifiquespratiques particuliers

Concept général

C1 C2 A1 et C1 C3 A2 représentent la structure archétype des deux grandes lignées de robots. Ou bien on met l'accent sur la versatilité et on aura tendance à résoudre tous les problèmes de commande par la facilité, c'est-à-dire en conservant l'homme comme pilote ; on a alors les systèmes classiques de téléopération (ou robots de coopération) ; ou bien on met l'accent sur l'autoadaptabilité, c'est-à-dire la commande automatique sophistiquée mais ceci se fera au détriment de la versatilité, c'est-à-dire qu'on aura des robots (de substitution automatique) monotâches comme sont les systèmes classiques d'aujourd'hui. C1 C2 A2 et C1 C2 C3 constituent des améliorations souhaitées qui restent encore largement du domaine de la recherche

Cerveau

C1C2, C1C3, C1C2C3

accent sur C2 : C1 C2 A1, C1 C2 A2, C1 C2 C3

accent sur C3 : C1 C3 A2, C1 C3 A1, C1 C2 C3

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C1 machine physique pour tâches physiques

C2 versatilité

C3 autoadaptivité indépendamment de :

AA1 commande manuelle

A2 commandes automatiques

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Technologies des robots humanoïdes

par Olivier STASSEDirecteur de recherche au CNRSLaboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes, CNRS, Toulouse, France

l existe pour les robots humanoïdes deux grandes classes d’applications. Lapremière vise à construire des systèmes polyvalents et performants

capables d’agir dans des environnements humains. Éventuellement, ces robotsagiront comme des collaborateurs robotiques, aussi appelés « cobots ». Ladeuxième classe vise à valider des concepts de recherche sur des modèlesbiologiques et/ou cognitifs. La division entre ces deux classes n’est pas tou-jours aisée, l’une profitant généralement des avancées scientifiques outechniques réalisées dans l’autre. La différence est cependant flagrante lorsquel’on compare un robot comme Schaft conçu pour intervenir dans des environ-nements sinistrés, et le robot iCub conçu pour valider les modèles d’évolutionde la cognition chez les enfants. Dans cet article, des principes spécifiquesaux robots humanoïdes sont présentés pour la conception de la structuremécanique suivant le contexte applicatif. La deuxième partie introduit desconsidérations liées au choix de la structure informatique permettant lecontrôle du robot et l’implémentation d’applications distribuées complexesvisant la réalisation de comportements évolués. La troisième partie explore lesactionneurs utilisés classiquement et ceux qui ont vu le jour dernièrement enrobotique humanoïde suite à diverses avancées techniques. Enfin, un tableaude synthèse récapitule les caractéristiques des principaux robots humanoïdes.

1. Structure mécanique............................................................................ S 7 752 - 21.1 Principes de conception généraux .......................................................... — 21.2 Squelette du robot .................................................................................... — 31.3 Préhenseurs............................................................................................... — 31.4 Mobilité...................................................................................................... — 41.5 Pieds........................................................................................................... — 41.6 Incidence des contraintes environnementales....................................... — 5

2. Structure informatique........................................................................ — 52.1 Informatique embarquée ......................................................................... — 52.2 Bus de communication............................................................................. — 52.3 Communication sans fil............................................................................ — 52.4 Middlewave ............................................................................................... — 5

3. Actionneurs ............................................................................................ — 63.1 Actionneurs utilisant des moteurs à courant continu............................ — 63.2 Actionneurs utilisant des moteurs sans balai ........................................ — 63.3 Actionneurs hydrauliques et pneumatiques .......................................... — 73.4 Actionneurs à câbles ................................................................................ — 83.5 Actionneurs à impédance variable.......................................................... — 8

4. Capteurs................................................................................................... — 104.1 Encodeurs.................................................................................................. — 104.2 Capteurs d’effort ....................................................................................... — 114.3 Capteurs de couple ................................................................................... — 114.4 Accéléromètres et gyromètres ................................................................ — 114.5 Peaux artificielles ...................................................................................... — 114.6 Vision ......................................................................................................... — 114.7 Audition ..................................................................................................... — 12

5. Conclusion .............................................................................................. — 12

Pour en savoir plus ........................................................................................ Doc. S 7 752

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TECHNOLOGIES DES ROBOTS HUMANOÏDES _____________________________________________________________________________________________

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1. Structure mécanique

1.1 Principes de conception généraux

Les robots humanoïdes sont des objets mécatroniquescomplexes. À ce titre, il est nécessaire de considérer dans sonensemble la structure mécanique, la structure informatique et lesalgorithmes que l’on souhaite utiliser pour l’application visée.L’encombrement, le poids et la puissance du robot ont égalementun impact sur sa structure. Reprenons les deux grandes catégoriesd’applications mentionnées dans l’introduction : la performance engénération de mouvements et la validation de modèles biolo-giques et/ou cognitifs. Le robot ATLAS de Boston Dynamics est unexemple de la première catégorie, tandis que le robotKenshiro [38] de l’université de Tokyo est un représentant de laseconde.

Lorsque le but est d’obtenir un robot ayant de bonnes perfor-mances en termes de vitesse de marche, l’expérience des robotsmarcheurs tels que les HRP de Kawada Industries ou le robotLOLA de l’université technologique de Munich montre qu’il est cru-cial du point de vue mécanique de prendre en compte les deuxaspects suivants [34] : la distribution des masses d’une part, lesrésonances mécaniques indésirables d’autre part. Le dernier pointnécessite de supprimer les sources de compliance soit au niveaudes segments, soit au niveau des articulations. On obtient alorsdes robots très rigides, mais sur lesquels le contrôle peut être detrès bonne qualité. Dans la deuxième catégorie de robots, l’inter-action homme-robot est une contrainte majeure dans la phase deconception, la précision du contrôle n’étant pas l’objectif principal.La sécurité nécessaire à une interaction avec un être humain estalors obtenue en introduisant des actionneurs à faible puissance etdes mécanismes souples dans les transmissions, comme ceuxdécrits plus en détail dans le paragraphe 3. Il existe desconceptions de robots qui tentent une synthèse de plusieurscontraintes avec des objectifs plus spécifiques. Par exemple, lerobot HRP-4 est comparativement très léger (39 kg) pour une taillede 1,50 m avec ses 34 degrés de liberté (ddl). Cela est le résultatd’une électronique de puissance de très faible encombrement etd’une structure à base de fibre de carbone. En contrepartie, les dif-férents segments du robot deviennent plus flexibles et les moteursde faible puissance limitent la charge portée par le robot.

1.1.1 Distribution de masses

Un exemple de relation entre le contrôle, l’informatique et laconception mécanique concerne l’équilibre. Pour les robotsmarcheurs évoluant sur des sols plats, le critère d’équilibre utiliséest le point au sol autour duquel il n’y a aucun moment angulaire.Ce point est appelé le « centre de pression ». Afin de maintenirl’équilibre d’un robot humanoïde évoluant sur un sol plan, il estnécessaire de trouver en temps réel une commande permettant demaintenir le centre de pression dans l’enveloppe convexe despoints de contact sur le sol. Pour résoudre le problème associé defaçon efficace, il est généralement supposé que le robot secomporte globalement comme une masse ponctuelle. Cette hypo-thèse est valide lorsque les membres du robot sont légers et quela distribution des masses est concentrée autour du bassin. Lecentre de masse est alors globalement fixe par rapport au bassin.Si cette hypothèse n’est pas vérifiée, alors le contrôle doit utiliserdes modèles beaucoup plus complexes et donc plus difficiles àrésoudre. Plus précisément, les contrôleurs devront considérer unmodèle à trois masses ponctuelles si le poids des jambes n’est pasnégligeable, et à cinq masses si les bras sont également troplourds. De tels modèles nécessitent des techniques de contrôlecomplexes difficiles à mettre en œuvre. L’équipe de l’universitétechnologique de Munich a dû effectuer une phase de conceptionsupplémentaire de son robot marcheur LOLA parce que la distribu-tion des masses n’avait pas été prise en compte initialement [34].

La distribution des masses dépend en grande partie des action-neurs. Pour limiter les effets inertiels, il est donc courant de rappro-cher l’actionneur vers l’axe du mouvement généré par le corps surlequel il est fixé. Afin de transmettre le mouvement à l’articulation,différents mécanismes sont utilisés : leviers, vis à bille, poulies aveccourroie d’entraînement. On retrouve des mécanismes de levier surle robot LOLA [34] et de vis à billes et poulies sur HRP-4 [28].

1.1.2 Interaction homme-robot

L’interaction homme-robot nécessite de pouvoir maîtriser les for-ces générées par le robot pour que ce dernier ne blesse pas l’êtrehumain. Cela peut se faire de manière active (via une boucle decontrôle) ou passive (mécaniquement). Les robots conçus avec desactionneurs commandés à l’aide de grands gains ne sont pas capa-bles d’estimer correctement les forces appliquées par un être humain(cf. § 1.3 pour plus de détails). Si la performance reste l’objectif pri-mordial, il faut alors intégrer en amont l’utilisation de capteurs sup-plémentaires (capteurs de force ou peau artificielle, cf. § 4) à hautefréquence, comme c’est le cas pour le bras LWR de Kuka. Une autreapproche consiste à utiliser des articulations réversibles à transmis-sions sans frottement, notamment celles utilisant des câbles. Finale-ment, une approche pragmatique et moins coûteuse consiste àutiliser des servomoteurs avec lesquels on peut baisser les gains, etainsi permettre à l’actionneur d’être compliant. Cette stratégie est parexemple utilisée par le robot Poppy (INRIA, Bordeaux) [32].

1.1.3 Résonance mécanique

La résonance mécanique se traduit par des vibrations de lastructure du robot liées à la déformation de ses corps (parexemple les jambes) ou à la dynamique passive de certains action-neurs. Cette passivité peut être voulue, par exemple pour desapplications dans lesquelles le robot doit interagir avec l’homme ;c’est le cas du robot Poppy [32]. Elle peut être également intégréedans les actionneurs à des fins de rejet de perturbations méca-niques comme pour le robot COMAN de l’IIT [51]. Elle peut êtrenon voulue, mais la conséquence de contraintes dimensionnellesde conception comme pour HRP-4 [22]. Dans tous les cas, il estvivement conseillé de faire une analyse fréquentielle du systèmequand cela est possible. L’équipe du robot LOLA [34] a notammentfait des analyses élément par élément pour détecter les faiblessesde certaines pièces comme la hanche ou le genou afin d’éviter desdéformations indésirables. On peut par exemple utiliser la théoriedes poutres sur le tibia et le fémur pour évaluer la déformation dela jambe soumise à des forces ou des couples importants. Pour lesrobots de grandes tailles, une mauvaise gestion de la dynamiquepassive peut conduire à des impacts importants pendant la phased’atterrissage [22].

Estimation de la déformation d’une jambe

Il est possible pour cela d’utiliser la théorie des poutres quipermet d’évaluer les déformations et les fréquences naturellesdu système. Un segment soumis à une charge suit la dyna-mique suivante :

avec E coefficient de Young du matériau,

I moment de la surface,

ρ densité du matériau,

A surface de la section,

u et x respectivement la déformation et la positionle long de l’axe statique.

∂∂

∂∂

+∂∂

=2

2

2

2

2

2xE

u

xA

tqI ρ

QPV

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1.2 Squelette du robot

La structure cinématique des robots humanoïdes s’est long-temps inspirée du système humain, plus précisément à partird’une étude de Saunders [45]. Pour cette raison, de nombreuxrobots humanoïdes ont la même structure illustrée sur la figure 1.Pour la jambe, il existe trois axes de rotation au niveau de lahanche (pour simuler une articulation sphérique), une seule articu-lation pour la flexion-extension du genou et deux articulations auniveau de la cheville (flexion-extension et pronosupination). Lemodèle de cette structure présente l’avantage d’avoir une solutionanalytique au problème inverse. Pour toutes ces raisons, on laretrouve dans de nombreux robots tels que la série des HRP,HUBO, ASIMO et REEM-C. Mais cet avantage a sa contrepartie. Eneffet, le manque de redondance du robot limite les performancesde la chaîne cinématique. Le simple ajout d’un orteil passif permetpar exemple d’augmenter la vitesse atteignable du robot [46]. Afinde limiter les singularités et les contraintes cinématiques, lesrécents robots humanoïdes comme Schaft et ATLAS ont un plusgrand nombre de segments. Par exemple, Schaft a un ddl supplé-mentaire sur ses jambes dans le plan sagittal. Plus généralement,dans le cadre du DARPA Robotics Challenge (DRC) [10],ROBOSIMIAN du JPL et CHIMP du CMU sont des robots de typesimiesque qui autorisent des modes de locomotion plus étendusque la simple bipédie. Schaft a également des bras hautementredondants qui permettent d’éviter les singularités et les limitescinématiques. D’une manière générale, si la dextérité est un objec-tif prioritaire, il est fortement conseillé d’utiliser un bras à 7 ddlpour éviter les singularités. Cela a cependant une incidence directesur le nombre de moteurs, donc sur la masse, la complexité del’électronique et la fragilité du bras.

1.3 Préhenseurs

Les préhenseurs des robots humanoïdes doivent également êtrechoisis en fonction de l’application visée. Il faut faire un compro-

mis entre dextérité et charge utile à porter par la main. Une maindextre permettant des manipulations fines comme celles duDLR [6] nécessite une structure contenant souvent le mêmenombre de ddl que le squelette du robot. Par exemple, les mainscomplexes développées par le National Institute of AdvancedIndustrial Science and Technology japonais (AIST) [26] pour leHRP-3 ont trois phalanges et 3 ddl par phalange, ainsi qu’un pouceavec 4 ddl. Cette main est équipée de capteurs de force à l’extré-mité de chaque phalange. Les doigts permettent d’effectuer unepoussée maximum de 15 N grâce à une structure mécaniquecomposée de moteurs et de réducteurs de type « harmonicdrives » (HD). Si les critères esthétiques sont importants, il fautaussi prendre garde aux proportions des mains avec le reste ducorps [29]. Par exemple, la main du DLR est bien trop grosse etgrande pour être intégrée sur un robot de type HRP-2. Il faut eneffet intégrer les moteurs, les câbles et l’électronique de puissancedans des environnements très restreints. Pour cette raison, la maindéveloppée par l’AIST [39] s’accompagne d’un boîtier supplémen-taire qui vient s’ajouter au poignet. Il contient l’informatiqueembarquée nécessaire pour le contrôle, ce qui permet d’éviter derajouter des câbles le long de la structure. Il a de plus l’avantagede protéger la main (protection que l’on retrouve sur le robotQ-RIO notamment). Cela alourdit néanmoins l’extrémité du bras,ce qui doit être pris en compte dans le calcul de l’inertie. Les mainscomplexes ayant beaucoup de ddl sont donc plus lourdes, plusencombrantes, mais également plus fragiles et, du même coup, nepeuvent soulever une charge trop élevée (ASIMO dans sa versioninitiale ne pouvait soulever que 500 g) [26].

Dans le cas d’une poutre homogène de taille L, les para-mètres E, I, ρ et A sont constants. Si l’on considère les fré-quences naturelles quand la charge est nulle, on peutrésoudre l’équation différentielle précédente en utilisant latransformée de Fourrier. La fréquence est alors :

et la solution s’écrit :

avec :

On cherche à maximiser cette fréquence naturelle, maisseuls la surface de la section et les moments de surface sontmodifiables. Le coefficient E/ρ suggère l’utilisation de maté-riaux à rigidité spécifique très élevée comme la fibre de car-bone. La géométrie du faisceau est représentée par I/A. Ceratio est maximisé pour une géométrie avec des moments dusecond ordre importants par rapport aux petites sectionstransversales fermées.

Estimation de la déformation d’une jambe (suite)

ω λρ

= 24

E

AL

I

v x t v x t( , ) ( ) sin ( )= ω

v x t A x A x

A

( , ) sin ( ) cos ( )

sinh (

= ++

1 2

3

β βββ β

β λ βx A x

n L

) cosh ( )

,

+= =

4

π

Figure 1 – Structure cinématique classique d’un robot humanoïde

QPW

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Pour ces raisons, des préhenseurs plus rudimentaires peuventêtre choisis. Les mains sous-actionnées sont un choix fréquent quisimplifie le contrôle et l’intégration de l’actionnement, au prixcependant d’une transmission souvent un peu plus complexe. Parexemple, les HRP-2 à l’université de Tokyo et au JRL sont équipésde mains parallèles à 1 ddl moins dextres, mais permettant demanipuler une trentaine de classes d’objets différentes et demasses plus conséquentes (5 kg pour le HRP-2 au JRL). Des robotscomme NAO utilisent un seul ddl par doigt, tous les doigts serepliant ou se déployant simultanément. Cela permet une saisiequi s’adapte à la forme de l’objet. La dernière version du robothumanoïde ASIMO intègre des mains avec des actionneurshydrauliques de faible encombrement directement montés dansl’avant-bras. Ceux-ci permettent au robot de faire des mouvementsrelativement complexes comme ouvrir un thermos ou verser del’eau dans un verre.

1.4 Mobilité

Il existe un certain nombre de robots qualifiés d’humanoïdesdont la partie inférieure n’utilise pas deux jambes, mais une plate-forme mobile ou un nombre plus importants de jambes. Le robotle plus connu dans cette catégorie est le PR2 de Willow Garage,mais le robot REEM-B de PAL-Robotics en fait aussi partie. La sériedes robots ARMAR de l’Institut KIT a servi de plate-forme pourinvestiguer le développement d’un robot de service dans une cui-sine. Ce dernier est ainsi capable de reconnaître des objets, de lesmanipuler et de les ranger dans un lave-vaisselle. Ces robots sontnotamment très pertinents dans le cadre de manipulation mobileavec des mouvements relativement lents. Lorsque les massestransportées sont trop importantes au regard de l’emprise au solde la base, les effets dynamiques doivent être pris en compte. Lesproblèmes d’équilibre traités pour les robots humanoïdes, et plusparticulièrement concernant la gestion des moments angulaires,sont les mêmes. Cependant, les récentes avancées sur la généra-tion de mouvements multicontacts démontrent la possibilité pourles robots humanoïdes à pattes de gérer des modes de locomotionhors de portée pour ceux qui utilisent une plate-forme mobile. Parexemple, Petman a démontré des mouvements multicontacts dansdes situations très contraintes (figure 2). HRP-2 est égalementcapable de prendre appui sur un bureau pour mettre un papierdans une poubelle qui se trouve sous le bureau. Si ces mouve-ments peuvent être planifiés, ils ne sont pas encore générés enligne. La formulation du problème multicontact a une complexité

très élevée dans sa formulation générale. Il existe un certain nom-bre d’approximations efficaces mais qui n’ont pas encore donnélieu à des implémentations réactives sur un robot physique. Ainsi,si le DRC a démontré la possibilité pour des robots comme Schaftde gérer des environnements particulièrement difficiles, lescontacts sont restés pour la plupart des contacts plans (mais noncoplanaires). Cela est rendu possible grâce à un contrôle du centrede pression particulièrement robuste permettant de gérer desvariations de pente de 10o.

1.5 Pieds

Les pieds sont une partie très importante des robots huma-noïdes : ce sont eux qui doivent assurer un contact avec suffisam-ment de frottements pour ne pas glisser ; ils doivent être capablesd’endurer les impacts reçus à l’atterrissage ; ils doivent supporterles transferts de masse durant les phases de double support ;enfin, leur structure mécanique est souvent contrainte par la taille.De plus, comme la plupart des robots humanoïdes marchent encontrôlant la position du centre de pression, il est souvent indis-pensable d’avoir des capteurs de forces six axes au niveau deschevilles, ou des capteurs de pression sous les pieds afin de mesu-rer leur position. Afin de garantir que le robot ne glisse pas, ontrouve sur les semelles des robots HRP-2, comme sur les autresrobots, des matériaux permettant d’obtenir le frottement néces-saire (typiquement avec un coefficient de frottement µ > 1).

Pour dissiper les impacts, le robot LOLA [34], par exemple, estcomposé de Sylomer ayant un module d’élasticité plus élevé auniveau du talon et plus faible sur le reste du pied pour répartir lamasse. Certains pieds incluent également des amortisseurs [34][39]. Les doigts de pieds ont de nombreux intérêts. Ils permettentnotamment de transférer le centre de pression plus rapidementvers l’avant et ainsi de faire marcher le robot plus vite qu’unestructure sans doigt de pied [46]. Ils lui permettent également depouvoir s’agenouiller sans être dans une position singulière auniveau des pieds. Enfin, si l’on utilise un doigt de pied passif avecun ressort, il est possible de stocker de l’énergie pour la restituerensuite lors de la phase de décollage ou pour faire sauter le robotsur place [23]. Cela nécessite cependant une commande pluscomplexe. Il faut aussi s’assurer que la partie mobile est capablede supporter les impacts et les forces engendrées par le contactavec le sol.

Figure 2 – Contacts non planaires et multi-contacts avec PETMAN (à gauche) [60] et HRP-2 (à droite) [40]

QPX

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Modélisation des robotshumanoïdes

par Gabriel ABBAProfesseur des universités à l’ENI de Metz et au Laboratoire de conception fabricationcommande (LCFC, EA 4495)

et Yannick AOUSTINMaître de conférences à l’université de Nantes, Institut de recherche en communication etcybernétique de Nantes(IRCCyN, UMR CNRS 6597)

a notion de robot humanoïde a été introduite au début des années 1970pour qualifier des robots mobiles ayant des caractéristiques anthropo-

morphiques par opposition aux robots industriels solidaires d’une base fixe.Le but de la recherche en robotique humanoïde est d’approcher le plus pos-sible les performances de locomotion de l’humain. Depuis les premiers travauxde Ichirô Katô et ses collègues de l’université Waseda de Tokyo, de remarqua-bles progrès ont été effectués, notamment en ce qui concerne l’étude de lastabilité d’un robot humanoïde, ses allures de marches, voire de course. Néan-moins, les performances d’un robot humanoïde doivent encore être nettement

1. Robot humanoïde .................................................................................. S 7 753 - 2

2. Géométrie du robot .............................................................................. — 2

2.1 Matrice de transformation et paramétrage ............................................ — 2

2.2 Modèle géométrique direct pour un robot humanoïde......................... — 2

2.3 Modèle géométrique inverse................................................................... — 3

3. Cinématique du robot humanoïde.................................................... — 4

3.1 Cinématique directe du premier ordre.................................................... — 4

3.2 Cinématique directe du deuxième ordre ................................................ — 5

4. Contact avec l’environnement .......................................................... — 5

4.1 Hypothèse de contact ............................................................................... — 5

4.2 Nature du contact et frottements ............................................................ — 6

4.3 Influence sur le robot des torseurs d’interaction ................................... — 9

4.4 Résolution des équations – Machines à états ........................................ — 10

5. Modèle dynamique................................................................................ — 10

5.1 Modèle dynamique direct ........................................................................ — 11

5.2 Modèle d’impact ....................................................................................... — 11

6. Zero moment point (ZMP)................................................................... — 11

6.1 Définition du ZMP ..................................................................................... — 11

6.2 Relation entre le ZMP et le CdP ............................................................... — 11

6.3 Méthode approchée de calcul de la position du ZMP ........................... — 12

6.4 Calcul du ZMP lorsque les deux pieds reposent sur le sol.................... — 13

6.5 Mesure du ZMP......................................................................................... — 13

7. Modèles simplifiés pour la génération de marche ...................... — 14

7.1 Modèle Linear Inverted Pendulum (LIP) ................................................. — 14

7.2 Modèle Cart-Table .................................................................................... — 15

8. Conclusion .............................................................................................. — 16

Pour en savoir plus ......................................................................................... Doc. S 7 753

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MODÉLISATION DES ROBOTS HUMANOÏDES _____________________________________________________________________________________________

améliorées avant qu’il puisse rivaliser avec celles d’un être humain. Les frotte-ments au niveau des articulations et des transmissions mécaniques ne sontpas négligeables alors qu’ils sont quasiment nuls chez l’humain. L’autonomiedu robot humanoïde, sa puissance massique, sa résistance aux chocs, la répar-tition optimale de sa masse, sa locomotion sur terrain accidenté, l’accomplis-sement de tâches sécurisées en collaboration avec un humain, son évolutiondans un environnement encombré d’obstacles sont autant de défis qui restentactuels. La modélisation de ces robots représente un aspect essentiel desrecherches dans ce domaine, en particulier grâce à des modèles physiques trèsprécis tenant compte des phénomènes de contact et de la dynamique du robot.

1. Robot humanoïde

Un robot humanoïde, formé de son système locomoteur et deses membres supérieurs, est un mécanisme multicorps. Sa struc-ture géométrique est arborescente et anthropomorphe. Sa taille,sa masse sont proches ou homothétiques à celles de l’humain. Sesactionneurs peuvent être de type électrique, pneumatique ouhydraulique. Il est commandé de sorte à assurer une sécuritémaximale en cas de contact avec un humain. Le robot humanoïdeest ainsi bien adapté à évoluer dans l’environnement conçu pourl’homme et y effectuer différentes tâches d’assistance ou de tra-vail. Il possède des capteurs proprioceptifs pour mesurer ses posi-tions et vitesses articulaires et des capteurs extéroceptifs pourrecueillir des informations sur son environnement (force de réac-tion du sol, obstacles, etc.). Un système informatique commandesa locomotion, contrôle sa stabilité et coordonne son interactionavec l’humain. C’est un robot mobile qui doit gérer durant sesdéplacements la prise en compte des informations de ses capteurset des contraintes unilatérales avec son environnement lors decontacts intermittents, synchronisés ou non. La détermination dela trajectoire de chacun des corps du robot lors de sa locomotionest un problème complexe qui est fonction de ses paramètres phy-siques. La dimension de ses pieds par rapport à sa taille et la puis-sance maximale de ses actionneurs au niveau des chevilles sonttelles que le robot humanoïde est un système mécanique relati-vement instable en position verticale ou lors de ses déplacements.Il peut ainsi perdre le contact unilatéral avec le sol et chuter. Lenombre de ses degrés de liberté indépendants change selon que lerobot humanoïde a un ou deux pieds d’appui sur le sol, qu’il soitassis, en appui sur un mur ou en phase de saut. Pour pallier cesdifficultés, une commande du robot doit être mise en œuvre ettenir compte de son équilibre et de ses contacts avec l’environ-nement. Habituellement la stratégie dépend de la géométrie, de lavitesse et de l’accélération du robot humanoïde. Une modélisationdu robot humanoïde est donc nécessaire.

2. Géométrie du robot

2.1 Matrice de transformationet paramétrage

La description dans l’espace d’un robot humanoïde composé dem corps considérés comme rigides et avec n degrés de liberté

nécessite 6 + n variables. Les six premières décrivent la position etl’orientation par rapport à un repère fixe galiléen Fg d’un de ses mcorps, qui est choisi comme corps de référence. Les autres n varia-bles permettent de décrire la configuration de ses articulations. Sile nombre 6 + n est minimal, les variables utilisées pour la descrip-tion du robot humanoïde sont appelées « coordonnées géné-ralisées ». Le repère lié à l’articulation j est noté Fj . Contrairementau robot manipulateur à base fixe, le repère de référence F0 estmobile (figure 1). Il peut être placé sur n’importe lequel des mcorps. L’avantage de le placer sur la semelle d’un des deux piedsest de prendre en compte directement le torseur des efforts du solsur ce pied. Soit gp0 le vecteur qui exprime la position cartésiennede F0 dans Fg . La matrice de rotation qui exprime l’orientation F0dans Fg est notée gR0 . Elle est fonction des angles de roulis,tangage et lacet, notés respectivement φ, θ et ψ. La matrice detransformation homogène qui définit F0 dans Fg est :

(1)

avec σ l’ensemble des angles d’orientation, . Latransformation qui amène le repère F0 sur le repère Fj est définiepar la matrice de transformation homogène :

(2)

où 0sj ,0nj et 0aj désignent respectivement les vecteurs unitaires

suivant les axes xj , yj et zj de Fj exprimés dans le repère F0 et 0pj etdésigne l’origine du repère Fj exprimée dans le repère F0 . Laméthode de Denavit-Hartenberg modifiée [11] est bien adaptéepour représenter chacun des repères Fj , associé à une articulationdu robot humanoïde, par rapport à son antécédent grâce à desparamètres géométriques. Le paragraphe 2.3 présente un exempled’utilisation de ces paramètres géométriques.

2.2 Modèle géométrique directpour un robot humanoïde

Le modèle géométrique direct permet de calculer les coordon-nées de l’ensemble des points remarquables du robot. Dans le casd’une animation, il permet de représenter l’évolution du robot. Ilest également utilisé pour déduire d’autres modèles, par exemplepour la détection des contacts des pieds avec le sol. Pour un pied

de longueur et de largeur (figure 2) et un repère de réfé-

rence F0 placé sur son arête frontale, la position de chacun des

quatre coins de la semelle est :

(3)

La principale spécificité de cette modélisation par rapport àcelle d’un robot manipulateur est que le repère de référence estmobile par rapport au repère absolu galiléen. De plus, le nom-bre de contacts avec l’environnement varie.

gg g

TTRR pp

000

0 0

1 3 1( )

( )σ

σ=

×

σ φ θ ψ� { , , }

0 0 0 0 0T s n a pj j j j j= ( )

ℓx ℓy

ge

g gei i

ip p R p= + ∈0 00 1 2 3 4, { , , , }

QQP

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avec les coordonnées des sommets dans le repère F0 définies par

.

2.3 Modèle géométrique inverse

Ce modèle permet de calculer les variables articulaires dusystème locomoteur à partir de coordonnées cartésiennes. Parexemple, considérons la définition des repères articulaires pour lesystème locomoteur d’un robot humanoïde (figure 3). Ce systèmelocomoteur a douze articulations. Les membres supérieurs durobot humanoïde sont assimilés à un corps rigide fixé au bassin.Les paramètres géométriques du formalisme Denavit-Hartenbergmodifié sont donnés sur le tableau 1 :

– a (j ) désigne le repère antécédent au repèreFj ;

– les paramètres géométriques (αj , θj , rj , dj) déterminent la loca-lisation du repère Fj par rapport à son repère antécédent a (j ).

Supposons le cas où le pied affecté du repère de référence F0 esten appui sur le sol et que nous souhaitons définir la position etl’orientation de la hanche par :

(4)

Figure 1 – Paramétrage d’un robot bipède

Figure 2 – Modèle et repère d’un pied

Fg = (O, E1, E2, E3) : repère fixe galiléen

F0 = (O0, x0, y0, z0) : repère mobile de référence

Fj = (Oj, xj, yj, zj) : repère lié à l’articulation j

gT0 = transformation définissant F0 dans Fg

0Tj = transformation définissant Fj sur F0

E1

E2

Fg

0

E3gT0

0Tj’

x0

y0z0

F0O0

yj

zj

OjFj

xj

0pe3

z0

F0y0

x0

0pe4

0pe1

0pe2

Ly

Lx

0 01 2

02

02

0pp ppey

e xy=

= − −

, , , , ,ℓ

ℓℓ

= −

= −

, , , ,

,

0

0

3

4

20

0

pp

pp

e xy

ey

ℓℓ

220,

Figure 3 – Système locomoteur et repères associés

U0

0 0 0 0

0 0 0 0

0 0 0 0

0 0 0 1

=

s n a p

s n a p

s n a p

x x x x

y y y y

z z z z

q5

q4

r10

r4

d1z6x4

z8

z4

z7

z9

z10

d10

x8 x9

x7

x6x5

q6

q3

x3

x2

x0

y0

x1

x10

x12

z11

z12

z13

r13y13x13

d13

d11

x11

z5

z3

d3

d4

z2

q2

z1

q1

z0

r1d1 Lp

lp

QQQ

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Tableau 1 – Paramètres géométriques du robot humanoïde

j a (j ) rj dj

1 0 0 q1 d1

2 1 q2 0 0

3 2 0 q3 0 d3

4 3 0 q4 d4

5 4 0 0

6 5 q6 0 0

7 6 0 q7 0 d7

8 7 0 0

9 8 q9 0 0

10 9 0 q10 d10 = d4

11 10 0 q11 0 d11 = d3

12 11 q12 0 0

13 12 0 q13 d13 = d1

! j � j

ℓ1

π2

ℓ4

−π2

q52

−π

−π2

π2

q82

−π

−π2

ℓ ℓ10 4=

π2

ℓ ℓ13 1= −

Nous devons résoudre le système :

(5)

Paul [13] a proposé une méthode heuristique qui consiste à pré-multiplier successivement les deux membres de l’équation (5) parla matrice j–1Tj , j = 1 à n – 1. Pour la jambe en appui, la successiondes équations qui permet le calcul des six variables articulaires q1 ,q2 , q3 , q4 , q5 et q6 est :

(6)

avec Uj+1 = j+1Tj Uj pour j = 0, ..., 4. Les types d’équations obtenusavec la méthode de Paul sont au nombre de huit et conduisent àdes résolutions connues [10].

3. Cinématique du robothumanoïde

3.1 Cinématique directe du premier ordre

Le modèle cinématique direct du premier ordre permet de calcu-ler la vitesse absolue des sommets d’un pied en fonction du vecteurdes vitesses généralisées. Ce calcul est primordial pour la formula-

tion du modèle d’impact. Le vecteur des vitesses généralisées peuts’écrire :

(7)

où . Les variables 0v0 et 0ωωωω0 sont

respectivement les vitesses linéaires et angulaires, exprimées dansle repère F0 , du corps zéro par rapport au repère galiléen. La

matrice 0Rg est la transposée de gR0 . Le vecteur des vitesses

linéaires gv0 est la dérivée par rapport au temps de gp0 . Le vecteur

des vitesses angulaires gωωωω0 , en tenant compte de l’orientation de

F0 par rapport à Fg , est :

(8)

Afin d’obtenir la vitesse des sommets i du pied, l’équation (3)pour i = 1, ..., 4 est dérivée par rapport au temps telle que :

(9)

La dérivée d’une matrice de rotation est donnée par [16] :

(10)

U T T T T T T00

1 11

2 22

3 33

4 44

5 55

6= ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (q q q q q q66)

10 0

12

23

34

45

56

21 1

23

34

45

56

32

T U T T T T T

T U T T T T

T U

=

=

223

44

55

6

33 3

45

56

54 4

56

=

=

=

T T T

T U T T

T U T

vv

vv

qq

=

×

×

×

00 3 1

00 3 1

( )

( )ωω: ( 1)n

00

00

00

00vv RR vv RR� �g

gg

get ωω ωω

gωω0

0

0

1 0

=

+−

sin

cos:φφ

φ

+−

cos cos

sin cos

sin

:θφ θφ θ

θ:ψ

ge

g gei i

v v R p= +0 00:

g g g:RR RR0 0= ωω 0

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Robots synchrones, visionet applications

par Laredj BENCHIKHMaıtre de conferences, universite d’Evry-Val d’EssonneExpert en robotique, FANUC Robotics France

1. Robots synchrones.......................................................................... S 7 782 – 21.1 Configuration des deux groupes d’axes............................................ — 21.2 Calibration de l’ensemble des deux robots....................................... — 21.3 Exemple de modele geometrique d’un robot FANUC Robotics ....... — 21.4 Principe de calcul des robots synchrones ......................................... — 3

2. Vision................................................................................................. — 32.1 Principe de fonctionnement ............................................................... — 42.2 Caracteristiques generales ................................................................. — 4

2.2.1 Robots ...................................................................................... — 4

2.2.2 Configuration des cameras (camera setup) ............................ — 4

2.2.3 Definition des modeles de reconnaissance des pieces(location tool)........................................................................... — 5

2.2.4 Definition des processus d’acquisition (vision process) ........ — 6

3. Application ....................................................................................... — 73.1 Parametrage du systeme de vision.................................................... — 73.2 Calibration du systeme de vision ...................................................... — 83.3 Apprentissage de la cible................................................................... — 8

4. Conclusion........................................................................................ — 9

Pour en savoir plus.................................................................................. Doc. S 7 782

L’evolution des contraintes de production en termes de precision et de tempsde cycle necessite des performances robotiques de plus en plus grandes et

une instrumentation de plus en plus intelligente. Les robots doivent donc com-porter des fonctionnalites materielles et logicielles permettant de dialoguersous n’importe quel protocole de communication et doivent pouvoir s’interfa-cer avec n’importe quelle instrumentation, telle que les prehenseurs, les cap-teurs d’efforts, les systemes de vision,…, etc.

Par ailleurs, ces fonctionnalites sont prises en compte dans une phase etudeen avant-projet dans une demarche de conception mecatronique [4] optimisantainsi les aspects mecaniques, automatiques et peri-robotiques.

Dans notre dossier, nous allons aborder deux notions liees a ce que l’onappelle desormais la « robotique intelligente ». Ces deux notions sont les« robots synchrones » et la « vision industrielle ».

Toute reproduction sans autorisation du Centre francais d’exploitation du droit de copieest strictement interdite. – © Editions T.I. S 7 782 – 1

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1. Robots synchrones

La synchronisation des mouvements est necessaire des lors queles robots sont amenes a travailler sur une meme piece : manuten-tion d’un meme objet (rigide), coordination de mouvements liee aun procede de soudure ou encollage,…, etc.

Cette synchronisation permettra alors de maintenir une distanced’application constante, ou de coordonner les mouvements d’unrobot (esclave) par rapport a un robot maıtre.

1.1 Configuration des deux groupesd’axes

Cette etape permet la declaration au moyen d’une interface utili-sateurs de trajectoires communes a plusieurs robots (4 au maxi-mum) consideres chacun comme etant un groupe de 6 axes (articu-lations). L’exemple de la figure 1 illustre l’utilisation de deux robots(2 groupes d’axes) pour une application Dual Arc (soudure a l’arcen mouvements synchrones de deux robots).

La configuration des deux groupes (groupe 1 pour le robot por-teur, et groupe 2 pour le robot soudeur) s’effectue au moyen du« group mask » [1,1,*,*,*] ou le premier digit est dedie au premiergroupe d’axes, le deuxieme digit au deuxieme groupe d’axes,…,etc.

1.2 Calibration de l’ensembledes deux robots

Le deplacement des deux robots (maıtre et esclave) en mouve-ments coordonnes necessite au prealable une phase de calibration.Celle-ci permettra de faire reconnaıtre par le robot esclave (suiveur)la position du robot maıtre (positionneur).

Il existe essentiellement deux methodes de calibration.

La premiere consiste tout simplement a renseigner manuelle-ment la position d’un robot par rapport a l’autre. Cela supposeque l’on connaisse precisement cette position. Or, celle-ci dependd’une implantation mecanique qui peut comporter des erreurs.Pour s’acquitter de ces erreurs, il est conseille de passer par unemethode d’apprentissage de trois points (communs aux deuxrobots) selon la procedure de la figure 2 ou, le ‘Leader’s TCPPoint’ correspond au point centre outil du robot maıtre. Nous cons-truisons ainsi un repere commun a partir de l’apprentissage de 3autres points quelconques non alignes du domaine atteignablepar ces 2 robots (figure 3).

Cette calibration est basee sur un calcul utilisant les modelesgeometriques directs des deux robots.

1.3 Exemple de modele geometriqued’un robot Fanuc Robotics

La modelisation geometrique d’un robot a morphologie sphe-rique de Fanuc Robotics (figure 4) se presente sous une formematricielle, et s’effectue selon le principe de notation de Denavit-Hertenberg [1] :

Les parametres articulaires se resument ainsi sous la forme dutableau 1.

Ce tableau 1 nous permettra ainsi d’ecrire l’expression du repereterminal R6 par rapport au repere de base R0 (confondu avec R1)

a partir des matrices de transformations elementaires i - 1Ti . La

composition de toutes ces matrices donne ainsi ce que l’on appellele « modele geometrique » du robot se presentant sous la forme :

1T6 =1T2

2T33T4

4T55T6

Figure 1 – Configuration de groupes d’axes au moyen de l’interfaceutilisateurs

Figure 2 – Apprentissage d’un repere commun

P1

P2P3

Figure 3 – Procede de calibration du Dualarm au moyen de 3 pointscommuns

ROBOTS SYNCHRONES, VISION ET APPLICATIONS –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

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Robots marins et sous-marins

Perception, modelisation, commande

par Vincent CREUZEMaıtre de conferencesLIRMM, UMR5506 CNRS / universite Montpellier 2, Montpellier, France

1. Categories de vehicules et applications .................................... S 7 783 – 21.1 Vehicules de surface (USV) ................................................................ — 21.2 Vehicules sous-marins (ROV, AUV, gliders) ....................................... — 31.3 Autres types de vehicules .................................................................. — 5

2. Localisation, perception, communication ................................. — 62.1 Localisation et attitude ....................................................................... — 62.2 Perception de l’environnement .......................................................... — 72.3 Communications sous-marines ......................................................... — 13

3. Modelisation des vehicules........................................................... — 143.1 Cinematique ....................................................................................... — 143.2 Dynamique ......................................................................................... — 16

4. Commande des vehicules .............................................................. — 204.1 Introduction ........................................................................................ — 204.2 Commande PID................................................................................... — 204.3 Commande adaptative a retour d’etat ............................................... — 204.4 Commande en regime glissant .......................................................... — 224.5 Comparaison experimentale des trois methodes proposees ........... — 23

5. Conclusion........................................................................................ — 25

Pour en savoir plus.................................................................................. Doc. S 7 783

L es robots marins (sous l’eau, mais aussi sur l’eau) sont en plein essor. Al’aube du developpement des flottilles de vehicules, ils ont acquis desor-

mais une certaine maturite industrielle et scientifique. Leur usage est largementrepandu, principalement pour des applications petrolieres off-shore, pour lesapplications militaires (surveillance, deminage, etc.) et pour les applicationsscientifiques (oceanographie, climatologie, etc.). Nous proposons dans cet arti-cle un tour d’horizon des vehicules existants (USV, AUV, ROV, glider, robot voi-lier, robot bio-inspire, profileur, etc.) ainsi qu’un descriptif detaille des materielsassocies a leur fonctionnement, et qui permettent la localisation, la perceptionet la communication. Pour chaque categorie de materiel, les principes de fonc-tionnement sont rappeles et les donnees techniques indispensables sont resu-mees, afin de permettre au lecteur de selectionner correctement les materielsadaptes a son application, en tenant compte des caracteristiques techniques etdes conditions d’utilisation.

Cet etat de l’art technologique est accompagne dans une deuxieme partie desoutils scientifiques permettant de controler les vehicules marins : la modelisa-tion et la commande. Le modele presente est celui defini par la SNAME (Societyof Naval Architects and Marine Engineers) qui est largement utilise par la com-munaute. A partir de ce modele, nous avons selectionne trois commandes, dontnous rappelons le fonctionnement et les points cles du reglage. Il s’agit de lacommande PID, de la commande adaptative a retour d’etat non lineaire et de lacommande en regime glissant. Des exemples illustrent leur utilisation, et leursavantages et inconvenients sont expliques. Enfin, l’article se termine par unecomparaison experimentale des trois commandes presentees, appliquees al’asservissement en profondeur d’un mini ROV. Cela permet de comparer lescommandes et d’en souligner les limites.

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1. Categories de vehiculeset applications

1.1 Vehicules de surface (USV)

1.1.1 Vehicules motorises

Les USV (Unmanned Surface Vehicles) a moteur ont pour prin-cipales applications la surveillance (militaire), la cartographie/bathymetrie (militaire et civile), la detection/neutralisation demines et l’oceanographie (echantillonnage des parametres phy-sico-chimiques de l’eau). Dans la plupart des cas, les vehiculesde surface sont simplement teleoperes. Le principal frein a leurautomatisation complete est la detection et l’evitement des autresnavires, ainsi qu’un cadre legal clair a leur navigation autonome.Dans tous les cas, le deploiement de ces vehicules doit etre super-vise a distance par un operateur humain, capable a tout momentd’interrompre la mission pour des raisons de securite. Parmi lesvehicules de ce type, on peut citer l’exemple du vehicule militaireInspector, concu par ECA Robotics et des catamarans de SeaRo-botics (figure 1).

1.1.2 Robots voiliers

Les missions allouees aux robots voiliers sont sensiblementidentiques a celles des robots de surface motorises, mais le modede propulsion de ces engins leur confere une autonomie bien plusgrande. Theoriquement, cette autonomie est meme illimitee, car lebateau peut etre equipe de panneaux solaires ou d’une eolienne.Ce dernier systeme est prefere la plupart du temps aux panneauxsolaires dont l’efficacite est rapidement alteree par des depots desels. On rencontre aussi parfois des systemes de recuperationd’energie mecanique exploitant les mouvements de la bome lorsdes virements de bord. En pratique, ce sont les capteurs embar-ques qui limitent l’autonomie des robots voiliers. En effet, hormispour la mesure de temperature (air ou eau) et de vitesse du vent,la plupart des capteurs oceanographiques embarques necessitentdes reetalonnages frequents (mensuels, voire hebdomadaires) enraison de l’oxydation ou de la colonisation par des organismesvivants (algues, coquillages, etc.), communement appeles « biofouling ».

La taille des robots voiliers est comprise entre quelques dizainesde centimetres et quelques metres (souvent inferieure a 3 metres).Du fait de leur grande autonomie, ces vehicules sont la plupart dutemps utilises en mode autonome, programmes pour suivre une

route donnee. Hormis en zone hauturiere, pour des raisons desecurite, la navigation autonome de ces engins exige une supervi-sion humaine.

L’avantage des robots-voiliers par rapport a une bouee derivantereside dans leur aptitude a se maintenir quasiment immobiles dansune zone donnee (« station keeping »), a effectuer des echantillon-nages spatialement reguliers, ou encore a traverser des lignes defronts climatiques. De plus, a l’inverse des navires oceanographi-ques ou des « ferry-box » (permettant l’echantillonnage automa-tique a bord de navires de commerce), les robots voiliers ne pertur-bent pas, ou tres peu, la grandeur mesuree. Du fait de leur petitetaille, leur presence et leur deplacement engendrent peu de pertur-bations de la couche d’eau de subsurface et de la vitesse du vent.

Le robot voilier probablement le plus abouti actuellement est lerobot Vaimos [Vaimos_TI] [1], developpe conjointement par l’IFRE-MER et l’ENSTA Bretagne (figure 2). Il a notamment ete deployeplusieurs jours en totale autonomie dans l’ocean Atlantique.

A ce jour, aucun robot voilier n’est parvenu a relever le defi de lamicrotransat (traversee de l’Atlantique en totale autono-mie [Doc. S 7 783]), mais chaque annee, les robots voiliers s’affron-tent lors de la competition internationale WRSC (World RoboticSailing Championship).

Les travaux de recherche dans ce domaine portent notammentsur la commande, sur la garantie du respect de la trajectoire prede-finie, sur la detection et l’evitement d’obstacles, etc. [1] [2]. Laencore, le cadre legal n’est pas clairement defini et justifie la plusgrande prudence lors des experimentations.

1.1.3 Vehicules houlo-propulses

Categorie d’engins beaucoup plus marginale, les vehiculeshoulo-propulses (egalement appeles « wave-gliders ») sont muspar un systeme de paravanes (volets inclinables) (figure 3)immerge et relie a la coque par un cable maintenu tendu par gra-vite. Le pilonnement du bateau (succession de mouvements ascen-dants et descendants) fait agir les volets comme les palmes d’unnageur, propulsant le vehicule vers l’avant. Ce moyen tres efficacea permis au vehicule Papa Mau de traverser le Pacifique en 2012(16 668 km, en plusieurs etapes). Les wave-gliders sont porteursd’equipements permettant par exemple de recolter des donnees cli-matologiques (vent, pression, etc.) et oceanologiques (courants,hauteur et spectre des vagues, salinite, temperature, oxygene dis-sous). Ils peuvent egalement etre utilises comme relais de commu-nication, permettant, par modem acoustique et radio satellite, decommuniquer avec des dispositifs immerges.

Figure 1 – A gauche, le vehicule de surface INSPECTOR d’ECA. On remarque la presence de nombreux capteurs (radar, camera, etc.) (credit : ECARobotics). A droite, un catamaran autonome de surface concu par SeaRobotics pour le compte de Defence Research and Development Canada(DRDC) et instrumente notamment pour le profilage des icebergs (credit : SeaRobotics)

ROBOTS MARINS ET SOUS-MARINS ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

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Les problemes theoriques et pratiques de ce type d’engin (cap-teurs, detection/evitement, cadre legal inexistant) sont les memesque pour les deux precedentes categories.

1.2 Vehicules sous-marins (ROV, AUV,gliders)

1.2.1 Vehicules Tele-operes (ROV)

Les ROV (Remotely Operated Vehicules) constituent l’essentiel desvehicules sous-marins exploites dans le monde. Comme leur noml’indique, les ROV sont des engins tele-operes. Certains de leursdegres de liberte peuvent neanmoins etre automatises (profondeur,distance/fond, cap) et l’on utilise alors le terme anglo-saxon de « co-control ». Leurs applications sont nombreuses et concernent princi-palement l’industrie petroliere, les travaux sous-marins et l’oceano-graphie. Ils peuvent intervenir jusqu’a 6 000 metres de profondeur.

Bien qu’il existe plusieurs classifications detaillees, on peut dis-tinguer principalement deux grandes categories : les ROV d’obser-vation et les ROV d’intervention.

1.2.2 ROV d’observation

Egalement appeles ROV d’inspection, il s’agit de ROV de petitetaille (de 3 a 300 kg) qui n’embarquent que des instruments d’ob-servation et de mesure (camera video, appareil photo, sonar,camera acoustique, sonde d’epaisseur de coque, magnetometre,etc.). Cette classe de vehicules est utilisee par exemple pour inspec-ter les coques de bateaux (usure, presence de mine, presence dedrogue), les parements de barrages hydrauliques, l’interieur destructures immergees (pompes, conduites d’amenee), les infra-structures portuaires ou de genie-civil (piles de ponts), mais aussipour l’inspection de pipelines ou de risers (tuyaux reliant les puitsa une plate-forme petroliere ou a une unite flottante de production,stockage et dechargement, communement denommee FPSO), oupour l’identification de mines.

Les principales difficultes operationnelles sont liees a la presencede l’ombilical et au courant marin. Pour des applications tres pro-fondes (au-dela de 200 a 500 metres), le vehicule n’etant pasdimensionne pour tracter la totalite de l’ombilical, l’engin estdeploye depuis un systeme tele-opere assurant son deroulement/enroulement, appele TMS (Tether Management System) et ayantla plupart du temps la forme d’une cage (figure 4). Le TMS estrelie au navire de surface par un ombilical tendu, plus gros etadapte a la longue distance et a la traction. En surface, le ROV soli-daire du TMS sera recupere par un portique communement appele« LARS » (Launch And Recovery System).

7 m

SUB

FLOAT

Figure 3 – Le wave-glider SV2 de Liquid robotics et le principede fonctionnement de son mode de propulsion. Le poids de la partieimmergee maintient tendu le cable qui la relie a la partie flottante.L’orientation variable des volets (en rose sur la figure), conjugueeaux mouvements verticaux imposes par la partie flottante, engendreune poussee horizontale qui fait avancer l’ensemble (copyright : LiquidRobotics)

Figure 4 – Le ROV d’intervention H2000 de la societe ECA HYTECet son TMS (Tether Management System). Les deux bras blancsactionnes par des verins constituent le portique du LARS (LaunchAnd Recovery System). Ce robot de 900 kg peut opererjusqu’a 2 000 m (copyright : ECA Robotics)

Figure 2 – Mise a l’eau du robot voilier Vaimos lors d’une missiondans l’Atlantique depuis le navire Thalassa de l’IFREMER (credit :IFREMER / ENSTA Bretagne)

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1.2.3 ROV d’intervention (Workclass)

Les ROV d’intervention (figure 5) sont plus gros que les ROVd’observation et disposent d’un ou de deux bras manipulateurs aubout desquels divers outils peuvent etre adaptes en fonction desapplications. Les bras utilises sont couramment hydrauliques,mais recemment des modeles electriques sont apparus, permettantune plus grande finesse des mouvements et de la commande.

1.2.4 Vehicules autonomes sous-marins (AUV)

Les AUV (Autonomous Underwater Vehicles) accomplissent leurmission de facon autonome. Ils emportent des systemes de detec-tion acoustique (sondeur multifaisceaux, sonar lateral, etc.) et sontutilises principalement pour de la bathymetrie/cartographie, notam-ment pour la detection de mines et pour l’oceanographie (figure 6).Leur portee etant assez importante, leur positionnement repose surl’utilisation d’une centrale inertielle, souvent couplee a un loch Dop-pler (DVL : Doppler Velocity Log, permettant de mesurer la vitessedu vehicule par rapport au fond ou a la surface). Pour des missionslongues, un recalage absolu de la position peut etre accompli soitpar positionnement GPS ou DGPS en surface, soit par des systemesde localisation acoustiques de type USBL (Ultra short Baseline) ouLBL (Long Baseline). Le principe de ces differents moyens de locali-sation sera detaille au paragraphe 2. L’autonomie et la portee des

AUV sont essentiellement liees a leur taille. Ainsi le petit Remus 100de Kongsberg (1,6 m de long, 37 kg, vitesse maximale de 5 nœuds)(voir annuaire des fabricants [Doc. S 7 783]) peut naviguer pendant22 heures a 3 nœuds (soit une portee d’environ 40 km), alors qu’unplus gros AUV, le Hugin de Kongsberg (longueur pouvant atteindre7 metres pour un poids de 1 900 kg et une vitesse comprise entre 2et 6 nœuds), peut naviguer jusqu’a 74 heures avec une portee supe-rieure a 200 km.

Durant la mission, lorsque l’engin est immerge, la communica-tion avec l’AUV n’est possible, dans le meilleur des cas, qu’aumoyen d’un modem acoustique, voire d’un simple transpondeuracoustique. Les debits etant tres faibles (paragraphe 2.3), les don-nees echangees se limitent a des ordres basiques ou a la transmis-sion de signaux de bon deroulement ou d’interruption de mission.Les donnees enregistrees par l’AUV ne sont reellement accessiblesqu’apres la recuperation de ce dernier, ou en cours de mission parradio satellite lorsque l’AUV fait surface.

Parmi les AUV, on peut noter le cas singulier du HAUV (societeBluefin Robotics), dont la forme rappelle plus celle d’un ROV, maisqui accomplit en toute autonomie l’inspection des coques de navires.Sa navigation est basee principalement sur les donnees de distance etde vitesse fournies par un loch Doppler, oriente vers la paroi suivie.

1.2.5 Les hybrides (HROV)

Les vehicules hybrides peuvent etre utilises soit en teleoperation(filoguidee) soit en totale autonomie. C’est le cas par exemple duvehicule HROV d’IFREMER, capable d’operer a 2 000 metres de pro-fondeur le long des parois de canyons oceaniques. Le vehicule estrelie a une gueuse par une fine fibre optique et emporte les batte-ries qui lui fournissent de l’energie. Si la fibre se rompt, le HROVest capable de poursuivre ou de terminer sa mission (en modedegrade) en toute securite, de facon autonome.

1.2.6 Gliders

Afin d’augmenter la portee des AUV de nouveaux modes de pro-pulsion ont ete proposes. On a ainsi vu apparaıtre les gliders, exploi-tant un ballast pour faire varier leur flottabilite et planer durant lesphases alternees de plongee (750 metres, voire 1 000 metres selonles modeles) et de remontee a la surface a une vitesse compriseentre 0,5 et 1 nœud. Il n’y a donc plus d’helice, ni de pieces mobilesa l’exterieur du vehicule, et l’autonomie est fortement accrue par rap-port a celle des AUV (typiquement 1 a 2 mois, mais pouvant atteindre8 mois avec une portee comprise entre 1 000 km et 38 000 km).Lorsque le glider arrive en surface, il peut basculer, faisant ainsiemerger sa queue/antenne (figure 7) afin de communiquer par satel-lite avec l’operateur qui peut, le cas echeant, replanifier la mission.

Figure 5 – Le ROV Victor 6000 de l’Ifremer (copyright Ifremer 2014)

Figure 6 – L’AUV AsterX d’Ifremer (copyright Ifremer 2014)Figure 7 – Le glider SeaExplorer (2,9 m, 59 kg) de la societe ACSAen train de communiquer en surface (credit : ACSA)

ROBOTS MARINS ET SOUS-MARINS ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

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Les gliders sont principalement utilises pour des mesures envi-ronnementales (salinite, temperature, fluorescence, oxygene dis-sous, chlorophylle, etc.) et des enregistrements acoustiques (dufait de l’absence de propulseur et de sa faible vitesse).

1.3 Autres types de vehicules

1.3.1 Crawlers

Les crawlers sont des robots sous-marins equipes de roues ou dechenilles. Ils peuvent evidemment rouler sur le fond marin et a l’inte-rieur de canalisations en eau, mais dans certains cas, ils peuventaussi se deplacer le long de parois non horizontales telles que descoques de bateau. Cela est rendu possible soit par l’ajout d’un ou deplusieurs propulseurs plaquant le vehicule contre la paroi, soit par unelectro-aimant si les parois sont metalliques. Les avantages de cetype d’engin pour l’inspection sont la stabilite de la visualisation, lalocalisation precise a moindre cout technologique et la possibilited’effectuer un nettoyage efficace ou toute action necessitant unappui ferme contre la paroi. L’inconvenient reside dans le fait queces vehicules soulevent des particules qui diminuent considerable-ment la visibilite. Enfin, on notera que de tres gros crawlers (plu-sieurs tonnes) sont utilises pour l’exploitation miniere sous-marine.

1.3.2 Vehicules bio-inspires (reptile, anguille,poisson, meduse, etc.)

Comme certains des animaux qu’ils imitent (salamandre, serpent),les vehicules bio-inspires peuvent presenter l’avantage de pouvoir sedeplacer sur des terrains mixtes (alternance de nage dans l’eau et dereptation sur le sol). Dans ce cas, les principales applications sontliees a l’observation, particulierement dans le contexte militaire. D’au-tres vehicules s’inspirent simultanement de plusieurs animaux. Ainsipar exemple, le robot du projet Angels (European Commission, Infor-mation Society, and Media, Future and Emerging Technologies (FET)contract number : 231845), qui est un precurseur dans le domaine,nage comme une anguille [S 7 856] pour rallier efficacement unpoint d’interet, puis se separe en plusieurs modules motorises inde-pendants, exploitant l’electrolocation (§ 2.2.3) pour percevoir sonenvironnement proche (figure 8). Ce mode de perception est inspirede celui de poissons electriques dipolaires qui, au moyen d’un champelectrique, percoivent les obstacles/proies les entourant.

D’autres engins bio-inspires ont pour motivation l’etude du modede propulsion (tortue, poisson, meduse). On citera l’exemple remar-quable de la salamandre « Salamandra Robotica », developpee parl’Ecole polytechnique federale de Lausanne, dont le comportementde chaque segment du corps est determine de facon autonome enfonction de ses voisins. Ceci permet aussi bien la nage que la repta-tion, y compris lorsqu’une partie du corps est sectionnee [6].

Enfin, certains engins bio-inspires ont pour finalite le jeu et l’es-thetisme. Les meduses AquaJelly de Festo et les poissons Jessikode Robotswim en sont de tres belles illustrations (figure 9).

1.3.3 Profileurs (programme Argo)

Les profileurs sont des engins autonomes d’une vingtaine de kilo-grammes, derivant librement dans l’ocean et effectuant des descentesa 2 000 metres de profondeur (voire 3 500 metres pour les profileursNAOS), permettant de mesurer les caracteristiques physico-chimiquesde la colonne d’eau (principalement temperature et salinite, maisaussi oxygene dissous pour les plus recents). Le systeme repose surun ballast que l’on comprime pour descendre, que l’on dilate pourremonter a la surface. Les donnees recueillies a chaque cycle sonttransmises en surface par satellite. Le profileur peut accomplir environ250 cycles, a l’issue desquels il sera perdu au fond de l’ocean (ce quicorrespond a une duree de vie d’environ trois ans). Afin de minimiserles risques de destruction par des navires ou par des engins de peche,les profileurs « stationnent » a 1 500 metres de profondeur durantleurs periodes de repos (entre deux cycles).

Figure 8 – Le prototype Angels (ici represente avec seulementtrois des neuf modules) se deplace rapidement en configurationanguille puis se decompose en elements independants une foisle point d’interet rallie (credit : Ecole des mines de Nantes – IRCCyN &Scuola Superiore Santa Anna – CRIM Lab)

Figure 9 – Les meduses AquaJelly 2.0 de Festo (copyright : Festo AG & Co. KG) et le poisson Jessiko (credit : Robotswim)

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Lance en 1999 par l’UNESCO, le programme international Argo apermis a plus de 30 pays de deployer 3 000 profileurs sur toutes lesmers du monde. Pleinement operationnel depuis 2007, le systemepermet de fournir des mesures oceanographiques a une vaste com-munaute d’oceanographes et de climatologues. Bien que le depla-cement des profileurs ne soit pas controle, leur renouvellementregulier permet de maintenir l’uniformite de leur repartitiongeographique [7].

2. Localisation, perception,communication

2.1 Localisation et attitude

La localisation des vehicules marins est un point-cle de leurbonne utilisation. Que ce soit au voisinage d’une infrastructureoffshore ou dans un environnement naturel, un mauvais position-nement peut avoir des consequences graves pour l’environnementexplore et pour la securite du vehicule lui-meme. De plus, dans lecas particulier de l’inspection, les donnees recueillies ont peu desens si elles ne sont pas localisees correctement.

2.1.1 Localisation des vehicules de surface

Pour les vehicules de surface, la localisation ne pose aucun pro-bleme. Un positionnement par GPS ou par GPS differentiel (DGPS)est en effet toujours possible. Il peut etre complete par d’autres dis-positifs afin d’en accroıtre la precision (centrale inertielle a fibreoptique).

Pour la commande du vehicule, il est necessaire de connaıtre lecap, les angles de roulis et de tangage, ainsi que les vitesses lineai-res et les vitesses de rotation (§ 3.1.1). Pour cela, il est suffisant decompleter le GPS par une minicentrale inertielle (moins de2 000 euros) de type MEMS. Pour ce type d’application, il existed’ailleurs des produits rassemblant la centrale et le GPS dans ununique boıtier de la taille d’une boıte d’allumettes.

2.1.2 Localisation des vehicules sous-marins

Sitot passes les premiers centimetres sous la surface, l’eau demer agit comme une barriere pour les ondes electromagnetiques,ce qui ne permet plus d’utiliser le systeme GPS. Pour se localiser,on dispose alors de deux solutions : creer localement un systemede positionnement acoustique ou avoir recours a une odometrie(estimation du chemin parcouru) tres fine.

& Systemes acoustiques

Les systemes de positionnement acoustique sous-marins repo-sent sur la mesure de temps de propagation d’ondes acoustiquesou sur des methodes de traitement d’antenne.

On distingue plusieurs familles de systemes de positionnementacoustiques.

Les bases longues (LBL : Long BaseLine) sont constituees d’aumoins trois transpondeurs poses sur le fond, autour de la zoned’operation (jusqu’a 10 km), et dont on connaıt precisement lespositions absolues (ou au moins relatives). Le vehicule sous-marin emet un signal acoustique (ping) et mesure le temps devol des signaux emis en reponse par les transpondeurs. Par trian-gulation, le vehicule peut determiner sa position. La qualite dupositionnement est souvent augmentee par la prise en compted’une mesure de profondeur (capteur de pression). La precisionmetrique, voire centimetrique, du positionnement depend de laconfiguration (distance et disposition des transpondeurs). La

qualite de la mesure est relativement stable a l’interieur de lazone operationnelle du systeme. Les LBL etant souvent deployeesau fond, elles presentent en outre l’avantage d’eviter les erreursde mesures dues aux reflexions acoustiques sur la surface. Leurcalibrage parfois long et delicat demeure leur principal desavan-tage. Il existe une version de LBL a calibrage automatique, appe-lee GIB-Lite (GPS Intelligent Buoy). Le systeme est constitue dequatre bouees de surface, localisees par GPS et sous lesquelles(a quelques metres) pendent des hydrophones dont la profondeurd’immersion est connue. Le vehicule a localiser est porteur d’unpinger dont l’horloge ultra-stable a ete prealablement synchroni-see avec les horloges des bouees. Il emet un ping a intervallesreguliers et connus (il peut egalement transmettre sa mesure deprofondeur). Les bouees determinent passivement le temps devol. Transmis par radio, les temps de vol et les position desbouees permettent a l’operateur de connaıtre la position du vehi-cule. Ce systeme peut etre deploye en quelques dizaines de minu-tes (voir GIB-Lite de la societe ACSA dans l’annuaire des fabri-cants [Doc. S 7 783]) avec des performances sensiblementidentiques a celles de la base longue traditionnelle.

Lorsque les distances entre les trois (ou plus) transpondeurs sontbeaucoup plus petites que la zone d’operation et que les dispositifsacoustiques sont fixes sous la coque du bateau qui deploie le ROVou l’AUV, on parle de base courte (SBL : Short BaseLine). Dans cecas, le calibrage n’est plus un probleme puisqu’il n’est realisequ’une seule fois, mais la precision du positionnement par triangu-lation est moins bonne qu’avec une base longue du fait de la proxi-mite des transpondeurs. En outre, le navire porteur de la SBLn’etant pas immobile, il est necessaire de prendre en compte saposition (GPS differentiel) et son attitude (centrale inertielle) pourcorriger les mesures. Les transpondeurs d’une base courte (SBL)peuvent etre rapproches jusqu’a former un seul capteur, une petitematrice acoustique (antenne) capable de percevoir non seulementla distance du vehicule (par mesure de temps de vol), mais aussila direction dans laquelle il se trouve (par mesure de dephasagesur les differents elements de l’antenne). On appelle ce type de dis-positif une base ultra-courte (USBL : Ultra Short BaseLine), voireune base super courte (SSBL : Super Short BaseLine). Puisqu’ellerepose en partie sur une mesure angulaire, la precision du position-nement decroıt avec la distance et c’est la precision angulaire del’USBL qu’il faut considerer. Les meilleurs systemes affichent desprecisions angulaires inferieures a 0,05 degre. Comme pour unebase courte, il est necessaire de prendre en compte la position etl’attitude du navire porteur. La portee d’une USBL peut depasser10 km. Le cout du systeme est compris entre 15 k€ et 60 k€, auquelil convient d’ajouter le cout d’une centrale inertielle pour tenircompte des mouvements du navire. Certains modeles proposenten outre la possibilite d’utiliser le canal acoustique de l’USBL pourtransferer des donnees simultanement au positionnement.

& Centrales inertielles

L’objectif d’une centrale inertielle (IMU : Inertial MeasurementUnits) est de mesurer les accelerations lineaires et les vitesses derotation du vehicule en trois dimensions. La plupart du temps, lescentrales integrent aussi un magnetometre et un filtrage interne(souvent un filtre de Kalman) leur permettant de fournir une esti-mation de l’attitude du vehicule (angles d’Euler ou bien quater-nions). On parle alors d’AHRS (Attitude and Heading ReferenceSystems).

Il existe deux categories de centrales inertielles. Les centrales abase de gyroscopes a fibre optique (FOG : Fiber Optic Gyroscopes),dont les biais de mesures sont si faibles qu’il est possible d’integrerles valeurs d’acceleration pour determiner la vitesse et la position(on parle alors d’INS : Inertial Navigation Systems). Elles sontneanmoins couteuses (de l’ordre de la dizaine de k€ et plus). Il estfrequent d’associer une INS a un DVL (Doppler Velocity Log), qui,en fournissant la vitesse par rapport au fond, permet de borner l’er-reur de vitesse de l’INS. L’erreur de position, bien qu’evoluant len-tement, n’est, elle, cependant pas bornee. La plupart des AUV dis-posent donc en option d’une compatibilite avec les systemes

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Approche virtuellepour la conceptionet le developpement de systemesmecatroniques – Methodologie

par Genevieve DAUPHIN-TANGUYProfesseur des universitesLAGIS UMR CNRS 8219, Villeneuve-d’Ascq, France

Jean-Charles MAREProfesseur des universitesInstitut Clement-Ader, Insa, Toulouse, France

Rodolphe DENISSystems Mechanics and Simulation leader,Aircelle, Groupe Safran, Le Havre, France

et Achour DEBIANEResponsable R&DCERTIA, Noisy-le-Grand, France

1. Presentation de la demarche virtuelle proposee ...................... S 7 800 – 31.1 Modeles pour l’ingenierie .................................................................. — 31.2 Virtualisation ...................................................................................... — 31.3 Raffinement des modeles .................................................................. — 41.4 Genericite de la demarche ................................................................. — 4

2. Proprietes recherchees pour une plate-forme logicielle......... — 42.1 Couverture de la plate-forme ............................................................. — 42.2 Implementation numerique de la plate-forme .................................. — 52.3 Exploitation des plates-formes .......................................................... — 72.4 Deploiement des plates-formes ......................................................... — 7

3. Modeles ............................................................................................. — 83.1 Methodologie bond graph : principes et langage............................. — 83.2 Representation structure souple 3D .................................................. — 14

4. Conclusion........................................................................................ — 21

Pour en savoir plus.................................................................................. Doc. S 7 800

Pour offrir des services nouveaux et des performances accrues dans le res-pect de l’environnement, la plupart des produits industriels, meme les plus

simples, deviennent plus intelligents et plus evolutifs grace a l’introductionmassive d’informatique et d’electronique. Les systemes de transmission depuissance mecanique tirent eux aussi profit de cette evolution. En integrant tou-jours plus d’electronique et d’informatique, ils deviennent de plus en plusmecatroniques [BM 8 000]. C’est ainsi que plus de 30 % de la valeur d’une auto-mobile de milieu de gamme est aujourd’hui lie a l’informatique et a l’electro-nique : on ne compte pas moins d’une bonne vingtaine de processeurs sur cesvehicules.

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L’amelioration des performances, la recherche de fonctionnalites nouvelles, lareduction des couts et la maıtrise de l’impact environnemental sont autant d’ob-jectifs contradictoires qui posent des challenges constants pour la conception etle developpement. Pour repondre a ces besoins, les produits mecatroniques ontnaturellement tendance a se complexifier [BM 8 080]. Ils se presentent alorscomme des systemes technologiques complexes dans lesquels de nombreuxelements de technologies tres variees interagissent fortement. Par exemple,sur un avion gros porteur, les commandes de vol impliquent plus de 50 action-neurs de commande de vol qui comportent des elements mecaniques, hydrau-liques, electrotechniques, electroniques analogiques et numeriques, thermi-ques, et qui interagissent avec les reseaux de puissance electriques ethydrauliques, les reseaux d’information, la cellule, l’avionique, etc.

Bien etablie industriellement domaine par domaine, la conception des syste-mes mecatroniques basee sur les modeles est encore delicate a mettre enœuvre efficacement. Certes, de nombreux logiciels commerciaux sont desor-mais disponibles, mais ils sont encore souvent dedies a des types d’activites(par exemple synthese de la commande ou dimensionnement en resistancemecanique) ou a des domaines technologiques (par exemple systemes mecani-ques poly-articules, mecanique des fluides ou electrotechnique). Malheureuse-ment, les concepteurs et developpeurs sont souvent demunis des lors qu’ilsveulent appliquer une demarche integree basee sur les modeles. Malgre cettediversite de l’offre logicielle, ils manquent de methodologies structurees pourmettre en œuvre efficacement une approche virtuelle avec une vision systeme(fortes et multiples interactions) sur des produits mecatroniques (par naturemultidisciplinaires) et pour des taches variees (architectures, analyse, dimen-sionnement, integration et verification, etc.).

Pour concevoir ces systemes mecatroniques [BM 8 020], il est donc interes-sant de s’appuyer sur les processus d’ingenierie des systemes tels qu’ils sontdefinis dans des standards ou dans des guides de bonnes pratiques dedies a unsecteur industriel particulier. Initialement concus pour les systemes complexes,ces processus se propagent rapidement des integrateurs (par exemple cons-tructeurs d’avions ou d’automobiles) aux systemiers (par exemple fournisseursde commandes de vol ou de systemes de freinage) puis aux equipementiers(par exemple fournisseurs de servocommandes ou d’antiblocage de roue) etmeme aux fournisseurs d’organes (par exemple de pompe d’actionneur decommande de vol ou electrovanne proportionnelle d’ABS).

La complexite de la conception et du developpement est reduite par decom-position du produit en niveaux (par exemple produit, systemes, sous-systemes,equipements, organes, composants elementaires) et pour chaque niveau enactivites (par exemple exigences, architectures, dimensionnement, fabrication/integration, essais). La virtualisation, c’est-a-dire le recours a des modelesnumeriques de la realite, est un moyen efficace de reduire la duree des cyclesde developpement, des risques et des couts [S 7 260]. La dematerialisation per-met ainsi de proceder a des iterations multiples et rapides pour evaluer lesconcepts, prevoir les performances des produits, ou meme les optimiser et lesrobustifier (c’est-a-dire maintenir le niveau de performance au cours de la vieoperationnelle).

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1. Presentationde la demarche virtuelleproposee

Le recours a la simulation numerique est un moyen clairementidentifie de reduction des risques, des couts et des delais qui peutservir chaque etape du cycle de vie d’un produit. Pour la phase dedeveloppement, la simulation numerique s’est imposee depuis plu-sieurs decennies pour les calculs de resistance mecanique (ele-ments finis) et pour la definition geometrique tridimensionnelle(CAO). L’integration, quant a elle, peut etre desormais conduite enpassant progressivement du domaine virtuel au domaine reel,autant pour les parties materielles avec les approches HIL (Hard-ware In the Loop) que pour les parties logicielles avec les appro-ches SIL (Software In the Loop). La simulation numerique est ega-lement utilisee massivement pour l’exploitation des produits,comme l’analyse de panne ou le suivi et la maintenance, par exem-ple a travers les outils de diagnostic. En permettant chaque jour detraiter des aspects de plus en plus etendus de l’ingenierie, l’evolu-tion des processus et leur outillage par des logiciels commerciauxpermettent de repousser les limites de la virtualisation des syste-mes mecatroniques.

1.1 Modeles pour l’ingenierie

Les modeles pour le developpement (modeles de conception) etpour l’integration virtuelle des systemes mecatroniques presententdes differences notables, bien au-dela de la maniere dont ils sontexploites (simulation inverse ou directe). Dans tous les cas, les

modeles et leur exploitation en simulation doivent servir lesbesoins d’evaluation pour la prise de decision sous des aspectstres varies, comme :

– la definition des architectures de puissance et d’information : lemodele doit etre compatible avec les differentes exigences et surl’ensemble de la vie du produit (initialisation, operation normaleet avec defaut, maintenance, etc.) ;– la capacite de transmission de puissance : il s’agit par exemple

d’evaluer la puissance fournie par le systeme en etude on encore lapuissance prelevee a la source, en valeur crete ou nominale (a unpoint de fonctionnement) comme en valeur moyenne (sur une mis-sion). L’acces a chaque variable de puissance (effort, flux) est a cetitre fort important ;– le bilan energetique et thermique : le modele permet par exem-

ple d’evaluer l’interet de la regeneration ou encore l’equilibre ther-mique des elements electriques ou electroniques, en particulierpour les applications « plus electriques » ;– les performances statiques et dynamiques en regime libre ou

commande, vis-a-vis des entrees fonctionnelles ou parasites : oncherche ici a obtenir des indicateurs numeriques de precision, destabilite et de rapidite ;– l’optimisation et la robustesse : la conception, l’integration et

l’usage doivent etre penses pour fournir un niveau de performanceoptimal et peu sensible aux incertitudes (de modelisation, d’approvi-sionnement, de fabrication, de reglage, d’environnement ou d’usage) ;– la reponse aux defaillances et aux degradations lentes : on peut

alors evaluer virtuellement des fonctions de diagnostic et de pro-nostic ainsi que les transitions de mode des systemes.

Bien entendu l’aspect « signal » est tout aussi important que l’as-pect « puissance », en particulier en ce qui concerne la topologie,l’interfacage et la communication (protocoles, latences, etc.).Comme les processus de virtualisation associes sont mieux etabliset moins multiphysiques, l’aspect signal sera peu developpe dansla suite au profit de l’aspect puissance.

1.2 Virtualisation

La propriete de « virtualite » impose des contraintes specifiques.

� Il faut disposer de modeles dynamiques, proches de la phy-sique du systeme, permettant de reproduire les grandeurs physi-ques internes, de faire des bilans energetiques et de combiner judi-cieusement les visions de type signal ou de type transfert depuissance.

Ces modeles peuvent etre classes en deux grands groupes :

1) les modeles zero-dimensionnels (OD) ou thermodynamiques,qui sont regis par des equations du premier principe de la thermo-dynamique applique en systeme ouvert et qui reposent sur les prin-cipes de conservation (energie, masse, quantite de mouvement, loides nœuds et des mailles) ou sur les equations d’etat des fluides ;

2) les modeles dimensionnels (1D, 2D, 3D) ou les phenomenesphysiques peuvent etre consideres selon les besoins comme spa-tialement localises (modeles a parametres localises, par exempleun ressort ou une resistance electrique) ou comme spatialementdistribues (modeles a parametres distribues, par exemple unestructure flexible ou une ligne electrique). On parle meme de 4Dlorsque la dimension temporelle est ajoutee.

� Il faut pouvoir analyser les proprietes structurelles du modele,qui sont independantes des valeurs numeriques de ses parametres,sous les aspects de commandabilite, d’observabilite, de surveillabi-lite, d’inversibilite [1].

� Il faut pouvoir renseigner de facon evolutive precise et perti-nente les lois de comportement caracterisant les phenomenes phy-siques retenus pour la modelisation, ainsi que les parametres dumodele. Cela pourrait constituer un frein pour obtenir la modelisa-tion fine adaptee au cahier des charges des essais souhaites. Uneanalyse de sensibilite des resultats de simulation aux incertitudesparametriques est a mener.

Acronymes

BGD Bond graph en causalite preferentielle derivee

BGIBond graph en causalite preferentielleintegrale

CAO Conception assistee par ordinateur

CDC Cahier des charges

CFD Computational Fluid Dynamics

CMS Component Mode Synthesis

GDR Generalized Dynamic Reduction

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

LTV Lineaire a temps variant

MORA Model Order Reduction Algorithm

MOS-FETMetal – Oxide – Semiconductor Field-EffectTransistor

PDM Product Data Management

PID Proportionnel integral derive

PLM Product Lifecycle Management

SOA Safe Operating Area

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1.3 Raffinement des modeles

La construction de modeles peut se faire de deux manieres :

– par une approche de type montante ou « du plus simple auplus complique », en partant du modele fonctionnel et en ajoutantpas a pas les phenomenes « parasites » consideres comme influantles performances a evaluer ;– par une approche de type descendante ou « du plus complique

au plus simple », en incluant des le depart l’ensemble des pheno-menes qui semblent influents et en simplifiant ensuite le modeleselon des criteres specifiques a la phase de l’etude. Pour des consi-derations dynamiques, on peut eliminer les phenomenes « lents »ou « rapides » suivant le domaine frequentiel concerne. Pour desconsiderations energetiques, on peut eliminer les elements dumodele qui contribuent faiblement a l’activite energetique totalede l’ensemble.

Le choix entre ces deux demarches se fait sur des criteres telsque :

– le besoin d’avoir une grande reactivite dans la prise en main dusysteme virtuel, et la comprehension des phenomenes, qui privile-giera la premiere demarche ;– le besoin d’avoir un modele de connaissance precis tout en

souhaitant obtenir un modele simplifie pour la determination deslois de commande du systeme, adapte aux caracteristiques des sol-licitations subies, ce qui est en faveur de la deuxieme demarche.

La methode de modelisation proposee, basee sur l’outil bond graph,se prete aux deux approches. Elle permet aisement de faire evoluer lemodele par ajout de nouveaux elements et phenomenes ; des metho-des existent pour analyser les proprietes dynamiques et energetiquesdu modele et pour construire les modeles simplifies [2] [3].

L’approche bond graph s’applique aux systemes a parametreslocalises, mais les phenomenes distribues peuvent etre pris encompte apres une discretisation spatiale et une analyse modale.

1.4 Genericite de la demarche

La demarche de virtualisation doit pouvoir s’adapter a tout typede systeme mecatronique et etre applicable a la plus large gammed’activites d’ingenierie. Cela impose d’avoir une approche :

– structuree, permettant une decomposition ou une integrationdu systeme a modeliser selon des niveaux d’integration, commeproduit final/systemes/sous-systemes/equipements/organes/com-posants elementaires ;– energetique, mettant en evidence, autant pour les aspects

structurels que quantitatifs, les echanges de puissance a l’interieurdes modeles et a l’interface avec leur environnement exterieur ;– multiphysique, couvrant l’ensemble des domaines physiques

associes aux technologies utilisees dans le produit etudie (parexemple electronique de puissance et de signal, mecanique desfluides et des solides, thermique, electromagnetique, etc.) ;– potentiellement non causale, c’est-a-dire sans imposition de la

direction des echanges de donnees entre modeles et a l’interieurdes modeles, de facon a supporter des activites d’ingenierie diver-ses (par exemple simulation inverse pour le dimensionnement etsimulation directe pour l’analyse des performances) ;– causale pour permettre non seulement une analyse des pro-

prietes structurelles du modele (commandabilite, observabilite,inversibilite, surveillabilite) mais aussi la construction des modelesmathematiques associes qui serviront pour la conception des loisde commande.

Ainsi, cette demarche peut s’appuyer sur un jeu de bibliothequesde modeles couvrant plusieurs niveaux d’integration et plusieursdomaines physiques.

Pour les systemes mecatroniques, la mise en œuvre d’un proces-sus d’ingenierie tres fortement base sur les modeles necessite doncde pouvoir disposer d’une plate-forme d’essais virtuels repondantau mieux a l’ensemble des besoins enumeres ci-dessus.

Dans la suite, on s’interessera essentiellement au processus etaux qualites des logiciels de la plate-forme en insistant sur les cri-teres de decision, les limites actuelles de la virtualisation, ainsi quesur les bonnes pratiques.

2. Proprietes rechercheespour une plate-formelogicielle

La demarche virtuelle proposee ci-dessus s’appuie sur une plate-forme materielle et logicielle de prototypage numerique qui doitpermettre la modelisation, la simulation, l’analyse, et si possible lasynthese de systemes mecatroniques. Le support apporte par laplate-forme virtuelle est alors directement lie :

– a sa modularite et a son evolutivite ;– a sa genericite et a sa reutilisabilite ;– a sa capacite a etre raffinee au fur et a mesure de l’avancement

d’un projet ou des processus d’ingenierie bases sur les modeles.

Le present paragraphe a pour objectif de lister les proprietesrecherchees pour une telle plate-forme. L’etat de l’art est mentionneen considerant essentiellement les logiciels de simulation commer-ciaux. La specification, l’evaluation et la selection d’une plate-formede prototypage virtuel pour les produits mecatroniques doiventconsiderer globalement plusieurs aspects qui sont detailles ci-apres.

2.1 Couverture de la plate-forme

2.1.1 Plate-forme virtuelle multiphysique

La prise en compte de l’aspect multiphysique des systemes per-met de traiter les grands domaines de la physique appliquee (parexemple mecanique, hydraulique, pneumatique, thermique, elec-tromagnetique, electronique). Au-dela de la capacite multiphy-sique, la capacite a modeliser et a simuler les interactions (coupla-ges) entre les domaines est essentielle pour l’ingenierie dessystemes mecatroniques. Un environnement de simulation de sys-temes multiphysiques couples peut etre represente sous la formede la figure 1 dans laquelle l’anneau exterieur est associe au niveaulocal et l’anneau interieur au niveau global. La capacite multiphy-sique apparaıt sur un anneau donne alors que la capacite multi-echelle apparaıt radialement entre niveaux.

Au niveau global, de plus en plus de logiciels de simulation com-merciaux offrent des capacites multiphysiques a travers des biblio-theques orientees domaine (par exemple mecanique du solide,hydraulique, machines electriques, electronique de puissance).Cependant, cette structuration des librairies va souvent a l’encontrede la capacite a modeliser les couplages, en particulier avec la ther-mique pour les systemes dont la finalite est de transmettre de lapuissance mecanique. Par exemple, on dispose encore rarementde modeles equilibres en energie dans lesquels les pertes mecani-ques par frottement ou les pertes hydrauliques par fuite sont vuescomme des sources de chaleur du point de vue thermique [4].

Au niveau local, on trouve a la fois des logiciels commerciauxdedies a un domaine particulier (par exemple la mecanique dusolide) et multiphysiques, avec ou sans capacite de couplage.L’existence de solveurs encore dedies a une physique ou a une acti-vite donnees peut resulter de l’evolution des produits (elargisse-ment des capacites de simulation par simple rachat d’editeurs delogiciel) ou par les particularites numeriques des modeles (syste-mes raides, matrices « creuses », etc.). Cependant, ce dernier pointa tendance a disparaıtre avec les progres rapides en matiere de sol-veurs numeriques.

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Enfin, il ne faut pas oublier la capacite de modelisation/simula-tion selon une vision signal, souvent de type bloc-diagramme et/ou machine d’etat. Cette capacite est incontournable pour simulerle traitement du signal par exemple a travers des blocs fonctionde transfert, controleurs PID, saturation, echantillonneurs, quantifi-cateurs, retards, etc. Cette capacite peut s’averer egalement utilepour modeliser et simuler les systemes de puissance durant lesphases tres preliminaires du projet. Cependant, considerer les sys-temes de puissance selon une approche signal engendre des limi-tations severes et des incoherences frequentes qui restreignent l’in-teret de capacites exclusivement « signal ».

2.1.2 Plate-forme virtuelle multi-echelle

Les capacites de modelisation multi-echelles couplees permet-tent de lier les modeles a parametres localises (0D, 1D) et les mode-les a parametres distribues (2D, 3D, 4D). Idealement, ce lien doitpouvoir s’operer dans les deux sens.

Du global vers le local, les modeles a parametres localises four-nissent des valeurs cibles (par exemple, une raideur axiale pourl’ancrage d’un verin sur une structure) qui constituent une specifi-cation pour l’etude locale a parametres distribues (par exemplel’etude en elements finis de la ferrure d’ancrage du verin sur lastructure porteuse) [5]. Une autre voie interessante pour le lien glo-bal vers local concerne l’elaboration de metamodeles. En effet, lesexemples precedents requierent une modelisation geometriquefine que le concepteur ne peut realiser que lorsqu’il est en bas ducycle en V. Il y a donc un besoin de connaissance de modeles glo-baux parametriques pour les phases de conception preliminairedans lesquelles les details geometriques ne sont pas encoreconnus. Le calcul local sur des geometries generiques parametrees

permet alors d’elaborer des metamodeles globaux qu’il est pos-sible d’utiliser dans les phases de conception preliminaire. Onpeut par exemple elaborer des metamodeles de corps d’action-neurs pour servir les besoins d’estimation de masse ou de pre-miere frequence naturelle de vibration [6].

Du local vers le global, la simulation des modeles a parametresdistribues permet de se passer d’essais reels pour fournir les para-metres (ou meme les structures) des modeles globaux. La mise enœuvre de cette passerelle est plus ou moins aisee selon lesbesoins. Ainsi, il est assez facile d’obtenir par exemple :

– les proprietes inertielles (masse, moment d’inertie) d’une piece oud’un equipement a partir du modele CAO et du choix de materiaux ;– le modele tabule de resistance hydraulique d’une restriction fixe

ou variable en fonction des conditions d’ecoulement (nombre de Rey-nolds), a partir d’un calcul en mecanique des fluides numerique (CFD) ;– la force electromagnetique d’un electro-aimant en fonction du

courant d’alimentation et de la position du noyau, a partir d’un cal-cul 3D en electromagnetique.

2.2 Implementation numeriquede la plate-forme

2.2.1 Implementation multi-echelleet multidomaine

Le lien multi-echelle ou multiphysique peut dans certains cas selimiter a la simulation sequentielle (au besoin, bouclee pour reali-ser des iterations) des activites de conception basee sur les mode-les. Cependant, il est souvent indispensable de proceder a une

Solidesdéformables

Systèmes multicorps rigides

Thermique

Fluides et écoulements

Controle / commande

Électronique

Électromagnétisme

Électrotechnique

Niveau local

Niveau global

Hydraulique / pneumatique

Figure 1 – Environnement de prototypage numerique multi-echelle (radialement) et multiphysique (sur un cercle)

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Approche virtuellepour la conceptionet le developpement des systemesmecatroniques – Mise en œuvre

par Rodolphe DENISSystems Mechanics and Simulation leader,Aircelle, Groupe Safran, Le Havre, France

Jean-Charles MAREProfesseur des universitesInstitut Clement-Ader, Insa, Toulouse, France

Genevieve DAUPHIN-TANGUYProfesseur des universitesLAGIS UMR CNRS 8219, Villeneuve-d’Ascq, France

et Achour DEBIANEResponsable R&DCERTIA, Noisy-le-Grand, France

1. Application industrielle : systeme d’actionnementelectrique pour inverseur de poussee Aircelle integrea un banc d’essai............................................................................. S 7 801 – 4

1.1 Objectif de la modelisation ................................................................ — 61.2 Modelisation de l’equipement et de son environnement ................. — 6

1.2.1 Description et modelisation de l’actionneur .......................... — 6

1.2.2 Modelisation de la partie mecanique ..................................... — 6

1.2.3 Equilibre mecanique et energetique ....................................... — 6

1.2.4 Modelisation des structures flexibles 3D – configurationsavion et banc d’essais ............................................................. — 10

1.2.5 Modelisation de l’electronique de puissance ......................... — 12

1.2.6 Elaboration des lois de commande ........................................ — 141.3 Elaboration de la plate-forme de test virtuelle ................................. — 191.4 Resultats de correlation ..................................................................... — 21

2. Conclusion........................................................................................ — 23

Pour en savoir plus.................................................................................. Doc. S 7 801

Au cours de la derniere decennie, l’augmentation du trafic aerien, du cout del’energie et la prise de conscience des impacts environnementaux ont

conduit les avionneurs a developper des solutions plus sures, plus economi-ques et moins polluantes. Dans cette quete, le developpement de systemes depuissance et d’information « plus electriques » est tres vite apparu comme unesource prometteuse de progres. Les systemes d’actionnement a puissance elec-trique, deja presents sur les recents avions commerciaux, permettent de maıtri-ser plus finement la puissance, de reduire la consommation d’energie fossile,de reduire la masse embarquee des fluides polluants et d’optimiser la mainte-nance en identifiant mieux les pannes, tout en conservant la disponibilite de lafonction malgre une technologie plus sophistiquee.

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La technologie utilisee pour les systemes d’actionnement embarques a puis-sance electrique presente des proprietes specifiques et nouvelles pour lesconcepteurs :

– l’inertie des rotors des moteurs electriques affecte significativement ledimensionnement en puissance et le comportement dynamique naturel de l’ac-tionneur ;– les pertes d’energie dans l’actionneur doivent etre evacuees localement, a

l’inverse des actionneurs hydrauliques ou le fluide joue aussi le role deconvoyeur de chaleur ;– les fonctions secondaires d’amortissement en fin de course doivent etre rea-

lisees par la commande des moteurs ;– l’augmentation de la complexite de l’actionneur impose de pouvoir diagnos-

tiquer et reconfigurer le systeme en cas de panne.

Ainsi, les systemes hydrauliques sont remplaces par des systemes electriquestres sophistiques.

Ces systemes hebergent des electroniques tres integrees et du logicielembarque qui doivent respecter des normes severes (DO178 et DO254 respecti-vement) et qui sont soumis a un processus de developpement formel et sou-vent long a derouler.

Ce processus de developpement des systemes aeronautiques complexes estregi par une methodologie de V&V, conformement a la norme ARP4754 (Aero-space Recommended Practice « Certification considerations for hightly-integratedor complex aircraft systems »). Cette methodologie est representee en figure 1.

Ce processus V&V est supporte par des moyens de simulation dans la bran-che descendante du V pour valider les exigences et les hypotheses d’allocationsaux composants. En pratique, plusieurs configurations sont declinees parniveau depuis un environnement entierement simule au depart puis elles inte-grent au fur et a mesure les calculateurs (logiciel puis logiciel et materiel) fonc-tionnant en temps reel. Ces calculateurs sont mis en face d’un contexte de plusen plus simplifie pour satisfaire les contraintes temps reel, soit les activites« A » sur le diagramme de la figure 1.

Les moyens d’essai de verification sont utilises sur la branche remontante duV pour etablir le dossier de certification, soit les activites « B » sur le diagrammede la figure 1.

Ces moyens sont en general concus pour etre les plus representatifs possible,car les ecarts avec le reel devront etre parfaitement justifies aupres del’avionneur.

Cependant, l’integration des composants intervient parfois trop tardivementau banc d’essai. Elle est souvent a risque car elle s’accompagne presque tou-jours de la decouverte d’aleas, preuve que les modeles utilises dans la chaıne

Spécifications Qualification

IntégrationConception

générale

Conceptiondétaillée

Tests unitaires

Produit

A

A

A

B

B

B

Figure 1 – Processus validation & verification

APPROCHE VIRTUELLE POUR LA CONCEPTION ET LE DEVELOPPEMENT DES SYSTEMES MECATRONIQUES – MISE EN ŒUVRE ––––––––––––––––––––––––––

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de simulation ne sont pas encore suffisamment representatifs, ou que la porteedes simplifications d’integration temps reel a ete mal analysee. Il convient alorsde redevelopper une version amelioree du systeme (portant souvent sur le logi-ciel), tout en maintenant la version existante appelee sur le moyen superieur(banc d’essai de l’integrateur, campagne d’essai en vol…).

Ces surcouts et retards sont donc clairement expliques d’une part par unemodelisation insuffisante des phenomenes physiques et d’un defaut de valida-tion des modeles simplifies, et d’autre part par une disponibilite trop tardive dumoyen d’essai.

Enfin, se pose la question du cycle de vie de ces moyens. Par exemple, pourfournir le systeme electrique de l’inverseur de poussee de l’Airbus A380, Air-celle a fait developper trois bancs d’essais : un banc exploratoire et partiel dela technologie, un banc d’integration et developpement pour la verification et lavalidation (V&V) et un banc de robustesse et de maturite.

Comment reutiliser ces bancs pour permettre d’integrer au plus tot les nou-velles technologies ? Comment ameliorer la chaıne de simulation avec desmodeles prenant mieux en compte les phenomenes physiques ? La modelisa-tion du moyen d’essai lui-meme permettra-t-elle d’expliquer les ecarts de repre-sentation de la realite physique ? Permettra-t-elle egalement de transposer desresultats d’un banc initialement moins representatif mais immediatement dis-ponible et qui sera amene a evoluer lorsque les prototypes a tester serontpresents ?

La definition et la mise en œuvre d’une approche virtuelle qui permettrait derepondre positivement a ces questions constitue pour Aircelle un enjeu detaille, en particulier pour la conception, le developpement et la validation desystemes d’actionnement electromecaniques pour inverseur de poussee.

Le present article a pour objectif d’appliquer la methodologie de conceptionet de developpement de systemes mecatroniques proposee dans l’arti-cle [S 7 800]. Cette demarche, basee sur les aspects modeles et plate-formelogicielle, est mise en œuvre dans le cadre d’un systeme d’actionnement elec-tromecanique d’inverseur de poussee.

Le processus defini dans la figure 2 montre bien ce que peuvent etre les bene-fices d’une plate-forme virtuelle.

Grace a une utilisation accrue de la simulation dans les premieres etapes duprojet, les tests de mise au point du systeme sont mieux optimises, ce qui serepercute directement sur les couts. La necessite du recours a ce type de metho-des n’est plus a demontrer et les enjeux economiques ne sont plus a justifier.

Plus d'effort au début pour une sécurisation des développements : cout, planning, risques technologiques.

Figure 2 – Interet de l’utilisation du virtuel

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1. Application industrielle :systeme d’actionnementelectrique pour inverseurde poussee Aircelle integrea un banc d’essai

Dans le cadre d’un projet relatif au developpement d’une plate-forme de tests virtuelle, Aircelle a developpe un systeme d’action-nement electromecanique d’inverseur de poussee ciblant lagamme des petites et moyennes nacelles.

Ce systeme d’actionnement s’integre sur une nacelle incluant uninverseur de poussee a deux portes arriere, comme presente enfigure 3.

Le principe et l’architecture de l’inverseur de poussee a deux por-tes arriere sont definis sur la figure 4 .

En phase de vol, la nacelle a pour fonction, entre autres, de trans-mettre la poussee du moteur en canalisant l’air a l’entree et les gaza la sortie des flux d’air primaire et secondaire (figure 4a).

Lors de l’atterrissage, une contribution au freinage de l’avion estassuree par la fonction inverseur de poussee, partie integrante dela nacelle.

Comme presente en figure 5, l’inverseur de poussee a deux por-tes arriere est constitue de deux portes independantes, articuleesen liaison pivot sur la structure fixe.

Chaque porte est mue par un verin electromecanique lineaire dontla tige est en liaison cardan avec la porte et dont le corps est en liai-son cardan avec la structure du moteur. L’ensemble realise donc unsysteme a trois barres dont l’une (le verin) est a longueur variable.

Cette rotation des portes induit une obstruction des flux dumoteur avion, rediriges vers l’avant : il s’agit de la contre-pousseequi contribue a la deceleration de l’avion.

Afin d’apprehender le comportement du systeme d’actionne-ment electromecanique couple a la structure inverseur de pousseelors des phases d’ouverture et de fermeture des portes, un bancd’essai a ete developpe par CERTIA.

Ce banc a pour vocation de representer au mieux l’environne-ment avion dans lequel est integre le systeme d’actionnementinverseur de poussee et de retranscrire les conditions operationnel-les auxquelles est soumis le systeme d’actionnement.

Par consequent, le banc d’essai est compose de deux modulesconstitues chacun d’une structure pivotante, representative d’uneporte inverseur de poussee en termes de cinematique et d’inertie.

Les chargements aerodynamiques appliques sur la porte et reprispar le systeme d’actionnement sont reproduits par des verins decontre-charge hydrauliques, comme presente en figure 6.

La plate-forme de tests virtuelle a pour vocation de capturer leslimitations associees a l’utilisation du banc d’essais en termes derepresentativite de l’environnement avion. Cette demarche, traduitepar la figure 7, permettra de reconcilier les essais effectues sur lebanc au plus tot afin de maturer le systeme d’actionnement dansun environnement coherent d’une integration sur avion.

La methode necessite de modeliser le systeme d’actionnementdans les configurations avion et banc d’essais, respectivement.

L’elaboration de cette plate-forme virtuelle comporte donc plu-sieurs etapes, definies comme suit :

– la modelisation du systeme d’actionnement ;– la modelisation de l’environnement banc d’essais et l’integra-

tion du modele d’actionnement defini precedemment ;– la validation du modele systeme d’actionnement integre en

configuration banc par correlation avec la campagne d’essaiseffectues ;

Acronymes

BG Bond Graph

BGD Bond Graph en causalite preferentielle derivee

BGIBond Graph en causalite preferentielleIntegrale

EF Elements finis

EMA Electro Mechanical Actuator

HIL Hardware In the Loop

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

IHM Interface homme-machine

IPM Intelligent Power Module

MOS-FETMetal – Oxide – Semiconductor Field-EffectTransistor

PI Proportionnel integral

SIL Software In the Loop

V&V Verification and Validation

Figure 3 – Nacelle deux portes arriere

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Vol Flux d'air canalisé

Flux d'air primaire et secondaireFlux d'air primaire et secondaire

Atterrissage- Inversion du flux d'airba

Figure 4 – Principe inverseur de poussee a deux portes arriere – configurations vol (a) et atterrissage (b)

Pivot porte /structure fixe

Interface actionneur / porte

Interface structurefixe / actionneur

Figure 5 – Systeme d’actionnement integre – configuration avion

Structurepivotante

Vérin hydraulique

Figure 6 – Configuration banc d’essais

Modèle virtuel configuration avion

Élaboration d'un modèlesystème - structure en

configuration avion

Modèle virtuel banc existant

Élaboration d'un modèlebanc existant + système

Modèle virtuel banc validé

Quantification des écarts de simulation

Banc réel

Essais

Figure 7 – Demarche modelisation couplage systeme/structure inverseur de poussee

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Cartographie et localisationsimultanees en robotique mobile

par David FILLIATProfesseur, Responsable de l’equipe Robotique et VisionUnite informatique et ingenierie des systemes (U2IS), ENSTA ParisTech, Palaiseau, France

1. Representations de l’environnement .......................................... S 7 785 – 21.1 Capteurs pour la navigation .............................................................. — 21.2 Hierarchie des representations .......................................................... — 21.3 Representations metriques ................................................................ — 3

2. Principaux algorithmes pour le SLAM ........................................ — 42.1 Difficultes de la cartographie ............................................................. — 42.2 Correlation de mesures ...................................................................... — 42.3 Methodes de filtrage .......................................................................... — 72.4 Methodes d’optimisation ................................................................... — 9

3. Applications specifiques en fonction des capteurs ................ — 103.1 Telemetres laser ................................................................................. — 103.2 Vision monoculaire ............................................................................ — 113.3 Camera stereoscopiques et RGB-D.................................................... — 11

4. Conclusion........................................................................................ — 12

Pour en savoir plus.................................................................................. Doc. S 7 785

Il existe une tres large palette de methodes de navigation pour la robotiquemobile. Les plus simples sont des methodes reactives qui vont permettre de

se deplacer aleatoirement ou de suivre une cible, mais pour accomplir unetache complexe, il est souvent necessaire de connaıtre la position du robotdans son environnement et de disposer d’une carte qui permette de planifierles deplacements pour atteindre un but precis en evitant les obstacles connus.Un robot aspirateur peut tres bien fonctionner avec une strategie de navigationaleatoire, mais si l’on imagine un robot de service pouvant par exemple appor-ter des objets a une personne handicapee, des capacites de planification dedeplacement et de localisation precise sont necessaires.

Lorsque l’on souhaite naviguer en utilisant une carte, il faut resoudre deuxproblemes : celui de la cartographie pour creer cette carte et celui de la locali-sation pour estimer la position du robot. Pour des applications pouvant se per-mettre une mise en place assez lourde, la cartographie peut etre simplifiee enetant realisee par un operateur humain, ou en modifiant l’environnement parl’ajout de balises par exemple. Cependant, pour des applications a tres largediffusion, typiquement des robots de service a la personne, il est souhaitableque le robot puisse realiser sa carte de maniere autonome, sans adaptation del’environnement et sans connaissances particulieres de l’utilisateur. C’est ega-lement le cas pour des applications ou l’homme ne peut pas acceder a l’envi-ronnement, comme dans un contexte militaire ou de catastrophe naturelle.Dans ces cas, les problemes de cartographie et de localisation sont interdepen-dants et il faut les resoudre ensemble, ce qui a donne naissance a un domainede recherche tres actif depuis les annees 1990 : celui de la cartographie et loca-lisation simultanees, designe par son acronyme anglais SLAM (SimultaneousLocalization and Mapping).

Le SLAM a deja des applications grand-public, notamment avec les robotsaspirateurs, dont certains modeles utilisent des cameras ou des telemetres

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laser pour construire une carte, se localiser et planifier leurs deplacements.Cependant, cela reste un domaine de recherche tres actif et des progres cons-tants sont accomplis pour permettre de fournir des cartes plus precises ou defonctionner dans des environnements plus grands, plus complexes ou sur desperiodes de temps plus longues. Dans le cadre de cet article, nous nous focali-serons sur des applications de robotique de service en environnement interieur,meme si la plupart des concepts et techniques peuvent s’utiliser directement ous’adapter en milieu exterieur ou a d’autres types d’application tels que les vehi-cules intelligents. Dans ces contextes cependant, il est en general utile de met-tre en œuvre le systeme GPS qui, s’il n’a pas la precision suffisante pour cons-truire directement une carte de l’environnement, permet neanmoins d’avoir uneestimation de position absolue et de limiter la derive a long terme de lalocalisation.

Nous presenterons tout d’abord les capteurs et les grands types de cartesutilises pour le SLAM. Nous detaillerons ensuite les grandes classes d’algorith-mes et presenterons rapidement les methodes les plus courantes de correlationde donnees, de filtrage et d’optimisation. Enfin, nous analyserons plusieursalgorithmes deja exploites dans des applications industrielles, qui partent demethodes eprouvees et dependent des types de capteurs disponibles sur lerobot, et presenterons les methodes les plus recentes issues de la recherche.Sans pouvoir developper en detail les differentes methodes dans le cadre dece texte, nous souhaitons donner une vue suffisamment large et claire dudomaine pour permettre de choisir le type d’approche le mieux adapte en fonc-tion des contraintes d’un projet.

1. Representationsde l’environnement

1.1 Capteurs pour la navigation

Tous les capteurs utilises en robotique mobile fournissent soitdes informations sur le deplacement du robot (informations pro-prioceptives), soit des informations sur l’environnement du robot(appelees en general simplement perceptions).

Ces informations ont des proprietes complementaires. Les infor-mations proprioceptives, qui peuvent provenir de la mesure de larotation des roues ou de la mesure de l’acceleration grace a unecentrale inertielle, sont soumises a un bruit cumulatif qui les rendinutilisables a long terme car l’erreur de mesure de position aug-mente constamment. Pour leur part, les perceptions, qui peuventprovenir de telemetres ou de cameras par exemple, sont soumisesa des ambiguıtes qui n’augmentent pas forcement au cours dutemps, mais qui ne permettent pas de localiser un robot demaniere non equivoque. Par exemple, la detection d’une portepeut permettre de localiser precisement le robot par rapport acette porte, mais ne permet pas toujours de savoir devant quelleporte le robot se trouve parmi toutes les portes du batiment.

Dans un processus de navigation a long terme, maintenir unelocalisation precise requiert donc en general l’integration des don-nees proprioceptives et des perceptions du fait de leur complemen-tarite. Les perceptions permettent en effet de corriger l’erreur d’uneestimation produite par les informations proprioceptives, tandisque les donnees proprioceptives, en donnant une premiere

estimation de la position, permettent de resoudre les ambiguıtesdes perceptions.

Dans le cadre de cet article, nous traiterons de methodes deSLAM utilisant trois types de capteurs : les telemetres laser, lescameras standard (RGB) et les cameras mesurant egalement la pro-fondeur (RGB-D). L’exploitation d’informations proprioceptivesdepend des algorithmes. Dans le cas du SLAM 2D, les donneesd’odometrie provenant des roues du robot sont tres souvent utili-sees. Cependant, si un algorithme estime la position a partir desperceptions avec une frequence suffisamment elevee, les donneesproprioceptives ne sont pas forcement necessaires, la position esti-mee precedemment etant suffisante comme estimation initiale.C’est par exemple souvent le cas des algorithmes de SLAM 3D apartir de vision pour lesquels on souhaite souvent se restreindre ala seule camera. Cependant, toutes ces methodes peuvent en gene-ral gagner en robustesse ou en temps de calcul par l’utilisation dedonnees proprioceptives, comme celles provenant d’une centraleinertielle.

1.2 Hierarchie des representations

Les cartes utilisees pour la navigation permettent de faire le lienentre les donnees proprioceptives et les perceptions. Elles fournis-sent a differents algorithmes les donnees necessaires pour integrerces deux sources d’information afin de produire une estimationprecise et non ambigue de la position. Elles permettent egalementde planifier des chemins dans l’environnement afin de realiser unetache. Enfin, la carte en elle-meme peut etre un produit interessantdu systeme robotique, par exemple dans le cadre d’un robotd’exploration concu pour cartographier un environnement difficile-ment accessible.

CARTOGRAPHIE ET LOCALISATION SIMULTANEES EN ROBOTIQUE MOBILE –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

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Il existe plusieurs types de cartes. Les deux plus courants sontles cartes metriques d’une part et les cartes topologiques d’autrepart. Une carte metrique rassemble dans un meme cadre de refe-rence les donnees proprioceptives et les perceptions. La cartecontient alors un ensemble d’elements ayant chacun une positionassociee. Dans une carte topologique, des lieux et leurs relationsde voisinage sont memorises. Chaque lieu est defini au moyen deperceptions recueillies lorsque le robot se trouve a la position cor-respondante et leurs relations sont en general deduites des don-nees proprioceptives.

Bien qu’il soit possible et tres utile dans certains cas de cons-truire des cartes topologiques directement, ces deux types de car-tes se placent souvent dans une hierarchie de representations(figure 1). A la base de cette hierarchie, se trouve une cartemetrique construite aussi precisement que possible qui aura pourbut de permettre la localisation precise et la planification detailleede chemins. L’analyse de cette carte metrique permet ensuite deproduire une carte topologique de lieux pertinents pour la tache,typiquement les pieces et les couloirs et leurs relations. Cette repre-sentation permet de realiser des plans de plus haut niveau prenantpar exemple en compte le fait que plusieurs taches doivent se faire

dans la meme piece. Enfin, au sommet de cette hierarchie, il estpossible de placer une carte semantique qui contiendra des infor-mations de plus haut niveau sur les elements, par exemple le typede piece (salon, cuisine…) ou les objets qui ont pu etre trouvesdans cette piece. Ce dernier niveau sera notamment pris en comptepour les besoins d’interaction avec l’humain qui raisonne souventen utilisant ce type de concepts. Dans cet article, nous nousconcentrons sur les approches utilisant des cartes metriques quisont a la base de cette hierarchie et sont les plus utilisees pour lesbesoins de navigation des robots en environnement interieur.

1.3 Representations metriques

Dans une carte metrique, l’environnement est represente par unensemble d’objets auxquels sont associees des positions dans unespace metrique. Cet espace est, la plupart du temps, celui danslequel s’exprime la position du robot estimee par les donnees pro-prioceptives. Les perceptions permettent de detecter ces objets et,en utilisant un modele metrique des capteurs, d’estimer leurs posi-tions par rapport au robot puis dans l’environnement a partir de laposition estimee du robot. La fusion des deux sources d’informa-tion au sein d’un meme espace de representation est caracteris-tique des cartes metriques.

Deux methodes principales sont utilisees pour memoriser cesinformations. La premiere extrait explicitement des objets des per-ceptions et les enregistre avec leur position estimee. Les objetspeuvent etre de types varies et se situer a differents niveaux d’abs-traction : ils sont souvent designes sous le nom generique d’amers.La seconde methode s’attache a representer directement l’espacelibre accessible au robot et les zones d’obstacles qu’il ne peut pasfranchir. Dans cette methode, les donnees des capteurs sont inte-grees directement sans qu’il soit necessaire d’en extraire desobjets.

Les objets les plus simples qui peuvent etre utilises sont despoints, par exemple des points d’interet detectes dans des imagesou des coins detectes dans des scans laser (figure 2). La perceptiond’un point ne definit en general pas la position du robot de maniereunique et il est donc necessaire d’en detecter plusieurs ou d’inte-grer plusieurs detections successives. Il est egalement possible

CouloirEntrée

Salon Cuisine

Chambre

Chambre

Niveau sémantique

Niveau topologique

Niveau métrique

Salle de Bain

Figure 1 – Illustration de la hierarchie des representations

Scans laser

Segments

Points d’intérêt

Figure 2 – Illustration de differents types de cartes d’amers pour un meme environnement

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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.© Techniques de l’Ingénieur, traité Télécoms TE 5 955 − 1

Techniques de la réalité virtuelleen médecine

par Hervé DELINGETTEIngénieur de l’École centrale des arts et manufactures,Docteur ès sciencesDirecteur de recherche à l’INRIA (Institut national de recherche en informatique et en automatique)

es développements de nouvelles techniques d’imagerie médicale, de tech-nologies de l’information et de la robotique, ont révolutionné la pratique

médicale au prix d’un degré de complexité accru.Parmi ces technologies, la réalité virtuelle vient appuyer le praticien aussi

bien lors des étapes de diagnostic, de thérapie que du suivi postopératoire.

Le lecteur consultera utilement les articles :— Réalité virtuelle – Concepts et outils [TE 5 900] dans le même traité ;— Influence des environnements virtuels [TE 5 950] dans ce traité ;— Conception d’environnements virtuels de formation [TE 5 975] dans ce traité ;— Synthèse d’image [H 3 748] dans le traité Informatique.

1. Nouvelles technologies et médecine ................................................. TE 5 955 - 21.1 Contexte médical et technologique ........................................................... — 21.2 Applications de la réalité virtuelle en médecine ....................................... — 2

2. Visualisation tridimensionnelle ........................................................... — 32.1 Visualisation et imagerie médicale ............................................................ — 32.2 Rendu de surface ......................................................................................... — 32.3 Rendu volumique ........................................................................................ — 42.4 Comparaison entre le rendu de surface et le rendu volumique.............. — 52.5 Endoscopie virtuelle .................................................................................... — 5

3. Simulation de gestes opératoires ....................................................... — 63.1 Principe et intérêt de la simulation ............................................................ — 63.2 Architecture logicielle d’un simulateur de chirurgie ................................ — 73.3 Modélisations physique et physiologique du corps humain................... — 73.4 Interaction et retour d’effort ....................................................................... — 8

4. Réalité augmentée ................................................................................... — 84.1 Principe de la réalité augmentée................................................................ — 84.2 Recalage d’images médicales .................................................................... — 94.3 Réalisation d’un système de réalité augmentée en médecine ................ — 9

5. Robotique chirurgicale ........................................................................... — 10

6. Perspectives .............................................................................................. — 11

Références bibliographiques ....................................................................... — 11

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TECHNIQUES DE LA RÉALITÉ VIRTUELLE EN MÉDECINE ________________________________________________________________________________________

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.TE 5 955 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Télécoms

1. Nouvelles technologieset médecine

1.1 Contexte médical et technologique

On distingue traditionnellement deux étapes dans la pratique dela médecine :

— l’étape consistant à établir un diagnostic sur la présenceéventuelle de pathologies ;

— l’étape consistant à effectuer une thérapie adaptée audiagnostic.

Le développement de nouvelles technologies en médecinepermet d’en améliorer considérablement l’efficacité mais, aussi,l’utilisation de systèmes de plus en plus complexes tend à rendrela pratique de la médecine plus compliquée. En particulier, cettecomplexité renforce l’importance de la planification préopératoireet du suivi postopératoire. On peut ainsi schématiser (figure 1) leparcours d’un patient au sein d’un service de santé à l’aide d’uneboucle dans laquelle les phases de diagnostic, planification pré-opératoire, thérapie et suivi postopératoire sont réalisées succes-sivement.

Parmi les technologies qui ont révolutionné la médecine, l’ima-gerie médicale est désormais une technologie clé parce qu’elleintervient à tous les niveaux de la pratique médicale. Elle intervientnaturellement au niveau du diagnostic grâce à des modalitésd’imagerie telles que :

— la radiologie à rayons X ;— l’échographie par ultrasons (cf. article Contrôle non destructif

(CND) [R 1 400] dans le traité Mesures et Contrôle) ;— la tomodensitométrie (scanner X) (cf. article Tomographie à

rayons X [P 950] dans le traité Analyse et caractérisation) ;— l’imagerie par résonance magnétique (IRM) ;— ou encore l’imagerie tomographique nucléaire.

La planification préopératoire repose également en grande partiesur l’imagerie médicale sur laquelle la stratégie opératoire va êtreétablie.

Pendant la réalisation de la thérapie (phase per-opératoire),l’utilisation de l’endoscopie, de l’échographie, de la radiologie àrayons X ou encore de l’IRM interventionnelle est de plus en plusfréquente pour guider le geste du praticien.

Nota : la phase per-opératoire couvre une période s’étendant d’environ 48 heures avantl’opération à environ 48 heures après l’opération.

Enfin le suivi postopératoire repose souvent sur la comparaisondes images médicales du patient avant et après la thérapie.

1.2 Applications de la réalité virtuelleen médecine

Les nouvelles technologies de l’information et en particulier laréalité virtuelle permettent aux médecins de mieux appréhenderl’énorme quantité d’informations qui leur est fournie par les sys-tèmes d’imagerie ou les systèmes de thérapie. Plus précisément, laréalité virtuelle permet aux médecins de mieux comprendre, demieux planifier et de mieux agir. En effet, grâce à la visualisationen trois dimensions des images, de l’anatomie et des pathologies,les experts médicaux peuvent établir leur diagnostic de manièreplus efficace qu’en inspectant les images coupe à coupe sur unnégatoscope (§ 2). De plus, ces mêmes reconstructions tridimen-sionnelles servent à établir une planification très précise en troisdimensions d’une thérapie. La simulation de chirurgie (§ 3) permetde planifier le geste opératoire en sus de la stratégie opératoire.Enfin, à l’aide de la réalité augmentée (§ 4) et de la robotiquechirurgicale (§ 5), la précision du geste chirurgical est améliorée

grâce à la mise en correspondance entre le plan préopératoire etl’anatomie du patient pendant la pratique thérapeutique.

Ces quatre applications médicales (visualisation tridimension-nelle, simulation de chirurgie, robotique chirurgicale et réalité aug-mentée) utilisent le principe de la réalité virtuelle puisqu’ellescombinent des informations en trois dimensions issues essentiel-lement des images médicales ainsi qu’un niveau important d’inter-action entre l’expert médical et l’ordinateur. Il s’agit bien ici defournir à ces experts des outils informatiques précis et efficaces plu-tôt que de les remplacer par une machine. En effet, dans le domainemédical plus que dans tout autre, la supervision des prises de déci-sion est essentielle pour diminuer les réticences des patients et ducorps médical à adopter ces nouvelles technologies.

La figure 2 présente une classification approximative des nou-velles technologies informatiques en médecine en fonction de deuxcritères : l’interaction exigée entre l’homme et la machine, et la puis-sance de calcul requise. Pour certaines applications comme le trai-tement des images médicales, il s’agit de mettre au point desalgorithmes efficaces mais qui requièrent un faible niveau d’inter-action avec le praticien. Au contraire, la simulation de chirurgienécessite la modélisation des interactions gestuelles entre lechirurgien et l’environnement opératoire à l’aide de systèmesrobotisés.

Figure 1 – Les quatre étapes essentielles de l’imageriedans la pratique médicale

Figure 2 – Classification des principales applicationsde la réalité virtuelle en médecine

Planification préopératoire

Évaluation postopératoire

Établissementd'un

diagnostic

Applicationd'une

thérapie

TélémédecineTéléchirurgie

Traitement desimages

médicales

Visualisation

Réalité augmentée

Chirurgie assistéepar ordinateur

Planificationde chirurgie

Simulationd'interventionschirurgicales

Pu

issa

nce

de

calc

ul

Niveau d'interaction

QSX

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_______________________________________________________________________________________ TECHNIQUES DE LA RÉALITÉ VIRTUELLE EN MÉDECINE

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.© Techniques de l’Ingénieur, traité Télécoms TE 5 955 − 3

Les quatre applications qui sont décrites dans ce documentconcernent celles pour lesquelles l’interaction avec l’utilisateursont essentielles. La difficulté d’une application est d’autant plusgrande qu’elle requiert à la fois une forte interaction et une grandepuissance de calcul.

2. Visualisation tridimensionnelle

2.1 Visualisation et imagerie médicale

Les techniques d’acquisition d’images médicales continuent deconnaître un formidable développement dans trois directionsprincipales :

— une meilleure résolution des images ;— un meilleur rapport signal sur bruit ;— des modalités d’imagerie de plus en plus spécifiques.

Cela entraîne plusieurs conséquences pour le praticien :

— tout d’abord, la quantité des données à analyser tend àaugmenter énormément (une image IRM peut avoir plus de100 coupes, chaque coupe ayant une résolution de 512 pixels par512 pixels) ;

— également, l’amélioration de la vitesse d’acquisition permet lacréation de séquences temporelles d’images (imagerie en quatredimensions – 4D –) permettant de capturer les mouvements ducorps humain comme par exemple les mouvements cardiaques.Dans tous les cas, l’analyse individuelle de chaque coupe sur unnégatoscope, comme cela est effectué traditionnellement, devientalors impraticable ;

— de plus, l’amélioration du rapport signal sur bruit des imagespermet de distinguer des structures anatomiques de plus en pluspetites avec un meilleur contraste ;

— enfin, la multiplication des modalités d’imagerie, qu’ellessoient anatomiques ou fonctionnelles, renforce le besoin de lesfusionner afin de superposer les informations dans un même repèreanatomique.

Pour ces trois raisons, la visualisation tridimensionnelle etinteractive des données médicales commence à s’imposer surl’ensemble des systèmes d’imagerie et bénéficie de dévelop-pements informatiques, logiciels et matériels, importants.

Deux techniques de visualisation peuvent être utilisées : le rendude surface (§ 2.2) ou le rendu de volume (§ 2.3).

2.2 Rendu de surface

Le rendu de surface repose sur une description des structuresanatomiques sous la forme de facettes triangulaires ou quadrangu-laires. À partir de l’image médicale originale, trois étapes sontnécessaires (figure 3).

■ La première étape consiste à isoler les structures anatomiquesd’intérêt dans les images : c’est ce que l’on appelle la segmentationd’images. Cette étape repose sur des techniques de traitementd’images de complexité variable suivant la nature des images et desstructures anatomiques. Citons par exemple les techniques deseuillage d’images qui consistent à isoler les pixels pour lesquels leniveau de gris associé est compris entre deux valeurs (cf. articleAnalyse d’images [P 855] dans le traité Analyse et caractérisation).D’autres techniques complémentaires de segmentation d’imagesincluent la morphologie mathématique, les techniques de filtrageou encore l’utilisation de modèles déformables.

■ La seconde étape, dite de polygonisation, consiste à créer desmaillages triangulaires ou quadrangulaires à partir des régionsd’intérêt isolées dans l’image médicale. Plusieurs solutions tech-niques sont possibles pour cela.

● Une première approche consiste à extraire dans chaque coupeun ensemble de contours correspondant aux frontières des régionsd’intérêt. Un algorithme de reconstruction permet de créer destriangles s’appuyant sur les contours situés dans deux coupes adja-centes (figure 3). La difficulté de cette approche réside dans la priseen compte des changements de topologie des contours entre deuxcoupes adjacentes.

● Une seconde approche repose sur une polygonisation voxelpar voxel de la région d’intérêt de manière similaire à l’algorithmeappelé Marching Cubes proposé par Lorensen et Cline en 1986 [1](figure 4). Dans cette approche, la surface associée à une mêmevaleur (isosurface) de niveau de gris est extraite de manière indé-pendante voxel par voxel. Ainsi, après avoir étiqueté les voxelsappartenant à une région d’intérêt (résultant d’un algorithme desegmentation) à une valeur de 255 et ceux n’appartenant pas à cetterégion à 0, l’extraction de l’isosurface 128 permet de reconstruire larégion d’intérêt. L’algorithme de reconstruction opère sur les voxelsintersectant l’isosurface et crée un ensemble de triangles enfonction du nombre et de la position de ces intersections danschaque voxel.

Nota : l’information contenue dans chaque voxel d’une image médicale est une valeurunique (un chiffre) correspondant à une mesure physique : on parle de niveau de gris. Il estpossible de visualiser ces images en couleur, ceci est utilisé par exemple en médecinenucléaire. Mais à l’origine, l’image est constituée de niveaux de gris.

Figure 3 – Les deux étapes nécessaires à la visualisationde structures anatomiques fondées sur le rendu de surface

Image médicalevolumique

Délinéation destructures anatomiques

Création d'un maillage associéà la structure anatomique

Segmentation d'images médicales

Polygonalisationde la segmentation

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