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Cours de RobotiqueCours de Robotique
ENSPS 3AENSPS 3AMASTER ISTIMASTER ISTI
Jacques GangloffJacques Gangloff
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Plan du coursPlan du cours
• Introduction - vue d'ensemble de la robotique
• Fondements théoriques– Positionnement
• Rotation / Représentations de la rotation• Attitude / Matrices homogènes
– Cinématique• Vitesse d'un solide• Vecteur vitesse de rotation• Mouvement rigide• Torseur cinématique
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Plan du coursPlan du cours
• Modélisation d'un robot– Modèle géométrique
• Convention de Denavit-Hartenberg• Modèle géométrique direct• Modèle géométrique inverse
– Modèle cinématique• Jacobien direct d'un robot• Inversion du Jacobien
– Modèle dynamique
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Plan du coursPlan du cours
• Commande des robots– Au niveau articulaire
• Les actionneurs• Asservissements de bas niveau• Stratégies d'asservissements de position• Génération de trajectoire
– Dans l'espace opérationnel• Trajectoires dans l'espace opérationnel• Asservissements en effort
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I. IntroductionI. Introduction
• 1. Définition et historique
• 2. Différentes catégories de robots
• 3. Vocabulaire de la robotique
• 4. Caractérisation des robots
• 5. Les différents types de robots manipulateurs
• 6. Utilisation des robots
• 7. Avenir de la robotique
• 8. Bibliographie
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1. Définition et historique1. Définition et historique
– Étymologie : le mot tchèque robota (travail).– Définition : un robot est un système mécanique poly-
articulé mû par des actionneurs et commandé par un calculateur qui est destiné à effectuer une grande variété de tâches.
– Historique :• 1947 : premier manipulateur électrique téléopéré.• 1954 : premier robot programmable.• 1961 : apparition d'un robot sur une chaîne de montage de
General Motors.• 1961 : premier robot avec contrôle en effort.• 1963 : utilisation de la vision pour commander un robot.
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2. Différentes catégories de robots2. Différentes catégories de robots
• Robots mobiles
• Robots sous-marins
• Robots volants
• Robots humanoïdes
• Robots manipulateurs : objet de ce cours.
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3. Vocabulaire de la robotique3. Vocabulaire de la robotique
• Actionneur = moteur
• Axe = articulation
• Corps = segment
• Organe terminal
• Effecteur = outil
• Base
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4. Caractérisation des robots4. Caractérisation des robots4.1. Description de sa géométrie4.1. Description de sa géométrie
• Robot = système mécanique poly-articulé :– Articulation prismatique :
– Articulation rotoïde :
• Caractéristiques géométriques :• Nombre d'axes (mus par un actionneur).• Architecture (série ou parallèle).• Chaînage des articulations.• Nombre de degrés de liberté.
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4. Caractérisation des robots 4. Caractérisation des robots 4.1. Description de sa géométrie4.1. Description de sa géométrie
• Exemples :– 3 axes, série, RRR, 3DL.
– 3 axes, série, PPP, 3DL.
– 4 axes, parallèle, RP+RP, 3DL.
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4. Caractérisation des robots4. Caractérisation des robots4.2. Volume accessible4.2. Volume accessible
• Volume accessible par l'outil du robot.
• Ce volume dépend :• de la géométrie du robot,• de la longueur des segments,• du débattement des articulations (limité par des butées).
• Exemples :
Rem : toutes les dimensions de ces volumes sont précisées.Rem : toutes les dimensions de ces volumes sont précisées.
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4. Caractérisation des robots4. Caractérisation des robots4.3. Précision / Répétabilité4.3. Précision / Répétabilité
• Positionnement absolu imprécis (>1 mm):• Erreurs de modèle géométrique,• Erreurs de quantification de la mesure de position,• Flexibilités.
• Répétabilité : la répétabilité d'un robot est l'erreur maximale de positionnement répété de l'outil en tout point de son espace de travail.
• En général, la répétabilité < 0.1 mm.
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4. Caractérisation des robots4. Caractérisation des robots4.4. Performances dynamiques4.4. Performances dynamiques
• Vitesse maximale :– Vitesse maximale de translation ou de rotation de
chaque axe.– Les constructeurs donnent souvent une vitesse de
translation maximale de l'organe terminal.
• Accélération maximale :– Est donnée pour chaque axe dans la configuration la
plus défavorable (inertie maximale, charge maximale).– Dépend fortement de l'inertie donc de la position du
robot.
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4. Caractérisation des robots4. Caractérisation des robots4.5. Charge utile4.5. Charge utile
• C'est la charge maximale que peut porter le robot sans dégrader la répétabilité et les performances dynamiques.
• La charge utile est nettement inférieure à la charge maximale que peut porter le robot qui est directement dépendante des actionneurs.
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4. Caractérisation des robots4. Caractérisation des robots4.6. Exemple4.6. Exemple
ABBABBTMTM
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5. Les différents types de robots5. Les différents types de robots5.1. Les robots SCARA5.1. Les robots SCARA
• SCARA = Selective Compliance Articulated Robot for Assembly.
• Caractéristiques :• 3 axes, série, RRP, 3 DDL.• Espace de travail cylindrique.• Précis.• Très rapide.
• Exemples :
SankyoSankyoTMTM
AdeptAdeptTMTM
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5. Les différents types de robots5. Les différents types de robots5.2. Les robots cylindriques5.2. Les robots cylindriques
• Caractéristiques :• 3 axes, série, RPP, 3 DDL.• Espace de travail cylindrique.• Très rapide.
• Exemple :
SeikoSeikoTMTM
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5. Les différents types de robots5. Les différents types de robots5.3. Les robots sphériques5.3. Les robots sphériques
• Caractéristiques :• 3 axes, série, RRT, 3 DDL.• Espace de travail sphérique.• Grande charge utile.
• Exemple :
FANUCFANUCTMTM
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5. Les différents types de robots5. Les différents types de robots5.4. Les robots Cartésiens5.4. Les robots Cartésiens
• Caractéristiques :• 3 axes ⊥ 2 à 2, série, PPP, 3 DDL.
• Très bonne précision.• Lent.
• Exemple :
ToshibaToshibaTMTM
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5. Les différents types de robots5. Les différents types de robots5.5. Les robots parallèles5.5. Les robots parallèles
• Caractéristiques :• Plusieurs chaînes cinématiques en parallèle.• Espace de travail réduit.• Précis (grande rigidité de la structure).• Rapide.
• Exemple :
COMAUCOMAUTMTM
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5. Les différents types de robots5. Les différents types de robots5.6. Les robots anthropomorphe5.6. Les robots anthropomorphe
• Caractéristiques :• Reproduisent la structure d'un bras humain.• 6 axes, série, 6R, 6 DDL.
• Exemples :• Architecture standard :
KawasakiKawasakiTMTM
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5. Les différents types de robots5. Les différents types de robots5.6. Les robots anthropomorphe5.6. Les robots anthropomorphe
• Architecture à parallélogramme :
ModèleModèle
ChargeChargeutileutile
Rayon Rayon d'actiond'action
MasseMassedu robotdu robot
SN-IRBSN-IRBSérie 1Série 1
5-6 kg5-6 kg
1,45m1,45m
225 kg225 kg
SN-IRBSN-IRBSérie 4Série 4
10-16 kg10-16 kg
1,55m1,55m
350 kg350 kg
SN-IRBSN-IRBSérie 2Série 2
45 kg45 kg
1,95m1,95m
900 kg900 kg
SN-IRBSN-IRBSérie 6Série 6
120 kg120 kg
2,8m2,8m
2000 kg2000 kg
ABBABBTMTM
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6. Utilisation des robots6. Utilisation des robots6.1. Tâches simples6.1. Tâches simples
• La grande majorité des robots est utilisée pour des tâches simples et répétitives.
• Les robots sont programmés une fois pour toute au cours de la procédure d'apprentissage.
• Critères de choix de la solution robotique :• La tâche est assez simple pour être robotisée.• Les critères de qualité sur la tâche sont importants.• Pénibilté de la tâche (peinture, charge lourde, environnement
hostile, ...).
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6. Utilisation des robots6. Utilisation des robots6.1. Tâches simples6.1. Tâches simples
• Robot soudeurs :
Par pointsPar points A l'arcA l'arc
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6. Utilisation des robots6. Utilisation des robots6.1. Tâches simples6.1. Tâches simples
• Robots de palettisation :
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6. Utilisation des robots6. Utilisation des robots6.1. Tâches simples6.1. Tâches simples
• Autres applications :
ChargementChargement PolissagePolissage PositionnementPositionnement
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6. Utilisation des robots6. Utilisation des robots6.1. Tâches simples6.1. Tâches simples
• Applications d'avenir :
Industrie agro-alimentaireIndustrie agro-alimentaire
Génie génétiqueGénie génétique
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6. Utilisation des robots6. Utilisation des robots6.1. Tâches simples6.1. Tâches simples
• Statistiques nationales (2003) :
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6. Utilisation des robots6. Utilisation des robots6.1. Tâches simples6.1. Tâches simples
• Statistiques internationales (2001) :
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6. Utilisation des robots6. Utilisation des robots6.2. Tâches complexes6.2. Tâches complexes
• Robotique de service :
Robot pompisteRobot pompiste
Robot laveur d'avionRobot laveur d'avion
Robot grimpeurRobot grimpeur
Robot de constructionRobot de construction
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6. Utilisation des robots6. Utilisation des robots6.2. Tâches complexes6.2. Tâches complexes
• Robotique médicale :
Computer motionComputer motionTMTM
Intuitive surgicalIntuitive surgicalTMTM
AssistanceAssistanceauxauxpersonnespersonneshandicapéeshandicapées
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7. Avenir de la robotique7. Avenir de la robotique
• Stagnation du nombre de robots utilisés pour des tâches simples.
• Forte croissance du nombre des robots utilisés pour des tâches complexes :
– Robotique de service,– Robotique d'assistance aux manipulations dans la
recherche biologique et génétique,– Robotique médicale,– Robotique ludique
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7. Avenir de la robotique7. Avenir de la robotique
• Statistiques internationales (2003) :
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8. Bibliographie8. Bibliographie
• M. W. Spong et M. Vidyasagar, Robot dynamics and control, John Wiley & sons.
• John J. Craig, Introduction to robotics - mechanics and control, Addison-Wesley.
• C. Canudas de Wit, B. Siciliano et G. Bastin, Theory of robot control, Sringer.
• H. Asada et J.-J. E. Slotine, Robot analysis and control, John Wiley & sons.
• E. Dombre et W. Khalil, Modélisation et commande des robots, Hermes.
• J.-P. Lallemand et S. Zeghloul, Robotique - Aspects fondamentaux, Masson.