[PDF] Modélisation mathématique pour la commande de robots

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AVERTISSEMENT

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Contact : ddoc-theses-contact@univ-lorraine.fr

LIENS Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4 Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10 a +qq4 THESE

Présentée

L'U.F.R.

MATHEMATIQUE, INFORMATIQUE'

MEC

ANIQUE, AUTOMATIQUE

en vue de I'obtention du titre de

DOCTEUR

DE L'UNIVERSITE DE METZ

EN SCIENCES

DE L'INGENIE

option : ROBOTIQLJE par

Charles

BOP

MODELISATION

MATHEMATIQUE POUR LA COMMANDE

DE

ROBOTS. APPLICATION A LA CONCEPTION ET

A LA

REALISATION D'UN BRAS EMBARQUE SUR UN FAUTEUIL

ROULANT

POUR HANDICAPE MOTEUR

Rapporteurs:

Examinateurc:soutenue

l

Membres

du JurY D. KOFTI : Professeur à I'Université du Québec à Trois-Rivières E. WROUD : Directeur de recherche au C.N.R.S- 'LN.P.L. à Nancy

R. HUSSON

: Professeur à I'IN.P.L. à Nancy HJI. KWEE : Directeur de recherche à I'I-R-R-R- au Pays'Bas M. POTIER-FERRY : Professeur à I'Université de Metz C. LALTRENT : Professeur à I'Université de Metz M. JOUIN : Ingénieur E.N.S.A.M. au C-E.Râ.H. à lVoippy JI{. BECART : Directeur technique société Micron-Est à sérémange

F. MLJNERATO

: Maître de Conférences à I'Université de Metz3920614 s lrg sLl.' A

Marinette

A Valérie,

C atherine, Virginie, P ierre-Yv e s

Pour que laloi ùtprogrès existât, ilfaudrait que clacwtvoulût la créer ; c'est-à-dire que, qwrd tous les individus s'appliqueront à progresser, alors, l'humanité sera en progrès. Ch.

BAUDELAIRE.

Journaux

intimes

J'aimerais

exprimer ici ma profonde reconnaissance à toutes les personnes qui de près ou de loin m'ont aidé dans le travail que je présente. A

M .Claude LAURENT , Professeur à I'Université de Metz, qui a bten voulu, à la dentande deM. Alain PRUSKI,Maître de Conférences, m'accueillir dans sonlaboratoire.Il m'a aidé, soutenu,

coweillé tout en me laissant une grande liberté. Sa disponibilité était constante. A

M. EdowrdWROUD, Directeur de Recherche au C,it/-R..9. - INPL. à NAMY et à M.Demagra KOFFI, Professeur à l'Université du QUEBEC àTROIS RNIERES, pour arcir bien

voulu,malgréleursmultiples responsabilités,me corrsacrerunpeude leurtemps,enacceptantd'être mes rapporteurs.

AM.René.HUSSON,Professeur

àl'lN.P L.àNancypourses conseils etses encouragements.

AM.HimHokI(WEE,quitavailledepuis

plus devingtansdans ledomaine,d'abordauprojet

SPARTACUS,

puis en développant son projet "MAII(JS" et qui m'afait partager son expértence. tsoutenudepuis le début duprojet.

A M. Michel

JOUIN, Ingénieur E.N.S.A^ttI . au CERAH à Metz-Woippy, pour ses conseils au cours de l'élaboration du projet. A. M. Jean Marie BECART, Directeur Technique de la Société R.ML. - MICRON-EST à

Sérémange

pour ses conseils au cours de Ia réalisation. A M. Francis MUNERATO, Maître de Conférences à I'Université de Metz, avec lequel rww avorrs recherché et atalysé des solutiors.

àrwtre

proiet et a mis à rcte disposition les locaux, Ies matériels et les compëtences de tout le personnel.

Un grandmerci à M. Gaston MULLER pour sa disponibilité. A M .Gilben ROMAI,IG , Directeur de la Société R.M L. - MICRON -EST et à tout le personnel qui a pris sur son temps pour fabriquer les pièces mécaniqucs. fe tierc etuore à remercier Pierre PINO, Alain LEDREZEN, Didier AI,ICIAUX et tous mes

ûr,is dtt

laboratoire et mes collègues pour leur aide, surtout durant les dernières semaircs. Aux

étudians

qui ont contribué ponctuellement auprojet. A Madame Denise PIERRE, secrétaire au laboratoire, pour le soin et la conpétence arcc laquclle elle a assuré la dactylographie de ce mémoire. TABLE

DES MATIERES

INTRODUCTION

CHAPITRE

I : LE BRAS HUMAIN ET SES coPIES

I.INTRODUCTION

2. HTSTORIQUE

- ETAT DE

2,1. INTRODUCTION------------- 22-2. DES AI-TTOMATES AUX ROBOTS .--- 22-3. HISTORIQLJE DE LA ROBOTTQLJE MEDICALE _-__---___-- 32-4. CONCLUSTON ---___- ____-___ 27

3. LE HANDICAP

-------.-- ____-----_ 273-1. DEFINmON ---------- ----___27

3.2. PERSONNES

PRESENTANT UN HANDICAP PROFOND POUVANTESPERER UNE ArDE MECAMQUE _______--_27

3-3. LE

PzuNCIPAL SOUHAIT DES HANDICAPES ------...----- 29 4.

ERGONOMIE DU BRAS HUMAIN

4-r. INTRODUCTION ____--_____- 30+2. POSTURES ET MOUVEMENTS DU BRAS HUMAIN-30 4-3.

CLASSIFICATION DES MOI.IVEMENTS DU BRAS HUMAIN --...--- 31+4. LES CARACTERTSTTQUES -___-_- 32i2:ifr i3i"*#ffiHÊH;il;;':.:::::-::-:..-::::::::::::::::::::..:.:l

+7. ACCELERATIONS MAEflMALES DE LA MAIN -.---- 38--------- 1 --2 -2 30
4-8.

PRECISION DU MOUVEME}rT..-.-.-.

4-9. LA DEPENSE ENERGETTQT.JE----------- 39--------- 39,f-10. LES MOLIVEMENTS DU BRAS HLJMAIN------------ 394-II. LES ACTIVTTES.-4l+I2. APPLICATION DES GESTES ELEMENTAIRES ETDES "TIIERBLIGS" A LA ROBOTIQUE ---------- 41+13. MODELISATION DU BRAS HI,]MAIN .---.-.-...43

5. CONCLUSION

CHAPTTRE

ft : LA SECURITE

I.INTRODUCTION

2.LE

CAHIER DES CHARGES FONCTIONNEL

3. LA NORMALISATION NATIONALE.EI,JROPEEI{I\E-INTERNATIONALE--t 2 2 2

23.I. CLASSIFICATION PROPOSEE

II

3-2. LES

TRAVAUX DE NORMALISATION

3-3. LES PERFORMANCES

ET LES METHODES D'ESSAIS

3-4. LA SECURTTE --------

4.

LES CHEMINS CONDUISANT A L'ACCIDENT

4-t.

DEFINTTION DE LA SECURITE -------- _____-______ 5+2. LES FONCTIONS DES SYSTEMES DE SECURITE ..-------- 54-3. LA SECURITE C'EST L'ArrAIRg DE TOUS ----- 54.4. LES TAIJX DE SECURITE -.-.---.--------- 64-5. CLASSIFICATTON DES DEFAI LANCES ----------- -_--____- 7

5.

ARBORESCENCE DES CHEMINS CONDUISANT A L'ACCIDENT.-..--.... 75.I. CAHIER DES CHARGES FONCTIONNEL TROP SOMMAIRE --.------ 7

5.2.

ENYIRONNEMENT.DEPLACEMENT. GESTUELLE -...--....--...---.. 95-3. ERREURS HLjMATNES ---------- -____-_ t2

5-4. SECI.JRITE DEFAILLANTE ---....--------- 145-5. SYSTEMES DEFAILLANTS ....--.---- 165.6. MAINTENANCE ET REPARATION... -----.-----.28

5-7. CONCLUSTON

6.

LA TRAJECTOGRAPHIE

G2.

CLASSIFICATION DES MOI.JVEMENTS___--______--29

6-3. CONTRAINTES AGISSANT SUR LES TRAJECTOIRES .-- 29G4. INFLUENCE DE LA REDONDANCE D'UN ROBOT

MANIPI.JLATEIJR

SUR LA TRAJECTOGRAPHIE ..

PLANIFICATION

DES TRAJECTOIRES

PLANIFICATON

DES MOUVEMENTS FINS D'ORIENTATION

D'APPROCIIE . DE SAISIE . DE DEGAGEMENT - DE DEPOSE ---.. 35 7.

PROPOSITION D'UN PROTOCOLE D'APPRENTISSAGE

7-1. LES

CAUSES D'ECTIECS...---

7-2. LA TRANSPARENCE

D'UN APPAREIL-------- 3E7.3. LES DIFFERENTES ETAPES DE L'APPRENTISSAGE.----....-..------ 39 E.

CONCLUSION

CHAPITRE

III : PARAMETRAGE DES CHAINES ARTICULEES

LIAISONS

REELLES - MODELISATION

l.INTRODUCTION 2.

COIIVENTIONS EXISTANTES

2.1. INTRODUCTION

2.2. LA

CON\TENTION DE "DENAVTT.HARTENBERG" .

2-3.

PARAMETRES DE "SHETII.UICKER'I ......-...-

24. I-A

CON\IENTION DE "KLEINFINGER"3

4 4 30
35G5.
6-6. 38
3E 40
2 2 3 5 5

62-5. CoNCLUSTON -------

UI 3.

THEORIE DES MECANISMES ET LIAISONS REELLES

3-1.

INTRODUCTION ------------- 6

3-2.

LTATSONS MECANTQT.JES ------- 6

3-3.

LIAISONS REELLES .----.-- 7

3-4.

PERTES DANS UNE LIAISON PIVOT ------------- 8

3.5. PERTES DANS UNE LIAISON GLISSIERE---- -..-----..------ 9 3-6. LTATSONS UTILTSEES EN ROBOTTQUE--------- ------------ 9

3-7. CONCLUSTON -------____--______ 10

4. OUTILS MATHEMATIQUES POUR MODELISER LES STRUCTURES ARTICULEES EN ROBOTTQUE ET LEURS APPLICATTONS ---- r0

+r. PRESENTATTON DES OUTTLS ---------- ---------- l0+2. INTRODUCTION DES MATRICES ELEMENTAIRES DANS

rJ PROGRAMME TNFORMATTQUE ---- 4-3

CALCUL DES MODELES DE ROBOTS DANS UN REPERE

QT.JELCONQTTE ------------ t4

+4.

CONCLUSTON ------------ 16

5.

MODELISATION DE TOUTES LES ARCHITECTURES17

5.1. MODELISATION D'UNE STRUCTURE ELEMENTAIRE _-*-.------ 17 5-2.

APPLICATION A TROIS LIAISONS P-P.G RELIEES

PAR

DES OFFSETS--------- 22

5-3. CONCEPTION DE POTGNETS ----------- ----------- 23

5-4. MATRICE GLOBALE "PORTEUR + POIGNET'' --....-.--..25 5-5.

APPLICATON AUX CHAINES ARBORESCENTES.- --...- 26

5-6.

APPLICATION AUX ROBOTS MOBILFS -....-- 27

5-7.

APPLICATION AIJX CHAINES FERMEES -----.27

5.8. APPLICATION A LA MODELISATION DES ERREURS ---.------..31

6. CONCLUSION

-------- 35

CHAPITRE

IV : LES MODELES MATHEMATIQUES

POUR

LA COMMANDE---------- l

T.INTRODUCTION

2. LES DIFFERENTS

NTVEAUX DE LA COMMANDE

2-1.

LE NTITEAU "3" OU NTVEAU OBJECTIF, 'INTELLIGENCE

ARTIFICIELLE.

STRATEGIE DE LA COMMANDE''.

2.2.

LE NTITEAU "2" OU NNEAU OBJET.OUTIL-ACTION,

"COMIVIANDE DES ACTIONNET,'RS " 2.3.

LE MITEAIJ "1'' OU NTVEAU CONTROLE, "M!rEAU DES

ASSERVISSEMENTS"

3.

LES COORDONNEES UTTLTSEES EN ROBOTTQUE

3.1. LES

COORDONNEES GENERALISEES

3.2.

LES COORDONNEES OPERATIONNELLES

3.3. LES

COORDONNEES DE LA TACI{E

3.4. DESCRIPTION

DE LA TACHE

3.5. DESCRIPTION

DE LA SITUATION DE UORGANE TERMINAL....--13

3 3 3 3 5 5 IV 4.

LES MODELES POUR LA COMMANDE

4.1.

COMMANDER UN ROBOT

4-2.

COMMANDE GEOMETRTQLJE OU EN POSTTTON

4-3.

COMMANDE EN VITESSE

4-4.

COMMANDE EN ACCELERATTON OU MODELE CINEMATTQLJE

DU 2EME

ORDRE OU MODELE EN DEBUT DE MOUVEMENT.----- 8

4-5.

COMMANDE EN FORCE-MODELISATION RELATIONNELLE-

COOPERATION-COMPLIANCE

---.--- 9 4-6. COMMANDE UTTLTSANT LE MODELE DYNAMTQUE ---------------- 14

5. MODELE

GEOMETRI

FAUTEI.JIL ROULANTQUE DU BRAS 7 AXES EMBARQUE SUR__----_-_- 20 5-r

ECRTTURE SYMBOLTQUE DU MODELE GEOMETRTQUE

DIRECT A PARTIR DU

SCI{EMA SPATIAL --..2I

5.2.

MODELE POUR LA COMMANDE --- 22

6. CONCLUSION

CHAPITRE V:

MINIMISATION DU VOLUME DES CALCULS

DU MODELE DYNAMIQUE.

CONCEPTION OPTIMALE

D'UN AXE MOTORTSE ------ -.--- t

l.INTRODUCTION 2.

STRATEGIES ET SIMPLIFICATIONS PROPOSEES PAR LES

AUTOMATICIENS-POUR

LA COMMANDE EN TEMPS REEL

2.1. INTRODUCTION

2-2.

COMMANDE DYNAMTQUE EN TEMPS REEL---

2-3.

SIMPLIFICATONS PROPOSEES POTJR LA COMMANDE

DES

ROBOTS EN TEMPS REEL

3. GAINS

DE CALCULS OBTENUS PAR UNE CONCEPTION OPTIMALE DE

LA CHAINE ARTTCULEE- QUANTIFICATTON SUR LE ROBOT 7 AXES - r0 3.1. MATRICE ASSOCIEE A L'OPERATEUR D'INERTIE ....... 10

3.2. CONCEPTION

DE CHAINES ARTCULEES SIMPLIFIANT

LES

EQUATIONS DE LA COMMAI{DE

3.3. GAINS

DE CALCI.JLS REALISES SUR LE MODELE

DYNAMIQI.JE

7 AE(ES

3-4 CONCLUSTON ------

4. DETERMINATION

DES PERTES DANS LES ARTICTJLATIONS

ET LA PRISE

EN COMPTE DAI{S LE MODELE DYNAIVIIQUE.

APPLICATION

AU ROBOT 7 AXES

quotesdbs_dbs27.pdfusesText_33

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