Contraintes d’int´egration pour la conception d’un manipulateur an-

pulateur anthropomorphe et dextre

Pour entreprendre le d´eveloppement d’un manipulateur qui pr´esente une cin´ematique anthropomorphique et une grande dext´erit´e, un nombre important de contraintes sont `a prendre en compte (figure 1.6) :

Figure _{1.6 – Pr´esentation sch´ematique des contraintes de conception d’un pr´ehenseur} robotique multidigital pour la manipulation dextre

1. L’objectif recherch´e est de r´epondre `a une finalit´e de manipulation. La priorit´e ici est de r´ealiser des tˆaches de manipulation dextres dans un environnement fa¸conn´e par

1.3. Technologies d’actionnement ´electriques pour la conception de pr´ehenseurs robotiques dextres

l’homme (manipulation d’objets fragiles, de formes et de tailles vari´ees par exemple) ; 2. La recherche d’une cin´ematique anthropomorphe conduit `a s’inspirer directement du mod`ele de la main humaine et de ses 23 degr´es de libert´e. Elle repr´esente l’exemple le plus abouti de pr´ehenseur dextre. Pour concevoir un pr´ehenseur robotique ayant des propri´et´es similaires, une optimisation de la m´ecatronique et des lois de commande devient primordiale ;

3. Aux contraintes de dext´erit´e et d’anthropomorphisme s’ajoutent alors une contrainte d’int´egration technologique pour r´epondre aux probl`emes d’´echelle.

Un bon compromis dans le choix des ´el´ements m´ecaniques et ´electroniques, des cap- teurs et des lois de commande est d’une importance capitale dans la r´ealisation d’un pr´ehenseur dextre. Le d´eveloppement de mains robotiques anthropomorphiques avec un haut niveau de dext´erit´e et de nombreux degr´es de libert´e augmente consid´erablement la complexit´e de conception m´ecatronique. La structure cin´ematique de la main et des doigts, l’int´egration de nombreux capteurs (position, force, couple, tactile), le choix d’ac- tionneurs poss´edant les efforts n´ecessaires en terme de couple jouent un rˆole important lors du d´eveloppement de la g´en´eration actuelle de mains robotiques.

La priorit´e de conception privil´egi´ee dans notre cas est l’anthropomorphisme, tout en conf´erant au pr´ehenseur le plus haut niveau de dext´erit´e possible. Pour concevoir un tel manipulateur poss´edant de nombreux degr´es de libert´e, il est essentiel de simplifier les sch´emas de cˆablage. Il est ´evident que la multiplication du nombre de poulies, en plus du routage complexe des cˆables, requiert une complexit´e de conception croissante.

4. L’utilisation des actionneurs `a simple-effet avec une action antagoniste passive, bas´ee sur des ressorts de rappel d´ecrits en figure 1.5 a), rend possible la simplification des sch´emas de cˆablage ;

5. Ce choix requiert une m´ecanique r´eversible qui pr´esente des avantages consid´erables et innovants dans son application aux pr´ehenseurs robotiques.

Le faible niveau de frottement des vis `a billes joue un rˆole essentiel dans la conception de pr´ehenseurs int´egr´es. En effet, la r´eversibilit´e du m´ecanisme permet de transmettre les efforts appliqu´es sur les parties terminales du pr´ehenseur jusqu’aux moteurs : une force appliqu´ee au bout d’un doigt se r´epercute alors comme un couple r´esistant sur l’arbre moteur. De ce fait, il devient possible d’estimer les efforts appliqu´es `a l’extr´emit´e du pr´ehenseur sans capteurs de couples articulaires. Cette propri´et´e remarquable permet de ne conserver que des capteurs proprioceptifs (mesurant les informations physiques internes au syst`eme) et de se passer de capteurs ext´eroceptifs (mesurant les informations directement au niveau de l’interaction du syst`eme avec son environnement) sous r´eserve de connaˆıtre les points d’application des efforts sur le m´ecanisme. Cette propri´et´e repr´esente alors un gain consid´erable en terme d’int´egration.

Cependant, optimiser de cette mani`ere la m´ecatronique du pr´ehenseur n´ecessite une connaissance extrˆemement pr´ecise de celui-ci afin de commander les grandeurs ext´ero- ceptives correctement `a partir des grandeurs proprioceptives. En effet, si les grandeurs terminales ne peuvent ˆetre mesur´ees par des capteurs ext´eroceptifs, il convient de les estimer et cela ne peut se faire qu’`a partir d’un mod`ele pr´ecis du comportement du pr´e-

henseur. Cette ´etape est primordiale dans le but de le commander car elle est la seule `a pouvoir renseigner sur sa configuration terminale.

6. La commande du pr´ehenseur suppose de connaˆıtre son positionnement afin de contrˆo- ler son d´eplacement dans l’espace libre (en l’absence de contacts ext´erieurs) ; 7. La maˆıtrise du positionnement du pr´ehenseur peut alors ˆetre obtenue par la com-

mande en position des moteurs ;

8. La commande du pr´ehenseur n´ecessite ´egalement de percevoir les interactions avec son environnement, notamment les forces cr´e´ees par les objets sur le m´ecanisme ; 9. La strat´egie de perception des efforts d’interaction consiste `a d´eterminer pr´ealable-

ment les relations entre les courants moteurs et les efforts cr´e´es par les objets puis `a estimer ces efforts par le biais d’observateurs afin de pouvoir les commander. Ainsi, cette technologie optimisant les sch´emas de cˆablage, minimisant les frottements et supprimant l’encombrement li´e aux capteurs ext´eroceptifs pr´esente une solution nou- velle pour concevoir des manipulateurs poly-articul´es int´egr´es. L’absence de capteurs ter- minaux va alors n´ecessiter une ´etude approfondie du syst`eme en terme de mod´elisation, d’observation et de commande :

– Identification du syst`eme : la mod´elisation pr´ecise des pr´ehenseurs n´ecessite la mo- d´elisation de leurs non-lin´earit´es ;

– Synth`ese des observateurs : ils sont adapt´es pour l’estimation des grandeurs termi- nales `a partir des informations proprioceptives ;

– Synth`ese des lois de commande en position et en force : elles sont n´ecessaires pour manipuler les objets.

Les modalit´es de la commande dans le contexte robotique sont ´etudi´ees dans la suite.