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Cours de robotique
fondamental

David.Daney sophia.inria.fr

Projet Coprin
INRIA Sophia Antipolis

D. Daney INRIA

Cours Robotique

200x

1 / 165

Outline
1

Introduction
Historique
Les robots
Domaines d’expertises
Domaînes d’applications

2

Représentation des transformations et des mouvements rigides
Notion de degrés de liberté
Un exemple simple
Représentation des transformations rigides

3

Les manipulateurs
Notion de liaisons
Les chaînes cinématiques
Les robot séries
Les robots parallèles

4

Les modèles des robots manipulateurs
Le Modèle Géométrique Direct/Inverse
Les Modèles Cinématiques Direct/Inverse
Le Modèle Statique
Les Modèles Dynamiques

5

Notions complementaires des robots

D. Daney INRIA

Cours Robotique

200x

2 / 165

Être artificiel et corvéable :

Il y a 4000 ans, Talos, l’homme de
cuivre, option catapultes et lance
flamme. Le Dieu Héphaïtos l’a forgé et
offert au roi Minos en Crète pour
défendre cette île des envahisseurs.
Talos

Selon le chant XVIII de l’Iliade (Homère,
IXe siècle avant J.C.) Héphaïstos
(Vulcain) fut le premier fabricant de
créatures artificielles "techniques".
Mythe de Pigmalion, jeune roi de
Chypre, un homme "crée" la vie.
384-322 av JC Aristote, Machines pour
accomplir nos tâches

Aristote
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Les premières réalisations
Avant IXèmes siècle (entre mythe et réalité):

En Égypte, mâchoire articulé d’un
masque Anubis, le bras de Amon
bouge pour designer le nouveau
pharaon.
Ctébios et Heron d’Alexandrie,
fontaines avec des figures animées
et des oiseaux qui chantent.
Systèmes hydrauliques ou
pneumatiques (270 av. J-C).
Champs d’application : ludique, mais
pourquoi pas militaire

Automate, Heron

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En Chine, les sphères armillaires
équatoriales (assemblage d’anneaux
ou de globes figurant les
mouvements célestes) de Guo
Shouchang (52 av. J-C)

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Les premiers automates (Horloges et fontaines)
IXèmes - XIIIèmes siècle:

809, le sultan Haroun Al-Rachid offre
à Charlemagne le premier automate
mécanique (horloge).
fin 12ième, les fontaines d’Al-Jazari
pour le confort de l’homme. (système
pouvant nous rappeler la chasse
d’eau de nos toilettes)
1193-1280 L’évêque Albert le Grand
aurait passé trente ans à construire
un robot fait de métal et de bois que
son élève, le futur saint Thomas
d’Aquin, persuadé que cela avait
quelque chose à voir avec le démon,
envoya au feu
Fontaine, Al-Jazari
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Les premiers automates (Horloges et fontaines)
XIIIèmes - XVIIèmes siècle:
13ième-15ième Automates
mécaniques, hydrauliques etc. En
1350, on a érigé sur la Cathédrale de
Strasbourg un coq mécanique qui
battait ses ailes et chantait tous les
jours à midi. Les jacquemarts, ces
figurines frappant les heures en
enchaînant toutes sortes de
mouvement.
1496-1499 La tour de l’horloge,
Venise.

Horloge, Venise

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1452-1519 Léonard de Vinci
(1452-1519), développe un lion
articulé qu’il fait marcher à l’aide de
roues et d’engrenagesdevant le roi
François Ier. "La science des
automates doit s’inspirer à la fois de
la mécanique et de l’anatomie.
Cours Robotique

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Les premiers automates programmable
(Horloges et fontaines)
IXèmes - XVIIèmes siècle:

1576-1626 Salomon de Caus,
mécanismes hydrauliques et la
première machine programmable.
Automate hydraulique,
Salomon de Caus

1642 Pascal invente la Pascaline,
première calculatrice.
fin XVII Thomas Hobbes estime que
penser et calculer ne font qu’un.
René Descartes assimile le corps
des animaux à un automate.

La Pascaline
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Les automates XVIIIème siècle
Imitation des mouvement de l’humain

1721-1790 Pierre Jacquet-Droz, Un
écrivain, un dessinateur et une
joueuse de tympanon (piano
simplifié).

"Sa poitrine se soulève et
s’abaisse comme dans la
respiration, sa tête remue, ses
yeux regardent tantôt ses mains,
tantôt la musique, et tantôt les
auditeurs ; elle se penche sur la
partition comme pour mieux lire
ou écouter, et à la fin de la
partition elle salue poliment"

La joueuse de tympanon

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Les automates XVIIIème siècle
Imitation des mouvement de l’humain

Le joueur d’échecs (1770, Wolfgang von Kempelen)

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Les automates XVIIIème siècle
Imitation des mouvement de l’humain
1709-1782 Jacques de
Vaucanson,
Le Flûtiste, dont les lèvres

et les doigts jouent une
douzaine de mélodies à la
flûte traversière ;
le Canard, qui peut picorer
du grain, boire et éjecter
des crottes (dixit
Vaucanson) ;
un joueur de tambourin et de
flageolet (genre de flûte à

bec) reproduisant 20 airs
diffèrents.
Un système de
programmation de l’automate.
Le programme est constitué
par un cylindre à picots,

Le canard
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comme ceux qui équipent
encore, de nos jours,200x

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Les automates XIXème siècle
Utilisation industrielle
1709-1782 Jacques de
Vaucanson,
nommé inspecteur des
manufactures de soie, a l’idée
d’utiliser son cylindre à picot
pour programmer les métiers
à tisser. C’est le premier
automate utile.
1805 Joseph-Marie Jacquard,
programmation par cartes
perforées.
Charles Babbage adapte
l’idée pour les calculatices.
1943, dans le premier
ordinateur, le Mark I, utilisé
par la marine américaine pour
calculer la trajectoire des
obus.

Machine à tisser

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Les automates XIXème siècle
Utilisation industrielle

1890 Thomas Edison,
une poupée parle grace à une
phonograghe.

1898 Nikola Tesla,
bateau controlé sans fils
Bateau télécommandé

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La notion de robotique au XXème siècle
1816 Mary Shelley, le docteur
Frankenstein
1921 Karel Capek (écrivain
tchéque, 1890-1938) invente
le mot "Robot" (Robota, travail
forcé , tâche pénible ,
servitude).
La pièce RUR, les Robots
Universels de Rossum décrit
la révolte de robots !
1926 Fritz Lang, Metropolis
1941 Isaac Asimov, invente le
terme "Robotique", prédit
l’augmentation de la robotique
industrielle. Il recadre les
robots en temps que machine
servant l’homme et
non-dangeureuse.

RUR

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Les Robots du XXème siècle

1935 Machine de Turing,
Alan Mathison Turing.

Enigma

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Les Robots du XXème siècle

1961 Unimate,
General Motors

1970 Shakey,
Stanford Research Institute.
1947 premier manipulateur électrique téléopéré.
1954 premier robot programmable.
1961 apparition d’un robot sur une chaîne de
montage de General Motors.

1968 Walking Truck,
General Electric

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1961 premier robot avec contrôle en effort.
1963 : utilisation de la vision pour commander un
robot.
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Outline
1

Introduction
Historique
Les robots
Domaines d’expertises
Domaînes d’applications

2

Représentation des transformations et des mouvements rigides
Notion de degrés de liberté
Un exemple simple
Représentation des transformations rigides

3

Les manipulateurs
Notion de liaisons
Les chaînes cinématiques
Les robot séries
Les robots parallèles

4

Les modèles des robots manipulateurs
Le Modèle Géométrique Direct/Inverse
Les Modèles Cinématiques Direct/Inverse
Le Modèle Statique
Les Modèles Dynamiques

5

Notions complementaires des robots

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Définitons
Un robot est un système mécanique poly-articulé mû par des actionneurs et
commandé par un calculateur qui est destiné à effectuer une grande variété de
tâches.
"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 concu pour deplacer 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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Définitons

"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

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Cours Robotique





















































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































Informations
exteroceptifs
































































































































































Actionneurs






















































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































































Systéme de communication











































































































Système de commande

























































































































Systéme de décision

































































































Structure mécanique











































































Robot































Environnement


























































Capteurs
propriocétifs



















































































































































































































Définition

Génération 3

Joystick
Boite à bouton
Clavier
...

200x
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Robotique mobile
Robots mobiles

Robots volants

Anis, Icare, INRIA

AirRobot GmbH & Co.KG

Robots sous-marins
Problèmes de commande
Intégration des informations fournies
par des capteurs

TAIPAN, Lirmm, CNRS
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Robotique bio-inspirée

Hexapode
Bipéde 15 dll

Quadipode

Bipéde oiseau
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21 / 165

Micro-, Mano- robotique

Robot mobile

Nano robot parallèle

Nano moteur
Interaction avec le sang
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22 / 165

Robotique des manipulateurs
Robots Hybrides (parallèle/série)

Robots séries

Kuka
Tricept, Neos
Robots parallèles
Robots à câbles

Delta, ABB

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Système à retour d’effort (Haptic)
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23 / 165

Outline
1

Introduction
Historique
Les robots
Domaines d’expertises
Domaînes d’applications

2

Représentation des transformations et des mouvements rigides
Notion de degrés de liberté
Un exemple simple
Représentation des transformations rigides

3

Les manipulateurs
Notion de liaisons
Les chaînes cinématiques
Les robot séries
Les robots parallèles

4

Les modèles des robots manipulateurs
Le Modèle Géométrique Direct/Inverse
Les Modèles Cinématiques Direct/Inverse
Le Modèle Statique
Les Modèles Dynamiques

5

Notions complementaires des robots

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24 / 165

Domaines d’expertises

Analyse numérique, Optimisation,
Géométrie algérique, Algorithmique,
Mécanique
Automatique
Informatique
Mathématique appliquée

Vision par ordinateur, Traitement
d’images,
Intelligence artificielle,
CAO,
Mécatronique,
Psychologie , Expertise Médicale
...

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25 / 165

Outline
1

Introduction
Historique
Les robots
Domaines d’expertises
Domaînes d’applications

2

Représentation des transformations et des mouvements rigides
Notion de degrés de liberté
Un exemple simple
Représentation des transformations rigides

3

Les manipulateurs
Notion de liaisons
Les chaînes cinématiques
Les robot séries
Les robots parallèles

4

Les modèles des robots manipulateurs
Le Modèle Géométrique Direct/Inverse
Les Modèles Cinématiques Direct/Inverse
Le Modèle Statique
Les Modèles Dynamiques

5

Notions complementaires des robots

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26 / 165

Domaînes d’applications
de la robotique industrielle à la robotique de service

Pour une grande majorité des robots ...
tâche simple
tâche répétitive (grande série)
qualité sur la tâche (vitesse, précision)
pénibilité de la tâche (peinture, charge lourde, environnement hostile, ...).
L’avenir est à l’autonomie ...
tâche complexe
interaction avec l’environement (+ utilisateur)
module de décision (+ sécurité)

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27 / 165

La robotique industrielle
Automobile

Robot soudeur

Robot peintre

Chaîne d’assemblage
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28 / 165

La robotique industrielle
Chaîne de production (industrie)

Chaine de production (ABB)

Manipulateur rapide (ABB)
Manipulateur fonderie (ABB)
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29 / 165

Environnement hostile
Nucléaire

Figure: Robot décontamineur

Figure: Téléopération

Figure: Robot adapté au milieu
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nucléaire

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Environnement hostile
Exploration spatiale

Spirit, NASA, 2003 sur Mars

Sojourner, NASA, 1997 sur Mars
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Canadarm 1 et 2

Beagle 2
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31 / 165

Environnement hostile
Exploration sous-marine

Robot sous-marin
Scorpio 2000, France Télécom

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Agriculture

Tracteur autonome

Robot pour planter les melons
Récolte de concombre
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33 / 165

Sécurité, Militaire

Robot reconnaissance Irak 2003

Demineur

Drone Predator General atomics

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34 / 165

Service à la clientèle

CyCab

Aspirateur

Laveur de vitres (C. Pompidou) - Robosoft

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35 / 165

Loisirs

Aibo, Sony

Robot Cup

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Robotique selon Lego

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36 / 165

Humnoïde

Robot visage

P3 et Asimo, Honda

Expression du visage
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37 / 165

Médicale

Manipulateur pharmacetique
Manipulateur hospitalié

Manipulateur pharmacetique
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Mélangeur pharmacetique
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38 / 165

Chirurgie

da Vinci
Endoscope MIPS, Inria

Simulation, Chir, Inria

Physik Instrumente
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1

Introduction
Historique
Les robots
Domaines d’expertises
Domaînes d’applications

2

Représentation des transformations et des mouvements rigides
Notion de degrés de liberté
Un exemple simple
Représentation des transformations rigides

3

Les manipulateurs
Notion de liaisons
Les chaînes cinématiques
Les robot séries
Les robots parallèles

4

Les modèles des robots manipulateurs
Le Modèle Géométrique Direct/Inverse
Les Modèles Cinématiques Direct/Inverse
Le Modèle Statique
Les Modèles Dynamiques

5

Notions complementaires des robots

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40 / 165

Degrés de liberté
dans l’espace

Combien de degrés de libertés a un solide dans l’espace ?
ou encore... Combien de paramètres indépendants (nombre minimal)
sont-ils nécessaires pour définir la situation (positionnement) du solide
dans l’espace (par rapport à un repère de référence) ?

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41 / 165

Degrés de liberté
dans l’espace

3 en position

6

3 en orientation

α
β
P

P
γ

Z

Y

Y

X

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Z

X

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Degrés de liberté
dans l’espace

3 en position

6

3 en orientation

α
β
P

P

γ

Z

Y

Y
X

X

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Z

Cours Robotique

200x

42 / 165

Degrés de liberté
dans l’espace

3 en position

6

3 en orientation

α
β
P

P

γ

Z

Y

Y
X

X

D. Daney INRIA

Z

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42 / 165

DDL d’un solide
dans l’espace

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43 / 165

DDL d’un solide
dans le plan

Quels sont les degrés de liberté de la "brosse à effacer" se
déplaçant sur le tableau ?

Y

θ
X

2 en position (X,Y), 1 en orientation (θ)

D. Daney INRIA

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200x

44 / 165

DDL d’un solide
dans le plan

Quels sont les degrés de liberté de la "brosse à effacer" se
déplaçant sur le tableau ?

Y

θ
X

2 en position (X,Y), 1 en orientation (θ)

D. Daney INRIA

Cours Robotique

200x

44 / 165

Outline
1

Introduction
Historique
Les robots
Domaines d’expertises
Domaînes d’applications

2

Représentation des transformations et des mouvements rigides
Notion de degrés de liberté
Un exemple simple
Représentation des transformations rigides

3

Les manipulateurs
Notion de liaisons
Les chaînes cinématiques
Les robot séries
Les robots parallèles

4

Les modèles des robots manipulateurs
Le Modèle Géométrique Direct/Inverse
Les Modèles Cinématiques Direct/Inverse
Le Modèle Statique
Les Modèles Dynamiques

5

Notions complementaires des robots

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45 / 165

Un exemple simple
Toto le petit robot

Roues

Il se deplace en ligne droite

Il tourne
θ

X

Vue de haut Vue de profile

t

Y

Toto le petit robot.

Déplacements de Toto.

Questions :
Dans le plan, quel sont les coordonnées d’un solide ?
Quel sont les degrés de liberté du robot ?
Est-ce équivalent ?
I
I

Le robot avance de t puis tourne de θ.
Le robot tourne de θ puis avance de t.

Donner les coordonnées du robot.
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Un exemple simple
Positionnement d’un objet

X

A partir d’une position initiale, le robot
tourne de θ puis avance de t. Donner sa
nouvelle position

Y
Position initiale
X = t × cos(θ)
Y = t × sin(θ)
Θ=θ
Y

ou bien
t

0

1
t. cos(θ)
X = @ t. sin(θ) A
θ

θ

X

Position initiale
D. Daney INRIA

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200x

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