Le prototype INCA4
est une interface haptique à retour d’efforts entrainées par des câbles, développée par la société Haption en s’inspirant du SPIDAR [Hirata 1992] du professeur Sato pour la manipulation d’objets dans des environnements virtuels. Dans la version 3D utilisant 4 câbles, seules les forces sont imposées pour les mou-vements de translations de l’effecteur, alors que la version 6D utilisant 8 câbles considérée ici, peut aussi imposer les moments pour les mouvements de rotations.
Dans cette thèse, l’interface haptique INCA 6D est utilisée comme un robot manipulateur pour aborder les problèmes de manipulation des robots parallèles à câbles. Il s’agira dans cette partie de décrire l’architecture matérielle disponible, ainsi que l’architecture logicielle mise en œuvre pour piloter le robot INCA 6D (Figure 1.3).
Figure 1.3 – Robot INCA 6D
4. http://www.haption.com/site/index.php/fr/products-menu-fr/hardware-menu-fr/ inca6D-menu-fr
1.6. Description du prototype d’évaluation INCA 6D 25 1.6.1 Description matérielle
1.6.1.1 Géométrie du robot
Le robot INCA 6D possède une base cubique d’environ 3 m de côté, et utilise 8 câbles moteurs pour déplacer l’effecteur, et 8 câbles d’équilibrage connectés à des ressorts de rappel pour assurer une pré-tension dans les câbles moteurs (Figure1.3). L’effecteur est quand à lui constitué d’un cube central connecté à 4 tiges cylin-driques pour y attacher les câbles moteurs, à raison de 2 câbles par tige (Figure1.4).
Figure 1.4 – Effecteur du robot INCA 6D
1.6.1.2 Actionneurs
Les 8 actionneurs sont déportés sur les 8 sommets de la base (Figure 1.3), où chaque actionneur (Figure 1.5) est composé d’un moteur rotatif à courant continu de type Maxon 144877 avec une boucle de commande du courant, qui motorise un ensemble solidaire de 2 rouleaux :
– le rouleau moteur : permettant de stocker un câble moteur guidé vers l’effecteur par une poulie motrice.
– le rouleau d’équilibrage : permettant de stocker un câble d’équilibrage guidé vers l’extrémité mobile d’un ressort de rappel par une poulie d’équilibrage, alors que l’autre extrémité fixe du ressort de rappel reste fixée à la base.
Le schéma d’actionnement du robot INCA 6D, combinant chacun des moteurs à ces éléments moteurs et d’équilibrage pour déplacer l’effecteur, est résumé sur la Figure1.6.
Figure 1.5 – Actionneur du robot INCA 6D ! Effecteur Rouleau Moteur Ressort de Rappel! Câble Moteur Câble d’Équilibrage! Moteur DC! Arbre! Rouleau d’Équilibrage Poulie d’Équilibrage! Poulie Motrice!
Actionneur Câble Effecteur
Figure 1.6 – Schéma d’actionnement du robot INCA 6D 1.6.1.3 Capteurs
Les capteurs installés pour la mesure des grandeurs intrinsèques et extrinsèques au robot sont :
• Capteurs proprioceptifs : 8 codeurs optiques incrémentaux permettent de me-surer les positions angulaires des moteurs avec une résolution de 4×3600 points/tour, et 8 capteurs de courant mesurent les courants absorbés par les moteurs.
• Capteurs extéroceptifs : 6 caméras infrarouges (Figure 1.7) fixées autour du robot (Figure 1.3) sont utilisées pour mesurer la pose de l’effecteur équipé de marqueurs (Figure1.4), avec une fréquence maximale d’acquisition des images de 250 Hz.
1.6. Description du prototype d’évaluation INCA 6D 27
Figure 1.7 – Caméra infrarouge 1.6.2 Description logicielle
1.6.2.1 Système de capture de mouvement Bonita
Le système de capture de mouvement Bonita est composé de 6 caméras in-frarouges et d’un logiciel de suivi basé sur la détection de marqueurs passifs ré-fléchissants s’exécutant sous un système d’exploitation Windows, l’ensemble étant développé par la société Vicon5
. Chaque caméra délivre des images en niveaux de gris à une fréquence maximale de 250 Hz avec une résolution VGA, et possède sa propre source de rayonnement grâce à des diodes infrarouges. Ce rayonnement est réfléchi par des marqueurs dont la surface est composée d’une matière réfléchissante. Après calibrage de ce système de stéréo-vision avec un objet de référence par rapport à un référentiel fixe, la pose de n’importe quel objet muni de marqueurs peut être reconstruite par le logiciel. En particulier, la pose de l’effecteur équipé de 5 marqueurs fixes (Figure 1.4) est alors mesurée et rendue accessible pour de la commande sur un second ordinateur, grâce à un serveur VRPN6
(Virtual-Reality Peripheral Network) intégré au logiciel de suivi, qui utilise le protocole Ethernet UDP. Un ordinateur s’exécutant sous un système d’exploitation temps-réel Linux-Xenomai, dédié à la commande du système, permet alors grâce à un client VRPN de recueillir la pose de l’effecteur qui arrive sur le réseau Ethernet UDP.
5. https://www.vicon.com/
Cependant, l’implémentation fournie de la librairie VRPN et ses utilitaires en langage C++ n’est pas compatible avec nos contraintes d’implémentation temps-réel (fréquence d’asservissement de 1 KHz) et la charge admissible du processeur disponible (Pentium M 1.6 GHz). Le protocole de communication VRPN a donc été étudié, pour ré-implanter le client VRPN en langage C, avant d’être intégré dans le contrôleur temps-réel du robot. Le protocole de communication VRPN est synthétisé en 4 étapes :
• Phase 1 : le client transmet au serveur son adresse IP et son port TCP/IP en mode UDP/IP.
• Phase 2 : le client transmet au serveur la version de la librairie VRPN qu’il utilise en mode TCP/IP, et reçoit un accusé de réception (cookie) toujours en mode TCP/IP.
• Phase 3 : le client transmet au serveur des données de configuration dont son port UDP/IP en mode TCP/IP.
• Phase 4 : le serveur transmet en boucle au client des paquets de données conte-nant la pose des objets suivis en mode UDP/IP, sur le port UDP/IP précédemment indiqué.
Les performances temporelles et spatiales du système de capture de mouvement Bonita sont critiques pour la commande du robot INCA 6D et ont été évaluées à travers :
• Le retard global de 10.7 ± 0.7 ms à une fréquence des caméras de 200 Hz, estimé par le temps écoulé entre le début de l’acquisition des images et la disponibilité de la mesure de la pose de l’effecteur. Ce retard de 2 fois la période d’acquisition, est la somme d’une période pour l’acquisition des images et une période pour la reconstruction de la pose de l’effecteur.
• La précision de la pose de 1.7±0.4 mm, estimée par l’erreur quadratique moyenne dans les images entre la position actuelle des marqueurs visibles et celle estimée par projection à partir de la pose estimée de l’effecteur et de sa géométrie. 1.6.2.2 Architecture du contrôleur temps-réel
La commande du robot INCA 6D est implantée sur un ordinateur dédié Pentium M 1.6 GHz d’Intel, sous un système d’exploitation temps-réel Linux-Xenomai. Les variateurs des moteurs fournis par Haption sont embarqués dans l’ordinateur sous forme de cartes PCI industrielles.
Une architecture de commande spécifique est alors nécessaire afin de permettre la commande du système en temps-réel, tout en optimisant l’utilisation du dispositif matériel, notamment en tenant compte des performances temporelles du système de
1.7. Conclusion 29