Commande des robots manipulateurs

Commande des robots manipulateurs

Les robots manipulateurs sont actuellement d’une très large utilisation dans les applications industrielles et spatiales. Ils sont d’une importance majeure, surtout dans les travaux dangereux, fastidieux et monotones [Hassan. K et Khalil, 2002]. Ils se substituent à l’homme ou prolongent son action en apportant précision, rapidité ou capacité à appliquer d’importants efforts, afin de lui faciliter les tâches difficiles et répétitives, telles que le soulèvement de pièces lourdes, serrage, découpage, assemblage, etc… Le nombre des applications de ces manipulateurs a augmenté chaque jours, des millions de robots effectuent chaque jour, des tâches complexes de nature différente dans des usines, station de service et même à domicile (tondeuse à gazon, robot aspirateur, etc…). Avec les développements scientifiques, spécifiquement de l’électronique et de l’informatique, mais aussi : automatique, mathématique, mécanique et matériaux, que la technologie robotique a progressé, les robots actuels sont dotés d’une « intelligence » qui leur donne une certaine autonomie qui va leur permettre de se diffuser dans de nouveaux domaines. Nous parlons maintenant de robots d’exploration, de robots d’intervention, de robots ludiques, de robots de service, des robots chirurgicaux, etc. A cette époque les robots étaient conçus en respectant les contraintes imposées par le milieu industriel, comme la répétabilité, la précision dans la réalisation des tâches, le respect des cadences de production, etc… Prenons l’exemple des bras manipulateurs industriels des années 80, très semblables aux bras industriels actuels, mais ils se déplacent à très grandes vitesses sur des trajectoires calculées hors ligne dans des environnements protégés et structurés, sans interaction avec les opérateurs humains, pour pouvoir exploiter les capacités de ces robots, il faut élaborer des commandes qui peuvent assurer les performances voulues et pour atteindre cet objectif.

L’élaboration d’une loi de commande pour un procédé physique tel que les robots nécessitent la prise en compte de certains paramètres tels que le suivi de la consigne, le rejet de la perturbation, une marge de robustesse vis-à-vis de certains paramètres du procédé à piloter. La littérature propose une multitude de structure de commande, chacune d’elle s’applique dans un domaine particulier avec des propriétés particulières (cas linéaire, cas non linéaire, procède stable, consigne d’un type donné,….etc.).

Il est impossible, de faire une synthèse (même partielle) des techniques de commande des bras manipulateurs, tant ce domaine recouvre de problématiques différentes. Outre les travaux liés à la modélisation et l’identification [Khalil, 1978] [Gorla et Renaud, 1984] [Khalil et Dombre, 1999], et à la planification de mouvements [Brooks, 1983] [Faverjon, 1984] [Craig, 1986], le traitement de la redondance [Liégeois, 1977] [Vukobratovic et Kircanski, 1984] [Bailleul et al., 1984] [Yoshikawa, 1985] [Sciavicco et Siciliano, 1988], des singularités géométriques, la commande dynamique [Khalil et al., 1979] [Luh et al., 1980]. La commande par retour d’efforts [Withney, 1977] [Withney, 1985] [Boissonnat et al., 1988], et plus généralement la commande référencée capteurs [Espiau et al., 1992] [Samson et al., 1991], sont autant de domaines de recherche qui mériteraient à eux seuls une synthèse bibliographique. En dehors des quelques références précitées, nous renvoyons le lecteur aux ouvrages et articles de synthèse suivants : [Dombre et Khalil, 1988] pour la modélisation, la commande dynamique et adaptative, [Samson et al., 1991]. Pour le cadre méthodologique de synthèse de retours d’état par l’approche par fonctions de tâches, [Canudas de Wit et al., 1996] pour un état de l’art sur la modélisation et les techniques de commande des bras manipulateurs, [Siciliano, 1990] [Yoshikawa, 1990] pour une synthèse des techniques de commande de manipulateurs redondants, [Asada et Slotine, 1986] pour des synthèses de commandes dynamiques.

Commande des bras manipulateurs 

Dans [Sciavicco et al, 2000], le problème de la commande d’un robot manipulateur peut être formulé comme la détermination de l’évolution des forces généralisées (forces ou couples) que les actionneurs doivent exercer pour garantir l’exécution de la tâche tout en satisfaisant certains critères de performance. Différentes techniques sont utilisées pour la commande des bras manipulateurs. La conception mécanique du bras manipulateur a une influence sur le choix du schéma de commande [Ignacio H. A, 2007]. Un robot manipulateur est une structure mécanique complexe dont les inerties par rapport aux axes des articulations varient non seulement en fonction de la charge mais aussi en fonction de la configuration, des vitesses et des accélérations. Deux types de mouvements apparaissent quand on parle de commande du bras manipulateur. Un premier type considère que les mouvements nécessaires pour la réalisation de la tâche sont exécutés dans l’espace libre. Le deuxième type considère des mouvements spécifiques avec des forces de contact pour l’organe terminal qui se déplace dans un espace contraint. Toute tâche de robotique est réalisée par une combinaison de ces deux types de mouvement. Pour simplifier la commande, les deux types de mouvement sont abordés séparément.

Commande par articulation

Cette technique est utilisée par des robots manipulateurs qui utilisent des servomoteurs avec de forts rapports de réduction. Lorsque le système présente un comportement linéaire, l’asservissement du mouvement peut être réalisé par des techniques classiques de commande. Nous parlons alors d’une commande décentralisée de type PID. Dans [Gorla et al, 1984] et [Canudas et al, 1997], le schéma classique est amélioré avec des signaux d’anticipation pour corriger les effets de la force de gravité et de couplage.

Commande jacobienne

Cette technique est utilisée depuis les travaux de Whitney [Whitney, 1969] et elle est appelée de cette façon lorsqu’elle utilise la matrice jacobienne inverse du bras manipulateur pour calculer les vitesses de consigne aux articulations. Elle est aussi connue sous le nom de commande à mouvement résolu. Les approches les plus courantes sont de type : mouvement à vitesse résolu, mouvement à accélération résolu [Luh et al., 1980] et mouvement à force résolu [Wu et al., 1982]. La technique de mouvement résolu commande la position de l’organe terminal du manipulateur dans l’espace cartésien, par combinaison des mouvements de plusieurs articulations. Ce type de schémas peut se présenter sous la forme d’un schéma cinématique quand les vitesses calculées aux articulations sont utilisées directement comme des consignes pour les boucles de commande de chaque articulation, ou sous la forme d’un schéma dynamique quand le schéma utilise le modèle dynamique pour découpler les articulations. Son principal inconvénient est l’utilisation de l’inverse de la matrice jacobienne, qui peut devenir singulière dans certaines conditions.

Commande par découplage non linéaire 

Cette technique est aussi connue sous les noms de commande dynamique ou commande par couple calculé. Lorsque l’application exige des évolutions rapides avec des contraintes dynamiques, la commande doit prendre en compte les forces d’interaction. Ce type de technique considère l’ensemble des articulations et, pour les découpler, utilise la théorie du découplage non linéaire. Cette théorie utilise le modèle dynamique du robot pour le calcul de la loi de commande, ce qui conduit à des lois de commande centralisées non linéaires. Des signaux d’anticipation peuvent être utilisés pour minimiser des effets non linéaires [Er, 1993]. Ce type de technique permet la commande dans l’espace des articulations ou dans l’espace cartésien, avec l’avantage que les articulations sont découplées et peuvent évoluer à grandes vitesses avec de fortes inerties. Cette méthode dépend fortement du modèle du système, elle est très sensible aux imprécisions du modèle qui entraînent un découplage imparfait. Ceci constitue son principal inconvénient.

Table des matières

Introduction général
1. Introduction
2. Aperçu de la thèse
Chapitre I Commande des robots manipulateurs
1.1 Introduction
1.2 Commande des bras manipulateurs
1.2.1 Commande par articulation
1.2.2 Commande jacobienne
1.2.3 Commande par découplage non linéaire
1.2.4 Commande adaptative
1.2.5 Commande fondée sur une fonction de Lyapunov
1.2.6 Commande passive
1.2.7 Commande prédictive
1.2.8 Commande robuste
1.2.9 Commande optimale
1.3 Approche sélectionnée
Chapitre II Modélisation des robots manipulateurs
2.1. Introduction
2.2. Modélisation des robots manipulateurs
2.3. Modèle géométrique
2.3.1 Modèle géométrique direct (MGD)
2.3.2. Modèle géométrique inverse (MGI)
2.4 Calcule des modèles géométriques (direct et inverse)
2.4.1 Calcule du modèle géométrique direct
2.4.2 Calcule de modèle géométrique inverse
2.5 Modèle cinématique
2.5.1 Modèle cinématique direct
2.5.2 Modèle cinématique inverse
2.6 Modèle dynamique
2.6.1 Modèle dynamique inverse
2.6.1.1 Formalisme de Lagrange
2.6.2 Modèle dynamique direct
2.7 Modèle hydraulique
2.7.1 Modélisation des servovalves électrohydrauliques
2.7.2 Vérins hydrauliques linéaires
2.7.3 Vérin hydraulique linéaire agissant autour d’un pivot
2.7.4 Modèle hydraulique du robot
2.8 Conclusion
Chapitre III Commandes classiques des robots manipulateurs
3.1 Introduction
3.2 Quelque stratégie de commande
3.3 Commande par les méthodes classique
3.4 Commande par calcul de couple
3.4.1 Dérivation de la boucle interne (Feed forward)
3.4.2 Conception de la boucle externe
3.5 Calcul de couple avec PD
3.6 Calcul de couple avec PID
3.7. Commande adaptative
3.7.1 Introduction
3.8 Commande adaptative des robots manipulateurs
3.8.1 Commande adaptative par calcul de couple
3.8.2 Commande adaptative inertiel
3.9 Conclusion
Chapitre IV Les techniques de l’intelligence artificielle
4.1 Introduction
4.2 Commande basée sur l’intelligence artificielle
4.3 Neuro-Flou
4.3.1 Structure de commande neuro-flou
4.3.2 Définition
4.3.3 Principe de fonctionnement
4.3.4 Architectures neuro-floues
4.3.4.1 Première architecture
4.3.4.2 Deuxième architecture
4.3.4.3 Troisième architecture
4.3.5 Les types d’implémentation des réseaux neuro-flous
4.3.6 Systèmes d’inférence neuro-flou adaptatifs (ANFIS)
4.3.6.1 Architecture d’ANFIS
4.3.6.2 Algorithme d’apprentissage
4.3.7 Conception de contrôleur basée sur ANFIS
4.3.7.1 ANFIS basée sur le calcul de couple (type PD)
4.3.7.2 ANFIS directe type PD plus une correction intégrale
Chapitre V Simulation et validation expérimentale
5.1 Simulation
5.2 Expérimentale
Conclusion générale  
Conclusion générale et Perspectives
Annexe
Références bibliographiques

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