Master 2 presentation statge m2

contribution à l’étude mécanique et à la mise en œuvre d’un robot parallèle

translateur

Renaud HENRYResponsable de stage : Marc ARSICAULT

Master 2 Mécatronique et MicrosystèmesUFR Besançon

2010/2011

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

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


0 50 100 150 200 250 3000

1

2

3

4

5

6

7

8

Rb (mm)

Volu

me d

m3

Domaine atteignable avec Fuc=0.5 N



Développement d’un robot parallèle de type translateur

Poursuite de l’étude

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


3 départements :

Physique et Mécanique des Matériaux

Fluides, Transferts et Combustion

Génie Mécanique et Systèmes Complexes

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



Robot parallèle translateur

chaines actives : Mise en translation

chaines passives : Blocage des rotations

2009 2010/2011



Paramètres géométrique du robot (chaînes actives)

Longueur des vérins

Qmin : longueur minimale

Qmax : longueur maximale


Ecartement des vérins

Rb : Rayon de base

Représentation

complète

Représentation

Simplifiée

𝑅𝑏 = 𝑅2 − 𝑅1

𝑅𝑏 ≥ 0

𝐴1𝐴2 = 𝐴′1 𝐴′2

𝑄𝑚𝑎𝑥 ≥ 𝐴′1 𝐴′2 ≥ 𝑄𝑚𝑖𝑛

Objectifs :

Maximiser l’espace de travail

Garantir une charge utile

Livrables :

Algorithme d’optimisation

Toolbox Matlab

Optimisation


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

Existant :

Optimisation géométrique

Rb : rayon de base

Alpha : angle de base

Optimisation


50 100 150 200 250 300 350 4000

200

400

600

800

1000

1200

Forces Fg en N

eff

ectitf

des c

lasses

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 3000

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Rb (mm)

Vo

lum

e d

m3

Optimisation


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



0 50 100 150 200 250 3000

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Rb (mm)

Volu

me d

m3

Domaine atteignable

Espace de travail fonctionnel

0 50 100 150 200 250 3000

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Rb (mm)

Volu

me d

m3

Domaine atteignable

Espace de travail fonctionnel

non oui

no

n Domaine

atteignable

Domaine

sthénique

atteignable

ou

i espace de travail

fonctionnel

espace de travail

sthénique

fonctionnel

Co

ntr

ain

te d

e

com

man

dab

ilit

é

Contrainte sthénique

Observations :

Charge utile (Fu) variable de 350 N à 70 N

Charge utile inférieure à la charge d’un vérin.

Optimisation


50 100 150 200 250 300 350 4000

200

400

600

800

1000

1200

Forces Fg en N

eff

ectitf

des c

lasses

Figure 320 : histogramme Forces Fg en N 100-0prcentValue dans l espace Cartésien

X

Y

Vérin 1

Vérin 3

Vérin 2

F1=-120 NF2=-120 NF3=-120 N

F1=-120 NF2= 27 NF3= 27 N

F1=-120 NF2=0 NF3=0 N

Fu=350 N Fu=70 NFu=120 N

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

100

200

300

400

Charg

e u

tile

(N

)

Déplacemement (mm)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180-150

-100

-50

0

50

Charg

e v

érin 2

et

3 (

N)

Résultats :

Forte influence de la contrainte sthénique

Rb optimum >> 0

Faible influence de la contrainte de commandabilité

Perte de volume faible

Optimisation


0 50 100 150 200 250 3000

1

2

3

4

5

6

7

Rb (mm)

Volu

me d

m3

Espace de travail fonctionnel avec Fuc=0.5 N



0 50 100 150 200 250 3000

1

2

3

4

5

6

7

8

Rb (mm)

Vol

ume

dm3




0 50 100 150 200 250 3000

10

20

30

40

50

Rb (mm)

Volu

me d

m3

Domaine atteignable sans Fuc




Objectifs :

Commande en position du robot

Génération de trajectoires

Livrables

Commande « bas niveau »


Commande


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


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


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

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


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


0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4-20

-10

0

10

20

t(s)

Um

ot

(V)

Tension du moteur

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4-20

0

20

40

t(s)

Positio

n (

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)

Pos

tion

(mm

)

Essau à charge 5Kg 2

Expérimentation,

Simulation

Asservissement

Correcteurs :

Proportionnel intégral (PI)

Boucles cascades position-vitesse

Proportionnel dérivé (PD)

Proportionnel simple (P)

Commande


Instable

A-coups

Oscillations visibles

Stable

Oscillations audibles

Précision faible (0,2 à 0,5 mm)


GEMMA :

5 modes manuels

5 modes automatiques

IHM :

Commande


MANUEL AUTO

DCY

RAZ INIT

STOP

Boutons

Mode

manuelsRepère Actions

F41 Articulaire

F42 Cartésien

F43 Articulaire

F44 Cartésien

F45Ouverture - 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

automatiquesActions

F11Utilisation 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)

F14Envoi 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

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)

Consig

ne v

érin 1

(m

m)

0 5 10 15 20 25 30 35

50

100

150

200

t(s)

Consig

ne v

érin 3

(m

m)

0 5 10 15 20 25 30 35

50

100

150

200

t(s)

Positio

n v

érin 1

(m

m)

0 5 10 15 20 25 30 35

50

100

150

200

t(s)

Positio

n v

érin 3

(m

m)

0 5 10 15 20 25 30 35-5

0

5

t(s)

Err

eur

vérin 1

(m

m)

0 5 10 15 20 25 30 35-5

0

5

t(s)

Err

eur

vérin 3

(m

m)

0 5 10 15 20 25 30 35

-20

0

20

t(s)

Um

vérin 1

(V

)

0 5 10 15 20 25 30 35

-20

0

20

t(s)

Um

vérin 3

(V

)

0 5 10 15 20 25 30 35-2

0

2

t(s)

Im v

érin 1

(A

)

0 5 10 15 20 25 30 35-2

0

2

t(s)

Im v

érin 3

(A

)Master 2 MTMS - Renaud HENRY Stage 12/07/2011- 20

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)

bu

dg

et (

Ke

uro

)

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

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


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


Des questions ?

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

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