1.4.1
Introduction
La commande de robots et en particulier de pr´ehenseurs est hi´erarchis´ee au niveau d’ex´ecution des tˆaches : la commande haut niveau et la commande bas niveau. La com- mande haut niveau traite des probl`emes de configuration du pr´ehenseur et de la mani`ere de prendre en compte son interaction avec les objets et l’environnement. Plus pr´ecis´ement, elle d´efinit le positionnement souhaitable des ´el´ements terminaux du pr´ehenseur ainsi que les efforts `a appliquer sur les objets pour les maintenir sans les endommager en vue d’une tˆache donn´ee. La commande bas niveau ex´ecute les tˆaches impos´ees par la commande haut niveau : elle int`egre ainsi les lois de commande et les boucles de r´egulation au sens de l’automatique. La figure 1.7 r´esume sch´ematiquement cette commande robotique. Dans ce m´emoire, la commande bas niveau est celle qui sera trait´ee.
1.4. Commande de pr´ehenseurs robotiques
Figure 1.7 – Repr´esentation sch´ematique de la commande d’un pr´ehenseur
La commande bas niveau de pr´ehenseurs robotiques comprend d’une part leur posi- tionnement dans l’espace libre, obtenu grˆace `a une commande en position (parfois aussi en vitesse) et d’autre part, un contrˆole des efforts d’interaction caract´eris´e par une commande en force. Il existe un nombre important de strat´egies possibles dans la litt´erature pour int´egrer ces objectifs de commande [14]. On recense principalement les commandes en ef- fort directes et indirectes [15]. Chacune offre des avantages et inconv´enients et leurs choix d´ependent alors des possibilit´es mat´erielles et du cahier des charges souhait´e. Ces deux types de commandes sont pr´esent´ees par la suite avec plusieurs exemples d’application.
1.4.2
Commande en force indirecte
Lors d’une commande en force indirecte, aucune consigne d’effort n’est explicitement pr´esente dans la structure de commande. Le robot est alors uniquement command´e en position (et ´eventuellement en vitesse). Les efforts appliqu´es peuvent ˆetre maˆıtris´es en adaptant les consignes de positions en pr´esence d’interactions. Plusieurs exemples illus- trant la commande en force indirecte sont pr´esent´es dans ce qui suit.
1.4.2.1 Commande en compliance passive
La compliance d´esigne la capacit´e d’un robot `a avoir un comportement souple lors des tˆaches de manipulation. Elle est homog`ene physiquement `a l’inverse d’une raideur. Jouer sur la compliance d’un pr´ehenseur permet d’´eviter de manipuler les objets avec une raideur infinie.
La compliance passive consiste `a utiliser une structure m´ecanique d´eformable en pr´e- sence d’efforts de contact. L’ajout de cette structure d´eformable peut se faire aussi bien sur l’´el´ement terminal du robot que sur la table de travail (table compliante par exemple) [16]. La d´eformation de la structure permet de corriger localement les erreurs de position- nement du robot. En revanche, son utilisation est souvent propre `a une seule tˆache de manipulation.
1.4.2.2 Commande par retour d’effort implicite
Dans cette approche, le comportement flexible du robot est obtenu de mani`ere logi- cielle. Il n’est plus n´ecessaire de modifier le robot ou son environnement en ajoutant des ´el´ements d´eformables.
La commande par raideur active sans retour d’effort [17] (figure 1.8) est un exemple de commande par retour d’effort implicite. Le robot est alors consid´er´e comme un ressort, dont la raideur est programmable par modification des matrices de gains des boucles de r´egulation en position (KP) et en vitesse (KV). Ce principe de commande est alors ana-
logue `a une commande proportionnelle-d´eriv´ee. Par cette m´ethode, un gain proportionnel faible permet de commander un axe en effort tandis qu’un gain proportionnel important permet de le commander en position.
Figure 1.8 – Principe de la commande par raideur active sans retour d’effort
La commande en imp´edance [18] est ´egalement une approche possible de commande par retour d’effort implicite. La commande par raideur active en est alors un cas particulier o`u l’imp´edance est consid´er´ee statique via la raideur.
1.4.2.3 Commande par retour d’effort explicite
Comme pour l’approche pr´ec´edente, la compliance du robot est ´egalement obtenue de mani`ere logicielle avec la commande par retour d’effort explicite [19]. Le robot est principalement pilot´e en position. Les efforts d’interaction avec l’environnement viennent corriger le signal d’entr´ee (figure 1.9).
Figure 1.9 – Principe de la commande par retour d’effort explicite
Dans cette configuration, la commande s’adapte `a son environnement. Les efforts me- sur´es interf`erent avec la consigne de position par l’interm´ediaire d’une matrice CF dite de
compliance. Les ´el´ements de cette matrice agissent directement sur la compliance des axes command´es. Pour un axe, si la valeur de gain est petite (axe du robot raide), celui-ci est command´e en position et inversement, si cette valeur est grande (axe du robot souple),
1.4. Commande de pr´ehenseurs robotiques
celui-ci est command´e en effort. Ce type de commande peut avoir des applications utiles, notamment pour la sˆuret´e de fonctionnement : elle peut rendre un robot souple ou rigide lors de contacts non souhait´es avec son environnement.
1.4.3
Commande en force directe
La commande en force directe se caract´erise par l’introduction d’une consigne de force pour asservir l’effort exerc´e sur un objet `a cette valeur. Des approches possibles sont pr´esent´ees ci-dessous.
1.4.3.1 Commande en force explicite
Il s’agit du sch´ema de commande le plus simple (figure 1.10) [19]. La mesure de force est seulement utilis´ee, sans l’information de position. Le principe est alors un pur asser- vissement de force `a une valeur de consigne.
Figure 1.10 – Principe de la commande en force explicite
1.4.3.2 Commande par raideur active avec retour d’effort
Cette approche suit le mˆeme principe qu’en 1.4.2.2, avec un bouclage suppl´ementaire en effort [17] (figure 1.11). Le robot est alors contrˆol´e simultan´ement en position (´even- tuellement en vitesse) et en force.
1.4.3.3 Commande hybride
La commande hybride parall`ele force/position [20] permet de d´efinir le type de com- mande de chaque axe du robot. Chaque degr´e de libert´e du robot est pilot´e soit en position soit en force par l’interm´ediaire d’une matrice de s´election S (figure 1.12). Celle ci est dia- gonale et contient des ´el´ements valant 0 ou 1 selon que le degr´e de libert´e est command´e en position ou en effort.
Figure 1.12 – Principe de la commande hybride
La commande hybride impose `a l’´el´ement terminal une s´erie de contraintes lui per- mettant de suivre une trajectoire tout en appliquant des efforts `a son environnement dans les autres directions. Ce principe de commande poss`ede des applications int´eressantes, par exemple, dans l’usinage de pi`eces m´ecaniques : l’outil peut suivre une trajectoire sur un axe horizontal tout en imposant un effort sur l’objet `a usiner selon l’axe vertical. La commande hybride offre l’avantage de commander simultan´ement la force et la position. Cependant, les transitions entre les deux types de commande doivent ˆetre maˆıtris´ees afin d’´eviter d’´eventuelles instabilit´es.
1.4.3.4 Commande hybride externe
Contrairement `a la commande hybride pr´esent´ee ci-dessus, la commande hybride ex- terne force/position [21] [22], permet la contribution selon un mˆeme axe d’une commande en position et d’une commande en force. Son sch´ema th´eorique est pr´esent´e sur la figure 1.13.
Figure 1.13 – Principe de la commande hybride externe
L’asservissement de la position est interne dans cette structure, la boucle de r´egula- tion de force est hi´erarchiquement sup´erieure. Ainsi, une variation de l’effort se traduit