Cours robotique
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Mécatronique, Robotique Généralités

Mécatronique, Robotique Généralités

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  • 1. 1 Introduction à la mécatronique Campus centre Mouna Souissi Mouna.souissi@hei.fr
  • 2. 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 ». 2 Campus centre
  • 3. 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. 3 Campus centre
  • 4. Définition 4 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 Campus centre
  • 5. 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) 5 Campus centre
  • 6. Structure de Principe d’un système mécatronique 6
  • 7. • 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 ») 7 Campus centre Domaines d’application
  • 8. La Robotique Campus centre 8 Mouna Souissi Mouna.souissi@hei.fr
  • 9. Plan • Chapitre 1 : Généralités • Chapitre 2 : Les transformations rigides • Chapitre 3 : Les bras manipulateurs • Chapitre 4 : Modélisation des bras manipulateurs • Chapitre 5 : Notions complémentaires Campus centre 9
  • 10. Chapitre 1 Généralités Campus centre 10
  • 11. 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 Campus centre 11
  • 12. "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 GénéralitésCampus centre 12
  • 13. GénéralitésCampus centre • 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. 13
  • 14. GénéralitésCampus centre • 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 14
  • 15. GénéralitésCampus centre • 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…) 15
  • 16. GénéralitésCampus centre • 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 16
  • 17. GénéralitésCampus centre Robots manipulateurs Kuka Delta ABB Robots médicaux 17
  • 18. GénéralitésCampus centre • Domaine d’application: • Automobile 18 Robot soudeur Chaîne d’assemblage Robot peintre
  • 19. GénéralitésCampus centre • Domaine d’application: • Chaîne de production 19
  • 20. GénéralitésCampus centre • Domaine d’application: • Exploration spatiale 20 Spirit, NASA,2003, sur Mars Canadarm
  • 21. GénéralitésCampus centre • Domaine d’application: • Sécurité, Militaire 21 Robot DémineurPredator B Drone
  • 22. GénéralitésCampus centre • Domaine d’application: • Services 22 Robot Aspirateur Robot lave vitre Robot pour ramasser des personnes victimes d’une simulation d’attaque radiologique
  • 23. GénéralitésCampus centre • Domaine d’application: • Chirurgie et médical 23
  • 24. 24 Chorégraphe Monitor Naosim
  • 25. 25
  • 26. Chapitre 2 Les transformations rigides (rappels mathématiques pour l’étude des mécanismes poly-articulés) •Notations et définitions •Rotations Campus centre 26
  • 27. 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. Campus centre X Y z 27
  • 28. Notations et définitions • 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. Campus centre 28
  • 29. Notations et définitions • Degrés de liberté: • Il y a 6 degrés de liberté dans l’espace. 29 Campus centre 3 en position + 3 en orientation
  • 30. Notations et définitions • Degrés de liberté d’un solide dans l’espace: 30 Campus centre
  • 31. Notations et définitions • Degrés de liberté d’un solide dans le plan: 31 Campus centre 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.
  • 32. Notations et définitions • Transformation rigide: • Une transformation rigide est le résultat d’un mouvement rigide amenant le solide d’une situation initiale à une situation finale. Campus centre 32
  • 33. Rotations • 1.Matrice de rotation: • On considère deux repères R et R’ qui ont la même origine O. 33 Campus centre 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’.
  • 34. Rotations • 1.Matrice de rotation • En deux dimensions: 34 Campus centre Exprimer A’x et A’y en fonction de Ax et Ay ?
  • 35. Rotations • 1.Matrice de rotation • En deux dimensions: 35 Campus centre En deux dimensions, les matrices de rotation ont la forme suivante : Cette matrice fait tourner le plan d'un angle Ө. Si
  • 36. 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) : 36 Campus centre 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.
  • 37. 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: 37 Campus centre
  • 38. Rotations 38 Campus centre 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
  • 39. Rotations 39 Campus centre 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 :
  • 40. Rotations 40 Campus centre 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 :
  • 41. • c) Combinaison de rotations: Soient deux rotations R1 et R2 R1R2≠R2R1 Deux cas se présentent pour combiner les rotations 41 RotationsCampus 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.
  • 42. 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. 42 RotationsCampus centre Matrice de rotation et cosinus directeurs Angles d’Euler classiques Angles roulis, tangage et lacet
  • 43. • 2. Transformations rigides: • Matrices de passages homogènes 43 RotationsCampus centre