Commande des robots manipulateurs
Les robots manipulateurs sont actuellement d’une trรจs 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 ร lโhomme ou prolongent son action en apportant prรฉcision, rapiditรฉ ou capacitรฉ ร appliquer dโimportants efforts, afin de lui faciliter les tรขches difficiles et rรฉpรฉtitives, telles que le soulรจvement de piรจces lourdes, serrage, dรฉcoupage, assemblage, etc… Le nombre des applications de ces manipulateurs a augmentรฉ chaque jours, des millions de robots effectuent chaque jour, des tรขches complexes de nature diffรฉrente dans des usines, station de service et mรชme ร domicile (tondeuse ร gazon, robot aspirateur, etc…). Avec les dรฉveloppements scientifiques, spรฉcifiquement de lโรฉlectronique et de lโinformatique, mais aussi : automatique, mathรฉmatique, mรฉcanique et matรฉriaux, que la technologie robotique a progressรฉ, les robots actuels sont dotรฉs dโune ยซ intelligence ยป qui leur donne une certaine autonomie qui va leur permettre de se diffuser dans de nouveaux domaines. Nous parlons maintenant de robots dโexploration, de robots dโintervention, de robots ludiques, de robots de service, des robots chirurgicaux, etc. A cette รฉpoque les robots รฉtaient conรงus en respectant les contraintes imposรฉes par le milieu industriel, comme la rรฉpรฉtabilitรฉ, la prรฉcision dans la rรฉalisation des tรขches, le respect des cadences de production, etc… Prenons lโexemple des bras manipulateurs industriels des annรฉes 80, trรจs semblables aux bras industriels actuels, mais ils se dรฉplacent ร trรจs grandes vitesses sur des trajectoires calculรฉes hors ligne dans des environnements protรฉgรฉs et structurรฉs, sans interaction avec les opรฉrateurs humains, pour pouvoir exploiter les capacitรฉs de ces robots, il faut รฉlaborer des commandes qui peuvent assurer les performances voulues et pour atteindre cet objectif.
L’รฉlaboration d’une loi de commande pour un procรฉdรฉ physique tel que les robots nรฉcessitent la prise en compte de certains paramรจtres tels que le suivi de la consigne, le rejet de la perturbation, une marge de robustesse vis-ร -vis de certains paramรจtres du procรฉdรฉ ร piloter. La littรฉrature propose une multitude de structure de commande, chacune d’elle s’applique dans un domaine particulier avec des propriรฉtรฉs particuliรจres (cas linรฉaire, cas non linรฉaire, procรจde stable, consigne d’un type donnรฉ,โฆ.etc.).
Il est impossible, de faire une synthรจse (mรชme partielle) des techniques de commande des bras manipulateurs, tant ce domaine recouvre de problรฉmatiques diffรฉrentes. Outre les travaux liรฉs ร la modรฉlisation et lโidentification [Khalil, 1978] [Gorla et Renaud, 1984] [Khalil et Dombre, 1999], et ร la planification de mouvements [Brooks, 1983] [Faverjon, 1984] [Craig, 1986], le traitement de la redondance [Liรฉgeois, 1977] [Vukobratovic et Kircanski, 1984] [Bailleul et al., 1984] [Yoshikawa, 1985] [Sciavicco et Siciliano, 1988], des singularitรฉs gรฉomรฉtriques, la commande dynamique [Khalil et al., 1979] [Luh et al., 1980]. La commande par retour dโefforts [Withney, 1977] [Withney, 1985] [Boissonnat et al., 1988], et plus gรฉnรฉralement la commande rรฉfรฉrencรฉe capteurs [Espiau et al., 1992] [Samson et al., 1991], sont autant de domaines de recherche qui mรฉriteraient ร eux seuls une synthรจse bibliographique. En dehors des quelques rรฉfรฉrences prรฉcitรฉes, nous renvoyons le lecteur aux ouvrages et articles de synthรจse suivants : [Dombre et Khalil, 1988] pour la modรฉlisation, la commande dynamique et adaptative, [Samson et al., 1991]. Pour le cadre mรฉthodologique de synthรจse de retours dโรฉtat par lโapproche par fonctions de tรขches, [Canudas de Wit et al., 1996] pour un รฉtat de lโart sur la modรฉlisation et les techniques de commande des bras manipulateurs, [Siciliano, 1990] [Yoshikawa, 1990] pour une synthรจse des techniques de commande de manipulateurs redondants, [Asada et Slotine, 1986] pour des synthรจses de commandes dynamiques.
Commande des bras manipulateursย
Dans [Sciavicco et al, 2000], le problรจme de la commande dโun robot manipulateur peut รชtre formulรฉ comme la dรฉtermination de lโรฉvolution des forces gรฉnรฉralisรฉes (forces ou couples) que les actionneurs doivent exercer pour garantir lโexรฉcution de la tรขche tout en satisfaisant certains critรจres de performance. Diffรฉrentes techniques sont utilisรฉes pour la commande des bras manipulateurs. La conception mรฉcanique du bras manipulateur a une influence sur le choix du schรฉma de commande [Ignacio H. A, 2007]. Un robot manipulateur est une structure mรฉcanique 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 accรฉlรฉrations. Deux types de mouvements apparaissent quand on parle de commande du bras manipulateur. Un premier type considรจre que les mouvements nรฉcessaires pour la rรฉalisation de la tรขche sont exรฉcutรฉs dans lโespace libre. Le deuxiรจme type considรจre des mouvements spรฉcifiques avec des forces de contact pour lโorgane terminal qui se dรฉplace dans un espace contraint. Toute tรขche de robotique est rรฉalisรฉe par une combinaison de ces deux types de mouvement. Pour simplifier la commande, les deux types de mouvement sont abordรฉs sรฉparรฉment.
Commande par articulation
Cette technique est utilisรฉe par des robots manipulateurs qui utilisent des servomoteurs avec de forts rapports de rรฉduction. Lorsque le systรจme prรฉsente un comportement linรฉaire, lโasservissement du mouvement peut รชtre rรฉalisรฉ par des techniques classiques de commande. Nous parlons alors dโune commande dรฉcentralisรฉe de type PID. Dans [Gorla et al, 1984] et [Canudas et al, 1997], le schรฉma classique est amรฉliorรฉ avec des signaux dโanticipation pour corriger les effets de la force de gravitรฉ et de couplage.
Commande jacobienne
Cette technique est utilisรฉe depuis les travaux de Whitney [Whitney, 1969] et elle est appelรฉe de cette faรงon lorsquโelle 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 ร mouvement rรฉsolu. Les approches les plus courantes sont de type : mouvement ร vitesse rรฉsolu, mouvement ร accรฉlรฉration rรฉsolu [Luh et al., 1980] et mouvement ร force rรฉsolu [Wu et al., 1982]. La technique de mouvement rรฉsolu commande la position de lโorgane terminal du manipulateur dans lโespace cartรฉsien, par combinaison des mouvements de plusieurs articulations. Ce type de schรฉmas peut se prรฉsenter sous la forme dโun schรฉma cinรฉmatique quand les vitesses calculรฉes aux articulations sont utilisรฉes directement comme des consignes pour les boucles de commande de chaque articulation, ou sous la forme dโun schรฉma dynamique quand le schรฉma utilise le modรจle dynamique pour dรฉcoupler les articulations. Son principal inconvรฉnient est lโutilisation de lโinverse de la matrice jacobienne, qui peut devenir singuliรจre dans certaines conditions.
Commande par dรฉcouplage non linรฉaireย
Cette technique est aussi connue sous les noms de commande dynamique ou commande par couple calculรฉ. Lorsque lโapplication exige des รฉvolutions rapides avec des contraintes dynamiques, la commande doit prendre en compte les forces dโinteraction. Ce type de technique considรจre lโensemble des articulations et, pour les dรฉcoupler, utilise la thรฉorie du dรฉcouplage non linรฉaire. Cette thรฉorie utilise le modรจle dynamique du robot pour le calcul de la loi de commande, ce qui conduit ร des lois de commande centralisรฉes non linรฉaires. Des signaux dโanticipation peuvent รชtre utilisรฉs pour minimiser des effets non linรฉaires [Er, 1993]. Ce type de technique permet la commande dans lโespace des articulations ou dans lโespace cartรฉsien, avec lโavantage que les articulations sont dรฉcouplรฉes et peuvent รฉvoluer ร grandes vitesses avec de fortes inerties. Cette mรฉthode dรฉpend fortement du modรจle du systรจme, elle est trรจs sensible aux imprรฉcisions du modรจle qui entraรฎnent un dรฉcouplage imparfait. Ceci constitue son principal inconvรฉnient.
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Table des matiรจres
Introduction gรฉnรฉral
1. Introduction
2. Aperรงu de la thรจse
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 dรฉcouplage non linรฉaire
1.2.4 Commande adaptative
1.2.5 Commande fondรฉe sur une fonction de Lyapunov
1.2.6 Commande passive
1.2.7 Commande prรฉdictive
1.2.8 Commande robuste
1.2.9 Commande optimale
1.3 Approche sรฉlectionnรฉe
Chapitre II Modรฉlisation des robots manipulateurs
2.1. Introduction
2.2. Modรฉlisation des robots manipulateurs
2.3. Modรจle gรฉomรฉtrique
2.3.1 Modรจle gรฉomรฉtrique direct (MGD)
2.3.2. Modรจle gรฉomรฉtrique inverse (MGI)
2.4 Calcule des modรจles gรฉomรฉtriques (direct et inverse)
2.4.1 Calcule du modรจle gรฉomรฉtrique direct
2.4.2 Calcule de modรจle gรฉomรฉtrique inverse
2.5 Modรจle cinรฉmatique
2.5.1 Modรจle cinรฉmatique direct
2.5.2 Modรจle cinรฉmatique inverse
2.6 Modรจle dynamique
2.6.1 Modรจle dynamique inverse
2.6.1.1 Formalisme de Lagrange
2.6.2 Modรจle dynamique direct
2.7 Modรจle hydraulique
2.7.1 Modรฉlisation des servovalves รฉlectrohydrauliques
2.7.2 Vรฉrins hydrauliques linรฉaires
2.7.3 Vรฉrin hydraulique linรฉaire agissant autour d’un pivot
2.7.4 Modรจle hydraulique du robot
2.8 Conclusion
Chapitre III Commandes classiques des robots manipulateurs
3.1 Introduction
3.2 Quelque stratรฉgie de commande
3.3 Commande par les mรฉthodes classique
3.4 Commande par calcul de couple
3.4.1 Dรฉrivation 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 lโintelligence artificielle
4.1 Introduction
4.2 Commande basรฉe sur l’intelligence artificielle
4.3 Neuro-Flou
4.3.1 Structure de commande neuro-flou
4.3.2 Dรฉfinition
4.3.3 Principe de fonctionnement
4.3.4 Architectures neuro-floues
4.3.4.1 Premiรจre architecture
4.3.4.2 Deuxiรจme architecture
4.3.4.3 Troisiรจme architecture
4.3.5 Les types dโimplรฉmentation des rรฉseaux neuro-flous
4.3.6 Systรจmes dโinfรฉrence neuro-flou adaptatifs (ANFIS)
4.3.6.1 Architecture d’ANFIS
4.3.6.2 Algorithme d’apprentissage
4.3.7 Conception de contrรดleur basรฉe sur ANFIS
4.3.7.1 ANFIS basรฉe sur le calcul de couple (type PD)
4.3.7.2 ANFIS directe type PD plus une correction intรฉgrale
Chapitre V Simulation et validation expรฉrimentale
5.1 Simulation
5.2 Expรฉrimentale
Conclusion gรฉnรฉraleย ย
Conclusion gรฉnรฉrale et Perspectives
Annexe
Rรฉfรฉrences bibliographiques