presentation statge m2

1. contribution à l’étude mécanique et à la
mise en œuvre d’un robot parallèle
translateur
Renaud HENRY
Responsable de stage : Marc ARSICAULT
Master 2 Mécatronique et Microsystèmes
UFR Besançon
2010/2011

2.  Introduction
 Présentation de l’Institut Pprime
 Présentation du robot
 Travail réalisé
 Optimisation
 Contrôle/Commande
 Gestion de projet
 Conclusion
 Perspectives
Sommaire
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 2

3.  Aspects Mécaniques :
 Optimisation
 Maximiser l’espace de travail
 Garantir une charge utile
 Aspects commandes :
 Commande en Position
 Commande « bas niveau »
 Commande « haut niveau »
 Essais - Validation
Introduction
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 3
0 50 100 150 200 250 300
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Rb (mm)
Volumedm3
Domaine atteignable avec Fuc=0.5 N
Domaine atteignable avec Fuc=1.0 N
Domaine atteignable avec Fuc=1.5 N
 Développement d’un robot parallèle de type translateur
 Poursuite de l’étude

4. Date de création : 1er Janvier 2010
Composition :
Six laboratoires poitevins des Sciences
Pour l’Ingénieur et de la Physique
Effectifs : 480 personnes
Le budget annuel : 23,6 M€
Présentation de l’Institut Pprime
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 4
3 départements :
Physique et Mécanique des Matériaux
Fluides, Transferts et Combustion
Génie Mécanique et Systèmes Complexes

5. Présentation du robot (1/3)
Robot parallèle translateur
 Finalité : Démonstrateur
 Découplage Force/Moments
 Chaines passives
 Empêche les rotations
 Chaines actives
 Crée le mouvement de
translation
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 5

6. Présentation du robot (2/3)
 Robot parallèle translateur
 chaines actives : Mise en translation
 chaines passives : Blocage des rotations
2009 2010/2011
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 6

7. Présentation du robot (3/3)
 Paramètres géométrique du robot (chaînes actives)
 Longueur des vérins
 Qmin : longueur minimale
 Qmax : longueur maximale
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 7
 Ecartement des vérins
 Rb : Rayon de base
Représentation
complète
Représentation
Simplifiée
𝑅 𝑏 = 𝑅2 − 𝑅1
𝑅 𝑏 ≥ 0
𝐴1 𝐴2 = 𝐴′1 𝐴′2
𝑄 𝑚𝑎𝑥 ≥ 𝐴′1 𝐴′2 ≥ 𝑄 𝑚𝑖𝑛

8.  Objectifs :
 Maximiser l’espace de travail
 Garantir une charge utile
 Livrables :
 Algorithme d’optimisation
 Toolbox Matlab
Optimisation
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 8
Données d’entrées
 Géométriques :
 Longueur maximale/minimale des vérins
 Sthéniques :
 Charge utile maximale des vérins
 Charge utile minimale du robot
En sortie
 Géométrique:
 Rayon de base(Rb) du robot optimum
 Graphique :
 Evolution du volume // Rb

9.  Existant :
 Optimisation géométrique
 Rb : rayon de base
 Alpha : angle de base
Optimisation
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 9
50 100 150 200 250 300 350 400
0
200
400
600
800
1000
1200
Forces Fg en N
effectitfdesclasses
Figure 320 : histogramme Forces Fg en N 100-0prcentValue dans l espace Cartésien
 Caractérisation de l’espace de travail du robot
0 50 100 150 200 250 300
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Rb (mm)
Volumedm3

10. Optimisation
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 10
 Valeurs ajoutées
 Ajout de contraintes
 Commandabilité
 Sthénique
 Mise en équation du PFS
 Systèmes d’équations
 x=F(Rb,y,z,Fu,F1)
 Fmax ≥ F1 ≥ -Fmax
 Fmax ≥ F2 ≥ -Fmax
 Fmax ≥ F3 ≥ -Fmax
0 50 100 150 200 250 300
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Rb (mm)
Volumedm3
Domaine atteignable
Espace de travail fonctionnel
0 50 100 150 200 250
0
5
10
15
20
25
30
35
Rb (mm)
Volumedm3
Domaine atteignable
Espace de travail fonctionnel
non oui
non
Domaine
atteignable
Domaine
sthénique
atteignable
oui
espace de travail
fonctionnel
espace de travail
sthénique
fonctionnel
Contraintede
commandabilité
Contrainte sthénique

11.  Observations :
 Charge utile (Fu) variable de 350 N à 70 N
 Charge utile inférieure à la charge d’un vérin.
Optimisation
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 11
50 100 150 200 250 300 350 400
0
200
400
600
800
1000
1200
Forces Fg en N
effectitfdesclasses
Figure 320 : histogramme Forces Fg en N 100-0prcentValue dans l espace Cartésien
X
Y
Vérin 1
Vérin 3
Vérin 2
F1=-120 N
F2=-120 N
F3=-120 N
F1=-120 N
F2= 27 N
F3= 27 N
F1=-120 N
F2=0 N
F3=0 N
Fu=350 N Fu=70 NFu=120 N
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
0
100
200
300
400
Chargeutile(N)
Déplacemement (mm)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
-150
-100
-50
0
50
Chargevérin2et3(N)

12.  Résultats :
 Forte influence de la contrainte sthénique
 Rb optimum >> 0
 Faible influence de la contrainte de commandabilité
 Perte de volume faible
Optimisation
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 12
0 50 100 150 200 250 300
0
1
2
3
4
5
6
7
Rb (mm)
Volumedm3
Espace de travail fonctionnel avec Fuc=0.5 N
Espace de travail fonctionnel avec Fuc=1.0 N
Espace de travail fonctionnel avec Fuc=1.5 N
0 50 100 150 200 250 300
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Rb (mm)
Volumedm3
Domaine atteignable avec Fuc=0.5 N
Domaine atteignable avec Fuc=1.0 N
Domaine atteignable avec Fuc=1.5 N
0 50 100 150 200 250 300
0
10
20
30
40
50
Rb (mm)
Volumedm3
Domaine atteignable sans Fuc
Domaine atteignable avec Fuc=0.5 N
Domaine atteignable avec Fuc=1.0 N
Domaine atteignable avec Fuc=1.5 N

13.  Objectifs :
 Commande en position du robot
 Génération de trajectoires
 Livrables
 Commande « bas niveau »
 Commande « haut niveau »
Commande
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 13

14.  Architecture organique :
 Robot : Partie opérative (OP)
 Actionneurs : vérins électriques
 Capteurs : Potentiomètres
 Automate : Partie Commande (PC)
 CPU
 Les entrées analogiques : CAN
 Les sorties analogiques : Hacheur
 Les entrées digitales
 Les sorties digitales
Commande
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 14

15.  Architecture fonctionnelle :
 Asservissement
 Boucle de régulation en position
 Définition de la précision du temps de
réponse des actionneurs.
 Contrôleur
 Gestion des modes de fonctionnement
 Génération des trajectoires
 Loi de commande
 IHM
 Contrôle de l’état du robot
 Pilote le robot
Commande
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 15
 Architecture organique :
 Robot : Partie opérative (OP)
 Actionneur : vérin électrique
 Capteur : Potentiomètre
 Automate : Partie Commande (PC)
 CPU
 Les entrées analogiques : CAN
 Les sorties analogiques : Hacheur
 Les entrées digitales
 Les sorties digitales

16.  Partie opérative
 Actionneur : vérin électrique
 Capteur : Potentiomètre
 Analyses
 Documentation pauvre : Régime permanent
 Non-linéarité
 Zone morte de 10 à 12.5 %
 Orientation du vérin
 Modélisation
 1er ordre avec un intégrateur et un retard pur
Commande
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 16

17.  Indentification
 Outils :
 Méthode graphique
 Toolbox Matlab
 Méthodes :
 Rampe
 Résultats - validation
 Gain statique : Bonne identification
 Constante de temps : Mauvaise identification
 Retard : Mauvaise identification
 Influence de la charge important
Commande
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 17
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
-20
-10
0
10
20
t(s)
Umot(V)
Tension du moteur
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
-20
0
20
40
t(s)
Position(mm)
Position du vérin
Rampe
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
t(s)
Postion(mm)
Essau à charge 5Kg 2
Expérimentation,
Simulation

18.  Asservissement
 Correcteurs :
 Proportionnel intégral (PI)
 Boucles cascades position-vitesse
 Proportionnel dérivé (PD)
 Proportionnel simple (P)
Commande
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 18
 Instable
 A-coups
 Oscillations visibles
 Stable
 Oscillations audibles
 Précision faible (0,2 à 0,5 mm)

19.  Commande « haut niveau »
 GEMMA :
 5 modes manuels
 5 modes automatiques
 IHM :
Commande
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011 - 19
MANUEL AUTO
DCY
RAZ INIT
STOP
Boutons
Mode
manuels
Repère Actions
F41 Articulaire
F42 Cartésien
F43 Articulaire
F44 Cartésien
F45
Ouverture - fermeture du
préhenseur.
Ces modes permettent de
se déplacer dans le repère
par pas de 5 mm.
Ces modes permettent
d'atteindre un point dans le
repère
Mode
automatiques
Actions
F11
Utilisation d' une machine d’état (grafcet) pour réaliser
les déplacements (déplacement de point à points)
F12 Déplacement linéaire à partir d'un fichier de points.
F13
Envoi périodique de consigne (articulaire, cartésienne)
via une liaison de type RS232 ou Ethernet provenant d’un
système de supervision (SMAR par exemple)
F14
Envoi de lignes de commande via une liaison de type
RS232 ou Ethernet interprétée par un post-processeur.
F15 Exécution d’un programme utilisateur via l’IHM

20.  Vérification
 Vérification proprioceptive avec les potentiomètres
 Vérification extéroceptive
 Essais –Validation
 Entrée/sortie des vérins
 Oscillations
 Cercle
 Oscillations, à-coups
Commande
0 5 10 15 20 25 30 35
50
100
150
200
t(s)
Consignevérin1(mm)
0 5 10 15 20 25 30 35
50
100
150
200
t(s)
Consignevérin3(mm)
0 5 10 15 20 25 30 35
50
100
150
200
t(s)
Positionvérin1(mm)
0 5 10 15 20 25 30 35
50
100
150
200
t(s)
Positionvérin3(mm)
0 5 10 15 20 25 30 35
-5
0
5
t(s)
Erreurvérin1(mm)
0 5 10 15 20 25 30 35
-5
0
5
t(s)
Erreurvérin3(mm)
0
20
vérin1(V)
0
20
vérin3(V)
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011- 20

21.  Découpage en 3 lots :
 Aspect mécanique (25 %)
 Aspect commande(50%)
 Rédaction(25%)
Gestion de projet
104,50 h, 22%
268,75 h, 58%
92,30 h, 20%
Répartition effective du temps
Aspect
mécanique
Aspect
commande
Rédaction
0 20 40 60 80 100
0
5
10
15
20
25
30
35
40
CBTE CBTP CRTE
temps (j)
budget(Keuro)
CBTE : Coût Budgété
du Travail Effectué
CBTP : Coût Budgété
du Travail Prévu
CRTE : Coût Réel du
Travail Effectué
 Planification difficile :
 Evolution des objectifs
 Réception tardive du cahier des charges
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011- 21

22.  Optimisation
 Ajout de nouvelles contraintes
 Programmation de la Toolbox en cours
 Rédaction d’un article en cours
 Commande
 Commande « bas niveau » non validée
 Commande « haut niveau » validée
 Recherche de 3 nouveaux actionneurs en cours
 Personnelle
 Travail intéressant
 Sensibilisé aux commandes haptiques et à la cobotique
Conclusion
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011- 22

23. Perspective
 Etude mécanique des chaines actives
 Réduction du jeu
 Augmentation du débattement
angulaire des rotules
 Optimisation
 Ajout de contraintes sthéniques
liées à la dynamique du système
 Commande
 Utilisation du modèle dynamique
 Vérification extéroceptive
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011- 23

24. Des questions ?
Merci pour votre attention !
Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011- 24