Analyse des paramètres d’optimisation de la structure fonctionnelle et leurs effets sur la performance des robots

République Algérienne Démocratique et Populaire

Ministère de L’Enseignement Supérieur et de la Recherche

UNIVERSITE DJILLALI LIABES DE SIDI BEL ABBES

FACULTE DE TECHNOLOGIE

DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE

Laboratoire Mécanique des Structures et des Solides

Mémoire

Présente En Vue De L’obtention Du Diplôme De

Magister En Mécanique

Option : Robotique

Thème :

Analyse des paramètres d’optimisation de la

structure fonctionnelle et leurs effets sur la

performance des robots

Présenté Par :

Bousmaha Omar

Encadreur :

Dr. LOUSDAD abdelkader

Jury :

Mr .MEGUENI Abdelkader PROF Université de sidi bel abbès Président

Mr .LOUSDAD Abdelkader MCA Université de sidi bel abbès Encadreur

Mr .REFASSI Kadour PROF Université de sidi bel abbès Examinateur

Mr .ELAJRAMI Mohamed MCA Université de sidi bel abbès Examinateur

Remerciements

Ce travail a été effectué au laboratoire Mécanique des structures et des solides de

l’Université Djilali Liabes de Sidi Bel Abbes.

Tout d’abord, j’aimerai remercier Monsieur LOUSDAD Abdelkader Maitre de

conférence à l’Université Djilali Liabes de Sidi Bel Abbes, de m’avoir donné l’occasion de

réaliser ce travail, de m’avoir soutenu et conseillé tout au long de ce travail, grâce à son

support et sa rigueur scientifique.

Ensuite, je tiens à remercier les membres du jury, Monsieur MEGUENI Abdelkader

Professeur à l’Université Djilali liabes de Sidi Bel Abbes pour l’honneur qu’il m’a fait en

acceptant de présider le jury.

J’adresse mes remerciements les plus sincères à Messieurs REFASSI Kaddour,

Professeur à l’Université Djilali Liabes de Sidi Bel Abbes, Mr ELAJRAMI Mohamed Maître

de conférence à l’Université Djilali Liabes de Sidi Bel Abbes et Mr AZZEDINE Abdelwahab

pour leur contribution d’accepter de faire partie de mon jury.

Mes remerciements à Messieurs les enseignants de l’université Djilali liabes de Sidi Bel

Abbes qui, durant mes études, ont contribué à enrichir mes connaissances dans de nombreux

domaines, à tous ceux qui m’ont aidé, de près ou de loin, à la réalisation de ce mémoire.

DEDICACE

A mes parents,

A mes frères et ma sœur,

Table des matières

Introduction générale

... 1

CHAPITRE I :

Considérations générales sur la robotique

I.1. Introduction ... 4

I.1.1. Définition ... 4

I.2. Historique des robots manipulateurs industriels ... 4

I.3. Vocabulaire d’un robot ... 6

I.3.1. Base ... 6

I.3.2. Porteur ... 6

I.3.3. Actionneur de l’effecteur ... 8

I.3.4. L’organe terminal ... 8

I.4. Types des chaines cinématiques ... 8

I.5. Morphologie des robots manipulateurs ... 9

I.6. Classification des robots manipulateurs... 12

I.6.1. Classification fonctionnelle ... 12

*Classe A : manipulateurs à commande manuelle ou télécommande ... 13

*Classe B : manipulateurs automatiques : ... 13

*Classe C : robots programmables ... 14

*Classe D : robots ”intelligents” ... 15

I.6.2. Classification géométrique ... 15

I.6.2.1. Robots sériels ... 15

I.6.2.2. Robots parallèles ... 18

I.7. Domaines d'application des robots industriels ... 19

CHAPITRE II :

Les différentes modèles et caractéristiques des robots

II.1. Introduction ... 23

II.2. Modélisation géométrique : ... 23

II.2.1. Méthode de Denavit-Hartenberg : ... 24

II.2.2. Modèle géométrique direct ... 26

II.2.3. Modèle géométrique inverse ... 27

II.2.3.1. Principe de la méthode de Paul ... 28

II.3. Modélisation cinématique... 29

II.3.1. Modèle cinématique direct ... 29

II.3.2. Modèle cinématique inverse ... 30

II.3. Modélisation dynamique ... 31

II.3.1. Modèle dynamique direct ... 31

II.3.2. Modèle dynamique inverse ... 31

II.4. Caractéristiques techniques des robots manipulateurs : ... 32

II.4.1. Espace de travail ... 32

II.4.2. Capacité de charge ... 33

II.4.3. Performance en vitesse ... 33

II.4.4. Précision, répétabilité ... 34

II.5. Mode de programmation des robots industriels ... 35

II.5.1. Programmation par enseignement (en ligne) ... 35

II.5.2. Programmation hors ligne ... 36

II.5.3. Langages de programmation ... 37

II.5.3.1. Niveau actionneur ... 37

II.5.3.2. Niveau manipulation ou niveau effecteur ... 37

II.5.3.3. Niveau objet ... 37

II.5.3.4. Niveau objectif ... 37

II.5.4. Avantages de programmation hors ligne ... 38

II.5.4.1. Disponibilité de la cellule de production ... 38

II.5.4.2. Amélioration de la qualité ... 38

II.5.4.3. Minimisation de l’effort de programmation en termes de préparation des

données ... 38

II.5.4.4. Optimisation des tâches ... 39

II.6. Précision absolu de pose ... 39

II.7.1. Facteurs articulaires ... 41

II.7.2. Facteurs géométriques ... 41

II.7.3. Facteurs non géométriques ... 42

II.8. Conclusion : ... 42

CHAPITRE III :

Etude Analytique , Programmation et Simulation

III.1. Introduction ... 44

III.2. Introduction aux mécanismes ... 44

III.2.1. Définition ... 44

III.2.2. Synthèse des mécanismes ... 44

III.2.2.1. Différents types de problèmes de synthèse dimensionnelle ... 45

III.3. Choix des mécanismes a leviers ... 46

III.4. Erreur des mécanismes ... 46

III.5. But de problème ... 47

III.6. Approche du problème ... 47

III.6.1. Cas d’une chaine cinématique ouverte ... 48

III.6.1.1. Enonce de problème ... 48

III.7. Présentation des logiciels de simulation de problème ... 52

III.7.1. Aperçu sur langage C Scharp ... 53

III.7.1.1. Introduction ... 53

III.7.1.2. Les types C Scharp ... 53

III.7.1.3. Les boucles ... 53

III.7.1.4. Les classes en C Scharp... 54

III.7.1.5. Avantages de C Scharp ... 54

III.7.2. Présentation de logiciel Visual studio ... 54

III.7.2.1. Platforme.NET ... 55

III.7.2.2. CLS (Common Language System) ... 55

III.7.2.3. La notion de classe ... 56

III.7.2.4. Les classes de base ... 56

III.7.2.5. Les services du CLR ... 56

III.7.4. Définition et explication des fichiers dll ... 57

III.7.5. Matlab builder.ne ... 57

III.7.6. MATLAB compiler ... 58

III.7.7. MATLAB Compiler Runtime ... 58

III.8. Conclusion ... 58

CHAPITRE IV :

Simulation et Résultats

IV.1.Introduction ... 60

IV.2.Description de problème ... 60

IV.3.Etapes de simulation de problème ... 60

IV.3.1.Lancement de logiciel VISUAL STUDIO 2010 ... 60

IV.3.2.Création d’un nouveau projet ... 61

IV.3.3.Conception de l’interface graphique de notre projet ... 62

IV.3.4.Programmation C Scharp ... 64

IV.3.5.Matlab ... 64

IV.3.6.Programmation de la présentation graphique par MATLAB ... 65

IV.3.7.Exécuter l’application dehors de l'environnement MATLAB ... 66

IV.3.8.Génération de dll ... 66

IV.3.9.Exécution de dll de Matlab au C Scharp ... 67

IV.3.10. DLL MATLAB transféré et exécuté au Visual Studio ... 67

IV.3.11.Interface graphique exécutable ... 68

IV.4. Résultats ... 70

IV.5.Comparaison et discussions ... 78

IV.6.Conclusion ... 81

Conclusion générale ... 83

Référence

Annexes

Liste des figures

CHAPITRE I :

Considérations générales sur la robotique

Figure. I. 1: Vocabulaire d’un robot ... 6

Figure. I. 2: Représentation d’une articulation rotoïde. ... 7

Figure. I. 3: Représentation d’une articulation prismatique ... 7

Figure. I. 4:Types des chaines ... 9

Figure. I. 5: Morphologie de porteurs ... 10

Figure. I. 6: Types de poignets ... 11

Figure. I. 7: Robot à poignet Staubli RX-90[4] ... 12

Figure. I. 8: Manipulateur à commande manuelle ... 13

Figure. I. 9: Manipulateur automatique ... 13

Figure. I .10: Robot programmable ... 14

Figure. I. 11:Robot sériel a)- ABB IRB 2400 b)- KUKA KR 30 jet ... 16

Figure. I. 12:structure PPP ... 17

Figure. I. 13: Structure RPP ... 17

Figure. I. 14: Structure RRP ... 18

Figure. I. 15: structure SCARA ... 18

Figure. I. 16: Robot Delta(a) ABB IRB 340 (3ddl) (b) Fanuc M-3iA ... 19

Figure. I. 17: Robot de palettisation ... 19

CHAPITRE II :

Les différentes modèles et caractéristiques des robots

Figure. II. 1:Modélisation géométrique ... 23

Figure. II. 2: Robot à structure ouverte simple... 24

Figure. II. 3: Paramètre géométrique dans le cas structure ouverte simple ... 25

Figure. II. 4: paramètre de robot... 27

Figure. II. 5: Modèle cinématique directe ... 29

Figure. II. 6: Modèle cinématique inverse ... 30

Figure. II. 7: espace de travail robot IRB 2400/16 ... 33

Figure. II. 8 : précision et répétabilité ... 34

Figure. II. 10: Illustration 2D (a) d’une mauvaise et (b) une bonne valeur de précision de

position ... 39

Figure. II. 11: Source de manque de précision des robots industriels. ... 41

CHAPITRE III :

Etude Analytique, Programmation et Simulation

Figure. III. 1:Génération de fonction ... 45

Figure. III. 2:Génération de trajectoire ... 45

Figure. III. 3:Génération de mouvement ... 46

Figure. III. 4: trajectoire de mécanisme de robot ... 48

Figure. III. 5 : Framework .NET ... 55

CHAPITRE IV :

Simulation et Résultats

Figure. IV. 1: Visual Studio 2010 ... 61

Figure. IV. 2:Visual C# ... 62

Figure. IV. 3 : Conception de l’interface graphique... 63

Figure. IV. 4 : Interface de sélection du type de projet Visual C# ... 64

Figure. IV. 5: MATLAB 2013 ... 65

Figure. IV. 6: Programmation par MATLAB ... 65

Figure. IV. 7: MATLAB compiler ... 66

Figure. IV. 8: Création de dll ... 85

Figure. IV. 9:Transfère du dll au Visual C# ... 67

Figure. IV. 10: Génération du dll au Visual C#. ... 67

Figure. IV. 11: MATLAB Interop.dll au Visual Studio ... 68

Figure. IV. 12: Interface graphique ... 69

Figure. IV. 13: Interface graphique avec schéma détaillé ... 70

Figure. IV. 14 Interface graphique et résultat d’erreur de cas n°1 ... 71

Figure. IV. 15: Interface graphique et résultat d’erreur de cas n°2 ... 73

Figure. IV. 16: Interface graphique et résultat d’erreur de cas n°3 ... 74

Figure. IV. 17: Interface graphique et résultat d’erreur de cas n°4 ... 76

Figure. IV. 18: Interface graphique et résultat d’erreur de cas n°5 ... 77

Figure. IV. 19:Trajectoire circulaire de mécanisme optimale………...80

Figure. IV. 20: Représentation graphique de mécanisme optimale pour le robot plan à deux

degré de liberté ... 80

Liste des tableaux :

CHAPITRE II :

Les différentes modèles et caractéristiques des robots

Tableau. II. 1:Précision demandé pour chaque processus ... 49

Tableau. IV. 1: Les valeurs pour lancer simulation (R=0.75) ... 92

Tableau. IV. 2: Résultats pour la longueur de deuxième bras 0.75m ... 93

Tableau. IV. 3: Les valeurs pour lancer simulation (R=0.85) ... 93

Tableau. IV. 4: Résultats pour la longueur de deuxième bras 0.85m ... 94

Tableau. IV. 5: Les valeurs pour lancer simulation (R=0.95) ... 95

Tableau. IV. 6: Résultats pour la longueur de deuxième bras 0.95m ... 96

Tableau. IV. 7: Les valeurs pour lancer simulation (R=1.05) ... 96

Tableau IV. 8: Résultats pour la longueur de deuxième bras 1.05m ... 97

Tableau. IV. 9: Les valeurs pour lancer simulation (R=1.15) ... 98

Tableau. IV. 10: Résultats pour la longueur de deuxième bras 1.15m ... 99

Tableau. IV. 11: Comparaison des résultats ... 100

CHAPITRE IV :

Simulation et Résultats

Tableau. II. 1:Précision demandé pour chaque processus ... 49

Tableau. IV. 1: Les valeurs pour lancer simulation (R=0.75) ... 92

Tableau. IV. 2: Résultats pour la longueur de deuxième bras 0.75m ... 93

Tableau. IV. 3: Les valeurs pour lancer simulation (R=0.85) ... 93

Tableau. IV. 4: Résultats pour la longueur de deuxième bras 0.85m ... 94

Tableau. IV. 5: Les valeurs pour lancer simulation (R=0.95) ... 95

Tableau. IV. 6: Résultats pour la longueur de deuxième bras 0.95m ... 96

Tableau. IV. 7: Les valeurs pour lancer simulation (R=1.05) ... 96

Tableau IV. 8: Résultats pour la longueur de deuxième bras 1.05m ... 97

Tableau. IV. 9: Les valeurs pour lancer simulation (R=1.15) ... 98

Tableau. IV. 10: Résultats pour la longueur de deuxième bras 1.15m ... 99

INTRODUCTION GENERALE

Depuis la révolution industrielle, une discipline à marqué l’évolution du monde technologique : la Robotique. L’avènement des robots dans l’industrie à permis de soulager l’homme des travaux répétitifs et difficiles tels que : le déplacement d’objets lourds, les taches d’assemblages, les microsoudures… etc. Ceci avec plus d’efficacité et de précision.

La compétition incessante dans l'industrie conduit à une nécessaire augmentation de la productivité en préservant la qualité et en diminuant le coût de revient des produits. Cependant, les robots manipulateurs existants souffrent encore de faiblesses qui les empêchent de mener à bien certaines tâches et limitent leurs champs d’action.

Bien que la conception et à la réalisation des robots se font avec attention, les paramètres géométriques nominaux fournis par les constructeurs sont entachés d’erreurs. Ces erreurs peuvent en particulier être attribuées à des défauts d’usinage ou d’assemblage, au transport ou à l’usure tout au long de la durée de vie du robot.

Notre domaine de recherche est consacré à la conception optimale de la structure fonctionnelle des robots industriels.

Pour atteindre cet objectif, nous présentons notre contribution, organisée dans ce présent mémoire en quatre chapitres :

Le premier chapitre de ce mémoire présente les notions de base de robotique.

L'objet du ce chapitre est d’apportera quelques définitions de base et décrire les constituants technologiques d'un robot, définir les principaux termes du domaine.

Dans le deuxième chapitre en présente quelques méthodes permettant d'établir les modèles géométriques et cinématiques pour le cas des robots à structure ouverte simple, ces méthodes sont basées sur la détermination des paramètres de Denavit-Hartenberg, ainsi que les différentes caractéristiques des robots manipulateurs et leurs modes de programmations.

Ensuite on présente les sources de manque de précision des robots industriels.

Dans le troisième chapitre on parle sur les mécanismes pour les robots manipulateurs et ces différents types de problème de synthèses dimensionnelles.

On présente un modèle mathématique pour diminuer les erreurs à une valeur admissible successible d’assurer le fonctionnement de mécanisme pour un robot manipulateur. Ainsi qu’une représentation des logiciels (VISUAL STUDIO, MATLAB) et langage de programmation C#, l’interface entre MATLAB et C# pour la résolution de problème posé.

Dans le dernier chapitre on présente les étapes de simulations numériques. Les résultats obtenus sont analysés pour l’obtention de la structure optimale du mécanisme avec les erreurs minimales pour une meilleure précision de robot plan à deux degré de liberté.

CHAPITRE I :

I.1. Introduction

Dans ce premier chapitre nous commençons par quelques définitions de base et historique des robots manipulateurs pour facilité la lecture de ce mémoire. Ensuite, nous présentons la morphologie des robots manipulateurs, ainsi que la classification des robots et on terminera ce chapitre par la présentation des différents domaines d’application des robots manipulateurs.

I.1.1. Définition

En général, un robot est un dispositif mécanique articulé capable d’imiter certaines fonctions humaines telles que la manipulation d’objets ou la locomotion, dans le but de se substituer à l’homme pour la réalisation de certaines tâches matérielles. Cette réalisation est plus ou moins autonome selon les facultés de perception de l’environnement dont est doté le robot.

Une définition officielle d’un tel robot vient du ‘Robot Institute of America’ (RIA) : [1]

Un robot est un manipulateur reprogrammable multifonctionnel conçu pour déplacer des matériaux, pièces, outils ou des dispositifs spécialisés grâce à des mouvements variables programmés pour l’exécution de tâches variées. L’élément clé dans la définition ci-dessus est la reprogrammation des robots.

Les différences majeures, principalement en ce qui a attrait à la souplesse, à l’adaptabilité et à l’autonomie, font du robot une machine plus perfectionnée et plus complexe que le manipulateur programmable.

Le robot industriel est le robot qui, par sa robustesse et ses caractéristiques techniques, peut être utilisé dans un processus de fabrication industriel et dans des conditions difficiles et dangereuses propres à certains milieux industriels. Plusieurs caractéristiques du robot sont attrayantes dans un environnement industriel. Les avantages souvent cités sont la diminution du coût du travail,

l’augmentation de la précision et de la productivité, la flexibilité accrue par rapport à des machines spécialisées, et les travaux répétitifs, ennuyeux ou dangereux sont effectués par des robots.

I.2. Historique des robots manipulateurs industriels

En 1954, George Charles Devol invente le premier robot industriel programmable. Il fonde en

1956 la première entreprise de robot, Unimation, avec l’ingénieur Joseph Engelberger. Leur

robot, appelé Unimate, était capable de manipuler des objets avec des actionneurs

hydrauliques [2].

General Motors a été le premier acheteur et le premier Unimate fut installé dans leur usine au

New Jersey en 1961. Ils ont utilisé ce robot pour manipuler des pièces moulées encore

chaudes et pour le soudage par point.

En 1969, Victor Scheinman de l’Université de Stanford invente un bras articulé sur 6 axes.

Sheinman vende son concept à Unimation plus tard.

Dans les années 70, quelques entreprises ont du flair et se lancent dans le design et la

fabrication de robots industriels. Voici quelques dates importantes de cette époque :

1973 : KUKA, une entreprise allemande, crée le premier robot industriel avec 6 axes

contrôlés électro mécaniquement.

1974 : Sheinman fonde Vicarm Inc. Commercialise un robot contrôlé par un ordinateur qui

utilise des capteurs de pression destinés à des applications industrielles.

1977 : Le Motoman L10, un robot 5 axes capable de soulever une charge de 10 kg, est lancé

sur le marché par Yaskawa.

1978 : Unimation propose le PUMA, un robot d’assemblage encore utilisé de nos jours dans

plusieurs laboratoires de recherche.

Les années 80 sont le début d’une croissance accélérée de l’industrie de la robotique avec une

nouvelle entreprise ou un nouveau robot qui voient le jour chaque mois.

1981 : Takeo Kanade construit le premier robot muni de moteurs installés directement aux

articulations du bras. Cela a permis des robots plus rapides et plus précis qu’auparavant.

1987 : Asea de Suède et Brown Boveri Ltd de Suisse fusionnent pour former ABB, un des

plus importants fabricants de robots industriels.

Les années subséquentes ont vu des améliorations de tout genre et des robots de plus en plus rapides, précis et flexibles. En 1998, par exemple, les systèmes de contrôle pouvaient gérer jusqu’à 27 axes et synchroniser le contrôle de 4 robots.

I.3. Vocabulaire d’un robot

Figure. I. 1: Vocabulaire d’un robot [3]

I.3.1.Base

La base du manipulateur est fixée sur le lieu du travail. Ceci est le cas de la quasi-totalité des robots industriels.

Le porteur représente l’essentiel du système mécanique articulé, il à pour rôle d’amener l’organe terminal dans une situation donnée imposée par la tache (la situation d’un corps peut être définie comme la position et l’orientation d’un repère attaché à ce corps par rapport à un repère de référence). Il est constitué de :

- Segment : corps solides rigides susceptibles d’être en mouvement par rapport à la base du porteur, et les uns par rapport aux autres,

- Articulation : Une articulation lie deux corps successifs en limitant le nombre de degré de

liberté, de l'un par rapport à l'autre. Soit m le nombre de degré de liberté résultant,

encore

appelé mobilité de l'articulation. La mobilité d’une articulation est telle que :

0≤m≤6 (I-1)

Lorsque m = 1, ce qui est fréquemment le cas en robotique, l'articulation est dite simple : soit rotoïde, soit prismatique.

*Articulation rotoïde :

Il s'agit d'une articulation de type pivot, notée R, réduisant le mouvement entre deux corps à une rotation autour d'un axe commun. La situation relative entre les deux corps est donnée par l'angle autour de cet axe (voir la figure I.2)

Figure. I. 2: Représentation d’une articulation rotoïde

Il s'agit d'une articulation de type glissière, notée P, réduisant le mouvement entre deux corps

à une translation le long d'un axe commun. La situation relative entre les deux corps est

mesurée par la distance le long de cet axe (voir la figure I.3).

Figure. I. 3: Représentation d’une articulation prismatique

I.3.3. Actionneur de l’effecteur

L’actionnement de l’effecteur peut être : - électrique

- pneumatique - hydraulique

- mécanique (dispositif à câbles et poulies)

L’actionnement pneumatique se fait généralement à l’aide d’un vérin pneumatique, réalisant un mouvement de translation. Il a l’avantage de la simplicité, et d’une certaine élasticité due à la compressibilité de l’air ; en outre, le contrôle des pressions permet éventuellement un réglage de la force de serrage.

L’actionnement électrique se fait à l’aide de petits moteurs à courant continu ou pas-a pas; le contrôle du courant ou l’utilisation de capteurs de force permet un réglage des forces de serrage. L’actionnement hydraulique est très rare, à cause des inconvénients lies à ce type d’énergie (nécessité d’une centrale hydraulique, fuites,...).

I.3.4. L’organe terminal

On regroupe tout dispositif destiné à manipuler des objets (dispositifs de serrage, dispositifs magnétiques, à dépression, …), ou à les transformer (outils, torche de soudage, pistolet de peinture, …). En d'autres termes, il s'agit d'une interface permettant au robot d'interagir avec son environnement. Un organe terminal peut être multifonctionnel, au sens où il peut être équipé de plusieurs dispositifs ayant des fonctionnalités différentes. Il peut aussi être monofonctionnel, mais interchangeable. Un robot, enfin, peut-être multi-bras, chacun des bras portant un organe terminal différent. On utilisera indifféremment le terme organe terminal, préhenseur, outil ou effecteur pour nommer le dispositif d'interaction fixé à l'extrémité mobile de la structure mécanique [3]

I.4. Types des chaines cinématiques

-Chaînes ouvertes simples(A) (aucun retour mécanique d’un segment à un autre dans la chaîne).

-Chaînes arborescentes(B) (il existe plusieurs organes terminales qui agissent en parallèle)

-Chaînes fermées(C) (il existe un retour mécanique d’un ou plusieurs segments à un autre dans la chaîne).

Figure. I. 4:Types des chaines

I.5. Morphologie des robots manipulateurs

Ce paragraphe est relatif aux chaînes ouvertes simples. Afin de dénombrer les différentes architectures possibles, on ne considère que 2 paramètres : le type d’articulation (rotoïde (R) ou prismatique (P)) et l’angle que font deux axes articulaires successifs (0° ou 90° ; sauf cas très particulier, les axes consécutifs d’un robot sont soit parallèles, soit perpendiculaires).

On convient d'appeler les 3 premiers degrés de liberté. Le porteur du robot. Les degrés de liberté résiduels forment le poignet, caractérisé par des dimensions beaucoup plus petites et une plus faible masse.

Sont schématisées dans la figure(I.5) qui suit les 12 morphologies possibles de porteur (ces morphologies sont non redondantes (on élimine a priori les structures limitant les mouvements du porteur à des déplacements linéaires ou planaires : 3 liaisons prismatiques d'axes parallèles, par exemple, ou 3 liaisons rotoïdes d'axes parallèles)).

Figure. I. 5: Morphologie de porteurs

Dans la pratique, on trouve les 5 structures suivantes :

-Les porteurs anthropomorphes (RRR), et plus précisément la première structure de cette classe( figure précédente), comme par exemple les robots :

FANUC (LR, ARC), STÄUBLI RX, ACMA (V80 et SR400), UNIMATION (PUMA), SCEMI (6P-01), AID (V5), CINCINNATI (T3-7XX), AKR 3000, ASEA (IRB6 et 60), KUKA (IR600), AXEA (V08) ;

- Les porteurs sphériques (RRP) comme par exemple les robots : STANFORD, UNIMATION (1000, 2000, 4000), PSA (BARNABE) ;

- Les porteurs toriques (RPR) et plus précisément la première structure de cette classe, comme par exemple les robots :

ACMA (H80), les robots de type SCARA (IBM, AXERA, ADEPT,…); - Les porteurs cylindriques (RPP) comme par exemple les robots : ACMA (TH8), MANTEC (A, I et M), CINCINNATI (T3-363) ;

- Les porteurs cartésiens (PPP) comme par exemple les robots : ACMA (P80), IBM (7565), SORMEL (CADRATIC), OLIVETTI (SIGMA).

La structure RRR dont les 3 axes sont concourants forme ainsi une rotule et s'utilise plus généralement comme un poignet. D'autres types de poignets de un à trois axes sont représentés sur la figure(I.6) suivante :

Dans la pratique, le poignet de type rotule est très répandu. Le robot, obtenu en lui associant un porteur à 3 d.d.l. est la structure la plus classique à 6 d.d.l. Elle permet d'assurer un découplage entre la position et l'orientation de l'organe terminal :

- Le porteur a pour rôle de fixer la position du point d'intersection, noté P, des axes des 3 dernières articulations (centre du poignet) ; cette position (P) ne dépend que de la configuration des solides (corps) 1, 2 et 3 (i.e., du porteur),

- Le poignet est destiné à l'orientation de l'organe terminal (pince, outil). Voire la Figure(I.7) :

Figure. I. 7: Robot à poignet Staubli RX-90[4

Cette structure de robot à poignet de type rotule correspond à celle des robots Stäubli RX-90 et FANUC ARC. [4]

I.6. Classification des robots manipulateurs

I.6.1. Classification fonctionnelle

Le nombre de classe et les distinctions entre celles-ci varient de pays à pays (6 classes au Japon, 4 en France). L’A.F.R.I. distingue 4 classes illustrées ci-dessous :

*Classe A : manipulateurs à commande manuelle ou télécommande (Fig. I.8)

Figure. I. 8: Manipulateur à commande manuelle

*Classe B : manipulateurs automatiques :

Les manipulateurs automatique à cycles préréglés (le réglage se fait mécaniquement par cames, butées, la commande peut se faire par automate programmable) ; on peut distinguer entre manipulateurs à cycle fixe et manipulateurs à cycle programmable.

Figure. I. 9: Manipulateur automatique

*Classe C : robots programmables

C’est la première génération de robots industriels ; ils répètent les mouvements qu’on leur a appris ou programmés, sans informations sur l’environnement ou la tâche effectuée. On peut aussi faire la distinction entre robots ”play-back” qui reproduisent la tâche apprise et robots à commande numérique qui peuvent être programmés hors-ligne. Pour de nombreux robots, l’apprentissage de la tâche se fait à l’aide d’un ”syntaxeur” (”boite à boutons”, ”teach pendant”) qui permet à un opérateur d’amener le robot en un certain nombre de points, qui sont ensuite mémorisés ; lors de l’exécution de la tâche, le robot suivra une trajectoire passant successivement par tous les points programmés, le passage d’un point au suivant se faisant suivant un profil de vitesse en fonction du temps qui est pré-dé fini (tri angulaire ou trapézoïdal), l’opérateur n’aya nt qu’à choisir la fraction de la vitesse maximum à laquelle il souhaite que le robot effectue la tâche. Pour certains robots, par exemple les robots de peinture, qui doivent suivre une trajectoire complexe qu’il est difficile d’exprimer mathématiquement, un opérateur humain spécialiste de la tâche effectue la trajectoire en guidant le bras du robot à l’aide d’un ”pantin”, et l’entièreté de la trajectoire est mémorisée par le robot [5].

Figure. I .10: Robot programmable

*Classe D : robots ”intelligents”

On trouve actuellement des robots de seconde génération qui sont capables d’acquérir et d’utiliser certaines informations sur leurs environnements (systèmes de vision, détecteurs de proximité, capteurs d’efforts, ...). On étudie des robots de troisième génération, capables de comprendre un langage oral proche du langage naturel et de se débrouiller de façon autonome dans un environnement complexe, grâce à l’utilisation de l’intelligence artificielle.

En Europe et aux U.S.A., seuls les éléments des classes C et D sont appelés ”robots”, les américains appellent aussi manipulateurs ou robots ”pick and place” certains manipulateurs de classe B.

Un robot industriel est constitué d’une ou plusieurs chaînes cinématiques, composées d’une multitude de liens rigides, reliés par des articulations rotatives (rotoïdes) ou linéaires (prismatique). Selon la structure des chaînes cinématiques, ces mécanismes sont classés en deux principales catégories : les robots sériels et les robots parallèles.

I.6.2.1. Robots sériel

Ces robots sont composés de plusieurs liens montés en séries, entre une base et un élément terminal (Figure I.11), formant ainsi une chaîne cinématique ouverte. Le mouvement de chacun de ces liens est effectué au niveau d’une articulation par un servomoteur, via un système de réduction de vitesse (boîte d’engrenages). Les mouvements sont asservis grâce à des signaux de rétroaction provenant d’encodeurs. La similarité morphologique entre la structure des robots sériels et celle du bras humain, offre plus de versatilité à ces manipulateurs. Cependant, leur structure sérielle fait en sorte que chacun des lasser de servomoteurs supporte les liens subséquents, ce qui explique le fait que les actionneurs sont de plus en plus gros, en allant de l’effecteur vers la base du robot. Ce phénomène d’accumulation de la charge cause une amplification non-souhaitable des erreurs, en allant de la base vers l’effecteur.

Figure. I. 11:Robot sériel a)- ABB IRB 2400 b)- KUKA KR 30 jet

I.6.2 .1.1. Architectures les plus courantes de robot série :

Les seuls liaisons utilisé en robotique sont la liaison rotoïde et la liaison prismatique, réduisent le mouvement entre deux corps respectivement à une rotation autour et à une translation le long d’un axe commun. Parmi tout les combinaisons d’empilement de rotation et translation possibles .seules quelques-unes sont émergé pour les applications industrielles ont peut les classer de la façon suivante :

-Structure cartésienne PPP (Fig. I.12) :

La structure cartésienne PPP à trois liaisons prismatiques, et la plus ancienne : historiquement, elle découle logiquement de la conception traditionnelle d’une machine outils à trois axes, type rectifieuse ou fraiseuse par exemple cette structure et relativement peut utiliser, sauf dans quelques applications particulières, robot portique robot de magasinage par exemple ;

Figure. I. 12:structure PPP

-Structure cylindrique RPP ou PRP (Fig. I.13) :

La structure cylindrique RPP ou PRP associe une rotation et deux translations .Elle présente l’inconvénient d’offrir un volume de travail faible devant un encombrement total important elle n’est pratiquement plus utilisée.

Figure. I. 13: Structure RPP

-Structure sphérique RRP (Fig. I.14) :

Deux rotations (longitude et latitude) autour de La structure sphérique RRP d’axes orthogonaux, complétées par une translation radiale.

Son espace est sphérique et grande charge utile.

Figure. I. 14: Structure RRP

La structure dite SCARA à axe de rotation parallèle est l’une des plus utilisé, en particulier pour des taches de manutention ou d’assemblage très fréquente dans l’industrie.

Figure. I. 15: structure SCARA

I.6.2.2. Robot parallèle

Ces robots sont composés de plusieurs chaînes cinématiques indépendantes (jambes ou segments) montées en parallèle. Celles-ci lient la base du manipulateur à son organe terminal, formant par conséquent une chaine cinématique fermée. Cette structure fermée permet une meilleure répartition des charges du robot sur ses différentes composantes et lui donne plus de rigidité, tout en restreignant son espace de travail. En outre, la morphologie de cette catégorie de robots offre une excellente répétabilité et éventuellement, une meilleure précision.

Figure. I. 16: Robot Delta(a) ABB IRB 340 (3ddl) (b) Fanuc M-3iA

I.7. Domaines d'application des robots industriels

Les robots industriels peuvent être très utiles dans plusieurs domaines. Ils sont rapides, très fiables et très précis. On les retrouve dans des domaines :

– Soudage – Peinture – Assemblage – Emballage et palettisation – Industrie alimentaire – Industrie biologique

Une des applications les plus courantes de la robotique industrielle est le soudage.

Le soudage robotisé des châssis de voiture améliore la sécurité car un robot ne manque jamais son point de soudure et réalise toujours de la même manière tout au long de la journée. A peu près 25 % des robots industriels sont impliqués dans différentes opérations de soudure.

-Robots Industriels d’assemblage :

L’assemblage occupe environ 33% des applications du parc des robots industrielles.

Beaucoup de ces robots peuvent être trouvés dans l’industrie automobile et l’industrie électronique

-Robots Industriels d’Emballage / Palettisation :

L’emballage et la palettisation sont toujours des applications mineures des robots industriels, comptant seulement pour 2,8% du parc.

Les prévisions pour ce type d’applications sont en croissance significative étant donné que les robots deviennent de plus en plus faciles à manipuler.

-Robots dans les biotechnologies :

Les applications dans l’industrie pharmaceutique et dans les biotechnologies constituent également un marché d’avenir encore presque vierge.

I.8. Conclusions

Dans ce chapitre on a présenté des considérations générales sur la robotique

Avec les différents types des robots manipulateurs et leurs applications. Dans le chapitre suivant on présentera les modèles et les caractéristiques des robots manipulateurs avec les modes de programmations et les sources de manque de précision des robots industriels.

CHAPITRE II :

Les différents modèles et caractéristiques des robots

II.1. Introduction

La conception des robots nécessite des calculs de certain modèles géométriques, cinématiques et dynamiques dont-t-ils feront l’objet de discussion dans ce chapitre. Les différentes caractéristiques des robots manipulateurs et leurs modes de programmations ainsi que les différentes sources de manque de précision des robots industriels sont également discutées.

II.2. Modélisation géométrique :

La modélisation des robots de façon systématique exige une méthode adéquate pour la description et leurs morphologie, plusieurs méthode et notation on été proposé la plus répondue et celle de Denevilt Haterbeng[6], ou dans les années 50 ils ont eu l’excellente idée de proposer une méthode simple et

systématique pour placer des référentiel pour chaque lien d’un mécanisme sériel qui facilite énormément le calcule de matrice de transformation homogène. [7]

Figure. II. 18:Modélisation géométrique

II.2.1. Méthode de Denavit-Hartenberg :

Une structure ouverte simple est composée de n+1 corps notés C0,….,Cn. et de n articulations.

Le corps C0 désigne la base du robot et le corps Cn le corps qui porte l'organe terminal. L'articulation I

Figure. II. 19: Robot à structure ouverte simple

.

La méthode de description est fondée sur les règles et conventions suivantes :

-Les corps sont supposés parfaitement rigides. Ils sont connectés par des articulations considérées comme idéales (pas de jeu mécanique, pas d'élasticité), soit rotoïdes, soit prismatiques .

-Le repère Fi est liée au corps Ci .

-L'axe Z

est porté par l'axe de l'articulation i .

-L'axe X

est porté par la perpendiculaire commune aux axes Z

et Z

.Si les axes Z

et Z

sont

parallèles, le choix de X

n'est pas unique : des considérations de symétrie ou de simplicité

permettent alors un choix rationnel.

Le passage du repère F

au repère F

s'exprime en fonction des quatre paramètres

géométriques suivants : figure (II.3)

- i : angle entre les axes Zi-1 et i correspondant a une rotation autour de l’axe Xi

-di : distance entre Xi-1 et Xi le long de l’axe Zi

-ai : distance entre Zi-1 et Zi le long de Xi

Figure. II. 20: Paramètre géométrique dans le cas structure ouverte simple [7]

La variable articulaire q

associée à la i

articulation est soit θ

, soit r

, selon que cette

articulation est de type rotoïde ou prismatique, ce qui se traduit par la relation[6] :

q

=

θ

+

r

II.1

Avec :

i

=0 si l'articulation j est rotoïde

=1si l'articulation j est prismatique

=1-

II.2

La matrice de transformation définissant le repère F

dans le repère F

est donnée par :

=Rot(Z,θ

)Rot(0,0,d

)Rot(x,

)Rot(a

,0,0)

II.3

II.4

II.2.2. Modèle géométrique direct :

Le modèle géométrique direct (MGD) d’un bras manipulateur exprime la situation de son Organe Terminal (OT) en fonction de sa configuration. Donc il exprime la position instantanée de l’OT par rapport au repère fixe lie au bâti.

Dans le cas d'une chaîne ouverte simple, il peut être représenté par la matrice de transformation [6]:

=

q

)

(q

)

q

)

X=F(q)

q : le vecteur des variables articulaires tel que :

q=[q

,q

…..q

]

Les cordonnés opérationnelles sont défini par :

X=[X

,X

…..X

]

Figure.

II

21: paramètre de robot

II.2.3. Modèle géométrique inverse :

Le modèle géométrique inverse est le problème inverse qui permet de connaître les variables articulaires en fonction de la situation de l'organe terminal, ce qui peut se représenter par la relation

A partir d’une position et une orientation donnes de l’outil, trouver les coordonnées articulaires du robot.

Ce problème est beaucoup plus complexe que celui de problème géométrique directe car pour une position donnée, la solution n’est pas unique (plusieurs configurations possibles).

-Méthode de Paul qui traite séparément chaque cas particulier et convient pour la plupart des robots industriels [6].

II.2.3.1. Principe de la méthode de Paul

:

Considérons un robot manipulateur dont la matrice de transformation homogène a pour expression :

=

q

)

(q

)

q

)

Soit U0 la situation désirée telle que :

II.11 On cherche à résoudre le système d'équations suivant :

Pour trouver les solutions de l'équation (II.13), Paul à proposé une méthode qui consiste à pré multiplier successivement les deux membres de l’équation (II.12) par les matrices pour i variant de 1 à n-1, opérations qui permettant d’isolé et d’ittentifié l’une après l’autre les variables articulaire qui l’on recherche

q

)U

=

q

)………..

q

)

Le terme de droite est fonction des variables q2……..qn .Le terme de gauche n'est fonction que des

éléments de U0 et de la variable q0

-identification terme à terme des deux membres de l'équation (II.12). On se ramène à un système d'une ou de deux équations fonction de q1 uniquement, dont la structure appartient à un

type particulier parmi une dizaine de types possibles.

La succession des équations permettant le calcul de tous les qi est la suivantes :

U

=

=

U

II.3. Modélisation cinématique

Le

modèle cinématique direct

vitesses articulaires ̇

Figure. II. 22: Modèle cinématique directe

dX=J(q)d(q)

Où J = J(q) est la matrice jacobienne de la fonction f, de dimension m × n :

J(q)=

II.17

II.3.2. Modèle cinématique inverse

L’objectif du modèle cinématique inverse est de calculer, à partir d’une configuration q donnée, les vitesses articulaires ̇ qui assurent au repère terminal une vitesse optimale X imposée.

Figure. II. 23: Modèle cinématique inverse

II.3.

Modélisation dynamique :

Le modèle dynamique est le modèle des efforts, lorsqu’on prend en compte les effets dynamiques. Le modèle dynamique direct est celui qui exprime les accélérations en fonction des positions, vitesses et couples des actionneurs. Il est alors représenté par la relation :

̈=g(q, ̇,C,F)

-

̈

̇

-C: C’est le vecteur colonne des couples/forces des actionneurs, selon que l’articulation est rotoïde ou prismatique.

-F : c’est l’effort extérieur (forces et couples), a exercer par l’organe terminal.

Le formalisme de Lagrange est mieux adapté pour le calcul du modèle dynamique.

II.3.2. Modèle dynamique inverse

Les équations qui donne les couples ou force à appliqué par les actionneur en fonction des position ,des vitesses et des accélérations de variables de ces actionneurs et en fonction des efforts extérieurs appliqué sur les différents éléments des robot .

Le formalisme de Lagrange permet d’établir un système d’équations différentielles reliant les coordonnées généralisées aux forces et/ou couples généralisés.

Le formalisme de Lagrange décrit les équations des mouvements en termes de travail et d’énergie du système :

. II.19

L : lagrangien de système égale à E-U U : énergie cinétique totale de système E : énergie potentiel totale de système

II.4. Caractéristiques techniques des robots manipulateurs :

II.4.1. Espace de travail

La position et l’orientation de l’organe terminal du robot sont décrites par un vecteur à six composantes, le plus souvent trois pour la position d’un point particulier de l’outil et trois pour son orientation. L’espace de travail d’un robot manipulateur est défini comme l’ensemble des positions et orientations accessibles par un repère particulier lié, en général, à l’organe terminal du robot.

L’espace de travail est limité par la géométrie du manipulateur ainsi que par des contraintes mécaniques sur les articulations. Par exemple, une articulation rotoïde peut être limitée à moins de 360 degrés de rotation.

L’espace de travail est souvent décomposé en un espace de travail accessible et un espace de travail habile. L’espace de travail accessible est l’ensemble des points accessibles par le manipulateur, alors que l’espace de travail habile se compose des points que le manipulateur peut atteindre avec une orientation arbitraire de l’organe terminal. Evidemment, l’espace de travail habile est un sous-ensemble de l’espace de travail accessible.

La forme et la taille de l’espace de travail sont très importantes, le robot peut ne pas la tâche lorsque quelques points sur la trajectoire sont dans l’espace de travail où l’organe terminal n’arrive pas. Il est préférable de mettre la trajectoire dans le milieu d’espace de travail habile afin que le robot puisse exécuter correctement la tâche. La Figure II.5 illustre l’espace de travail pour le robot IRB 2400/16. [9]

Figure. II. 24: Espace de travail robot IRB 2400/16

II.4.2. La capacité de charge

La capacité de charge est conditionnée par la taille du robot et par la puissance des actionneurs. Suivant les tâches, les charges que les robots peuvent être amenés à déplacer, sont très variables. Il peut s’agir de petites pièces mécaniques sur une ligne d’assemblage, d’un pistolet de projection ou d’une pince à souder ou, à l’inverse, de pièces relativement lourdes en manutention. Pour des raisons de sécurité, la capacité de charge est à la plus grande vitesse du robot.

Aujourd’hui, les robots industriels les plus puissants supportent des charges de l’ordre de plusieurs centaines de kilogrammes. Ils sont très utilisés pour la manutention ou pour traiter une grande surface de soudage. Pour l’application de projection thermique, la plupart des charges sont limitées, de l’ordre de 10 à 60 kilogrammes fonctions de la nature de la torche utilisée. La capacité du robot IRB 2400/16 est 16 kilogrammes, elle du robot IRB 4400/45 est 45 kilogrammes.

La capacité d’un robot à déplacer rapidement son effecteur dans l’espace de travail est une caractéristique importante de son utilisation dans une cellule de production. Comme pour la charge, les performances en vitesse dépendent de la taille, de la puissance et de la spécificité du robot. Elles dépendent aussi du fait que tous les axes ne présentent pas nécessairement les mêmes performances dynamiques .

Normalement, les fabricants offrent la plus grande vitesse de chaque axe et la vitesse maximale de l’organe terminal. Toutefois, si la vitesse de travail est plus grande le robot prendra plus de distance pour augmenter ou diminuer la vitesse. Le robot ne peut pas atteindre une très grande vitesse (par exemple environ 800 mm/s) quand la distance entre deux positions n’est pas suffisamment grande (< 10 mm) [9].

II.4.4. Précision, répétabilité

La précision d’un robot manipulateur est une mesure de la distance entre la position réelle du robot et la position souhaitée dans l’espace de travail. La précision est affectée par des erreurs de calcul, la précision du système mécanique, les effets de flexibilité et un grand nombre d’autres effets dynamiques et statiques. C’est essentiellement pour cette raison que les robots sont conçus avec une grande rigidité, Des processus différents demandent des précisions différentes du robot en industrie (voir le tableau II.1)

La répétabilité est une capacité du robot manipulateur à retrouver un point appris. La plupart des manipulateurs d’aujourd’hui sont très répétitifs, mais pas très précis. La répétabilité du robot dépend en particulier de sa compacité de ses servomoteurs de la masse embarquée, etc. La répétabilité du robot IRB 2400 est ±0,06mm, et la répétabilité du robot IRB 4400 est ±0,19mm [9].

Figure. II.25 : précision et répétabilité [10]

Tableau. II. 1:Précision demandé pour chaque processus

II.5. Mode de programmation des robots industriels

La programmation des robots manipulateurs s’effectue selon deux principaux modes, soit la programmation par enseignement (en ligne) et la programmation hors ligne. Le choix du type de programmation dépend principalement de l’application à laquelle le robot est destiné.

II.5.1. Programmation par enseignement (en ligne)

Une des principales raisons qui pourrait expliqué le peu d’intérêt accordé à la précision des robots, par certaines industries, est l’approche de programmation adoptée. En effet, plusieurs utilisateurs de robots industriels ne font recours qu’à la méthode de programmation par enseignement. Cette méthode, appelée communément teach- in , consiste à déplacer l’effecteur du robot sur plusieurs poses et de les enregistrer au fur et à mesure. Par la suite, cet ensemble de poses devient la trajectoire du mouvement du robot. Ainsi, les adeptes de cette méthode sont satisfaits des résultats, à condition que le robot ait une assez bonne répétabilité pour effectuer ces trajectoires sans trop de variations. Bien que ce type programmation soit facile, et ne requiert que peu de connaissances en robotique, il n’est approprié que pour les opérations qui n’exigent pas une précision élevée, comme la soudure ou la peinture. Par ailleurs, cette approche représente un inconvénient majeur : pendant l’enseignement des poses de la trajectoire, le robot n’est pas disponible pour la production, ce qui occasionne des coûts élevés pour les entreprises. En outre, l’utilisation des commandes manuelles rend la programmation des mouvements de haute précision presqu’impossible [11]

II.5.2. Programmation hors ligne

La figure (II.9) représente une Méthodologie de programmation hors ligne des robots par CAO.

Pour contrer les désavantages de la programmation par enseignement, il existe une alternative appelée méthode de programmation hors ligne. Celle-ci consiste à programmer le robot et simuler ses mouvements en utilisant des logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO) dédiés. Le robot n’est pas physiquement utilisé lors de la programmation, ne causant aucun arrêt de production. Cette méthode bien qu’avantageuse, particulièrement dans la phase de conception des cellules robotisées, présente un inconvénient non négligeable : les résultats obtenus par simulation sont difficiles à reproduire sans erreurs en pratique. Ce désavantage est attribué principalement au fait que les modèles nominaux des robots, utilisés dans la simulation, ne correspondent pas parfaitement à leurs modèles réels.

Les différences entre les résultats de la simulation et ceux obtenus affectent la précision des robots [15].

Figure.

II. 26: Méthodologie de programmation hors ligne des robots par CAO [12]

II.5.3. Langages de programmation

:

Historiquement, les langages de programmation étaient classés en quatre niveaux indiquant l’abstraction de description de la tâche et, indirectement, caractérisant les capacités de raisonnement et de décision mises en œuvre (l’intelligence du robot).

II.5.3.1.

Niveau actionneur :

On y spécifie les déplacements dans l’espace articulaire : les langages de ce niveau reprennent les concepts des langages de programmation des machines outils à commande numérique (MOCN).

On y spécifie des déplacements dans l’espace cartésien, plus naturel pour l’utilisateur que l’espace articulaire. Les langages de ce niveau s’inspirent des langages de programmation traditionnels.

II.5.3.3. Niveau objet

On y spécifie des actions constituant une séquence complexe de déplacements et d’opérations sur les objets. Ces actions doivent ensuite être décomposées en instructions de niveau manipulation.

II.5.3.4.

Niveau objectif :

Il désigne l’objectif à atteindre. L’objectif est ensuite traduit en actions intermédiaires. Les deux derniers niveaux sont parfois regroupés en un seul niveau appelé niveau tâche.

Les robots manipulateurs ne sont plus programmés au niveau actionneur. Il est ainsi plus pertinent de parler de mode de programmation explicite.

On peut distinguer deux catégories de langages, les langages du type primitives de mouvements et les langages structurés, ces derniers autorisant, dans une certaine mesure, une modélisation des objets de l’environnement. On donne dans ce qui suit un exemple de langage dans chacune de ces catégories [12].

-Langage du type primitives de mouvements :( VAL II) VAL II est un langage créé pour la robotique.

-Langage structuré : (KAREL)

II.5.4. Avantages de programmation hors lignes

II.5.4.1. Disponibilité de la cellule de production

:

Globalement, le temps de programmation d’une gamme reste le même si l’on compare un apprentissage classique et une PHL. Cependant, la PHL se faisant en temps masqué, le temps d’immobilisation du site est considérablement réduit.

II.5.4.2. Amélioration de la qualité

Dans une programmation par apprentissage, la qualité dépend de l’expérience de l’opérateur, ce qui n’est pas le cas avec la CAO qui permet une définition exacte des poses désirées. Avec le procédé de soudage par points, en carrosserie automobile, par exemple, les défauts d’aspect dépendent beaucoup de la précision avec laquelle l’axe des électrodes a été aligné avec la normale locale aux surfaces en chaque point de soudage : seule l’utilisation d’un modèle numérique permet de programmer correctement l’orientation de la pince.

II.5.4.3. Minimisation de l’effort de programmation en termes de préparation des

données

Réutilisation de modèles déjà créés lorsqu’il y a différentes variantes d’un produit ; duplication de tâches lorsqu’une même tâche est affectée à plusieurs robots ou lorsqu’il s’agit de remplacer un robot en panne ; programmation des tâches dans des zones difficilement accessibles [12].

II.5.4.4. Optimisation des tâches

Des temps de cycle et de l’accessibilité sans collision de toutes les poses notamment, grâce à des outils de placement automatique. En ce qui concerne les coûts, le fait de pouvoir commencer la

programmation des robots très tôt dans le projet d’automatisation permet d’anticiper les problèmes qui apparaissent au moment du démarrage de la production, donc de diminuer les retards qui ont une incidence sur les coûts. Cependant, le coût global de la PHL par CAO reste difficile à évaluer car il dépend de nombreux facteurs matériels et humains.

En résumé, pour profiter des avantages de la programmation hors ligne, il est nécessaire que le robot soit doté d’une bonne précision absolue.

II.6. Précision absolu de pose

Figure. II. 27: Illustration 2D (a) d’une mauvaise et (b) une bonne valeur de précision

de position [13]

La précision absolue en positionnement correspond à la capacité du robot d’atteindre, avec le maximum d’exactitude, une pose (position et orientation) commandée. Notons qu’ici nous parlons de la précision en mode statique (i.e. évaluation de la pose après un arrêt complet du mouvement de l’effecteur) et indépendamment de la trajectoire prise pour se rendre à la pose désirée [13].

Géométriquement, la précision du robot dans une position donnée peut être définie comme étant la distance entre la position commandée ( x c , y c , z c ) et le barycentre des positions effectivement

atteintes (x, y, z), après des mouvements répétitifs de l’effecteur à cette position. La figure II.8 illustre géométriquement la notion de précision absolue [13].

Mathématiquement, selon la norme ISO9283 (ISO, 1998), le calcul de la précision AP à une position donnée consiste à calculer l’erreur composée selon les coordonnées cartésiennes x, y et z :

AP =√( ̅ – x

)

+( ̅ - y

)

+( ̅ - z

)

Avec ̅, ̅, ̅ correspondent au moyennes des valeurs mesurées en x, y et z.

La précision d’orientation pour une pose donnée, se calcule séparément pour chacune des orientations angulaires :

AP

= ̅ - a

AP

= ̅ - b

II.21

AP

= ̅ - c

II.7. Source de manque de précision des robots industriels

La figure II.8 représente les sources de manque de précision des robots industriels

Figure. II. 28: Source de manque de précision des robots industriels

II.7.1. Facteurs articulaires :

Ces facteurs de manque de précision correspondent aux erreurs des capteurs des articulations actives du robot. Elles représentent les différences entre les valeurs fournies par les encodeurs des actionneurs et les mouvements articulaires réellement effectués.

II.7.2. Facteurs géométriques :

Les facteurs géométriques sont liés à la précision du modèle cinématique du robot, utilisé par son contrôleur pour calculer les mouvements de l’effecteur. Un modèle qui ne représente pas exactement

la géométrie réelle du robot est une source fondamentale de manque de précision. Les principales causes d’erreurs géométriques sont :

-les longueurs nominales des liens différentes de la longueur réelle s. Ceci est causé principalement par les tolérances de fabrication et d’assemblage

-les caractéristiques géométriques des pièces usinées (parallélisme, orthogonalité, planéité.) - le positionnement des articulations liées à la base et à l’élément terminal du robot;

- les erreurs de localisation du référentiel de la base du robot par rapport à celui de la cellule; - les erreurs de localisation du référentiel de l’outil sur l’organe terminal.

II.7.3. Facteurs non géométriques

Les facteurs non géométriques sont attribués à la qualité des composantes mécaniques du robot. Ils comptent plusieurs éléments dont voici les principaux :

-l’élasticité des composantes mécaniques

-les jeux mécaniques, notamment ceux des engrenages -Les effets de la température.

II.8. Conclusion :

Pour modéliser un robot à n articulations, il faut chercher toujours le modèle le plus simple qui permet d'expliquer, de manière satisfaisante le comportement.

- Les modèles géométriques qui expriment la situation de l'organe terminal en fonction de la configuration du mécanisme.

-Les modèles cinématiques permettent de contrôler la vitesse de déplacement du robot afin de connaître la durée d'exécution d'une tâche.

On a aussi présenté les différentes caractéristiques des robots manipulateurs et leurs modes de programmations. Les différents facteurs de manque de précision des robots manipulateurs et leurs sources ont été identifiés et discutés.

CHAPITRE III :

III.1. Introduction

Les robots sériels sont de plus en plus utilisés pour des applications telles que l’usinage ou l’assemblage grâce à leur grand volume de travail par rapport à leur faible investissement.

Ce pendant, des imprécisions de positionnement peuvent apparaître en raison des erreurs géométriques de fabrication, comme la longueur des bras, un parallélisme imparfait entre les axes ou des possibles offset dans l’encodeur des moteurs, ainsi que le frottement.

On parle dans ce chapitre sur les mécanismes pour robots industriels et des différents types de problèmes des synthèses dimensionnelles. On présente un modèle mathématique pour choisir le mécanisme optimum avec minimum d’erreur structurale à l’aide d’une programmation et logiciels de simulation et interface graphique par Visual C# et MATLAB.

III.2. Introduction aux mécanismes

III.2.1. Définition

Un mécanisme est un ensemble de pièces, déformables ou non, assemblées entre elles par des liaisons mécaniques. Dans la suite de ce manuscrit, nous considérons que chacune des pièces constituant un mécanisme est indéformable. La synthèse de mécanismes consiste à trouver un mécanisme, le meilleur au sens d’un ou de plusieurs critères prédéfinis, pour accomplir une tâche donnée.

III.2.2. Synthèse des mécanismes

Les problèmes considérés par la synthèse des mécanismes sont classés en deux catégories. La première catégorie inclut toutes les considérations concernant la sélection du type du mécanisme qui convient le plus à la tâche demandée. On parle alors de la synthèse topologique et c’est la première étape à réaliser par le concepteur. La deuxième catégorie, dite synthèse dimensionnelle, a