Modélisation dynamique et commande du robot R-MIn

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ÉTAT DE L’ART

Une des solutions des industriels pour améliorer leurs processus est de combiner les com-pétences humaines avec les processus d’automatisation. Cela peut-être fait en rendant le système automatisé le plus simple d’utilisation possible par une programmation et un interfaçage intuitif. Un autre aspect important est la reconfigurabilité du système auto-matisé pour pouvoir s’adapter aux besoins des clients ou des industriels. Actuellement, le changement d’une ligne de production est un processus coûteux. Les robots ont déjà pu apporter de la variabilité, de la rapidité, de la précision ou, dans un sens plus large, de l’efficacité aux systèmes automatisés. Cependant, les robots industriels classiques sont programmés à l’avance, sont adaptés à une tâche bien définie, prennent de l’espace et sont dangereux rendant leur utilisation limitée à des tâches répétitives. L’introduction d’une interaction ou collaboration avec l’homme permet de créer de nouveaux espaces où l’homme peut évoluer en sécurité, permet au robot de s’adapter à la tâche en utilisant l’intelligence humaine ou d’être directement contrôlé physiquement par l’homme de ma-nière naturelle et aisée. Cela implique de trouver des méthodes pour assurer une forme de sécurité pour l’opérateur malgré l’absence de barrière physique.

On commencera par présenter les modes de collaboration pour comprendre dans quelles conditions un contact entre homme et robot peut être permis. On verra alors qu’un grand nombre de solutions mécaniques ont été imaginées pour améliorer la sécurité des robots. On montrera alors quels sont les critères de sécurité permettant d’évaluer une sécurité intrinsèque des robots On finira cet état de l’art en déduisant des travaux présentés les pistes de recherche que l’on a suivies dans le développement de la thèse.

Robotique collaborative

De nombreuses collaborations ou interactions différentes sont possibles. Selon la façon dont nous voulons que l’interaction soit faite, les dispositifs de sécurité, ou plus largement les stratégies de réduction des risques, ne seront pas les mêmes [Robla-Gomez et al., 2017]. C’est pourquoi, les principes de collaboration existants seront présentés dans un premier temps.

Pour définir l’application collaborative qui nous intéresse, il a été jugé utile de s’intéresser l’analyse de risques d’une application collaborative permettant un contact entre un robot et un être humain. Celle-ci permet en effet d’identifier les dangers et d’évaluer les risques auxquels nous nous intéresserons dans cette thèse. C’est une fois seulement que cette démarche est faite que la réduction des risques est possible.

Les modes de collaboration homme-robot

La collaboration est définie comme le fait de travailler ensemble avec quelque chose ou quelqu’un dans le but de produire une action donnée [Bélanger-Barrette, Mathieu, 2015]. Cette première définition est très large et ne s’applique pas à toutes les applica-tions collaboratives. Dans [Vicentini, 2021], il est précisé que la robotique collaborative englobe toute cellule collaborative impliquant un rapprochement physique entre l’homme et la machine. Pour être plus précis, dans ce type de cellule, le robot peut fonctionner dans un mode automatisé, sans être en arrêt d’urgence, dans un espace de travail partagé avec l’homme. Il existe quatre modes de collaboration définis par la norme internatio-nale [10218-1 : 2011] et dont la définition est complétée par la spécification technique [ISO/TS15066, 2016]. Ces modes sont illustrés sur la figure 1.1 et sont a) l’arrêt nominal de sécurité contrôlé, b) le guidage manuel, c) le contrôle de la vitesse et de la distance de séparation et d) la limitation de la puissance et de la force du robot par conception ou par commande.

L’arrêt nominal de sécurité contrôlé (a)

Ce type d’interaction est le plus simple. Le robot est contrôlé de manière classique lorsque l’opérateur se trouve hors de l’espace de travail collaboratif. Dès qu’il rentre dans l’espace de travail collaboratif, le robot est arrêté et placé dans une situation d’arrêt nominal Le guidage manuel (b)

Le guidage manuel permet à la personne de manipuler l’effecteur en toute sécurité. En général, un capteur de force ou une gâchette est placé sur l’effecteur et permet au robot de comprendre le mouvement souhaité par l’utilisateur et de le suivre directement. Ce processus peut être appliqué pour utiliser l’assistance humaine dans une tâche particulière, ou pour faire en sorte que le robot apprenne la trajectoire à suivre (voir figure 1.2).

Contrôle de la vitesse et de la distance de séparation (c)

Dans ce cas, le robot et l’opérateur peuvent se déplacer en même temps dans un espace de travail commun. Tout contact pendant le déplacement du robot sera évité grâce à l’utilisation d’un capteur de vision, comme un capteur laser, et en tenant compte des mouvements possibles de l’utilisateur.

Pour ce faire, la vitesse du robot est contrôlée de manière à ce qu’aucun contact ne puisse se produire entre le robot et l’humain. La distance de sécurité est évaluée en fonction de facteurs externes tels que la position et la vitesse de l’homme, la distance nécessaire pour détecter l’homme, et de facteurs internes tels que le temps de calcul, la vitesse du robot, la distance de freinage du robot.

Limitation de la puissance et/ou de la force du robot (d)

Le dernier mode de fonctionnement collaboratif est celui des robots à puissance et force limitées. Dans ce cas, le robot et l’utilisateur peuvent évoluer dans le même espace de tra-vail. Le contact entre les deux protagonistes est cette fois possible, et difficilement évitable par le robot du fait du caractère hautement dynamique et imprévisible des mouvements de l’opérateur. C’est ce mode de collaboration qui nous intéresse dans la suite.

Analyse des risques

Afin d’assurer la sécurité de l’homme, l’analyse complète des risques doit être réalisée comme spécifié dans la spécification technique [ISO/TS15066, 2016] et dans la norme [10218-1 : 2011]. Elle donne une approche systématique pour l’analyse des risques afin d’assurer la sécurité d’une application industrielle en trois phases [12100 : 2010] : l’iden-tification des dangers, l’évaluation des risques et leur réduction.

Table des matières

Remerciements
Table des Matières
Table des Figures
Liste des Tableaux
Nomenclature
Liste des abréviations
Introduction
1 État de l’art
1.1 Robotique collaborative
1.1.1 Les modes de collaboration homme-robot
1.1.2 Analyse des risques
1.2 Robot intrinsèquement sûr
1.2.1 Structure légère
1.2.2 Structure avec découplage inertiels
1.3 Critères de sécurité
1.3.1 Indicateur de sévérité d’un impact pour l’homme
1.3.2 Évaluation de la sévérité d’un impact pour l’homme
1.3.3 Paramètres du robot influençant la sécurité
1.4 Bilan de l’état de l’art et perspectives associées
2 Présentation du robot R-MIn
2.1 Description de l’architecture mécanique du robot R-MIn
2.2 Modèles géométrico- et cinémato-statiques du robot R-MIn
2.2.1 Problème géométrico-statique (PGS)
2.2.2 Modélisation cinémato-statique du robot R-MIn
2.3 Espace de travail du robot R-MIn : application
2.3.1 Calcul de l’espace de travail du robot
2.3.2 Analyse numérique de l’espace de travail
2.3.3 Analyse des singularités
3 Méthode de calcul d’un modèle réduit masse-ressort-masse d’un robot
souple
3.1 Calcul d’un modèle réduit masse-ressort-masse d’un robot pour l’évaluation
des efforts d’impacts
3.1.1 Énoncé du problème : définition du modèle cible
3.1.2 Calcul d’un modèle dynamique linéarisé de robot
3.1.3 Calcul d’un nouvel ensemble de coordonnées généralisées
3.1.4 Calcul des masses et de la raideur équivalentes
3.1.5 Discussion sur la linéarisation du modèle dynamique du robot
3.2 Études de cas
3.2.1 Méthodologie de simulation
3.2.2 Cas 1 : robot sous-actionné sériel RR
3.2.3 Cas 2 : le robot R-MIn modifié
3.2.4 Cas 3 : le robot R-MIn initial
4 Modélisation dynamique et commande du robot R-MIn
4.1 Dynamique et Contrôle du robot R-MIn
4.1.1 Modèle dynamique du robot R-MIn
4.1.2 Commande du robot
4.1.3 Validation expérimentale des performances du modèle dynamique
et du contrôleur appliqué au robot R-MIn
4.2 Réduction des oscillations par la génération de trajectoire
4.2.1 Réduction des oscillations par input shaping
4.2.2 Génération de la trajectoire
4.2.3 Application de l’Input Shaping sur le robot R-MIn
5 Analyse expérimentale des performances en sécurité du robot R-MIn
5.1 Description du dispositif expérimental
5.1.1 Description du mécanisme à cinq barres comparé au robot R-MIn
5.1.2 Dispositif de Mesure de la Force d’impact (DMFI)
5.2 Protocole expérimental
5.2.1 Définition des configurations d’impact
5.2.2 Scénarios d’impact
5.3 Résultats expérimentaux et analyse
5.3.1 Comparaison de R-MIn avec le mécanisme à cinq barres
5.3.2 Effet du corps impacté sur les forces d’impact
5.3.3 Effet de la vitesse de l’effecteur sur les forces d’impact
5.3.4 Effet de la raideur du robot R-MIn
5.3.5 Discussion
5.4 Évaluation de la sécurité des robots par simulation
5.4.1 Modélisation d’un impact avec le DMFI
5.4.2 Identification du DMFI
5.4.3 Validité du modèle de collision
5.4.4 Discussion
Conclusion
Bibliographie
Annexes
A Un nouvel ensemble de coordonnées généralisées
B Comparaison de la raideur équivalente proposée avec la raideur cartésienne
C Interprétation physique de la matrice hessienne projetée
D Modélisation et acquisition des données à l’aide de la caméra
D.1 Modélisation de la caméra
D.2 Traitement d’image, calibration et reconstitution du robot
E Cinématique du robot R-Min, premier et second ordre
E.1 Cinématique du premier ordre
E.2 Cinématique du second ordre
F Liste des publications
Résumé