Généralités, ch.1, part. 1

UFR des Sciences, Département EEA

M1 EEAII Parcours ViRob

Fabio MORBIDI

Laboratoire MIS !Équipe Perception et Robotique!

E-mail: [email protected]!

Année Universitaire 2014/2015

Jeudi 15h30-17h30, Salle 8

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Cours de robotique: M2 EEAII, parcours ViRob Semestre 9

• Localisation et navigation de robots (F. Morbidi)

• Perception avancée et robotique mobile (D. Kachi, F. Morbidi)

• Asservissement visuel (G. Caron, M. Chadli) – [UE optionnelle]

• Commande de robots (A. Rabhi)

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Plan du cours

Chapitre 1 : Généralités

1.1 Définitions

1.2 Constituants d’un robot

1.3 Classification des robots

1.4 Caractéristiques d’un robot

1.5 Les générations de robot

1.6 Programmation des robots

1.7 Utilisation des robots

Chapitre 2 : Degrés de liberté - Architecture

2.1 Positionnement

• Rotation et représentation de la rotation

• Attitude et matrices homogènes

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Plan du cours

Chapitre 3 : Modélisation d’un robot

2.2 Cinématique

• Vitesse d’un solide

• Vecteur vitesse de rotation

• Mouvement rigide

• Torseur cinématique

3.1 Modèle géométrique

• Convention de Denavit-Hartenberg

• Modèle géométrique direct

• Modèle géométrique inverse

3.2 Modèle cinématique

• Jacobien direct d’un robot

• Jacobien inverse d’un robot

3.3 Modèle dynamique

• Equation d’Euler-Lagrange

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• Robotics: Modelling, Planning and Control, B. Siciliano, L. Sciavicco, L. Villani, G. Oriolo, Springer, 1ère éd., 2009, 632 pages (Ch. 1,2,3,6,7)

• Modeling, Identification & Control of Robots, W. Khalil, E. Dombre, Hermes Penton Science, 2002, 480 pages

• Robotique: Aspects Fondamentaux, J.‐P. Lallemand, S. Zeghloul, Masson, 1994, 312 pages

• Robots: Principes et Contrôle, C. Vibet, Ellipses, 1987, 207 pages

• Robot Modeling and Control, M.W. Spong, S. Hutchinson, M. Vidyasagar, Wiley, 1ère éd., 2006, 496 pages

• Introduction to Robotics: Mechanics and Control, J.J. Craig, Pearson Education, 3ème éd., 2008, 408 pages

Bibliographie

Matériel de cours: http://home.mis.u-picardie.fr/~fabio/Teaching.html

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Avant de commencer …

Je suppose que vous avez une bonne connaissance de:

• Algèbre linéaire (opérations sur vecteurs, matrices, etc.)

• Calcul multidimensionnel (gradients, matrice jacobienne, etc.)

• Equations différentielles ordinaires

• Notions de base de programmation

… à réviser dans les prochains jours !!!

Note finale = 50% note DS + 50% note TP

Structure du cours: CM (3 chapitres), 4 TD, 3 TP

Contrôle continu: 2 DS (exercices, quéstions de theorie)

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Plan du cours Chapitre 1 : Généralités

1.1 Définitions




1.5 Les générations de robot

1.6 Programmation des robots

1.7 Utilisation des robots

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Quelque considération préliminaire …

Modélisation d’un robot manipulateur: possible à plusieurs niveaux

Il dépend des spécifications du cahier des charges de l'application envisagée. Il en découle des:

• Modèles géométriques, cinématiques et dynamiques à partir desquels peuvent être engendrés les mouvements du robot

• Modèles statiques qui décrivent les interactions du mécanisme avec son environnement

Composants d’un système robotique

Contrôle

Capteurs

Actionneurs

Robot

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L'obtention de ces différents modèles n'est pas aisée

• La difficulté varie selon la complexité de la cinématique de la chaîne articulée

• En particulier, entrent en ligne de compte: • Nombre de degrés de liberté (DDL) (ex. 4, 6, 7) • Type des articulations (rotoïde, prismatique) • Type de chaîne: ouverte simple, arborescente ou fermée

Quelque considération préliminaire …

Manipulateur de type Gantry

(articulat. primatiques) Chaîne ouverte simple, 3 DDL

Chaîne fermée

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1.1 Définitions

Etymologie: mot tchèque robota (travail forcé), dans la pièce de théâtre “Rossum’s Universal Robots” de Karel Capek, 1920

Robotique: terme inventé par l’écrivan Isaac Asimov

Définition 1 (Larousse): “Un robot est un appareil automatique capable de manipuler des objets ou d'exécuter des opérations selon un programme fixe, modifiable ou adaptable”

Définition 2: “Un robot est un système mécanique polyarticulé mû par des actionneurs et commandé par un calculateur qui est destiné à effectuer une grande variété de tâches”

Robot ?

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Historique:

• 1947 : premier manipulateur électrique téléopéré

• 1954 : premier robot programmable

• 1961 : apparition d'un robot sur une chaîne de montage de General Motors

• 1961 : premier robot avec contrôle en effort

• 1963 : utilisation de la vision pour commander un robot (asservissement visuel)

1.1 Définitions

Un robot est la combinaison de composants matériels (mécanique, hardware) et immatériels (logiciels)

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Base


Actionneur (moteur)

Axe ou articulation

Corps ou segment

Effectuer ou outil

(ex. pince )

Organe terminal

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Support

1.2 Constituants d’un robot (voc. anglophone)

Joint Link End-effector

(ou tool, gripper)

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On distingue classiquement quatre parties principales dans un robot manipulateur

1 2

3

4

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Les robots mobiles

Robot à roues Robot à jambes

Robot sous-marin

Robot volant (quadrirotor)

Robot serpent (bio-inspiré) Micro-robot volant

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Les robots humanoïdes

Nao

Baxter

Asimo

Clones robotiques

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Les robots manipulateurs

Robots séries

Adept

Robots parallèles

Fanuc

KUKA

Stäubli

ABB

ABB

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Un robot doit être choisi en fonction de l'application qu'on lui réserve.

Voici quelques paramètres à prendre, éventuellement, en compte:

• La charge maximale transportable (de quelques kilos à quelques tonnes), à déterminer dans les conditions

les plus défavorables (en élongation maximale)

• L’architecture du S.M.A. : le choix est guidée par la tâche à réaliser (quelle est la rigidité de la structure ?)

• Le volume de travail (workspace en anglais), défini comme l'ensemble des points atteignables par l'organe terminal

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Exemples de volume de travail:

Manipulateur cartésien

Manipulateur cylindrique

Manipulateur SCARA

Manipulateur sphérique Manipulateur

anthropomorphe

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Autres paramètres à prendre en compte:

• Le positionnement absolu, défini par une position et une orientation dans l’espace cartésien

• La répétabilité: ce paramètre caractérise la capacité que le robot a à retourner vers un point (position, orientation) donné. En général, la répétabilité est de l’ordre de 0.1 mm

• La vitesse de déplacement (vitesse maximale en élongation maximale), accélération

• La masse du robot

• Le coût du robot (pour petits robots ~ 10-20 k€)

• La maintenance du robot

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1.4 Caractéristiques d’un robot Système Mécanique Articulé (S.M.A.) • Un mécanisme ayant une structure plus ou moins proche de celle du bras humain. Il permet de remplacer, ou de prolonger, son action (le terme “manipulateur” exclut implicitement les robots mobiles autonomes)

• Son rôle est d'amener l'organe terminal dans une pose (position et orientation) donnée, selon des caractéristiques de vitesse et d'accélération données

• Son architecture est une chaîne cinématique de corps, généralement rigides (ou supposés comme tels) assemblés par des liaisons appelées articulations

• Sa motorisation est réalisée par des actionneurs électriques, pneumatiques ou hydrauliques qui transmettent leurs mouvements aux articulations par des systèmes appropriés

Robot: système mécanique poly-articulé

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Articulation rotoïde Il s'agit d'une articulation de type pivot, notée “R”, réduisant le mouvement entre deux corps à une rotation autour d'un axe qui leur est commun

La situation relative entre les deux corps est donnée par l'angle autour de cet axe

Symbole de l’articulation rotoïde

θ

θ

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Articulation prismatique Il s'agit d'une articulation de type glissière, notée “P”, réduisant le mouvement entre deux corps à une translation le long d'un axe commun

La situation relative entre les deux corps est mesurée par la distance le long de cet axe

Symbole de l’articulation prismatique

d

d

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Remarque Une articulation complexe, c.-à.-d. avec une mobilité supérieure à 1, peut toujours se ramener à une combinaison d'articulations rotoïde ou prismatique

Degré de liberté (DDL) • Ce terme désigne la capacité d’un système à se mouvoir selon un axe de translation ou de rotation

• En comptant chacun des axes, on obtient le nombre de DDL total du système (sans distinction du type de mouvement réalisable) ce qui renseigne à la fois sur son potentiel et sa complexité

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Exemples:

3 axes, série, RRR, 3 DDL

3 axes, série, PPP, 3 DDL

1 DDL 2 DDL 2 DDL

4 DDL

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Exemple (fiche technique robot ABB)

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Généralités, ch.1, part. 1