Projet de Fin d’Etudes´ · PDF filebras manipulateur flexible a un seul` degre de libert´ e

Ministere de l’Enseignement Superieur,

de la Recherche Scientifique

et de la Technologie

Universite de GabesENIG

Ecole Nationale d’Ingenieurs de Gabes

Departement Genie Electrique-Automatique

Annee universitaire : 2006-2007

Projet de Fin d’Etudespresente a

l’Ecole Nationale d’Ingenieurs de Gabes(Departement de Genie Electrique - Automatique)

realise par

Chabir Alaa

Chelly Nizar

CONCEPTION, REALISATION ET COMMANDE D’UNBRAS MANIPULATEUR FLEXIBLE A UN SEUL

DEGRE DE LIBERTE

soutenu le 2 Juillet 2007

devant le Jury :

President : Mr. Abderrahim Kamel

Membres : Mr.Feki Moez

Encadrants : Mlle. Boucetta Rahma

Ce projet a ete realise a l’ENIG, Departement de Genie Electrique Automatique, Eqiupe MACS

Administrateur

Rectangle

A ma mère,

A mon père,

A mon frère et ma sœur,

A la grande famille,

A mes amis,

A tous ceux qui m’aiment…

Alaa

« Les personnes ne meurent pas quand on les enterre, elles

meurent quand on les oublie »

A la mémoire de mon cher et regretté oncle Ameur, pour

m’avoir bien orienté vers la bonne voie, pour m’avoir bien assisté,

aidé, encadré, et conduit sur le chemin de la réussite et du succès, je

veux aujourd’hui adresser mes louanges les plus sincères et profonds

remerciements à ton âme pure et exemplaire.

Cher et regretté oncle, tu es toujours dans mon esprit et tu

resteras présent toute ma vie dans mes pensées et dans mon cœur.

Que dieu te bénisse et te couvre dans son infinie miséricorde.

Nizar

Remerciements

Au terme de ce travail, nous tenons à remercier tous ceux qui ont collaboré,

directement ou indirectement, lors de ces quelques mois de Projet de Fin d’Etudes.

Nos tenons à remercier M. Kamel Abderrahim, maître assistant à l’ENIG de nous

avoir honoré de présider le Jury d’examen.

Nos remerciements s’adressent également à M. Moez Feki, maître assistant à

l’ENIG, d’avoir accepté d’être le rapporteur de ce projet.

Nous remercions en particulier notre encadrant Mlle. Rahma Boucetta, assistante

à l’ENIG qui nous a donné de son temps et de sa patience pour accomplir ce projet dont

les conseils et les critiques mais aussi les encouragements, nous ont étés d’une aide

précieuse.

Nous remercions les techniciens de l’ENIG M. Habib Dkhil et M. Ridha Dkhil pour

leur serviabilité à nous fournir les composants nécessaires pour la partie électronique.

Nous remercions également les techniciens de l’atelier mécanique de l’ISETG M.

Noureddine Mansour et M. Mahdi Salmi qui nous ont aidé à réaliser la structure

mécanique de notre projet.

Notre reconnaissance va également à M. Salaheddine Najar pour sa participation

à l’évaluation technique de notre travail et à ses idées et remarques pertinentes.

Table des matières

Introduction générale

CHAPITRE 1 Généralités sur les robots manipulateurs

1.1 Introduction .................................................................................................................................................. 1

1.2 Apparition des robots manipulateurs .............................................................................................. 2

1.3 Définitions des robots manipulateurs ............................................................................................... 2

1.4 Classification des robots .......................................................................................................................... 3

1.5 Structure générale d’un robot manipulateur ................................................................................. 3

1.5.1 Système mécanique articulé .......................................................................................................... 3

1.5.2 Actionneurs ou organes de motorisation ................................................................................ 4

1.5.3 Effecteur ou organe de préhension ............................................................................................ 4

1.5.4 Capteurs ou organes de perception .......................................................................................... 5

1.5.5 Système de traitement ..................................................................................................................... 5

1.6 Applications des robots manipulateurs ............................................................................................ 6

1.6.1 Robots industriels de soudage ..................................................................................................... 6

1.6.2 Robots manipulateurs de service aux humains .................................................................... 6

1.6.3 Robots manipulateurs de service aux équipements ........................................................... 8

1.7 Intérêts des robots manipulateurs flexibles ................................................................................... 9

1.7.1 Définition des robots manipulateurs flexibles ...................................................................... 9

1.7.2 Caractéristiques des robots manipulateurs flexibles ......................................................... 9

1.7.3 Champs d’application ....................................................................................................................... 9

1.7.3.1 Secteur spatial .............................................................................................................................. 9

1.7.3.2 Secteur médical ......................................................................................................................... 10

1.8 Conclusion .................................................................................................................................................. 12

CHAPITRE 2 Structure du bras manipulateur flexible

2.1 Introduction ................................................................................................................................................ 13

2.2 Vue d’ensemble ........................................................................................................................................ 14

2.3 Structure mécanique .............................................................................................................................. 14

2.3.1 Dimensionnement du bras .............................................................................................................. 15

2.3.2 Joint mécanique de fixation ....................................................................................................... 16

2.3.3 Calcul du contre poids ................................................................................................................... 16

2.3.4 Support du bras .............................................................................................................................. 17

2.4 Actionneur et sa carte de commande ............................................................................................. 18

2.4.1 Moteur et transmetteur ................................................................................................................ 18

2.4.2 Carte de commande ........................................................................................................................ 19

2.4.2.1 Fonctionnement en classe AB ............................................................................................ 20

2.4.2.2 Polarisation par diodes ( et ) ................................................................................. 21

2.4.2.3 Alimentation fractionnée ..................................................................................................... 22

2.4.2.4 Diodes de roue libre ( ) ....................................................................................... 23

2.5 Capteurs et leurs interfaces ............................................................................................................... 24

2.5.1 Encodeur optique ............................................................................................................................ 24

2.5.1.1 Principe de fonctionnement ............................................................................................... 25

2.5.1.2 Mise en forme du signal ....................................................................................................... 25

2.5.1.3 Mise en place du compteur ................................................................................................. 26

2.5.2 Accéléromètre ................................................................................................................................. 28

2.5.2.1 Principe de fonctionnement ............................................................................................... 28

2.5.3 Butées de fin de courses ............................................................................................................... 31

2.6 Cartes d’alimentation ............................................................................................................................ 31

2.6.1 Alimentation du capteur .............................................................................................................. 31

2.6.2 Alimentation moteur ..................................................................................................................... 33

2.7 Conclusion .................................................................................................................................................. 33

CHAPITRE 3 Commande du bras manipulateur flexible

3.1 Introduction ............................................................................................................................................... 34

3.2 Choix de la commande .......................................................................................................................... 35

3.2.1 Problèmes liés à la modélisation .............................................................................................. 35

3.2.2 Présentation de la logique floue ............................................................................................... 36

3.2.2.1 Historique et définition ........................................................................................................ 36

3.2.2.2 Sous-ensembles flous ........................................................................................................... 37

3.2.2.3 Opérations de base pour les sous-ensembles flous ................................................. 37

3.2.3 La commande floue ........................................................................................................................ 38

3.2.3.1 Structure d’une commande floue ..................................................................................... 38

3.2.3.2 Techniques de fuzzification ................................................................................................ 39

3.2.3.3 Techniques de défuzzification ........................................................................................... 40

3.3 Conception de la commande floue pour le bras manipulateur flexible .......................... 42

3.3.1 Etude de l’expertise ........................................................................................................................ 42

3.3.2 Structuration du régulateur flou .............................................................................................. 43

3.4 La carte interface Profi_Cassy ............................................................................................................ 44

3.4.1 Caractéristiques ............................................................................................................................... 44

3.4.2 Cassy entre le PC et le manipulateur flexible ...................................................................... 46

3.5 Interfaçage et programmation........................................................................................................... 47

3.5.1 Protocole de transmission USB ................................................................................................. 47

3.5.2 Les bibliothèques dynamiques DLL ........................................................................................ 48

3.5.3 La DLL CASSYAPI et ses procédures ....................................................................................... 49

3.5.4 Commande avec LabVIEW .......................................................................................................... 50

3.6 Conclusion ................................................................................................................................................... 54

Bibliographies……………………………………………………………………………………………………55

Annexes……………………………………………………………………………………………………………….56

Table des figures

CHAPITRE 1 Généralités sur les robots manipulateurs

Figure 1.1 Un robot manipulateur .............................................................................................................. 5

Figure 1.2 Robots manipulateurs industriels ......................................................................................... 6

Figure 1.3 Manipulateur médical (MKM) ................................................................................................ 7

Figure 1.4 Robot CASPAR ............................................................................................................................... 7

Figure 1.5 Robot Skywash ............................................................................................................................. 8

Figure 1.6 Robot MightyHand ...................................................................................................................... 8

Figure 1.7 Le bras manipulateur flexible ERA (European Robotic Arm) .............................. 10

Figure 1.8 Robot Aesop ................................................................................................................................. 11


Figure 2.1 Vue d’ensemble .......................................................................................................................... 14

Figure 2.2 Nomenclature du bras ............................................................................................................ 15

Figure 2.3 Vue de dessous du bras .......................................................................................................... 15

Figure 2.4 Perspective du joint mécanique de fixation .................................................................. 16

Figure 2.5 Le plan du Bras .......................................................................................................................... 16

Figure 2.6 Dimension d’une de deux pièces de contrepoids ........................................................ 17

Figure 2.7 Dessin du bras entier .............................................................................................................. 17

Figure 2.8 Châssis du manipulateur ....................................................................................................... 18

Figure 2.9 Moteur à cc .................................................................................................................................. 18

Figure 2.10 Engrenage roue et vis sans fin .......................................................................................... 19

Figure 2.11 Montage du transistor Darlington .................................................................................. 19

Figure 2.12 Circuit d’amplification du courant .................................................................................. 20

Figure 2.13 Principe de fonctionnement B .......................................................................................... 21

Figure 2.14 Polarisation des diodes........................................................................................................ 22

Figure 2.15 partie de l’alimentation fractionnée .............................................................................. 23

Figure 2.16 La partie des diodes libres du circuit globale ............................................................ 23

Figure 2.17 Disque gradué .......................................................................................................................... 24

Figure 2.18 Module d’acquisition ............................................................................................................ 24

Figure 2.19 Circuit interne du module .................................................................................................. 25

Figure 2.20 Sortie réelle du compteur ................................................................................................... 25

Figure 2.21 Principe de fonctionnement du Trigger ....................................................................... 26

Figure 2.22 Sortie du signal après le Trigger ...................................................................................... 26

Figure 2.23 Circuit du compteur .............................................................................................................. 27

Figure 2.24 Signal du compteur à la sortie de Q1 ............................................................................. 27

Figure 2.25 Module accéléromètre ......................................................................................................... 28

Figure 2.26 La puce renfermant la chambre de gaz, l’élément chauffant et les

thermopiles ........................................................................................................................................................ 29

Figure 2.27 Signal sortant de l’accéléromètre .................................................................................... 29

Figure 2.28 Variation de Ton ..................................................................................................................... 30

Figure 2.29 Circuit du filtre ........................................................................................................................ 30

Figure 2.30 Circuit des butées de fin de course ................................................................................. 31

Figure 2.31 Circuit d’alimentation du capteur ................................................................................... 32

Figure 2.32 Circuit d’alimentation du moteur à cc ........................................................................... 33


Figure 3.1 Représentation graphique de µ (A), µ (B) et µ(A B) ................................................ 37

Figure 3.2 Représentation graphique de µ(A B) ............................................................................. 38

Figure 3.3 Schéma général d’une commande floue .......................................................................... 38

Figure 3.4 Représentation graphique de U ......................................................................................... 39

Figure 3.5 Représentation graphique de ......................................................................................... 40

Figure 3.6 Représentation graphique de µ (y) ................................................................................... 40

Figure 3.7 Représentation graphique de la moyenne des maximums de µ (y) .................... 41

Figure 3.8 Représentation graphique de l’extraction barycentrique de µ (y) ...................... 41

Figure 3.9 Représentation graphique de centre de la surface délimitée par µ (y) .............. 41

Figure 3.10 Subdivision de la trajectoire ............................................................................................... 42

Figure 3.11 Schéma du système asservi ............................................................................................... 43

Figure 3.12 Les fonctions d’appartenance d’erreur et d’accélération ..................................... 44

Figure 3.13 Les fonctions d’appartenance de la commande ....................................................... 44

Figure 3.14 Profi_Cassy en connexion avec le système ................................................................... 47

Figure 3.15 Face diagramme et face utilisateur ................................................................................. 51

Figure 3.16 Palette d’outils, palette de commandes et palette de fonctions .......................... 51

Figure 3.17 Organigramme de fonctionnement ................................................................................. 52

Figure 3.18 Règles de base de la commande floue ............................................................................ 53

Figure 3.19 Face utilisateur du bras manipulateur .......................................................................... 53

Figure 3.20 Face diagramme du bras manipulateur ........................................................................ 54

Table des tableaux


Tableau 2.1 Caractéristiques mécaniques du bras……………………………………………………...15


Tableau 3.1 Table des règles ...................................................................................................................... 43

Tableau 3.2 Entrées de tension analogiques A et B ......................................................................... 45

Tableau 3.3 Sorties de tension analogiques X et Y ........................................................................... 45

Tableau 3.4 Entrées numériques I0 à I7 ................................................................................................. 45

Tableau 3.5 Sorties numériques Q0 à Q7 ............................................................................................... 46

Tableau 3.6 Entrées du système ............................................................................................................... 46

Tableau 3.7 Sorties du système ................................................................................................................ 46

Tableau 3.8 Procédures de configuration ............................................................................................ 49

Tableau 3.9 Procédures et fonctions analogiques ............................................................................ 50

Tableau 3.10 Procédures et fonctions numériques ......................................................................... 50

Introduction générale

’être humain depuis son existence cherche à faciliter sa vie et à concevoir

des objets et des méthodes qui l’aident à exploiter l’environnement

extérieur, la terre, la mer et l’espace. De nos jours, parmi ces objets on

trouve les robots et plus précisément les robots manipulateurs. Ces derniers ont prouvé

leur importance puisqu’ils substituent efficacement l’homme dans la réalisation d’une

tâche tel que la soudure dans les usines automobiles ou la manipulation de produit

nucléaires.

La mise en place de ces robots manipulateurs est d’une grande importance puisqu’il faut

tenir compte du coût à verser, de la rapidité à l’exécution et de la minimisation d’énergie.

Parmi les solutions trouvées, on trouve l’emploi des manipulateurs flexibles qui grâce à

leurs structures légères ont révolutionné le monde des robots manipulateurs.

Dans ce rapport, on s’intéresse à ce genre de robots manipulateurs et à la difficulté

rencontrée pour sa commande.

Ce rapport est scindé en trois chapitres. Le premier est une introduction générale aux

manipulateurs, le second décrit la conception et la réalisation du bras manipulateur

flexible et le dernier chapitre traite la commande de ce dernier.

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1 Généralités sur les robots manipulateurs

CHAPITRE

Généralités sur les robots manipulateurs

1.1 Introduction

Ce chapitre traite d’une façon générale les robots manipulateurs; et met

l’accent sur les manipulateurs flexibles et leur intérêt dans différents domaines

spatial, médical, industriel …

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1.2 Apparition des robots manipulateurs

La genèse des robots manipulateurs est très récente. En effet, grâce au

développement des servomécanismes dans la seconde guerre mondiale que les

manipulateurs, Maitre/Esclave, des substances radioactives ont vue le jour en 1950. En

1954 on a assisté au premier robot manipulateur programmable, deux ans après C.

Devol introduit un brevet délivré en 1961 intitulé “Programmed Articulated Transfer

Device” et en cette année, les travaux de Devol et d’Engelberger conduisent au premier

robot industriel sur une chaîne de montage de General Motors construit par la société

Unimation Inc. Le point clé du système est d’utiliser un ordinateur en conjonction avec

un manipulateur. Grâce à ces efforts, Unimate number 001 est entré en service dans une

usine pour 100.000 heures, et Unimation Inc. délivre 66 machines entre 1966 et 1971.

Dés 1971, de grands laboratoires de recherche commencent à se développer tels que la

JIRA (Association Japonaise de Robotique Industrielle) au Japon, la RIA aux USA en

1975. En 1998, on comptait 700.000 robots industriels dans le monde.

De nos jours, les robots manipulateurs constituent les composants les plus importants

des processus de fabrication et de contrôle. Ils ont comme impact ; l’amélioration de la

productivité, l’accroissement de la qualité des produits fabriqués, ainsi que la réduction

du coût du travail.

1.3 Définitions des robots manipulateurs

Selon la RIA (Robot Institute of America) c’est un manipulateur qui doit être

reprogrammable multifonctionnel conçu pour déplacer des matériaux, des pièces, des

outils ou tout autre dispositif spécialisé au moyen d’une série de mouvements

programmés et d’accomplir une variété d’autres tâches. L’ISO (International Standard

Organization) l’a défini comme étant une machine mue par un mécanisme incluant

plusieurs degrés de libertés, ayant souvent l’apparence d’un ou plusieurs bras se

terminant par un poignet capable de tenir des outils, des pièces ou un dispositif

d’inspection [01].

Pour le sens commun, un robot est un dispositif mécanique articulé capable d’imiter

certaines fonctions humaines telles que la manipulation d’objets ou la locomotion, dans

le but de remplacer l’homme pour la réalisation de certaines tâches matérielles.

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D’une façon générale, un robot manipulateur quelconque doit obéir aux 3 règles

suivantes de la robotique:

1. Un robot ne peut porter atteinte à un être humain, ni en restant inactif laisser

cet être humain exposé au danger.

2. Un robot doit obéir aux ordres donnés par les êtres humains, sauf si de tels

ordres sont en contradiction avec la Première Loi.

3. Un robot doit protéger sa propre existence dans la mesure où cette protection

n’est pas en contradiction avec la Première ou la Deuxième Loi de la robotique.

1.4 Classification des robots

Au cours des années, le développement des robots a permis de distinguer entre

plusieurs classes. Pour la JIRA, il existe six classes de robots. D’abord les

télémanipulateurs qui sont des bras commandés directement par un opérateur humain.

Ensuite les manipulateurs avec séquence fixe qui admettent un contrôle automatique,

mais difficile à reprogrammer. Après c’est les Manipulateurs avec séquence variables

qui ont un contrôle automatique et qui sont reprogrammés mécaniquement, c’est

l’exemple de « Pick and Place Manipulators » ou robot « tout ou rien ». Puis on trouve

les Robots Play Back qui exécutent des séquences sous la supervision d’êtres humains

et les mémorise pour les rejouer (Play Back). Ensuite, on trouve les robots à un

contrôleur numérique où les positions des séquences sont contrôlées par des données

numériques. Enfin, on cite les robots intelligents qui peuvent réagir dans leur

environnement et à des modifications arrivant durant l’exécution [06].

1.5 Structure générale d’un robot manipulateur

Un robot manipulateur est constitué d’un ensemble de composants, ayant chacun

un rôle bien spécifique. Ces composants sont au nombre de cinq que nous détaillons ci-

après.

1.5.1 Système mécanique articulé

Un système mécanique articulé (SMA) est un ensemble de solides reliés entre

eux par des liaisons (pivot, glissière, rotule, sphérique…) animées avec des joints

mécaniques. Dans le SMA, certaines liaisons sont motorisées. On parlera de liaisons

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actives, c’est le cas des liaisons pivots. D’autres liaisons sont non motorisées ; elles sont

appelées passives telles que (les liaisons rotules [01], etc.…).

1.5.2 Actionneurs ou organes de motorisation

Le terme actionneur désigne tout dispositif générateur d’effort à vitesse variable

qui permet de modifier la configuration d’un robot manipulateur. Si on se limite aux

actionneurs pratiquement utilisables, il est possible de les classer suivant:

Le type du mouvement généré

Dans l’état actuel de la technologie, on trouve les actionneurs linéaires qui développent

une force et génèrent un mouvement de translation parallèlement à cette force, et les

actionneurs rotatifs qui développent un couple et génèrent un mouvement de rotation

autour de l’axe du couple.

La nature de la source d’énergie

On dispose d’actionneurs pneumatiques qui utilisent l’air comprimé comme source

d’énergie, d’actionneurs hydrauliques sous pression, et d’actionneurs électriques qui

utilisent l’énergie électrique.

La puissance massique et le pouvoir d’accélération sont des critères importants qui

permettent une comparaison objective de ces différents types d’actionneurs [03].

1.5.3 Effecteur ou organe de préhension

L’effecteur est l’organe terminal du robot, il est fixé au poignet de celui-ci. Ce

poignet se termine généralement par une plaque de base, percée de trous filetés, cela

permet la fixation de différents effecteurs à un robot universel et donc l’adaptation de

celui-ci à des tâches spécifiques. En fait, la plupart des machines de production exigent

des outils et des fixations spécialement conçus pour une application particulière ; à cet

égard, le robot n’est donc pas une exception. Il faut d’ailleurs noter que beaucoup

d’outils conventionnels utilisés à la main ou sur certaines machines (pistolets de

peinture ou de collage visseuses, perceuses pinces,...) peuvent devenir des effecteurs de

robotique, au prix d’un travail d’adaptation permettant de:

Compenser certaines imprécisions ou dispersions dans les caractéristiques des

objets extérieurs ou du robot lui-même.

Présenter une certaine flexibilité pour se prêter à des tâches diversifiées [03].

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1.5.4 Capteurs ou organes de perception

Un capteur est un organe de prélèvement d'information qui élabore à partir d'une

grandeur physique, une autre grandeur physique de nature différente (très souvent

électrique). Cette grandeur représentative de la grandeur prélevée est utilisable à des

fins de mesure ou de commande. On distingue entre deux types de capteurs :

Les premiers se sont les capteurs proprioceptifs qui fournissent l’information

sur la configuration du manipulateur tel que la position, la vitesse,

l’accélération… pour assurer au robot manipulateur le contrôle de sa structure

mécanique articulée; ils interviennent dans les boucles de régulation afin de

permettre à l’unité de commande de prendre la décision adéquate.

Les deuxièmes se sont les capteurs extéroceptifs qui interviennent lorsque

l’espace de travail est mal connu, afin de donner les informations sur

l’environnement extérieur du manipulateur comme la température, l’image … Ils

permettent de modifier le comportement du manipulateur pour s’adapter aux

contraintes imposées [03].

1.5.5 Système de traitement

C’est lui qui gère l’ensemble des tâches. Il admet trois rôles essentiels : le rôle de

l’information, qui consiste à collecter l’information venant des capteurs. Ensuite, le rôle

de la décision : en partant d’une tâche définie et en tenant compte des données du

système et de l’environnement, il établit les actions adéquates. Finalement, le rôle de la

communication.

Bras

Base

Figure 1.1 Un robot manipulateur

Actionneurs

Effecteur

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1.6 Applications des robots manipulateurs

Dans les entreprises manufacturières, des tâches pénibles, répétitives réalisées

par des opérateurs humains peuvent être avantageusement confiées à des systèmes

mécaniques articulés (les manipulateurs) dont la dextérité est sans égaler celle de

l’homme, suffisamment proches de celui-ci pour exécuter des mouvements complexes à

l’image de ceux d’un bras humain. L’emploi de ces dispositifs s’avère d’ailleurs

nécessaire pour des tâches d’intervention inaccessibles à l’homme en milieu hostile ou

délicat, par exemple sous marin, nucléaire, médical ou spatial. Ils sont alors dotés d’un

dispositif de locomotion et peuvent être autonomes ou contrôlés à distance par un

opérateur humain [01].

Quelque exemplaire de domaines d’application différents seront cités par la suite.

1.6.1 Robots industriels de soudage

Une des applications les plus courantes de la robotique industrielle est le

soudage. Le soudage robotisé des châssis de voiture (illustré dans la figure 1.3) améliore

la sécurité car un robot ne manque jamais son point de soudure et les réalise toujours de

la même manière tout au long de la journée. A peu près 25 % des robots industriels sont

impliqués dans différentes opérations de soudure [06].

Figure 1.2 Robots manipulateurs industriels

1.6.2 Robots manipulateurs de service aux humains

Le manipulateur médical (MKM) produit par CARL ZEISS en Allemagne, consiste

en un bras manipulateur à 6 ddl servo-contrôlés (illustré dans la figure 1.3) pour un

contre-balancement du poids, un ordinateur de contrôle et une station de travail

http://fr.wikipedia.org/wiki/Image:KUKA_robots_in_car_production.jpg

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graphique pour la visualisation et la programmation. Dans la version montrée, le

système supporte un microscope chirurgical. Les mouvements suivent des chemins

préprogrammés ou sont générés manuellement par un système d’entrée ou une

commande vocale [06].

Figure 1.3 Manipulateur médical (MKM)

CASPAR (Computer Assisted SurgicalPlanning And Robotics) d’ortoMAQUET,

(Germany), consiste en un robot industriel monté sur une base mobile, un outil de

fraisage et une unité de calibration. Le système assiste le chirurgien dans la pose de

prothèse de hanche. Sur la base des données du patient, le placement de la prothèse est

d’abord simulé. Les contours d’un ajustement parfait sont déterminés avec une précision

supérieure à celle de l’humain. L’opération reste sous la supervision du chirurgien [06].

Figure 1.4 Robot CASPAR

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1.6.3 Robots manipulateurs de service aux équipements

Les robots peuvent également s’avérer utiles dans le domaine de l’aviation. En

effet, "Skywash" (Putzmeister Werke, Germany) peut diminuer par un facteur de 2 le

temps de lavage d’un avion. Skywash intègre toutes les composantes d’un système

robotique avancé : pré-programmation des mouvements à partir d’un modèle CAO de

l’avion, localisation automatique des objets par des capteurs 3-D, un asservissement du

mouvement par des capteurs tactiles, une architecture fortement redondante (11 ddl)

installée sur une base mobile et une sécurité de fonctionnement maximale. Le

manipulateur agit sous la supervision d’un être humain [06].

Figure 1.5 Robot Skywash

"MightyHand" (Kajima, Japan) est destiné à porter des éléments lourds dans les travaux

de construction: murs en béton, etc. Le robot opère sous la supervision d’un homme

[06].

Figure 1.6 Robot MightyHand

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1.7 Intérêts des robots manipulateurs flexibles

1.7.1 Définition des robots manipulateurs flexibles

Ceux sont des robots qui admettent une flexibilité au niveau de leur structure.

Nous pouvons alors traiter la flexibilité de la structure en considérant soit:

des segments flexibles

des liaisons est flexibles, dans ce cas, si le jeu d’une liaison est nul, cela empêche

que la partie interne de cette liaison puisse se déformer, les parties externes des

liaisons seront considérées non flexibles (forte rigidité)

les deux parties segments et parties internes des liaisons sont flexibles et les jeux

ne sont pas nuls [03].

1.7.2 Caractéristiques des robots manipulateurs flexibles

Les caractéristiques les plus remarquables des manipulateurs flexibles en

comparaison avec les manipulateurs classiques “ rigides “ sont essentiellement la

légèreté, la rapidité et la consommation minimale d’énergie. En effet, ces manipulateurs

utilisent des matériaux très légers tel que l’aluminium ; qui avec une densité environ

trois fois plus faible que celle de l'acier ou du cuivre ; il est malléable, ductile et

facilement usiné et moulé. De plus, il possède une excellente résistance à la corrosion et

une grande longévité.

1.7.3 Champs d’application

1.7.3.1 Secteur spatial

Le domaine spatial a constitué le premier secteur à avoir employé ce genre de

manipulateur car ce dernier doit être le plus léger possible. D’une part, pour réduire la

consommation du carburant du manipulateur lors de son lancement vers l’espace pour

une mission bien déterminée, d’autre part parce que l’emploi des bras très longs est

essentiel pour la maintenance des stations spatiales de grandes dimensions (l'entretien

des batteries solaires, la manutention d'éléments (installation, remplacement), le

contrôle visuel des parois extérieures de la station...). On cite l’exemple du bras

manipulateur flexible ERA [07] (European Robotic Arm) (illustré par la figure 1.7).

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Figure 1.7 Le bras manipulateur flexible ERA (European Robotic Arm)

Le bras ERA, d'une masse de 630 kg, se déploie sur une longueur de 11,3 mètres

et est capable de déplacer jusqu'à 8 tonnes à une vitesse maximale de 10 cm/seconde.

Mais ce qui fait son originalité est son caractère ambidextre. Muni à chaque extrémité

d'une "main" équipée des mêmes senseurs et connecteurs électriques, il peut se

positionner indifféremment d'un côté ou de l'autre, dénommés "main" et "épaule".

1.7.3.2 Secteur médical

Le domaine médical a profité des technologies spatiales pour construire de

nouveaux robots qui répondent aux contraintes spécifiques de l’application. Parmi

celles-ci, la sécurité est certainement la contrainte la plus importante pour un robot

médical. Ceci conduit à des robots qui sont souvent plus léger que leurs équivalents du

domaine industriel. A titre d’exemple, le poids du robot Aesop (illustré par la figure 1.8),

le porte endoscope de Computer-Motion, est approximativement de 20 kilogrammes. La

conséquence est une structure mécanique qui a plus de flexibilités que les robots

industriels [02].

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Figure 1.8 Robot Aesop

Comme la seconde guerre mondiale a constituée le premier pas vers les

manipulateurs classiques, l’espace a incité les chercheurs à concevoir ces manipulateurs

flexibles qui ont par la suite été introduits dans les domaines industriels, médicaux et de

service puisqu’ils contribuent nettement à la réduction de consommation d’énergie, la

diminution du coût, la rapidité de l’exécution et la sécurité lors d’une éventuelle

collision avec un autre objet où le bras se déforme et l'effecteur n'est pas détérioré.

Cependant, l'utilisation des manipulateurs flexibles, a introduit un problème

dans la commande de trajectoire de l’extrémité du manipulateur en raison de la

flexibilité distribuée le long du bras robot.

Par la suite, une commande est fortement recommandée pour atteindre la trajectoire

désirée tout en supprimant les vibrations sur l’extrémité du bras.

Bien que des progressions significatives ont été faites pendant les dernières années,

beaucoup de problèmes ne sont pas encore résolus, et la recherche de commandes

simples, efficaces, et fiables pour le contrôle des manipulateurs flexibles reste toujours

un but qu’il faut l’atteindre par les roboticiens afin d’élargir les champs d’applications

des robots flexibles, et d’une façon générale par les automaticiens pour la contribution à

la supervision, au diagnostic et à la détection de défauts… et surtout de faire face aux

problèmes au lieu de les négliger.

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1.8 Conclusion

Les robots manipulateurs sont très intéressants puisqu’ils ont prouvés qu’ils

étaient capables de se substituer à l’être humain dans plusieurs tâches difficiles à

réaliser et d’effectuer de bonnes performances. Les manipulateurs flexibles constituent

une évolution de ces robots car ils amènent des avantages telle que la rapidité, la

légèreté… ; cependant la flexibilité cause des vibrations au niveau de l’effecteur qu’il

faudra les éliminer grâce à une commande adéquate. Le chapitre suivant décrit les

différents étapes de réalisation du bras manipulateur flexible au quel une commande de

type sera implémentée.

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13 Structure du bras manipulateur flexible

CHAPITRE

Structure du bras manipulateur flexible

2.1 Introduction

Ce chapitre décrit, sur le plan mécanique et électronique, la conception et la

réalisation du bras manipulateur flexible dont nous avions la charge.

Pour la réalisation de ce bras flexible, nous avons étudié et mis en place les

éléments suivants

Le bras

Le joint mécanique de fixation

Le contre poids

L’actionneur

L’encodeur optique

L’accéléromètre

Les butées d’initialisation et de débordement

Les cartes d’alimentation

Ces éléments seront détaillés ci-après.

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2.2 Vue d’ensemble

Le bras manipulateur utilisé, présenté sur la figure 2.1, a été proposé pour

valider les stratégies de commande permettant la compensation des vibrations au

niveau de l’extrémité libre du bras.

2.3 Structure mécanique

Le manipulateur flexible réalisé dans le cadre de ce projet est un bras fixé par une

liaison encastrement assurée { l’aide d’un joint rigide sur l’arbre d’un moteur { courant

continu. Le bras effectue une rotation dans le plan OXY autour de l’axe Z, donc c’est un

manipulateur planaire ayant une vibration horizontale à son extrémité libre.

Butée de

débordement Butée

d’initialisation

Accéléromètre

Encodeur optique

Figure 2.1 Vue d’ensemble

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2.3.1 Dimensionnement du bras

Le bras choisi pour effecteur la tache est une tige en aluminium de forme

prismatique en prenant une épaisseur négligeable devant la hauteur avec une longueur

remarquable pour donner { l’extrémité libre de la tige plus d’ampleur lors de son

déplacement, ainsi la vibration peut s’observer aisément.

Figure 2.2 Nomenclature du bras

Le tableau suivant regroupe les différentes caractéristiques du bras flexible.

Grandeur Valeur Longueur 960 mm Largeur 31 mm Epaisseur 3 mm Masse 0.320 Kg Masse volumique 2700 kg/cm3

Tableau 2.1 Caractéristiques mécaniques du bras

Figure 2.3 Vue de dessous du bras

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2.3.2 Joint mécanique de fixation

Pour fixer le bras { l’arbre du moteur, une pièce cylindrique en aluminium munie

d’une rainure et deux trous sert de liaison entre le bras et l’arbre par l’intermédiaire de

deux vis de fixation, et sur laquelle le disque de l’encodeur optique est monté au dessous

du bras.

Figure 2.4 Perspective du joint mécanique de fixation

2.3.3 Calcul du contre poids

Afin de maintenir le bras flexible en position horizontale, et pour s’assurer que

son poids soit directement opposé à la réaction du joint mécanique de fixation, il faut

ajouter un contrepoids sur la partie passive du bras. Pour trouver la masse ajoutée par le

contrepoids, un équilibre de forces et de moments par rapport { l’axe du moteur est

déterminé afin de trouver les dimensions des deux pièces à ajouter de part et d’autre du

bras.

Figure 2.5 Le plan du Bras

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En suivant la démarche de calcul présenté { l’annexe, on peut aboutir aux dimensions

mentionnées ci-dessous (figure 2.6).

En fixant chaque pièce { sa place sur le bras { l’aide des vis de fixation, l’ensemble sera

prêt { être monté sur l’axe du moteur qui est lui-même encastré { l’intérieur d’un châssis

grand et stable.

2.3.4 Support du bras

Le bras, pour balayer dans un espace dégagé sans contraintes, est placé sur une

armoire dans laquelle les cartes d’alimentations et de pilotage sont placées et au dessus

deux butées de fin de course sont fixées de part et d’autre pour marquer le début et la fin

de l’environnement de travail.

Figure 2.6 Dimension d’une de deux pièces de contrepoids

Figure 2.7 Dessin du bras entier

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2.4 Actionneur et sa carte de commande

2.4.1 Moteur et transmetteur

L’ensemble bras manipulateur est commandé par un moteur à courant continu 12v

qui renferme un réducteur roues et vis sans fin ; ce dernier constitue le système de

transmission. En effet l’engrenage roue et vis sans fin autorise un rapport de réduction

important. L'engrenage formé est généralement irréversible (la vis peut entrainer le

pignon, mais pas le contraire).

Figure 2.8 Châssis du manipulateur

Figure 2.9 Moteur à CC

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2.4.2 Carte de commande

Le courant nominal absorbé par le moteur est de l’ordre de 1.5 A. La carte d’interface

Profi_Cassy (carte de commande) ne permet pas de débiter un courant supérieur à 100

mA pour cela une adaptation en courant est fortement recommandée. Le choix s’est

dirigé vers les transistors Darlington qui ont un gain énorme en courant allant de 1000 à

20000.

En effet, le transistor Darlington est la l’ensemble de deux transistors bipolaires

(amplificateur de courant) de même type (tous deux NPN ou tous deux PNP), combinés

en un composant hybride qui a encore les caractéristiques du transistor. Ces deux

transistors peuvent être intégrés ou non dans un même boîtier. Le gain en courant du

Darlington est égal au produit des gains de chaque transistor β=β1*β2. Le montage est

donné par la figure 2.11.

Figure 2.11 Montage du transistor Darlington

Les collecteurs sont communs, et correspondent au collecteur du Darlington. L'émetteur

du transistor de commande est relié à la base du transistor de sortie. La base du

Figure 2.10 Engrenage roue et vis sans fin

http://fr.wikipedia.org/wiki/Transistor

http://fr.wikipedia.org/wiki/Amplificateur

http://fr.wikipedia.org/wiki/Gain

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transistor de commande et l'émetteur du transistor de sortie correspondent

respectivement à la base et à l'émetteur du Darlington [05].

On a conçu un étage de transistor amplificateur de courant afin de limiter le courant

délivré de la carte Profi_Cassy, le montage présente 4 astuces en électronique : le

fonctionnement en classe AB, la polarisation par diode, l’alimentation fractionnée et les

diodes de roue libre. La carte d’interface (carte d’adaptation en courant) est la suivante

2.4.2.1 Fonctionnement en classe AB

Un transistor classe AB élimine l’effet d’un changement de polarité d’entrée donc

pour éviter la déformation que cette suppression entraine, il faut monter deux

transistors en Push-Pull alors un transistor conduit durant une alternance, l’autre

conduit dans l’autre alternance. Le montage Push-Pull ou symétrique donne un

amplificateur classe B de faible distorsion, de grande puissance de charge, de rendement

élevé. Le montage illustre un amplificateur à émetteur suiveur Push-Pull classe B

particulier ce montage est composé d’un transistor NPN { émetteur suiveur c’est le

BD677 et d’un transistor PNP { émetteur suiveur c’est le BD678.

Figure 2.12 Circuit d’amplification du courant

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Durant la tension positive entrante, le transistor du haut conduit et celui du bas est

bloqué. Le transistor du haut se comporte comme un transistor à émetteur suiveur, donc

la tension de la sortie sera égale environ la tension d’entrée.

L’impédance de sortie est très faible parce que l’émetteur suit. Durant l’alternance

négative de la tension d’entrée le transistor du haut est bloqué et le transistor du bas est

bloqué. Le transistor du bas ce comporte comme un transistor à émetteur suiveur et

produit une tension de charge approximativement égale { la tension d’entrée.

A la tension de commande on voit une grande impédance d’entrée { chaque base et la

charge (le moteur) voit une petite impédance de sortie.

Enfin le fonctionnement en classe B fut plus simple et plus stable à minimum de

dissipation surtout dans certaines applications car le courant d’alimentation et le

rendement par étage sont des éléments importants dans la conception [04].

2.4.2.2 Polarisation par diodes ( et )

La polarisation par diodes représente une façon d’éviter le glissement thermique.

Les diodes de compensation ou compensatrices fournissent la tension de polarisation

aux diodes émettrices. Pour cela, les caractéristiques des diodes doivent être adaptées

aux caractéristiques de des transistors. Alors toute augmentation de la température

diminue la tension de polarisation fournie par les diodes compensatrices. Supposons

qu’une tension de polarisation de établit un courant collecteur de repos de .

Si la température monte de , la tension entre les bornes de chaque diode

Figure 2.13 Principe de fonctionnement B

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compensatrice chute d’environ . Comme la tension nécessaire diminue

d’environ , le courant collecteur de repos reste à environ .

La polarisation par diodes d’un amplificateur Push-Pull classe B à émetteurs suiveurs

repose sur deux miroirs de courants. La moitié supérieure du circuit est un miroir NPN

et la moitié inferieure est un miroir PNP. La polarisation par diodes est insensible aux

variations de températures si les caractéristiques des diodes sont adaptées aux

caractéristiques des tensions des transistors sur une large gamme de température,

ce qu’on n’obtient pas facilement avec des circuits discrets en raison des tolérances de

leurs composants. Par contre, on réalise facilement la polarisation par diodes { l’aide de

circuits intégrés parce que, les diodes et les transistors étant sur la même puce, leurs

caractéristiques sont presque identiques [04].

2.4.2.3 Alimentation fractionnée

Lorsqu’on dispose d’une alimentation fractionnée (tension positive et négative

égales ou opposées), on peut référer l’entrée et la sortie { la masse. Les alimentations

étant opposées et égales, la tension de chaque transistor égale . Donc la tension

de sortie de repos est nulle, voilà pourquoi on peut directement transmettre le signal à

la charge, la tension de repos entre les diodes de compensation étant nulle elle aussi,

cela détermine une borne d’entrée { la masse nécessaire dans notre cas. Pour

Figure 2.14 Polarisation des diodes

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différentes polarités du signal, la diode se comporte comme une petite résistance,

l’impédance de chaque transistor étant très grande, donc presque tout le signal d’entrée

passe à la base du transistor classe B via à les diodes.

Autre avantage d’un amplificateur { alimentation fractionnée :sa grandeur dynamique

du signal changeant de polarité, cette dynamique élevée permet { l’amplificateur de

fournir une plus grande puissance de charge non déformée [04].

2.4.2.4 Diodes de roue libre ( )

Elles sont employées pour protéger les transistors du courant du roue libre

délivré par le moteur lors d’une inversion de polarité { l’entée de commande [04].

Figure 2.15 Alimentation fractionnée

Figure 2.16 Diodes libres du circuit global

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2.5 Capteurs et leurs interfaces

Deux capteurs proprioceptifs permettent l’acquisition des informations

suivantes :

La position angulaire θ, angle entre le bras manipulateur et une position de

référence par rapport au châssis grâce { l’encodeur optique.

L’accélération γ de l’extrémité du bras par rapport { sa position d’équilibre « end-

point » à travers l’accéléromètre.

Deux butées de fin de course permettant d’assurer le balayage du bras sur un plan

d’angle 1800 .

2.5.1 Encodeur optique

L’encodeur optique est un capteur de position extrêmement précis (résolution de

0.2 degré), il est constitué de deux parties : un disque renferment des bandes opaques et

transparentes sur sa périphérie et un module qui sert à acquérir les alternances

(opaque/transparent) pour les produire en formes d’ondes analogiques.

Figure 2.17 Disque gradué

Figure 2.18 Module d’acquisition

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2.5.1.1 Principe de fonctionnement

Le module contient un émetteur et un récepteur. La partie émettrice se compose

d’une diode luminescente LED (Light Emitting Diode) et d’une lentille. La lumière émise

par la diode se transforme en faisceaux parallèles à l'aide de cette lentille située

directement devant la diode. A l’opposé de l’émetteur (LED +Lentille) on trouve la

partie réceptrice englobant les photodiodes et les comparateurs ayant comme sortie les

chaines A et B. Lorsque le moteur tourne, le disque solidaire { l’axe du moteur permet

l’alternance entre bandes opaques et bandes transparents d’où l’interruption des

faisceaux lumineux. Les photodiodes qui détectent ces interruptions sont { l’origine de la

formation du signal de sortie.

Ces détecteurs sont également espacés de telle sorte que sur une paire de détecteurs une

période opaque (0 Volts) correspond à une période transparente (5 Volts) sur la paire

adjacente. Deux comparateurs reçoivent ces signaux et produisent les sorties finales

pour les canaux A et B. Le canal A est en quadrature de phase avec le canal B.

2.5.1.2 Mise en forme du signal

Le signal de sortie issu du canal A est le suivant :

Figure 2.19 Circuit interne du module

Figure 2.20 Sortie réelle du compteur

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On remarque sur l’oscilloscope que le signal n’est pas véritablement carré, pour cela

l’emploi d’un Trigger de Schmitt est souhaité.

En effet, le trigger de Schmitt (CI 4093) a pour mission de fixer deux seuils bien

déterminés, qui serviront de références Hi et Lo, et qui permettront d'identifier tout

signal d'entrée comme étant de niveau logique 1 ou 0. Il contribue donc à la mise en

forme du signal et à éliminer les harmoniques en intrusion.

Le résultat du signal après la mise en forme visualisé sur l’oscilloscope est donné par la

figure suivante :

2.5.1.3 Mise en place du compteur

Ce qui fut proprement théorique le fait de placer un compteur en aval de la sortie

d’un encodeur optique en admettant que le premier va compter les impulsions du

dernier la problématique se présente d’une part { l’entrée du compteur en ce qu’on

appelle adaptation en impédance, en second lieu si jamais le signal était mal ajusté, le

compteur ne va pas détecter les fronts de l’horloge et en dernier lieu les impulsions sont

trop rapides ce qui impose une série de diviseur atteint 10 diviseurs successifs alors le

Figure 2.21 Principe de fonctionnement du Trigger

Figure 2.22 Sortie du signal après le Trigger

http://www.kpsec.freeuk.com/555timer.htm#buffer

http://www.kpsec.freeuk.com/555timer.htm#buffer

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choix du compteur 4040 est adéquat car il possède 12 diviseurs à , les sorties Qi

délivrent une fréquence égale { la fréquence d’horloge divisée par .

La Figure 2.24 montre que bascule d’un niveau { un autre chaque 1/5=0.2° ,

chaque 2/5=0.4°, chaque 4/5=0.8 °, chaque 8/5=1.6° ainsi le choix de bit de poids

faible parmi les contribue à la précision du signal (agit sur le pas de progression ) en

se limitant par le nombre des entrées numériques de la carte Profi_Cassy (8 entrées ).

L’encodeur comme il est indiqué délivre un front descendant chaque 0.2 degré et vu que

le bras évolue de 0° à 180° on a prévu que sera le bit de poids fort et sera le bit de

Figure 2.23 Circuit du compteur

Figure 2.24 Signal du compteur à la sortie de Q1

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poids faible soit le mot binaire le balayage de 0000000

à1111111 va couvrir -1)* = -1)*1.6° = 203.2° et [0°

180°] [0° 203,2°] donc le choix du mot binaire est adéquat .

2.5.2 Accéléromètre

L’accéléromètre comme son nom l’indique est un capteur qui permet de

mesurer l’accélération et plusieurs autres grandeurs utiles dans le domaine de la

robotique comme l’inclinaison, la gravité, les vibrations, les collisions … Il est aussi

utilisé pour déclencher le gonflage des airbags des véhicules en cas de choc brutal; pour

les systèmes d’alarmes des voitures.

Avant les accéléromètres étaient de grande taille et difficiles à intégrer. Le module utilisé

Parallax MEMSIC est issu de la nouvelle génération ; grâce { la technologie MEMS “

Micro-Electro-Mechanical-Systems“, il peut mesurer une accélération dynamique

(vibration) ou une accélération statique (la gravité).

Le module MEMSIC renferme une puce qui constitue la partie astucieuse de

l’accéléromètre.

Ce module est caractérisé par une haute résolution où il est capable de mesurer jusqu'à

1mG (G= 9.8 m/s2 , la gravité). Il peut balayer de -2G jusqu'à 2G selon le sens du

mouvement sur l’axe X ou Y. une option sur ce module c’est qu’il a la possibilité de

mesurer la température extérieure.

2.5.2.1 Principe de fonctionnement

Le dispositif de MEMSIC « la puce » est un système complet de mesure

d'accélération sur deux axes x et y ; il est fabriqué sur un processus monolithique de

circuits intégrés de CMOS. L'opération est basée sur le transfert thermique par la

Figure 2.25 Module accéléromètre

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convection normale. Le MEMSIC est constitué d’une chambre de gaz avec un élément

chauffant au centre et de quatre sondes de température autour de son bord. Cette

source de chaleur centrée dans la puce de Silicone est suspendue à travers une cavité.

Les thermopiles équidistantes d'aluminium/poly-silicone (groupes de thermocouples)

sont situées à une distance équivalente à chacun des quatre côtés de la source de

chaleur. Sous l'accélération nulle, un gradient de la température est symétrique au sujet

de la source de chaleur, de sorte que la température soit identique à chacune des quatre

thermopiles, les faisant produire la même tension. Selon le mouvement de

l'accéléromètre, le gaz chaud se rassemblera plus près d'une ou peut-être de deux des

sondes de température.

Le MEMSIC convertit la température mesurée en un signal carré périodique de période

T2 = 10 ms où le Ton = T1 (5V) est variable selon l’accélération.

Figure 2.26 La puce renfermant la chambre de gaz, l’élément chauffant et les thermopiles

Figure 2.27 Signal sortant de l’accéléromètre

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L’oscilloscope peut nous aider { réaliser la variation de l’accélération (figure 2.28).

La variation de l’accélération remarquable grâce à l’oscilloscope est la suivante :

L’accélération A(g) est déterminée { partir de la formule suivante :

Pour récupérer le rapport cyclique ; on a réalisé un filtre moyenneur passe-bas

d’une constante du temps bien étudiée afin de donner au système une période 10 ms et

une variable. L’équation du filtre est la suivante : H(p)= avec = .

et K= .Le principe de fonctionnement est assez simple : si du signal varie, la

moyenne de ce dernier sur une période varie aussi selon l’équation suivante :

= , avec T2=10 ms.

On a prévu un gain K=1.45 [1, 2] pour mieux visualiser la variation de la moyenne en

respectant la marge de la saturation d’amplificateur. La tension positive d’entrée attaque

la borne inverseuse de l’amplificateur ce qui engendre un signal négatif à la sortie. Le

signal sera rectifier par programmation, un lissage est conseillé pour éliminer les

harmoniques.

Figure 2.28 Variation de Ton

Figure 2.29 Circuit du filtre

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2.5.3 Butées de fin de courses

Les deux butées sont deux interrupteurs qui donnent une information de type

logique : l’interrupteur est ouvert ou fermé. Cette information va être mise { l’entrée

numérique TOR. La butée d’initialisation comme l‘indique son nom est utilisée pour le

départ du cycle et l’autre pour signaler que le bras a dépassé son champs d’évolution.

2.6 Cartes d’alimentation

2.6.1 Alimentation du capteur

Une alimentation classique comporte toujours:

Un transformateur abaisseur, qui fournit sur son secondaire une tension

alternative très inférieure à celle du secteur.

Un pont redresseur (diodes en pont de Graëtz), qui fournit en sortie une tension

non plus alternative en double alternance redressée.

une ou des capacités polarisées qui réduisent l'ondulation de la tension issue du

pont redresseur.

Un régulateur de tension, fixe ou variable, dont le rôle est de stabiliser le

potentiel à une certaine valeur. Ces régulateurs fixes positifs sont sans doute les

plus utilisés. Ils disposent tous d'une limitation interne du courant et d'une

Figure 2.30 Circuit des butées de fin de course

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protection thermique. Seule contrainte: la tension d'entrée minimale Vin min doit

être égale ou supérieure à (Vout + 2 V). Ces modèles bénéficient d'une tolérance à

5 % (suffixe C).

Peuvent s'y ajouter un ou des condensateurs facultatifs pour améliorer les performances

du régulateur, divers dispositifs de protection (fusible, dissipateur, diode anti-retour...),

de signalisation ou d'affichage (LED-témoin, affichage analogique ou numérique de la

tension, du courant...) et, dans la plupart des cas, un interrupteur.

Les principaux paramètres à prendre en compte sont:

la tension continue à fournir en sortie pour notre cas +5V et -5V .

le courant maximal débité, car en effet, 7805 et 7905 ne supportent plus que 1A

en sortie.

le coût et la complexité du montage, en regard des performances attendues (le

fameux rapport qualité/prix...).

Vu que le montage comprend l’AOP 741, il nécessite une alimentation dite symétrique

(split, en anglais), c'est-à-dire fournissant une tension positive (+5 V) et une tension

négative (-5 V) par rapport à la masse (la référence 0 V). On observera également que le

transformateur est de type "à point milieu", ce point milieu étant relié à la masse.

Figure 2.31 Circuit d’alimentation du capteur

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2.6.2 Alimentation moteur

La présence d’un régulateur n’est plus nécessaire dans ce cas car { la fois le

courant de sortie dépasse 1A et la valeur importante de capacité diminue l’ondulation de

sortie or le moteur va prendre la valeur moyenne de la tension fluctuante.

Figure 2.32 Circuit d’alimentation du moteur { CC

2.7 Conclusion

Certes la réalisation mécanique du bras manipulateur était difficile, cependant la

réalisation électronique était la partie la plus délicate puisque la commande repose

essentiellement sur l’acquisition des mesures qui doivent être bien traitées pour

garantir la fiabilité des capteurs. Dans le chapitre suivant nous présenterons la

commande numérique appliquée ainsi que l’environnement d’interfaçage communicant

entre le manipulateur et le PC.

34 Commande du bras manipulateur flexible

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CHAPITRE

Commande du bras manipulateur flexible

3.1 Introduction Ce chapitre traite la commande du bras manipulateur flexible par la

logique floue et son implémentation réelle à travers un interfaçage graphique

réalisé par LabVIEW et communiquant avec le système par le Profi_Cassy.


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3.2 Choix de la commande

3.2.1 Problèmes liés à la modélisation

Dans le cas des manipulateurs classiques, le déplacement de l'effecteur sur une

trajectoire donnée implique généralement le calcul d'une transformation cinématique

inverse donnant les coordonnées articulaires correspondantes, qui constituent les

consignes de l'asservissement. Le bras est dans ce cas supposé suffisamment rigide pour

considérer qu'une fois ces coordonnées atteintes, l'effecteur est dans la position voulue.

Une telle hypothèse n'est bien entendu plus valable pour les manipulateurs flexibles,

pour lesquels une oscillation de l'extrémité est possible même si les coordonnées

articulaires sont stables. En effet, le bras manipulateur est un système complexe difficile

à modéliser, les quatre catégories principales de problèmes sont :

Problème statique faisant appel à la théorie d’élasticité: la modélisation statique

donne une idée sur la flexibilité de la structure mais elle ne donne aucune

information sur le comportement dynamique réel du système.

Problème aux valeurs propres du système linéarisé : on considère le robot dans

une position donnée et on détermine les fréquences et les modes propres autour

de cette position.

Problème dynamique découplé : on suppose que le mouvement du robot en corps

rigides est connu et on évalue ensuite les déformations élastiques des segments

en supposant que les mouvements rigides influent les mouvements élastiques,

mais que ces derniers n’influent pas les premiers.

Problème dynamique couplé : le vecteur de variables généralisées est composé à

la fois des termes décrivant les déformations élastiques et le mouvement rigide

du robot.

Rappelons enfin que la plupart des travaux concernant la modélisation des systèmes

poly-articulés comportant des segments flexibles, utilisent :

Des hypothèses comme celles exprimées dans les théorèmes des travaux

virtuels, les équations de Lagrange ou celles de Newton-Euler, permettant

l'utilisation de procédures aboutissant { l’obtention systématique des équations

du mouvement des systèmes poly-articulés rigides,


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Des combinaisons entre les méthodes d’analyse des structures telles que

l’analyse modale ou la méthode des éléments finis [03].

Pour échapper aux problèmes de la modélisation, la commande floue est la plus

appropriée puisqu’elle ne tient pas compte du modèle. La décision en logique floue est

basée sur la notion d’expertise, qui permet de quantifier le flou { partir de connaissances

acquises antérieurement.

3.2.2 Présentation de la logique floue

Dans la logique classique, les variables gérées sont booléennes. C'est à dire

qu'elles ne prennent que deux valeurs 0 ou 1.

La logique floue, quant à elle, a pour but de raisonner à partir de connaissances

imparfaites par rapport à la logique classique. Pour cela la logique floue se propose de

remplacer les variables booléennes par des variables floues [06].

3.2.2.1 Historique et définition

Depuis longtemps l'homme recherche à maîtriser les incertitudes et les

imperfections inhérentes à sa nature. La première réelle manifestation de la volonté de

formaliser la prise en compte des connaissances incertaines fut le développement de la

théorie des probabilités à partir du XVII siècle. Mais les probabilités ne peuvent

maîtriser les incertitudes psychologiques et linguistiques. On a donc assisté aux

développements des théories de probabilité subjective (dans les années 50) puis de

l'évidence (dans les années 60).

La logique floue est apparue en 1965 à Berkeley dans le laboratoire de Lotfi Zadeh avec

la théorie des sous-ensembles flous puis en 1978 avec la théorie des possibilités. Ces

deux théories constituent aujourd'hui ce que l'on appelle Logique Floue.

La logique floue permet la formalisation des imprécisions dues à une connaissance

globale d'un système très complexe et l'expression du comportement d'un système par

des mots. Elle permet donc la standardisation de la description d'un système et du

traitement de données aussi bien numériques qu'exprimées symboliquement par des

qualifications linguistiques.


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3.2.2.2 Sous-ensembles flous

Un sous-ensemble flou F est défini sur un ensemble de valeur, le référentiel U. Il

est caractérisé par une fonction d'appartenance :

qui quantifie le degré d'appartenance de chaque élément de U à F.

3.2.2.3 Opérations de base sur les sous-ensembles flous

La théorie mathématique sur les sous-ensembles flous définit de nombreuses

opérations sur ces sous-ensembles et sur les fonctions d'appartenance qui rendent ces

notions utilisables.

Si A et B sont deux sous-ensembles flous et µ (A) et µ (B) leur fonction d'appartenance,

on définit :

Le sous-ensemble A et B par la fonction d'appartenance :µ(A B)=min (µ (A), µ (B))

Figure 3.1 Représentation graphique de µ (A), µ (B) et µ(A B)


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Le sous-ensemble A ou B par la fonction d'appartenance: µ (A B) =max (µ (A), µ (B))

Figure 3.2 Représentation graphique de µ(A B)

Ces définitions sont celles les plus communément utilisées mais parfois, pour

certains cas, d'autres sont plus appropriées. Par exemple l'intersection peut être définie

par le produit des fonctions d'appartenance et l'union par la moyenne arithmétique des

fonctions d'appartenance. Ces différentes techniques de calcul engendrent une énorme

capacité d'adaptation des raisonnements flous.

3.2.3 La commande floue

La Commande floue est l’application la plus utilisée de la logique floue. Elle

consiste à remplacer les algorithmes de réglage conventionnels par des règles

linguistiques du type : SI … ALORS … Ainsi on obtient un algorithme linguistique qui se

prête mieux que les méthodes traditionnelles à la commande d’un processus.

3.2.3.1 Structure d’une commande floue

Le schéma général d’une commande floue est celui-ci :

Figure 3.3 Schéma général d’une commande floue


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On procède tout d’abord à la partition en sous-ensembles flous des différents

univers de discours (ou référentiels) que le système impose. Ensuite, on détermine la

base de règles qui va caractériser le fonctionnement désiré du système.

Puis il faut transformer les variables réelles, c’est à dire celles qui ont une réalité

physique, en variables floues. On appelle cette étape la fuzzification.

On utilise alors ces variables floues dans un mécanisme d’inférence qui crée et

détermine les variables floues de sortie en utilisant les opérations sur les fonctions

d’appartenance.

Enfin, on opère à la défuzzification qui consiste à extraire une valeur réelle de

sortie à partir de la fonction d’appartenance du sous-ensemble flou de sortie établi par

le mécanisme d’inférence.

Il existe de nombreuses techniques de fuzzification et défuzzification. Les plus

basiques sont ces opérations qui constituent une des parts les plus importantes de la

réalisation dune commande floue.

3.2.3.2 Techniques de fuzzification

L’exemple trivial est la fuzzification d’une valeur exacte x0. Le sous-ensemble flou

lié à cette variable est alors caractérisé par la fonction d’appartenance suivante :

Figure 3.4 Représentation graphique de U


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L’autre technique de base est la fuzzification d’une valeur x0 entachée d'une

incertitude . La fonction d’appartenance est alors :

Figure 3.5 Représentation graphique de

3.2.3.3 Technique de défuzzification

Le but de la défuzzification est d’extraire une valeur réelle y0 à partir de la fonction

d’appartenance µ(y) du sous-ensemble de sortie.

La méthode la plus simple et la plus approximative est alors de prendre en

compte le premier maximum de la fonction µ (y) :

Figure 3.6 Représentation graphique de µ (y)


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La deuxième est de considérer la moyenne des maximums de la fonction :

Figure 3.7 Représentation graphique de la moyenne des maximums de µ (y)

La troisième méthode est l’extraction barycentrique de la valeur y0, qui consiste à

faire une moyenne des valeurs du référentiel pondérées par leur degré d’appartenance.

Cette méthode est encore peu coûteuse en calcul et donne de bons résultats :

Figure 3.8 Représentation graphique de l’extraction barycentrique de µ (y)

La dernière méthode qui est de loin la plus utile est celle qui consiste à prendre

en compte le centre de la surface délimitée par la fonction d’appartenance :

Figure 3.9 Représentation graphique de centre de la surface délimitée par µ (y)


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3.3 Conception de la commande floue pour le bras

manipulateur flexible

3.3.1 Etude de l’expertise

En se basant sur une série d’expériences à base d’une alimentation stabilisée et

en variant la tension de commande (qui est proportionnelle à la vitesse de rotation du

moteur) ; nous avons trouvé que pour atteindre la position voulue, avec une vibration

nettement plus réduite, nous devons subdiviser la trajectoire en trois parties qui

définissent la variation trapézoïdale de la vitesse.

1. Phase d’accélération au démarrage

2. Phase de vitesse constante

3. Phase de décélération entamée par un freinage

Figure 3.10 Subdivision de la trajectoire


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3.3.2 Structuration du régulateur flou

Les entrées et la sortie du régulateur flou appliqué au manipulateur flexible sont :

Entrées : L’erreur ε entre la consigne angulaire et l’angle Sortie : La tension U

L’accélération γ

Figure 3.11 Schéma du système asservi

La partition des sous-ensembles flous de l’erreur ε, de l’accélération γ (voir figure

3.12) et de la tension a été faite sur 3 intervalles (voir figure 3.13). Ces intervalles sont

choisis suite { un ensemble d’essais expérimentaux.

La base de règles qui regroupe les différentes règles floues (9 règles) liant les entrées à

la sortie est donnée par le tableau suivant:

Tableau 3.1 Table des règles

Accélération γ

-1 0 +1

Erreur

de

0 0 0 0

position

ε

+1 +2 +2 +2

+2 +1 +1 +1

Commande

U


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3.4 La carte d’interface Profi_Cassy

3.4.1 Caractéristiques

Profi_Cassy est une interface communicative d’entrées/sorties analogiques et

numériques assurant la liaison entre le PC via le port série ou USB et n’importe quel

système réel. Elle permet donc l’introduction d’une commande numérique { un système

analogique.

Elle possède une séparation galvanique avec l’ordinateur connectable en cascade

avec le Sensor-CASSY ou le Power-CASSY (d’où la multiplication des entrées et sorties).

Elle est commandée par microordinateur de commande avec le système

d’exploitation CASSY (facilement actualisable à tout instant via le logiciel pour

Figure 3.13 Les fonctions d’appartenance de la commande

Figure 3.12 Les fonctions d’appartenance d’erreur et d’accélération


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l’optimisation de la puissance) ou tout programme présentant un noyau temps réel tel

que LabVIEW. Elle peut être utilisable au choix comme appareil de table, de console ou

de démonstration. Son alimentation est de 12V (tension alternative uniquement).

Tableau 3.2 Entrées de tension analogiques A et B

Calibre ±10 V

Résolution 12 bits

Précision de mesure ±1 % plus 0,5 % de la pleine échelle

Résistance d’entrée 1 M

Taux de balayage 10 000 valeurs/s par entrée

Mesurées quasiment illimité (suivant le PC) jusqu’à 8000 valeurs/s par entrée

douilles de sécurité 4 mm

Tableau 3.3 Sorties de tension analogiques X et Y

Plage de modulation ±10 V

Résolution 12 bits

Erreur ±1 % plus 0,5 % de la pleine échelle

Courant max de sortie 100 mA par sortie

Taux max de balayage pour X 10 000 valeurs/s

Taux max de balayage pour Y 100 valeurs/s (suivant le PC)

Douilles de sécurité 4 mm


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Tableau 3.4 Entrées numériques I0 à I7

Logique 5 V

Taux de balayage max. 100 valeurs/s (suivant le PC)

Douilles de sécurité 2 mm avec des LED d’état

Tableau 3.5 Sorties numériques Q0 à Q7

Logique 5 V

Courant max de sortie 10 mA pour une alimentation interne de 5 V

Taux de balayage max. 100 valeurs/s (suivant le PC)

douilles de sécurité 2 mm avec des LED d’état

3.4.2 Cassy entre le PC et le manipulateur flexible

Comme tout système automatisé, ce projet présente des entrées et des sorties

communicantes à travers la carte d’interface et leur répartition est la suivante :

Tableau 3.6 Entrées du système

Entrées Cassy Entrées du système

Entrée A Signal du l’accéléromètre

Entrée B Convertisseur température/tension issue de l’accéléromètre

I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Q10 diviseur du signal du l’encodeur (position angulaire)

I7 Butées : initialisation et débordement

Tableau 3.7 Sorties du système

Sorties Cassy Sorties du système

Sortie X Tension de commande du moteur

Q0 Remise à zéro du compteur


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La figure 3.14 illustre le contenu des deux tableaux sur la Profi_Cassy :

Figure 3.14 Profi_Cassy en connexion avec le système

Comme il est indiqué ci-dessus, on a une liaison USB et grâce aux DLL, on pourra

communiquer avec la carte Profi_Cassy, ce qui impose de concevoir tout un protocole de

transmission pour interfaçage.

3.5 Interfaçage et programmation

3.5.1 Protocole de transmission USB

Le bus USB supporte un protocole Plug-and-Play (« branchez et utilisez »). Dès la

connexion, l'hôte lit certaines informations sur le périphérique. Celles-ci lui permettent

d'identifier le périphérique (type, constructeur, nom, version) et donc facilitent le travail

du système pour déterminer le driver le plus approprié.

L'hôte communique successivement avec chaque périphérique, le débit total est donc

partagé entre l'ensemble des périphériques. Il est possible d'attribuer à certains

périphériques un débit constant pour une période de temps. Le reste du débit est

toujours attribué de façon équitable entre les autres périphériques.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Bus_informatique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Plug_and_play


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Une autre caractéristique du protocole USB est la possibilité de structurer la

communication entre un hôte et un périphérique en plusieurs canaux logiques pour

simplifier la commande du périphérique. Par exemple sur un disque dur USB, il est

commode de disposer d'un canal pour passer les commandes (lire/écrire secteur n°,

formater secteur n°) et d'un autre canal séparé pour passer les données (contenu du

secteur). La communication entre l’hôte (l’ordinateur) et les périphériques se font selon

un protocole basé sur le principe de l'anneau à jeton (token ring).

La bande passante est partagée temporellement entre tous les périphériques

connectés. L’hôte émet un signal de début de séquence chaque milliseconde, intervalle

de temps pendant lequel il va donner simultanément la « parole » { chacun d’entre eux.

Lorsque l’hôte désire communiquer avec un périphérique, il émet un jeton (un paquet de

données, contenant l'adresse du périphérique, codé sur sept bits) désignant un

périphérique, c'est donc l'hôte qui décide de « dialoguer » avec les périphériques. Si le

périphérique reconnaît son adresse dans le jeton, il envoie un paquet de données (de 8 à

255 octets) en réponse, sinon il fait suivre le paquet aux autres périphériques connectés.

Les données ainsi échangées sont codées selon le codage NRZI.

3.5.2 Les bibliothèques dynamiques DLL

Ce protocole de transmission est encapsulé dans une bibliothèque dynamique,

nommée Dynamic Link Library (.dll) pour Windows et généralement nommée Shared

Object (.so) sous UNIX, est un fichier de bibliothèque logicielle utilisé par un programme

exécutable, mais n'en faisant pas partie. Ce fichier contient des fonctions est des

procédures qui pourront être appelées pendant l'exécution d'un programme, sans que

celles-ci soient incluses dans son exécutable. Le principal avantage des bibliothèques

dynamiques est la réduction de la taille d'un exécutable, puisque certaines parties du

logiciel se situent dans le système. De plus, cela permet d'introduire des validations

identiques pour chaque programme, puisque tous les programmes font lien vers une

seule et même bibliothèque, ce qui évite au programmeur de réinventer la roue à chaque

fois. Le DLL d'USB programmable des produits (PPI) est un module de gestion de

périphérique d'USB d'usage universel avec un emballage de DLL de Windows. Le but de

l'emballage est de permettre d'accéder au conducteur par plusieurs appels de fonctions

http://fr.wikipedia.org/wiki/Codage_NRZI

http://fr.wikipedia.org/wiki/Microsoft_Windows

http://fr.wikipedia.org/wiki/UNIX

http://fr.wikipedia.org/wiki/Logiciel


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simples, pour obéir à la grande variété de langages de programmation. Le DLL prévoit

l'accès multi-fileté au dispositif d’USB.

Une DLL peut être liée statiquement ou dynamiquement à un programme. Dans le

premier cas, le programme déclare explicitement avoir besoin d'une fonction contenue

dans une bibliothèque et la résolution de liens est effectuée par l'éditeur de lien au

moment de la phase de compilation du programme. Le programme inclut alors dans sa

structure binaire la liste des bibliothèques nécessaires à son bon fonctionnement dans

sa "table des exportations" (export table). Le chargeur de programmes de Windows

vérifie alors lors de l'exécution du programme que toutes les DLL requises sont

disponibles, et si ce n'est pas le cas, stoppe le chargement en affichant un message

indiquant que des dépendances nécessaires à l'exécutable n'ont pu être trouvées. Dans

le second cas, c'est le programme qui demande explicitement le chargement d'une

bibliothèque durant son exécution à l'aide de l'API LoadLibrary afin d'obtenir un

pointeur sur la fonction désirée. Cette dernière approche est plus pénible car elle

nécessite un effort plus important de la part du programmeur, mais elle permet d'une

part de ne pas empêcher l'exécution d'un programme lié à une bibliothèque dont

l'existence sur le système hôte n'est pas certaine, d'autre part constitue parfois le seul

moyen d'accéder à des fonctions qui ne sont pas déclarées dans les fichiers d'interface

fournis par l'éditeur et qui sont donc à considérer comme "non documentées".

3.5.3 La DLL CASSYAPI et ses procédures

En ce projet le DLL propriétaire est CASSYAPI.dll qui englobe toutes les fonctions

et les procédures traduisant la communication via Profi_Cassy telle que :

Tableau 3.8 Procédures de configuration

Procédures Observation Procédure WINAPI Cassy_Init () initialisation des registres de Cassy Procédure WINAPI Cassy_Exit libération de l’allocation mémoire Procédure WINAPI Cassy_Reset () mise à zéro de toutes les sorties Cassy

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%83%C2%89dition_de_liens

http://fr.wikipedia.org/wiki/Compilateur

http://fr.wikipedia.org/wiki/Microsoft_Windows


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Tableau 3.9 Procédures et fonctions analogiques

Procédures Observation Fonction GetInput (AB: bit) : réel retourne la valeur d’entrée A ou B Fonction GetOutput (XY: bit) : réel retourne la valeur de sortie X ou Y Procédure SetOutput (XY: bit ; Value : réel) envoi value(en V) vers la sortie X ou Y

Tableau 3.10 Procédures et fonctions numériques

Procédures Observation

Fonction GetBitInput (BIT : entier) : bit retourne la valeur de IBIT (0 ou 1)

Procédure SetBitOutput (BIT : entier; Value : bit)

renvoi value (0 ou 1) vers QBIT

Fonction GetDigInput () : entier retourne la valeur de I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 Procédure SetDigOutput (Value : entier) renvoi value vers Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6Q7

3.5.4 Commande avec LabVIEW

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) est un

langage de programmation dédié au contrôle d’instruments et à l’analyse de données.

Contrairement à la nature séquentielle des langages textuels, LabVIEW est basé sur un

environnement de programmation graphique utilisant la notion de flot de données pour

ordonnancer les opérations. LabVIEW intègre l’acquisition, l’analyse, le traitement et la

présentation de données. Pour l’acquisition de données et le contrôle d’instruments,

LabVIEW supporte les standards RS-232/422, IEEE 488 (GPIB) et VXI, ainsi que les

cartes d’acquisition de données. Pour l’analyse et le traitement des données, la

bibliothèque d’analyse étendue contient les fonctions pour la génération et le traitement

de signaux, les filtres, les fenêtres, les statistiques, la régression, l’algèbre linéaire et

l’arithmétique matricielle. LabVIEW intègre un grand nombre d’éléments de

présentation tels les graphes déroulants, des graphes XY, des abaques de Smith, des

jauges, des cadrans { aiguille…

Les domaines d'application traditionnels de LabVIEW sont la commande et la

mesure à partir d'un PC (acquisition de données, contrôle-commande d'instruments de

mesure, dispositifs expérimentaux, bancs de test). Cette vocation est donnée par des

bibliothèques de fonctions spécialisées (GPIB, cartes d'acquisition, traitement de

données...), mais aussi par les particularités du langage G (parallélisme inhérent à

http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Syst%C3%A8me_d%27acquisition_de_donn%C3%A9es&action=edit

http://fr.wikipedia.org/wiki/Contrôle-commande

http://fr.wikipedia.org/wiki/Instrumentation_(science)


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l'exécution par flux de données) et de l'environnement de développement (pilotes de

périphériques standards, assistants pour l'installation du matériel).

LabVIEW est centré autour du principe d’instrument virtuel (Virtual Instrument

ou encore VI). Il se décompose de deux parties :

1. La première partie : elle contient l’algorithme du programme décrit sous la

forme d’un diagramme flux de données en langage graphique

2. La seconde partie est constituée de l’interface utilisateur

Figure 3.15 Face diagramme et face utilisateur

Pour écrire un programme sur LabVIEW, on a besoin des « Palettes » qui nous

offre la possibilité de modifier la face avant et le digramme de LabVIEW, on trouve trois

palettes :

1. Palette d’outils : sur la face utilisateur et la face du diagramme

2. Palette de commandes : sur la face utilisateur seulement

3. Palette de fonctions : uniquement sur le diagramme

Figure 3.16 Palette d’outils, palette de commandes et palette de fonctions


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Figure 3.17 Organigramme de fonctionnement

Remise à zéro du Cassy

Remise à zéro de tous les registres

Initialisation du Cassy

Lire désiré

Tourner le bras vers la butée

d’initialisation

Lire instantané

désiré- instantané

Lire

Commande reg_flou ( )

Envoi de la commande

Cassy exit

Butée

initialisation

appuyée

Touche validé

appuyée

Butée débordement

appuyée

Ou


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Figure 3.18 Règles de base de la commande floue

Figure 3.19 Face utilisateur du bras manipulateur


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Figure 3.20 Face diagramme du bras manipulateur

3.6 Conclusion Le système étudié est à la fois difficile à modéliser et à paramètres incertains,

donc en se basant sur une multitude d’essais expérimentaux, nous avons conçu une

étude d’expertise introduite dans l’implémentation en temps réel de la commande floue

du bras manipulateur flexible qui s’est avérée efficace et performante.

Conclusions et perspectives

Conclusions

Dans le cadre d’un Projet de Fin d’Etudes, notre travail consiste à concevoir,

réaliser et commander un bras manipulateur flexible à, un degré de liberté.

Apres avoir effectué la collecte des quelques documents concernant l’étude des

systèmes flexibles, nous avons élaboré une étude mécanique et électrique des différents

parties du manipulateur pour passer ensuite à la réalisation du bras, du châssis et des

cartes d’alimentation et de pilotage du moteur à courant continu appliqué pour la

motorisation du bras. Une fois le manipulateur a été mis en place, nous avons opté pour

la commande floue pour l’implanter avec le logiciel LabVIEW en créant une interface

permettant de visualiser les différents résultats. La communication enter le

manipulateur et la commande a été assurée par la carte d’interface Profi_Cassy. Pour

compenser la vibration à l’extrémité libre du bras deux capteurs, à savoir, l’encodeur

optique et l’accéléromètre, sont adoptés pour obtenir l’asservissement des grandeurs à

réguler.

Perspectives

Grâce à l’application de l’accéléromètre à l’extrémité libre du bras flexible, nous

pouvons mesurer l’amplitude et la fréquence des vibrations lors du mouvement ou de

freinage, ce qui nous permettra d’effectuer plusieurs essais expérimentaux afin

d’estimer un modèle rapproché du bras flexible. Aussi après avoir testé la commande

floue qui s’est avéré intéressante, pour appliquer d’autres approches de commandes de

type classique ou intelligent, le manipulateur flexible étudié peut être un bras dans une

chaine articulée en lui ajoutant un effecteur à son extrémité libre afin de réaliser des

tâches divers.

D’une façon générale, ce travail reste un stand expérimental très intéressant pour

plusieurs axes de recherches concernant l’automatique et la robotique.

Bibliographies

[01] Robotique, aspect fondamentaux s.zeghloul j._p. Lallemand

[02] Compensation du battement cardiaque en chirurgie robotisée :

Asservissement visuel d'un robot médical avec flexibilités, thèse, Loïc

Cuvillion, 2006.

[03] Intégration des aspects robotique, tolérance et comportement mécanique

pour la conception assistée par ordinateur de systèmes poly-articulés,

thèse, AbdulKarim Kazan, 2003.

[04] Principe d’électronique, Albert Paul Malvino, Edition McGraw-Hill, 1988

[05] www.wikipedia.com

[06] www.ifr.org

[07] www.Futura-Sciences.com

http://www.wikipedia.com/

Annexe 1

Application numérique :

L’équilibre des moments par rapport à l’appui donne

C.à.d.

soit

donc

par suite

soit

Annexe 2

Data sheet acquired from Harris SemiconductorSCHS030D − Revised December 2003

The CD4020B and CD4040B types are suppliedin 16-lead hermetic dual-in-line ceramicpackages (F3A suffix), 16-lead dual-in-lineplastic packages (E suffix), 16-leadsmall-outline packages (NSR suffix), and16-lead thin shrink small-outline packages (PWand PWR suffixes). The CD4040B type also issupplied in 16-lead small-outline packages (Mand M96 suffixes).

The CD4024B types are supplied in 14-leadhermetic dual-in-line ceramic packages (F3Asuffix), 14-lead dual-in-line plastic packages (Esuffix), 14-lead small-outline packages (M, MT,M96, and NSR suffixes), and 14-lead thin shrinksmall-outline packages (PW and PWR suffixes).

Copyright 2003, Texas Instruments Incorporated

© Semiconductor Components Industries, LLC, 2005

October, 2005 − Rev. 12Publication Order Number:

BD676/D

BD676, BD676A, BD678,BD678A, BD680, BD680A,BD682, BD682T

Plastic Medium−PowerSilicon PNP Darlingtons

This series of plastic, medium−power silicon PNP Darlingtontransistors can be used as output devices in complementarygeneral−purpose amplifier applications.

Features

• High DC Current Gain −hFE = 750 (Min) @ IC = 1.5 and 2.0 Adc

• Monolithic Construction

• BD676, 676A, 678, 678A, 680, 680A, 682 are complementary with BD675, 675A, 677, 677A, 679, 679A, 681

• BD678, 678A, 680, 680A are equivalent to MJE 700, 701, 702, 703

• Pb−Free Package are Available*

MAXIMUM RATINGS

Rating Symbol Value Unit

Collector-Emitter VoltageBD676, BD676ABD678, BD678ABD680, BD680A

BD682

VCEO456080100

Vdc

Collector-Base VoltageBD676, BD676ABD678, BD678ABD680, BD680A

BD682

VCB456080100

Vdc

Emitter-Base Voltage VEB 5.0 Vdc

Collector Current IC 4.0 Adc

Base Current IB 0.1 Adc

Total Device Dissipation@ TC = 25°CDerate above 25°C

PD40

0.32W

W/°C

Operating and Storage JunctionTemperature Range

TJ, Tstg −55 to +150 °C

THERMAL CHARACTERISTICS

Characteristic Symbol Max Unit

Thermal Resistance,Junction−to−Case

R�JC 3.13 °C/W

Maximum ratings are those values beyond which device damage can occur.Maximum ratings applied to the device are individual stress limit values (notnormal operating conditions) and are not valid simultaneously. If these limits areexceeded, device functional operation is not implied, damage may occur andreliability may be affected.

*For additional information on our Pb−Free strategy and soldering details, pleasedownload the ON Semiconductor Soldering and Mounting TechniquesReference Manual, SOLDERRM/D.

TO−225AACASE 77STYLE 1

4.0 AMP DARLINGTONPOWER TRANSISTORS

PNP SILICON45, 60, 80, 100 VOLT, 40 WATT

3 2 1

http://onsemi.com

See detailed ordering and shipping information in the packagedimensions section on page 3 of this data sheet.

ORDERING INFORMATION

MARKING DIAGRAMS

YWWBD6xxG

BD6xx = Device Codexx = 76, 76A, 78, 78A,

80, 80A, 82, or 82TY = YearWW = Work WeekG = Pb−Free Package

YWWBBD6xxG

BD676, BD676A, BD678, BD678A, BD680, BD680A, BD682, BD682T

http://onsemi.com2

ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

ELECTRICAL CHARACTERISTICS (TC = 25�C unless otherwise noted)

ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

Characteristic ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

Symbol ÎÎÎÎÎÎ

MinÎÎÎÎÎÎÎÎ

MaxÎÎÎÎÎÎ

Unit


OFF CHARACTERISTICSÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

Collector−Emitter Breakdown Voltage (Note 1) BD676, 676A(IC = 50 mAdc, IB = 0) BD678, 678A

BD680, 680ABD682

ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

BVCEO ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

456080

100

ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

−−−−

ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

Vdc


Collector Cutoff Current (VCE = Half Rated VCEO, IB = 0) ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

ICEO ÎÎÎÎÎÎ

− ÎÎÎÎÎÎÎÎ

500 ÎÎÎÎÎÎ

�Adc


Collector Cutoff Current(VCB = Rated BVCEO, IE = 0)(VCB = Rated BVCEO. IE = 0, TC = 100°C)

ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

ICBO ÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

−−


0.22.0

ÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

mAdc


Emitter Cutoff Current (VBE = 5.0 Vdc, IC = 0)ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

IEBOÎÎÎÎÎÎ

−ÎÎÎÎÎÎÎÎ

2.0ÎÎÎÎÎÎ

mAdcÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

ON CHARACTERISTICSÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

DC Current Gain (Note 1)(IC = 1.5 Adc, VCE = 3.0 Vdc) BD676, 678, 680, 682(IC = 2.0 Adc, VCE = 3.0 Vdc) BD676A, 678A, 680A


hFEÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

750750


−−

ÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

−−ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ


Collector−Emitter Saturation Voltage (Note 1)(IC = 1.5 Adc, IB = 30 mAdc) BD678, 680, 682(IC = 2.0 Adc, IB = 40 mAdc) BD676A, 678A, 680A

ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

VCE(sat)


−−

ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

2.52.8


Vdc


Base−Emitter On Voltage (Note 1)(IC = 1.5 Adc, VCE = 3.0 Vdc) BD678, 680, 682(IC = 2.0 Adc, VCE = 3.0 Vdc) BD676A, 678A, 680A


VBE(on) ÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

−−


2.52.5

ÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

Vdc


DYNAMIC CHARACTERISTICSÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

Small−Signal Current Gain (IC = 1.5 Adc, VCE = 3.0 Vdc, f = 1.0 MHz) ÎÎÎÎÎÎÎÎÎÎ

hfeÎÎÎÎÎÎ

1.0ÎÎÎÎÎÎÎÎ

− ÎÎÎÎÎÎ

−

1. Pulse Test: Pulse Width � 300 �s, Duty Cycle � 2.0%.

50

40

10

5.0

015 30 45 60 75 105 135 150 165

Figure 1. Power Temperature Derating

TC, CASE TEMPERATURE (°C)

PD

, P

OW

ER

DIS

SIP

AT

ION

(W

AT

TS

)

12090

45

20

15

30

25

35

Figure 2. DC Safe Operating Area

5.0

1.0

VCE, COLLECTOR−EMITTER VOLTAGE (VOLTS)

2.0

1.0

0.5

0.052.0 5.0 10 50 100

BONDING WIRE LIMIT

THERMAL LIMIT at TC = 25°C

SECONDARY BREAKDOWN LIMIT

0.2

0.1I C,

CO

LLE

CT

OR

CU

RR

EN

T (

AM

P)

TC = 25°C

BD676, 676A

BD678, 678A

BD680, 680A

BD682

20

There are two limitations on the power handling ability ofa transistor average junction temperature and secondarybreakdown. Safe operating area curves indicate IC − VCElimits of the transistor that must be observed for reliableoperation; e.g., the transistor must not be subjected to greaterdissipation than the curves indicate.

At high case temperatures, thermal limitations will reducethe power that can be handled to values less than thelimitations imposed by secondary breakdown.

Résumé

Notre objectif consiste à réaliser un bras manipulateur flexible qui admet une rotation

selon son axe z piloté par un moteur à courant continu. Deux capteurs, un encodeur

optique et un accéléromètre, ont pour but de mesurer la positon angulaire et

l’accélération. Pour contrôler le manipulateur flexible, nous avons implémenté la

commande floue en utilisant le logiciel LabVIEW, en communicant avec la carte

d’interface Profi_Cassy afin d’amortir les vibrations existant sur l’extrémité du bras

manipulateur.

Abstract

Our work consists on design of a flexible one link manipulator rotating around z-axis

assured by a DC drive motor. Two sensors, an optical encoder and an accelerometer, are

applied to measure the hub angle and the tip acceleration. To control the flexible link, a

fuzzy controller are introduced by a LabVIEW algorithm that sends a signal of command

to the DC motor via a Cassy acquisition pilot in order to damp and absorb tip vibration.

Documents

Projet de Fin d’Etudes´ · PDF filebras manipulateur flexible a un seul` degre de libert´ e