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Introduction à la mécatronique
Campus centre
Mouna Souissi
Mouna.souissi@hei.fr
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 ».
2
Campus centre
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.
3
Campus centre
Définition
4
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
Campus centre
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)
5
Campus centre
Structure de Principe d’un système
mécatronique
6
• 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 »)
7
Campus centre
Domaines d’application
La Robotique
Campus centre
8
Mouna Souissi
Mouna.souissi@hei.fr
Plan
• Chapitre 1 : Généralités
• Chapitre 2 : Les transformations rigides
• Chapitre 3 : Les bras manipulateurs
• Chapitre 4 : Modélisation des bras manipulateurs
• Chapitre 5 : Notions complémentaires
Campus centre
9
Chapitre 1
Généralités
Campus centre
10
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
Campus centre
11
"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
12
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.
13
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
14
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…)
15
GénéralitésCampus centre
• Exemple de robots :
Robots mobiles Bio-inspirés Micro-Nano Robots
Icare de l’INRIA
L'AR.Drone 2.0 de Parrot
SeaExplorer
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BigDog
Interaction avec le sang
https://www.youtube.com/watch?v=Q3M4S7_ISs0
16
GénéralitésCampus centre
Robots manipulateurs
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Robots médicaux
17
GénéralitésCampus centre
• Domaine d’application:
• Automobile
18
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• Domaine d’application:
• Chaîne de production
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• Domaine d’application:
• Chirurgie et médical
23
24
Chorégraphe
Monitor
Naosim
25
Chapitre 2
Les transformations rigides
(rappels mathématiques pour l’étude des mécanismes
poly-articulés)
•Notations et définitions
•Rotations
Campus centre
26
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.
Campus centre
X
Y
z
27
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.
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dans R d’un repère lié au solide.
Campus centre
28
Notations et définitions
• Degrés de liberté:
• Il y a 6 degrés de liberté dans l’espace.
29
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Notations et définitions
• Degrés de liberté d’un solide dans l’espace:
30
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Notations et définitions
• Degrés de liberté d’un solide dans le plan:
31
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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.
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.
Campus centre
32
Rotations
• 1.Matrice de rotation:
• On considère deux repères R et R’ qui ont la même origine O.
33
Campus centre
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’.
Rotations
• 1.Matrice de rotation
• En deux dimensions:
34
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Exprimer A’x et A’y en fonction de Ax et Ay ?
Rotations
• 1.Matrice de rotation
• En deux dimensions:
35
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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
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) :
36
Campus centre
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.
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:
37
Campus centre
Rotations
38
Campus centre
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
Rotations
39
Campus centre
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 :
Rotations
40
Campus centre
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 :
• c) Combinaison de rotations:
Soient deux rotations R1 et R2
R1R2≠R2R1
Deux cas se présentent pour combiner les rotations
41
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.
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.
42
RotationsCampus centre
Matrice de rotation
et cosinus directeurs
Angles d’Euler classiques Angles roulis, tangage et
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• 2. Transformations rigides:
• Matrices de passages homogènes
43
RotationsCampus centre

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  • 1. 1 Introduction à la mécatronique Campus centre 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 ». 2 Campus centre
  • 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. 3 Campus centre
  • 4. Définition 4 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 Campus centre
  • 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) 5 Campus centre
  • 6. Structure de Principe d’un système mécatronique 6
  • 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 ») 7 Campus centre Domaines d’application
  • 8. La Robotique Campus centre 8 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 Campus centre 9
  • 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 Campus centre 11
  • 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 12
  • 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. 13
  • 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 14
  • 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…) 15
  • 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 16
  • 18. GénéralitésCampus centre • Domaine d’application: • Automobile 18 Robot soudeur Chaîne d’assemblage Robot peintre
  • 19. GénéralitésCampus centre • Domaine d’application: • Chaîne de production 19
  • 20. GénéralitésCampus centre • Domaine d’application: • Exploration spatiale 20 Spirit, NASA,2003, sur Mars Canadarm
  • 21. GénéralitésCampus centre • Domaine d’application: • Sécurité, Militaire 21 Robot DémineurPredator B Drone
  • 22. GénéralitésCampus centre • Domaine d’application: • Services 22 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 23
  • 25. 25
  • 26. Chapitre 2 Les transformations rigides (rappels mathématiques pour l’étude des mécanismes poly-articulés) •Notations et définitions •Rotations Campus centre 26
  • 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. Campus centre X Y z 27
  • 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. Campus centre 28
  • 29. Notations et définitions • Degrés de liberté: • Il y a 6 degrés de liberté dans l’espace. 29 Campus centre 3 en position + 3 en orientation
  • 30. Notations et définitions • Degrés de liberté d’un solide dans l’espace: 30 Campus centre
  • 31. Notations et définitions • Degrés de liberté d’un solide dans le plan: 31 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. Campus centre 32
  • 33. Rotations • 1.Matrice de rotation: • On considère deux repères R et R’ qui ont la même origine O. 33 Campus centre 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: 34 Campus centre Exprimer A’x et A’y en fonction de Ax et Ay ?
  • 35. Rotations • 1.Matrice de rotation • En deux dimensions: 35 Campus centre 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) : 36 Campus centre 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: 37 Campus centre
  • 38. Rotations 38 Campus centre 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 39 Campus centre 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 40 Campus centre 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 41 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. 42 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 43 RotationsCampus centre