Soutenance mémoire
Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études
Forces physiques pour la préhension
Forces de dépression
La force de saisie est produite par une dépression à l’intérieur d’une ventouse. La force de préhension est obtenue par la différence entre la pression de l’environnement Pa et la pression interne Pv, ce qui détermine la force produite F = (Pa − Pv)S avec S, la surface d’application de la dépression. Dans un environnement à pression atmosphérique, le rapport (Pa −Pv) est limité théoriquement à 1 bar et dans la pratique 0.4 à 0.5 bar. La surface S est la variable qui dimensionne la force de préhension du système. Dès lors que les surfaces sont complexes, variées, poreuse ou percées, il devient difficile de maintenir une dépression sur une surface suffisante. De plus, dans certains cas, la présence de fuites impose un effort constant pour maintenir la différence de pression ce qui peut entraîner une libération de l’objet en cas de défaillance du système pneumatique. Les avantages de l’effet de dépression sont la rapidité et la légèreté des ventouses particulièrement adaptées aux applications à forte cadence. L’accessibilité des surfaces peut aussi être un critère qui justifie l’utilisation ou pas de l’effet de dépression pour la préhension.
Effet électromagnétique et magnétique
Pour des objets métalliques, une force de préhension peut être obtenue par l’action d’un aimant permanent ou d’un électroaimant. Il existe plusieurs limitations à l’utilisation de cet effet, comme la consommation électrique importante et sa dissipation d’énergie par effet joule, mais aussi l’obligation de la génération d’un puissant champ magnétique. La perte de la préhension en cas de rupture de courant est aussi une limitation importante pour le respect des contraintes de sécurité. Pour pallier ce problème, on peut utiliser l’effet magnétique avec des aimants permanents.
Forces électrostatiques
Cette force est une force de surface efficace uniquement à très courte distance. À l’image des systèmes magnétiques, on cherche à exploiter un champ électrique entre deux objets plongés dans un liquide diélectrique pour produire la force de saisie. L’intérêt de ce type d’effet est qu’il peut être utilisé sur la plupart des matières conductrices et semiconductrices.
En pratique, pour sa mise en oeuvre, le préhenseur est porté à un certain potentiel alors que l’objet est lui relié à la masse. Les forces de saisie sont réduites de façon importante quand la distance entre les surfaces augmente, ou que les surfaces présente des aspérités ou encore en raison des inhomognéités du diélectrique. Le besoin de fortes tensions ainsi que les contraintes de sécurité constituent une limitation importante à l’utilisation de cet effet.
Forces d’adhésion de Van der Waals
Pour des objets de taille submillimétrique, on peut utiliser l’énergie naturelle des surfaces faisant que toute surface tend à adhérer à une autre surface. Ce phénomène est dû aux forces de Van der Waals qui sont des forces de dispersion et de polarisation des atomes et des molécules des corps. Ces forces peuvent être attractives ou répulsives et agissent à des distances interatomiques jusqu’à plusieurs dizaines de nanomètres. La combinaison de cette force avec une force électrostatique permet la “manipulation” d’atomes par des microscopes à effet tunnel [2].
Actions de contact solide-solide
Les actions de contact entre deux solides sont très fréquemment utilisées pour la saisie ; c’est par ce moyen que l’on manipule des objets au quotidien. Elles permettent une meilleure maîtrise de la configuration de l’objet. Pour qu’une préhension soit réalisée, toutes les mobilités de la pièce dans l’espace doivent être contraintes par un effort ou une combinaison d’efforts de contact. On peut aussi noter que, pour augmenter la stabilité de la pièce, une préhension hyperstatique est souvent réalisée. Les contraintes ainsi créées sur l’objet saisi dépendent de la nature des contacts. Ces contacts peuvent être ponctuels, linéiques, surfaciques ou être modélisés par la combinaison de ces contacts élémentaires.
La géométrie des surfaces en contact, la rugosité, la rigidité ainsi que l’adhérence intrinsèque de la matière vont impacter l’effort tangentiel de saisie qui peut être modélisé par les lois de Coulomb. On peut aussi noter que la présence d’autres substances, (liquide, particule entre les surfaces de contact, …) peut fortement réduire ce coefficient. Pour que la préhension soit stable, il faut que la somme des forces appliquées sur l’objet soit nulle ce qui contraint les orientations de ces forces de contact. De plus, il faut aussi que la somme des moments de ses forces soit nulle. Ceci impose des contraintes sur la position de ces forces. Les actions de contact peuvent aussi s’effectuer entre un solide et un milieu liquide ou gazeux.
Force de contact avec un liquide, un gaz ou des particules et force sans contact
Une utilisation différente des forces physiques permet de maintenir un objet dans un champ de forces. En déplaçant ou en modifiant le champ de forces, on peut obtenir un déplacement, une orientation de l’objet, ce qui correspond à une préhension ainsi qu’à une manipulation de l’objet. Ces champs de force peuvent être de plusieurs natures, avec des ondes mécaniques comme des ultrasons (Fig. 2.5) [3], avec des forces électro-optiques [4] [5] ou en interagissant avec la matière avec des forces magnétiques [6].
Choix des forces physiques pour une préhension
Le choix d’une force physique pour une préhension va dépendre d’un ensemble de critères :
1. la taille et la masse de l’objet à saisir. En effet, les forces évoquées précédemment permettent de déplacer un atome comme un module de la station spatiale internationale.
Les forces physiques de surface sont très importantes à petite échelle mais négligeable à grande échelle ;
2. la matière manipulée. En effet, il faut par exemple que l’objet soit sensible à la force de préhension si elle est magnétique et il convient de saisir l’objet sans le détériorer s’il est fragile, photosensible, etc. ;
Figure 2.5 – Illustration de l’utilisation d’ultrasons pour la manipulation d’objets de faible taille. Les barres d’échelle représentent 2 mm pour la particule en (a) et 20 mm pour les autres figures [3]
3. le milieu dans lequel se fait la préhension, s’il est possible ou non d’avoir un contact, si la préhension se fait dans le vide, dans une atmosphère particulière ou encore dans un liquide ;
4. les formes de l’objet saisi ;
5. l’accessibilité des surfaces de l’objet à saisir ;
6. l’application générale dans laquelle s’inscrit la préhension, peut imposer des contraintes.
La sécurité de la préhension et la sécurité pour les humains sont un dénominateur commun à toutes les applications. Néanmoins, d’autres contraintes peuvent être ajoutées en fonction des applications : contraintes de vitesse pour les milieux industriels, de biocompatibilités pour les milieux médicaux, etc.
Dans le cadre de cette thèse et au vu des forces physiques et des critères évoqués, les objets attrapés sont compris dans un volume de 150 mm · 150 mm · 150 mm et d’une masse inférieure à 10 kg et supérieure à 140 g ce qui élimine toutes les forces physiques dédiées à la micromanipulation dans le cadre de notre préhension. Les matières manipulées sont les alliages d’aluminium et de titane ainsi que des aciers, ce qui élimine ici les forces magnétiques et diélectriques qui ne permettent pas de manipuler ces matières. Les surfaces sont de tailles variables, irrégulières, complexes et peuvent être alvéolées ce qui élimine les forces de dépression. Enfin, la préhension se fait dans un milieu industriel en atmosphère normale. Les forces physiques qui semblent les plus adaptées pour réaliser la préhension souhaitée sont les forces de contacts solide-solide.
Les solutions techniques pour une préhension par des forces de contact
Terminologie anthropomorphique
Les préhenseurs rigides sont souvent qualifiés de main robotique même si le terme de pince est plus rigoureux. Néanmoins, le terme de main se justifie par le caractère anthropomorphique de certaines pinces. Dans ce cas, pour des raisons de compréhension, d’autres termes anatomiques comme la désignation de « phalanges » ou d’ »articulations » de « doigts » (Figure 2.6) sont utilisés pour définir des éléments de ces préhenseurs montés sur une base qui peut être désignée de « paume ». Le terme de doigt est alors utilisé pour désigner une extension mécanique qui a pour fonction de générer un ou plusieurs contacts qui peuvent être ponctuels ou surfaciques. Un doigt ne travaille jamais seul mais la préhension en utilise plusieurs pour bloquer les mobilités de l’objet saisi. Le nombre de doigts est déterminé par le nombre de contacts souhaités pour réaliser la préhension. Ces doigts sont composés de phalanges, la dernière phalange étant désignée comme distale et celle à la base du doigt comme proximale. Les phalanges qui peuvent se trouver entre les deux sont définies comme phalanges intermédiaires. Le nombre de phalange est déterminé par le nombre et la nature de contacts souhaités ou par la mobilité recherchée pour la phalange distale. Les acronymes MCP, IPP et IPD figure 2.6 sont utilisés pour désigner les liaisons entre les phalanges.
Actions de contact par système rigide
Historiquement, les mains robotiques utilisent des éléments rigides liés par des liaisons mécaniques simples pour former des pinces à deux doigts. Plus récemment, des mains robotiques s’inspirant des mains humaines,et pouvant être utilisées par des robots industriels, des robots humanoïdes ou comme prothèses pour les humains. Depuis le début des années 1980, de nombreuses mains ont été conçues comme la main Okada [8], la main Stanford/JPL [9], la main Utah/MIT [10], la main LMS [11]. Cette première génération de main présentait de nombreux inconvénients tels que leur coût et la complexité de leur contrôle. D’autres mains ont ensuite été développées en réduisant le nombre d’actionneurs et le nombre de degrés de liberté [12], [13]. Une autre voie a été la création de mains sous-actionnées permettant de réduire le nombre d’actionneurs sans réduire le nombre de degrés de liberté [14], comme cela va être développé dans la section suivante.
Doigts sous-actionnés
Les architectures des doigts sous-actionnés ont peu changé depuis leur origine [15], [16] et restent planaire (voir Figure 2.7). Dans ce exemple un doigt sous-actionné à deux phalanges est soumis à une force (fleche rouge), un premier contact avec l’objet est réalisé sur la phalange proximal, le mécanisme entraîne ensuite la deuxième phalange pour générer un deuxième contact.
Afin de s’adapter aux objets à saisir, un mécanisme placé à la base de chaque doigt doit permettre de passer d’une prise cylindrique à une prise sphérique ou plane [14]. Dans ce cas, un ou deux actionneurs sont nécessaires pour changer le type de préhension sauf dans le cas de la main “Advanced Robot Manipulators”. Le mouvement d’abduction est activé par le même actionneur que le mouvement de flexion mais est moins performant que la solution avec des actionnements séparés [17]. Cependant, parmi la taxonomie des préhensions, celles qui sont cylindriques et sphériques sont principalement utilisées pour la préhension d’objets lourds [18]. Les autres types de mécanismes sont destinés aux tâches de précision et ne sont pas dédiés à la saisie d’objets lourds.
La majorité des travaux sur les doigts sous-actionnés a été de développer des cinématiques qui modifient le comportement des doigts avant le premier contact dans le but de le rapprocher de la configuration articulaire choisie. On distingue deux stratégies :
— l’une avec un mouvement de fermeture progressif des phalanges qui se rapproche de la fermeture naturelle d’un doigt humain ce qui favorise la prise à pleine main d’objets de grande dimension [20], [21], [22] (voir Figure 4.3(a)) ;
— une autre stratégie qui favorise le déplacement parallèle des phalanges distales comme pourrait faire une pince industrielle [19] ce qui favorise la préhension d’objet de petites dimensions uniquement par les phalanges distales [23] [24] .
Des travaux ont porté sur des doigts sous-actionnés avec un très grand nombre de phalanges [25]. Dans ce cas, leur analyse se rapproche d’une autre catégorie de main dite molle où le caractère continu de la matière est remplacé par une discrétisation en modules rigides dépendants du nombre de phalanges (voir Figure 2.9).
Actionnement par des câbles ou par un mécanisme à bielles. Il existe deux types d’actionnement pour transmettre les efforts dans des doigts sous-actionnés. La première solution est proche de la solution anatomique des mains humaines avec l’utilisation de câbles qui lient l’actionneur à la liaison mobile par un jeu de chemin de câbles et de “poulies” (Voir Figure 2.10). La seconde solution s’inspire fortement des pinces industrielles qui utilisent des systèmes de bielles pour réaliser des chemins de pivot, afin de transmettre l’effort jusqu’à l’extrémité des doigts. Les avantages des systèmes à câbles sont la compacité qui est particulièrement recherchée pour les prothèses de main et la simplicité de réalisation. La principale limite vient de la raideur des câbles qui limite leur utilisation sous forte charge ou lors de tâches répétitives qui génèrent de la fatigue dans les câbles.
A l’inverse, les systèmes à bielle sont plus pertinents sous forte charge par une plus faible déformation de ses éléments, même si la présence de jeux indispensable aux mouvements des bielles réduit les performances des préhenseurs. Ceci explique le choix d’avoir recours au système qui présente le moins de liaisons mécaniques possible.
Caractéristiques principales de conception des mains robotiques Les Tableaux 2.1 et 2.2 regroupent les caractéristiques des mains que l’on rencontre dans la littérature en fonction de leur nombre de degrés de liberté, de leur nombre d’actionneurs, de leur nombre de liaisons mécaniques, de leur nombre de capteurs et du nombre de doigts.
Actions de contact par un préhenseur déformable
Historiquement, les premiers systèmes de préhension étaient rigides avec l’utilisation de pince. Plus récemment, des systèmes de préhension souple ont fait leur apparition avec l’émergence de la “soft robotics”. Cette volonté d’avoir recours à des robots plus souples s’explique par les limites que rencontrent les systèmes rigides lors d’interaction avec les humains ou des matières molles.
Avec des structures rigides, il existe un risque que le robot pénètre la peau et provoque des dommages et des blessures. Afin d’ empêcher cela, les forces transférées entre le robot et la surface doivent être uniformément réparties sur une grande surface de contact. Cela nécessite une conformité de raideur entre les éléments en contact afin de répartir uniformément la charge. La raideur dépend essentiellement de la géométrie des pièces et de la rigidité élastique de la matière (exprimée par le module d’élasticité, ou module d’Young). La plupart des robots conventionnels sont composés de métaux dont le module est supérieur à 50 GPa, voire d’acier dont le module d’Young est supérieur à 200 GPa. Inversement, les matériaux organiques naturels, comme la peau et les tissus musculaires, ont un module de l’ordre de 100 Pa. Ce décalage de propriétés mécaniques est une raison importante pour laquelle les robots rigides sont souvent incompatibles au niveau biologique et même dangereux pour l’interaction humaine. Les robots mous ont des surfaces suffisamment souples et déformables pour distribuer les forces sur une large zone de contact et éliminer les concentrations de contraintes. Les préhenseurs mous sont principalement composés de matières facilement déformables telles que des fluides, des gels et des élastomères qui correspondent aux propriétés élastiques des tissus biologiques.
Toutefois, de même que les machines et les robots conventionnels ne sont pas toujours bien adaptés à l’interaction homme-machine, les robots souples sont fondamentalement limités par leurs flexibilités mécaniques et ne conviennent pas aux applications nécessitant une puissance ou une précision élevée. De même, à petite échelle, la précision des machines exige souvent des pièces rigides qui se verrouillent fermement sur les objets et ne se relâchent pas ou ne se déforment pas élastiquement lorsqu’elles sont soumises à des tractions de surface.
Enfin, si les tissus naturels sont capables d’une très forte adaptabilité et d’une capacité réparatrice, les matières souples utilisées pour les robots mous sont souvent inertes ce qui les empêche de se réparer en cas de coupure dans la matière (cas assez courant lors de la manipulation d’objets au quotidien). A l’avenir, cette limite pourra être dépassée par des matières synthétiques biologiques.
État de l’art du nombre de doigts et de l’implantation sur les mains robotiques
Trois paramètres doivent être ici pris en compte lors de la conception d’une main : le nombre de doigts, la mobilité de la cinématique des doigts et les préhensions désirées. En effet, si la pince doit réaliser uniquement des préhensions prismatiques, les doigts seront positionnés en opposition. Ils seront concentriques si le besoin est de réaliser des préhensions sphériques. Les choix restent ouverts lorsqu’il s’agit de réaliser les deux types de préhension. Dans la grande majorité des cas, la paume des mains robotiques est fixe et joue un rôle limité pour la préhension. Cependant, par anthropomorphisme, des mains robotiques présentent une paume actionnée [26] pour reproduire les mouvements des métacarpes des doigts de la main humaine. De la même manière, il est courant d’avoir un doigt qui fait face aux autres et que l’on peut appeler “pouce”. Pour ce qui est des préhenseurs industriels qui s’affranchissent de ce biomimétisme, la question de l’implantation des doigts reste ouverte (Voir Figure 2.11).
Concernant le nombre de doigts pour réaliser une préhension, on sait qu’il en faut au moins deux. Cependant, même s’il est théoriquement possible d’avoir une infinité de doigts, plusieurs configurations sont plus couramment utilisées que d’autres [28] : les pinces à deux doigts . La pince à deux doigts se faisant face pour générer une préhension est la configuration la plus classique des pinces industrielles. Particulièrement simples dans leur conception, elles sont très peu versatiles et se limitent à la préhension d’un seul type de pièces connu lors de la conception du préhenseur. les pinces à trois doigts . Les mains à trois doigts sont très courantes car elles permettent des préhensions plus complexes et une meilleure versatilité que les pinces industrielles à deux doigts. La solution présentée sur la figure 2.12 montre comment la mobilité de deux des doigts ainsi que leur positionnement relatif permettent de réaliser une préhension prismatique. les pinces à cinq doigts . Certains préhenseurs ont des contraintes (par exemple de biomimétisme esthétique comme les prothèses) qui leur imposent 5 doigts. Il peut aussi être utile pour un préhenseur d’avoir des similarités avec la main humaine pour copier les stratégies de préhensions ou pour l’utilisation d’un outil. Les mains à cinq doigts peuvent offrir plus de flexibilité et de postures de préhension que des mains à trois doigts. Il est aussi possible avec une main à cinq doigts de faire de la manipulation d’objets. L’état de l’art fait apparaître deux solutions d’implantation des doigts, l’une anthropomorphique avec un pouce qui fait face aux quatre autres doigts et l’autre axisymétrique avec une répartition homogène des doigts.
|
Table des matières
1 Introduction
1.1 Problématiques industrielles et scientifiques
1.2 Pièces types à saisir
1.3 Structure de la thèse
1.4 Principales contributions de la thèse
2 État de l’art de la préhension robotisée
2.1 Introduction
2.2 Forces physiques pour la préhension
2.2.1 Forces de dépression
2.2.2 Effet électromagnétique et magnétique
2.2.3 Forces électrostatiques
2.2.4 Forces d’adhésion de Van der Waals
2.2.5 Actions de contact solide-solide
2.2.6 Force de contact avec un liquide, un gaz ou des particules et force sans contact
2.3 Choix des forces physiques pour une préhension
2.4 Les solutions techniques pour une préhension par des forces de contact
2.4.1 Terminologie anthropomorphique
2.4.2 Actions de contact par système rigide
2.4.3 Doigts sous-actionnés
2.4.4 Actions de contact par un préhenseur déformable
2.4.5 État de l’art du nombre de doigts et de l’implantation sur les mains robotiques
2.5 Analyse des préhensions pour saisir le set de pièces choisi
2.6 Conclusion
3 Présentation de l’architecture générale du préhenseur
3.1 Introduction
3.2 Architecture des nouveaux doigts
3.3 Boucle cinématique, singularités et limites articulaires d’un doigt
3.4 Implantation et orientation des doigts
3.5 Mécanisme sphérique a quatre liaisons pivot (4R)
3.6 Position verticale du doigt
3.7 Conclusion
4 Analyse de la statique d’un doigt
4.1 Introduction
4.2 Analyse du modèle statique
4.2.1 Matrices des moments Js et Jp
4.2.2 Matrices des rapports de transmission des couples Ts et Tp
4.2.3 Écriture des termes de la matrice t
4.3 Définition positive des forces de contacts
4.4 Conclusion et remarques
5 Analyse de la préhension d’un disque et stabilité en abduction
5.1 Introduction
5.2 Présentation des conditions initiales
5.3 Nouveau modèle statique
5.4 Mouvement de θ6
5.5 Mouvement de θ1
5.6 Mouvement de θ2 et stabilité en abduction
5.6.1 Rapport entre la force F4 et le couple Θ2
5.6.2 Système d’activation et facteur de stabilité
5.7 Mouvement de θ7
5.8 Positions de stabilité du doigt
5.9 Simulation avec le logiciel ADAMS
5.9.1 Comparaison sans la mobilité θ2
5.10 Conclusion
6 Sous-actionnement entre les doigts
6.1 Introduction
6.1.1 Actionnement direct
6.1.2 Transmission d’effort sous-actionné
6.2 Actionneurs pour la robotique
6.3 Muscle pneumatique
6.4 Degré de liberté, degré d’activation et degré de commande
6.5 Stabilité entre les doigts
6.6 Position de stabilité de la pièce
6.7 Conclusion
7 Conception et contrôle d’un prototype de préhenseur
7.1 Introduction
7.2 Contrainte mécanique et conception d’un prototype
7.3 Validation des capacités de préhension
7.4 Introduction au contrôle des muscles pneumatiques de Mckibben
7.5 Banc d’essai à un doigt : contrôle d’un muscle
7.5.1 Stratégies de commande pour les phases de fermeture et d’ouverture
7.5.2 Dispositif expérimental
7.5.3 Rappels sur la commande sans modèle [43] [61]
7.5.4 Résultats expérimentaux
7.6 Contrôle d’un prototype de préhenseur à trois doigts
7.6.1 Configuration expérimentale
7.6.2 Résultats expérimentaux
7.7 Conclusion et remarques
8 Conclusion et Perspectives
8.1 Contributions principales de la thèse
8.2 Perspectives de recherche
9 Liste de publications
9.1 Revue
9.2 Conférences
Bibliographie
Télécharger le rapport complet
