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Introduction à la mécatronique

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Mouna Souissi [email protected]

Introduction

Aujourd’hui, le domaine de l’industrie recherche à réduire son coût de production face à la complexité croissante des systèmes par la diminution:

• Du poids • Du volume • Des consommations • Des bruits

C’est ainsi qu’apparue la « conception mécatronique ».

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Définition

• Mécatronique :

Le mot mécatronique (mechatronics en anglais) a été inventé au Japon en 1969 les ingénieurs Etsuro Mori et Er. Jiveshwar Sharma de la compagnie Yaskawa.

Démarche visant l’intégration en synergie de la mécanique, l’électronique, l’automatique et l’informatique dans la conception et la fabrication d’un produit en vue d’augmenter et/ou d’optimiser sa fonctionnalité.

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Définition

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Elle intègre la notion de multi-domaine en représentant l’interaction forte de plusieurs domaines qui sont : •La mécanique •L’électronique •L’informatique •L’automtique

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Système mécatonique

Le but d’un système mécatronique est de réaliser une fonction principale mais aussi étant capable de répondre à quatre fonctions secondaires :

MESURER: capteurs (présence soleil / vent)

PENSER: unité de traitement (analyse, décision)

AGIR : actionneurs (ouverture automatisée)

COMMUNIQUER: interface(dialogue avec l’extérieur)

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Structure de Principe d’un système mécatronique

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• L’aérospatial ( les systèmes de régulations antivibratoires des avions)

• L’automobile ( la direction assistée, l’ABS, l’EPS)

• La production (machines-outils, robots industriels)

• Le médical (aussi bien dans le matériel que dans l’assistance ou le remplacement d’organes humains, on parle alors de biomécatronique)

• L’électroménager (les machines à laver dîtes « intelligentes »)

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La Robotique

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Mouna Souissi [email protected]

Plan

• Chapitre 1 : Généralités

• Chapitre 2 : Les transformations rigides

• Chapitre 3 : Les bras manipulateurs

• Chapitre 4 : Modélisation des bras manipulateurs

• Chapitre 5 : Notions complémentaires

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Chapitre 1

Généralités

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Généralités

• Définition d’un Robot : "Un appareil automatique qui peut effectuer des fonctions normalement

effectuer par des humains." Traduit du dictionnaire Webster’s "Appareil automatique capable de manipuler des objets ou d’exécuter des

opérations selon un programme fixe ou modifiable." Petit Larousse "Un manipulateur reprogrammable multifonctionnel conçu pour déplacer des

matériaux, des outils, des pièces ou des composantes spécialisés à travers une série de mouvements programmés pour effectuer une tache précise. " Robot Institut de robotique d’Amérique,1979

"A robot is a machine designed to execute one or more tasks repeatedly, with

speed and precision." whatis.com

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"Manipulateur commandé en position, reprogrammable, polyvalent, à plusieurs degrés de liberté, capable de manipuler des matériaux, des pièces, des outils et des dispositifs spécialisés, au cours de mouvements variables et programmés pour l’exécution d’une variété de tâches. Il a souvent l’apparence d’un ou plusieurs bras se terminant par un poignet. Son unité de commande utilise, notamment, un dispositif de mémoire et éventuellement de perception et d’adaptation à l’environnement et aux circonstances. Ces machines polyvalentes ont généralement étudiées pour effectuer la même fonction de façon cyclique et peuvent être adaptées à d’autres fonctions sans modification permanente du matériel." AFNOR

Association Française de Normalisation

Généralités Campus centre

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• Un robot = dispositif mécatronique

accomplissant automatiquement soit des tâches qui sont généralement dangereuses, pénibles, répétitives ou impossibles pour les humains, soit des tâches plus simples mais en les réalisant mieux que ce que ferait un

être humain.

• Un robot intelligent est un assemblage complexe de pièces mécaniques et

de pièces électroniques, le tout pouvant être piloté par une intelligence artificielle. Lorsque les robots autonomes sont mobiles, ils possèdent également une sources d’énergie embarquée : généralement une batterie d‘accumulateurs électriques.

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• Les 3 lois de la robotique : • Les Trois lois de la robotique, formulées par l'écrivain de science fiction de

Isaac Asimov, sont des règles auxquelles tous les robots qui apparaissent dans sa fiction obéissent.

• Un robot ne peut porter atteinte à un être humain, ni, restant passif, permettre qu'un être humain soit exposé au danger.

• Un robot doit obéir aux ordres que lui donne un être humain, sauf si de tels ordres entrent en conflit avec la Première loi.

• Un robot doit protéger son existence tant que cette protection n'entre pas en conflit avec la Première ou la Deuxième loi.

Superman-mechanical-monster

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• Composition d'un robot:

• Capteurs qui informent sur l’état de celui-ci

• Des actionneurs qui agissent sur le système à réguler

• Un outil de correction -généralement logiciel- pour améliorer la qualité de la régulation (vitesse de réaction, précision, justesse, adaptabilité du système à des situations nouvelles…)

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• Exemple de robots :

Robots mobiles Bio-inspirés Micro-Nano Robots

Icare de l’INRIA

L'AR.Drone 2.0 de Parrot

SeaExplorer

Asimo

BigDog

Interaction avec le sang

https://www.youtube.com/watch?v=Q3M4S7_ISs0

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https://www.youtube.com/watch?v=Q3M4S7_ISs0


Robots manipulateurs

Kuka

Delta ABB

Robots médicaux

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• Domaine d’application:

• Automobile

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Robot soudeur Chaîne d’assemblage Robot peintre


• Domaine d’application: • Chaîne de production

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• Domaine d’application: • Exploration spatiale

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Spirit, NASA,2003, sur Mars Canadarm



• Sécurité, Militaire

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Robot Démineur Predator B Drone



• Services

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Robot Aspirateur Robot lave vitre

Robot pour ramasser des personnes victimes d’une simulation d’attaque radiologique


• Domaine d’application: • Chirurgie et médical

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Chorégraphe Monitor

Naosim

Chapitre 2 Les transformations rigides

(rappels mathématiques pour l’étude des mécanismes

poly-articulés)

•Notations et définitions •Rotations

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Notations et définitions

• Points:

• Soit un repère R (O,x,y,z), la position d’un point M est donnée par un

triplet de coordonnées. Les coordonnées de ce point sont représentées par un vecteur sous la forme d’une matrice colonne

• Le mouvement du point est la courbe paramétrée m(t) donnant sa

position au cours du temps.

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X Y z

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• Solides: • Un solide est indéformable si , pour toute paire de point de ce solide de

cordonnées m et n , la distance entre ces deux point reste constante au cours du temps.

||m(t) − n(t)|| = ||m(0) − n(0)||

• Le mouvement rigide est le mouvement de chacun de ces points.

• La situation du solide est donnée par la position et l’orientation

dans R d’un repère lié au solide.

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• Degrés de liberté: • Il y a 6 degrés de liberté dans l’espace.

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3 en position + 3 en orientation


• Degrés de liberté d’un solide dans l’espace:

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• Degrés de liberté d’un solide dans le plan:

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Déterminer les degrés de liberté d’un robot mobile à roues. Application: 1. Dans le plan, quel sont les coordonnées d’un solide ? 2. Quel sont les degrés de liberté du robot ? 3. Est-ce équivalent ? Le robot avance de t puis tourne de Ө. Le robot tourne de Ө puis avance de t. 4. Donner les coordonnées du robot. 5. A partir d’une position initiale, le robot tourne de Ө puis

avance de t. Donner sa nouvelle position 6. A partir d’une position initiale, le robot tourne de Ө puis avance de t puis tourne de α puis avance de d. Donner son positionnement.


• Transformation rigide:

• Une transformation rigide est le résultat d’un mouvement rigide amenant le solide d’une situation initiale à une situation finale.

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Rotations

• 1.Matrice de rotation: • On considère deux repères R et R’ qui ont la même origine O.

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La matrice R = (x y z) est appelée matrice de rotation (ou encore matrice de passage ou matrice de changement de base) du repère R vers le repère R’.

Rotations

• 1.Matrice de rotation • En deux dimensions:

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Exprimer A’x et A’y en fonction de Ax et Ay ?

Rotations

• 1.Matrice de rotation • En deux dimensions:

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En deux dimensions, les matrices de rotation ont la forme suivante :

Cette matrice fait tourner le plan d'un angle Ө. Si

Rotations

• 1.Matrice de rotation • En trois dimensions:

• Dans un espace euclidien à 3 dimensions, les matrices de rotations suivantes correspondent à des rotations autour des axes x, y et z (respectivement) :

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Les rotations opèrent ainsi : Rx tourne l'axe y vers l'axe z, Ry tourne l'axe z vers l'axe x et Rz tourne l'axe x vers l'axe y En pratique, pour déterminer le sens de rotation, on peut utiliser la règle de la main droite.

Rotations

• a) Rotation d’un point appartenant à un solide

• m et m’ sont les coordonnées d’un point M dans R et R’

Les coordonnées des vecteurs de la base R’ exprimées dans R sont notées : x’,y’,z’

Les coordonnées de M dans R sont:

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Rotations

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Exemple d’application : Soit M de coordonnées : (1 5 9) dans R Déterminer les coordonnées du point transformé par une rotation de centre O et d’angle Ө autour de z .

t

Rotations

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b) Rotation d’un vecteur : La rotation s’applique aussi sur une vecteur. Les coordonnées d’un vecteur est la différence des coordonnées de deux points. Soit un vecteur V de coordonnées v=m-n Et v’=m’-n’ Alors on a :

Et donc :

Rotations

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c) Propriétés des rotations: L a matrice de rotation R est constituée de colonnes orthonormales

1. La combinaison de deux rotation R1 et R2 est la rotation R1R2 2. Il existe un unique élément neutre qui est la matrice identité d’ordre 3 3. Il existe une unique inverse

4. La rotation est une transformation rigide :

• c) Combinaison de rotations:

Soient deux rotations R1 et R2

R1R2≠R2R1

Deux cas se présentent pour combiner les rotations

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Rotations Campus centre

Premier cas Deuxième cas

On effectue la seconde rotation par rapport au repère résultant de la première rotation . Problème de changement de base.

On effectue les deux rotations par rapport `a un unique repère, fixe. Problème de rotation successive.

d) Représentation de l’orientation d’un solide dans l’espace:

• La donnée d’une base attachée à un solide S en rotation détermine de manière unique son orientation dans l’espace.

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Matrice de rotation et cosinus directeurs

Angles d’Euler classiques Angles roulis, tangage et lacet

• 2. Transformations rigides: • Matrices de passages homogènes

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