Mécatronique, Robotique Généralités

1. 1
Introduction à la mécatronique
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Mouna Souissi
Mouna.souissi@hei.fr

2. Introduction
Aujourd’hui, le domaine de l’industrie recherche
à réduire son coût de production face à la
complexité croissante des systèmes par la
diminution:
• Du poids
• Du volume
• Des consommations
• Des bruits
C’est ainsi qu’apparue la « conception mécatronique ».
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3. Définition
• Mécatronique :
Le mot mécatronique (mechatronics en anglais) a été
inventé au Japon en 1969 les ingénieurs Etsuro Mori et
Er. Jiveshwar Sharma de la compagnie Yaskawa.
Démarche visant l’intégration en synergie de la
mécanique, l’électronique, l’automatique et
l’informatique dans la conception et la fabrication d’un
produit en vue d’augmenter et/ou d’optimiser sa
fonctionnalité.
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4. Définition
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Elle intègre la notion de
multi-domaine en
représentant l’interaction
forte de plusieurs
domaines qui sont :
•La mécanique
•L’électronique
•L’informatique
•L’automtique
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5. Système mécatonique
 Le but d’un système mécatronique est de réaliser
une fonction principale mais aussi étant capable de
répondre à quatre fonctions secondaires :
MESURER: capteurs (présence soleil / vent)
PENSER: unité de traitement (analyse, décision)
AGIR : actionneurs (ouverture automatisée)
COMMUNIQUER: interface(dialogue avec l’extérieur)
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6. Structure de Principe d’un système
mécatronique
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7. • L’aérospatial ( les systèmes de régulations antivibratoires des
avions)
• L’automobile ( la direction assistée, l’ABS, l’EPS)
• La production (machines-outils, robots industriels)
• Le médical (aussi bien dans le matériel que dans l’assistance ou le
remplacement d’organes humains, on parle alors de
biomécatronique)
• L’électroménager (les machines à laver dîtes « intelligentes »)
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Domaines d’application

8. La Robotique
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Mouna Souissi
Mouna.souissi@hei.fr

9. Plan
• Chapitre 1 : Généralités
• Chapitre 2 : Les transformations rigides
• Chapitre 3 : Les bras manipulateurs
• Chapitre 4 : Modélisation des bras manipulateurs
• Chapitre 5 : Notions complémentaires
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10. Chapitre 1
Généralités
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11. Généralités
• Définition d’un Robot :
"Un appareil automatique qui peut effectuer des fonctions normalement
effectuer par des humains." Traduit du dictionnaire Webster’s
"Appareil automatique capable de manipuler des objets ou d’exécuter des
opérations selon un programme fixe ou modifiable." Petit Larousse
"Un manipulateur reprogrammable multifonctionnel conçu pour déplacer des
matériaux, des outils, des pièces ou des composantes spécialisés à travers
une série de mouvements programmés pour effectuer une tache précise.
" Robot Institut de robotique d’Amérique,1979
"A robot is a machine designed to execute one or more tasks repeatedly, with
speed and precision." whatis.com
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12. "Manipulateur commandé en position, reprogrammable,
polyvalent, à plusieurs degrés de liberté, capable de
manipuler des matériaux, des pièces, des outils et des
dispositifs spécialisés, au cours de mouvements variables et
programmés pour l’exécution d’une variété de tâches. Il a
souvent l’apparence d’un ou plusieurs bras se terminant par
un poignet. Son unité de commande utilise, notamment, un
dispositif de mémoire et éventuellement de perception et
d’adaptation à l’environnement et aux circonstances. Ces
machines polyvalentes ont généralement étudiées pour
effectuer la même fonction de façon cyclique et peuvent être
adaptées à d’autres fonctions sans modification permanente
du matériel." AFNOR
Association Française de Normalisation
GénéralitésCampus centre
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13. GénéralitésCampus centre
• Un robot = dispositif mécatronique
accomplissant automatiquement soit des tâches qui sont généralement
dangereuses, pénibles, répétitives ou impossibles pour les humains, soit
des tâches plus simples mais en les réalisant mieux que ce que ferait un
être humain.
• Un robot intelligent est un assemblage complexe de pièces mécaniques et
de pièces électroniques, le tout pouvant être piloté par une intelligence
artificielle. Lorsque les robots autonomes sont mobiles, ils possèdent
également une sources d’énergie embarquée : généralement
une batterie d‘accumulateurs électriques.
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14. GénéralitésCampus centre
• Les 3 lois de la robotique :
• Les Trois lois de la robotique, formulées par l'écrivain de science fiction de
Isaac Asimov, sont des règles auxquelles tous les robots qui apparaissent
dans sa fiction obéissent.
• Un robot ne peut porter atteinte à un être humain, ni, restant passif, permettre
qu'un être humain soit exposé au danger.
• Un robot doit obéir aux ordres que lui donne un être humain, sauf si de tels ordres
entrent en conflit avec la Première loi.
• Un robot doit protéger son existence tant que cette protection n'entre pas en
conflit avec la Première ou la Deuxième loi.
Superman-mechanical-monster
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15. GénéralitésCampus centre
• Composition d'un robot:
• Capteurs qui informent sur l’état de celui-ci
• Des actionneurs qui agissent sur le système à réguler
• Un outil de correction -généralement logiciel- pour améliorer la
qualité de la régulation (vitesse de réaction, précision, justesse,
adaptabilité du système à des situations nouvelles…)
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16. GénéralitésCampus centre
• Exemple de robots :
Robots mobiles Bio-inspirés Micro-Nano Robots
Icare de l’INRIA
L'AR.Drone 2.0 de Parrot
SeaExplorer
Asimo
BigDog
Interaction avec le sang
https://www.youtube.com/watch?v=Q3M4S7_ISs0
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17. GénéralitésCampus centre
Robots manipulateurs
Kuka
Delta ABB
Robots médicaux
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18. GénéralitésCampus centre
• Domaine d’application:
• Automobile
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Robot soudeur
Chaîne d’assemblage
Robot peintre

19. GénéralitésCampus centre
• Domaine d’application:
• Chaîne de production
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20. GénéralitésCampus centre
• Domaine d’application:
• Exploration spatiale
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Spirit, NASA,2003, sur Mars Canadarm

21. GénéralitésCampus centre
• Domaine d’application:
• Sécurité, Militaire
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Robot DémineurPredator B Drone

22. GénéralitésCampus centre
• Domaine d’application:
• Services
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Robot Aspirateur Robot lave vitre
Robot pour ramasser des personnes
victimes d’une simulation d’attaque
radiologique

23. GénéralitésCampus centre
• Domaine d’application:
• Chirurgie et médical
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24. 24
Chorégraphe
Monitor
Naosim

25. 25

26. Chapitre 2
Les transformations rigides
(rappels mathématiques pour l’étude des mécanismes
poly-articulés)
•Notations et définitions
•Rotations
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27. Notations et définitions
• Points:
• Soit un repère R (O,x,y,z), la position d’un point M est donnée par un
triplet de coordonnées. Les coordonnées de ce point sont représentées
par un vecteur sous la forme d’une matrice colonne
• Le mouvement du point est la courbe paramétrée m(t) donnant sa
position au cours du temps.
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X
Y
z
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28. Notations et définitions
• Solides:
• Un solide est indéformable si , pour toute paire de point de ce solide de
cordonnées m et n , la distance entre ces deux point reste constante au
cours du temps.
||m(t) − n(t)|| = ||m(0) − n(0)||
• Le mouvement rigide est le mouvement de chacun de ces points.
• La situation du solide est donnée par la position et l’orientation
dans R d’un repère lié au solide.
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29. Notations et définitions
• Degrés de liberté:
• Il y a 6 degrés de liberté dans l’espace.
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3 en position + 3 en orientation

30. Notations et définitions
• Degrés de liberté d’un solide dans l’espace:
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31. Notations et définitions
• Degrés de liberté d’un solide dans le plan:
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Campus centre
Déterminer les degrés de liberté d’un robot
mobile à roues.
Application:
1. Dans le plan, quel sont les coordonnées d’un solide ?
2. Quel sont les degrés de liberté du robot ?
3. Est-ce équivalent ?
Le robot avance de t puis tourne de Ө.
Le robot tourne de Ө puis avance de t.
4. Donner les coordonnées du robot.
5. A partir d’une position initiale, le robot tourne de Ө puis
avance de t. Donner sa nouvelle position
6. A partir d’une position initiale, le robot tourne de Ө puis
avance de t puis tourne de α puis avance de d. Donner son
positionnement.

32. Notations et définitions
• Transformation rigide:
• Une transformation rigide est le résultat d’un mouvement
rigide amenant le solide d’une situation initiale à une
situation finale.
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33. Rotations
• 1.Matrice de rotation:
• On considère deux repères R et R’ qui ont la même origine O.
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La matrice R = (x y z) est appelée matrice de rotation
(ou encore matrice de passage ou matrice de
changement de base) du repère R vers le repère R’.

34. Rotations
• 1.Matrice de rotation
• En deux dimensions:
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Campus centre
Exprimer A’x et A’y en fonction de Ax et Ay ?

35. Rotations
• 1.Matrice de rotation
• En deux dimensions:
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En deux dimensions, les matrices de rotation ont
la forme suivante :
Cette matrice fait tourner le plan d'un angle Ө.
Si

36. Rotations
• 1.Matrice de rotation
• En trois dimensions:
• Dans un espace euclidien à 3 dimensions, les matrices de rotations suivantes
correspondent à des rotations autour des axes x, y et z (respectivement) :
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Les rotations opèrent ainsi :
Rx tourne l'axe y vers l'axe z, Ry tourne l'axe z vers l'axe x et Rz tourne l'axe x vers l'axe y
En pratique, pour déterminer le sens de rotation, on peut utiliser la règle de la main droite.

37. Rotations
• a) Rotation d’un point appartenant à un solide
• m et m’ sont les coordonnées d’un point M dans R et R’
Les coordonnées des vecteurs de la base R’ exprimées dans R
sont notées : x’,y’,z’
Les coordonnées de M dans R sont:
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38. Rotations
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Exemple d’application :
Soit M de coordonnées : (1 5 9) dans R
Déterminer les coordonnées du point transformé par une rotation de centre O
et d’angle Ө autour de z .
t

39. Rotations
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b) Rotation d’un vecteur :
La rotation s’applique aussi sur une vecteur.
Les coordonnées d’un vecteur est la différence des coordonnées de deux points.
Soit un vecteur V de coordonnées v=m-n
Et v’=m’-n’
Alors on a :
Et donc :

40. Rotations
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c) Propriétés des rotations:
L a matrice de rotation R est constituée de colonnes orthonormales
1. La combinaison de deux rotation R1 et R2 est la rotation R1R2
2. Il existe un unique élément neutre qui est la matrice identité d’ordre 3
3. Il existe une unique inverse
4. La rotation est une transformation rigide :

41. • c) Combinaison de rotations:
Soient deux rotations R1 et R2
R1R2≠R2R1
Deux cas se présentent pour combiner les rotations
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RotationsCampus centre
Premier cas Deuxième cas
On effectue la seconde
rotation par rapport au repère
résultant de la première
rotation .
Problème de changement de
base.
On effectue les deux rotations
par rapport `a un unique
repère, fixe.
Problème de rotation
successive.

42. d) Représentation de l’orientation d’un solide dans l’espace:
• La donnée d’une base attachée à un solide S en rotation détermine de
manière unique son orientation dans l’espace.
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RotationsCampus centre
Matrice de rotation
et cosinus directeurs
Angles d’Euler classiques Angles roulis, tangage et
lacet

43. • 2. Transformations rigides:
• Matrices de passages homogènes
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RotationsCampus centre