UFR des Sciences, Département EEA M1 EEAII Parcours ViRob Fabio MORBIDI Laboratoire MIS ! Équipe Perception et Robotique! E-mail: [email protected]! Jeudi 15h30-17h30, Salle 8 Année Universitaire 2014/2015 Cours de robotique: M2 EEAII, parcours ViRob Semestre 9 • Localisation et navigation de robots (F. Morbidi) • Perception avancée et robotique mobile (D. Kachi, F. Morbidi) • Commande de robots (A. Rabhi) • Asservissement visuel (G. Caron, M. Chadli) – [UE optionnelle] 2 Plan du cours Chapitre 1 : Généralités 1.1 Définitions 1.2 Constituants d’un robot 1.3 Classification des robots 1.4 Caractéristiques d’un robot 1.5 Les générations de robot 1.6 Programmation des robots 1.7 Utilisation des robots Chapitre 2 : Degrés de liberté - Architecture 2.1 Positionnement • Rotation et représentation de la rotation • Attitude et matrices homogènes 3 Plan du cours 2.2 Cinématique • Vitesse d’un solide • Vecteur vitesse de rotation • Mouvement rigide • Torseur cinématique Chapitre 3 : Modélisation d’un robot 3.1 Modèle géométrique • Convention de Denavit-Hartenberg • Modèle géométrique direct • Modèle géométrique inverse 3.2 Modèle cinématique • Jacobien direct d’un robot • Jacobien inverse d’un robot 3.3 Modèle dynamique • Equation d’Euler-Lagrange 4 Bibliographie • Robotics: Modelling, Planning and Control, B. Siciliano, L. Sciavicco, L. Villani, G. Oriolo, Springer, 1ère éd., 2009, 632 pages (Ch. 1,2,3,6,7) • Modeling, Identification & Control of Robots, W. Khalil, E. Dombre, Hermes Penton Science, 2002, 480 pages • Robotique: Aspects Fondamentaux, J.‐P. Lallemand, S. Zeghloul, Masson, 1994, 312 pages • Robots: Principes et Contrôle, C. Vibet, Ellipses, 1987, 207 pages • Robot Modeling and Control, M.W. Spong, S. Hutchinson, M. Vidyasagar, Wiley, 1ère éd., 2006, 496 pages • Introduction to Robotics: Mechanics and Control, J.J. Craig, Pearson Education, 3ème éd., 2008, 408 pages Matériel de cours: http://home.mis.u-picardie.fr/~fabio/Teaching.html 5 Avant de commencer … Je suppose que vous avez une bonne connaissance de: • Algèbre linéaire (opérations sur vecteurs, matrices, etc.) • Calcul multidimensionnel (gradients, matrice jacobienne, etc.) • Equations différentielles ordinaires • Notions de base de programmation … à réviser dans les prochaines jours !!! Structure du cours: CM (3 chapitres), 4 TD, 3 TP Contrôle continu: 2 DS (exercices, quéstions de theorie) Note finale = 50% note DS + 50% note TP 6 Plan du cours Chapitre 1 : Généralités 1.1 Définitions 1.2 Constituants d’un robot 1.3 Classification des robots 1.4 Caractéristiques d’un robot 1.5 Les générations de robot 1.6 Programmation des robots 1.7 Utilisation des robots 7 Quelque considération préliminaire … Modélisation d’un robot manipulateur: possible à plusieurs niveaux Il dépend des spécifications du cahier des charges de l'application envisagée. Il en découle des: • Modèles géométriques, cinématiques et dynamiques à partir desquels peuvent être engendrés les mouvements du robot • Modèles statiques qui décrivent les interactions du mécanisme avec son environnement Contrôle Composants d’un système robotique Actionneurs Capteurs Robot 8 Quelque considération préliminaire … L'obtention de ces différents modèles n'est pas aisée • La difficulté varie selon la complexité de la cinématique de la chaîne articulée • En particulier, entrent en ligne de compte: • Nombre de degrés de liberté (DDL) (ex. 4, 6, 7) • Type des articulations (rotoïde, prismatique) • Type de chaîne: ouverte simple, arborescente ou fermée Chaîne fermée Manipulateur de type Gantry (articulat. primatiques) Chaîne ouverte simple, 3 DDL 9 1.1 Définitions Etymologie: mot tchèque robota (travail forcé), dans la pièce de théâtre “Rossum’s Universal Robots” de Karel Capek, 1920 Robotique: terme inventé par l’écrivan Isaac Asimov Définition 1 (Larousse): “Un robot est un appareil automatique capable de manipuler des objets ou d'exécuter des opérations selon un programme fixe, modifiable ou adaptable” Définition 2: “Un robot est un système mécanique polyarticulé mû par des actionneurs et commandé par un calculateur qui est destiné à effectuer une grande variété de tâches” Robot ? 10 1.1 Définitions Un robot est la combinaison de composants matériels (mécanique, hardware) et immatériels (logiciels) Historique: • 1947 : premier manipulateur électrique téléopéré • 1954 : premier robot programmable • 1961 : apparition d'un robot sur une chaîne de montage de General Motors • 1961 : premier robot avec contrôle en effort • 1963 : utilisation de la vision pour commander un robot (asservissement visuel) 11 1.2 Constituants d’un robot Actionneur (moteur) Organe terminal Effectuer ou outil (ex. pince ) Corps ou segment Axe ou articulation Base 12 1.2 Constituants d’un robot (voc. anglophone) End-effector (ou tool, gripper) Link Joint Support 13 1.2 Constituants d’un robot On distingue classiquement quatre parties principales dans un robot manipulateur 4 1 2 3 14 1.3 Classification des robots Les robots mobiles Robot sous-marin Robot à roues Robot à jambes Robot volant (quadrirotor) Micro-robot volant Robot serpent (bio-inspiré) 15 1.3 Classification des robots Les robots humanoïdes Baxter Nao Asimo Clones robotiques 16 1.3 Classification des robots Les robots manipulateurs Robots séries KUKA ABB Fanuc Stäubli Robots parallèles ABB Adept 17 1.4 Caractéristiques d’un robot Un robot doit être choisi en fonction de l'application qu'on lui réserve. Voici quelques paramètres à prendre, éventuellement, en compte: • La charge maximale transportable (de quelques kilos à quelques tonnes), à déterminer dans les conditions les plus défavorables (en élongation maximale) • L’architecture du S.M.A. : le choix est guidée par la tâche à réaliser (quelle est la rigidité de la structure ?) • Le volume de travail (workspace en anglais), défini comme l'ensemble des points atteignables par l'organe terminal 18 Exemples de volume de travail: Manipulateur cylindrique Manipulateur cartésien Manipulateur sphérique Manipulateur anthropomorphe Manipulateur SCARA 19 1.4 Caractéristiques d’un robot Autres paramètres à prendre en compte: • Le positionnement absolu, défini par une position et une orientation dans l’espace cartésien • La répétabilité: ce paramètre caractérise la capacité que le robot a à retourner vers un point (position, orientation) donné. En général, la répétabilité est de l’ordre de 0.1 mm • La vitesse de déplacement (vitesse maximale en élongation maximale), accélération • La masse du robot • Le coût du robot (typiquement ~ 10-20 k€) • La maintenance du robot 20 1.4 Caractéristiques d’un robot Système Mécanique Articulé (S.M.A.) • Un mécanisme ayant une structure plus ou moins proche de celle du bras humain. Il permet de remplacer, ou de prolonger, son action (le terme “manipulateur” exclut implicitement les robots mobiles autonomes) • Son rôle est d'amener l'organe terminal dans une pose (position et orientation) donnée, selon des caractéristiques de vitesse et d'accélération données • Son architecture est une chaîne cinématique de corps, généralement rigides (ou supposés comme tels) assemblés par des liaisons appelées articulations • Sa motorisation est réalisée par des actionneurs électriques, pneumatiques ou hydrauliques qui transmerent leurs mouvements aux articulations par des systèmes appropriés Robot: système mécanique poly-articulé 21 1.4 Caractéristiques d’un robot 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 qui leur est commun La situation relative entre les deux corps est donnée par l'angle θ autour de cet axe θ Symbole de l’articulation rotoïde 22 1.4 Caractéristiques d’un robot Articulation prismatique 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 d le long de cet axe d Symbole de l’articulation prismatique 23 1.4 Caractéristiques d’un robot Remarque Une articulation complexe, c.-à.-d. avec une mobilité supérieure à 1, peut toujours se ramener à une combinaison d'articulations rotoïde ou prismatique Degré de liberté (DDL) • Ce terme désigne la capacité d’un système à se mouvoir selon un axe de translation ou de rotation • En comptant chacun des axes, on obtient le nombre de DDL total du système (sans distinction du type de mouvement réalisable) ce qui renseigne à la fois sur son potentiel et sa complexité 24 Exemples: 3 axes, série, RRR, 3 DDL 3 axes, série, PPP, 3 DDL 1 DDL 4 DDL 2 DDL 2 DDL 25 Exemple (fiche technique robot ABB) 26