Cours de Robotique

Ce cours de robotique offre une introduction complète aux concepts fondamentaux des robots manipulateurs. Il couvre la définition, l'historique, les différentes catégories de robots, leur vocabulaire, leur caractérisation, ainsi que leurs applications et perspectives d'avenir. Ce cours s'adresse aux étudiants de niveau master en ingénierie ou robotique, souhaitant acquérir une base solide sur la modélisation, la commande et l'utilisation des robots.

Objectifs

• Comprendre la définition et l'historique de la robotique.
• Identifier les différentes catégories de robots et leurs caractéristiques.
• Maîtriser le vocabulaire spécifique à la robotique.
• Analyser la géométrie, les performances et les capacités des robots.
• Connaître les types de robots manipulateurs et leurs applications.
• Appréhender les usages actuels et futurs des robots.

Prérequis et préparation

Ce cours suppose une connaissance de base en mécanique et en mathématiques appliquées, notamment en cinématique et dynamique des solides. Il nécessite également une familiarité avec les notions de systèmes mécaniques poly-articulés et de commande automatique. Aucun matériel spécifique n'est requis pour suivre ce cours théorique.

Introduction à la robotique

La robotique est définie comme l'étude des systèmes mécaniques poly-articulés, appelés robots, qui sont actionnés par des moteurs et contrôlés par un calculateur. Le terme « robot » vient du tchèque « robota », signifiant travail. L'historique de la robotique débute en 1947 avec le premier manipulateur électrique téléopéré, suivi par le premier robot programmable en 1954, puis l'apparition des robots industriels dans les années 1960, incluant la commande en effort et l'utilisation de la vision.

Différentes catégories de robots

Les robots se classent en plusieurs catégories :

• Robots mobiles
• Robots sous-marins
• Robots volants
• Robots humanoïdes
• Robots manipulateurs (objet principal de ce cours)

Vocabulaire de la robotique

Pour bien comprendre la robotique, il est essentiel de maîtriser son vocabulaire :

• Actionneur : moteur qui anime une articulation.
• Axe : articulation du robot.
• Corps : segment rigide entre deux articulations.
• Organe terminal : partie finale du robot.
• Effecteur : outil ou dispositif situé à l'organe terminal.
• Base : point fixe ou support du robot.

Caractérisation des robots

Description de la géométrie

Un robot est un système mécanique poly-articulé composé d'articulations prismatiques (translation) ou rotoïdes (rotation). Les caractéristiques géométriques incluent :

• Nombre d'axes (articulations motorisées).
• Architecture (en série ou en parallèle).
• Chaînage des articulations.
• Nombre de degrés de liberté (DDL).

Exemples :

• 3 axes, série, RRR, 3 DDL (trois articulations rotatives).
• 3 axes, série, PPP, 3 DDL (trois articulations prismatiques).
• 4 axes, parallèle, RP+RP, 3 DDL.

Volume accessible

Le volume accessible correspond à l'espace dans lequel l'outil du robot peut se déplacer. Ce volume dépend de :

• La géométrie du robot.
• La longueur des segments.
• Le débattement des articulations, limité par des butées mécaniques.

Précision et répétabilité

La précision absolue du positionnement peut être imprécise (>1 mm) à cause :

• Des erreurs dans le modèle géométrique.
• Des erreurs de quantification de la mesure de position.
• Des flexibilités mécaniques.

La répétabilité est définie comme l'erreur maximale lors d'un repositionnement répété de l'outil en un point donné. En général, la répétabilité est inférieure à 0,1 mm.

Performances dynamiques

• Vitesse maximale : vitesse maximale de translation ou de rotation de chaque axe. Les constructeurs indiquent souvent la vitesse maximale de translation de l'organe terminal.
• Accélération maximale : donnée pour chaque axe dans la configuration la plus défavorable (inertie maximale, charge maximale). Elle dépend fortement de l'inertie et donc de la position du robot.

Charge utile

La charge utile est la charge maximale que le robot peut porter sans dégrader la répétabilité ni les performances dynamiques. Elle est nettement inférieure à la charge maximale liée directement aux actionneurs.

Les différents types de robots manipulateurs

Robots SCARA

• Signification : Selective Compliance Articulated Robot for Assembly.
• Caractéristiques : 3 axes en série, configuration RRP, 3 degrés de liberté.
• Espace de travail cylindrique.
• Précis et très rapide.
• Exemples : Sankyo, Adept.

Robots cylindriques

• Caractéristiques : 3 axes en série, configuration RPP, 3 degrés de liberté.
• Espace de travail cylindrique.
• Très rapide.
• Exemple : Seiko.

Robots sphériques

• Caractéristiques : 3 axes en série, configuration RRT, 3 degrés de liberté.
• Espace de travail sphérique.
• Grande charge utile.
• Exemple : FANUC.

Robots cartésiens

• Caractéristiques : 3 axes orthogonaux deux à deux, série, configuration PPP, 3 degrés de liberté.
• Très bonne précision.
• Lent.
• Exemple : Toshiba.

Robots parallèles

• Plusieurs chaînes cinématiques en parallèle.
• Espace de travail réduit.
• Grande précision grâce à une forte rigidité structurelle.
• Rapide.
• Exemple : COMAU.

Robots anthropomorphes

• Reproduisent la structure d'un bras humain.
• 6 axes en série, configuration 6R, 6 degrés de liberté.
• Exemple d'architecture standard : Kawasaki.
• Architecture à parallélogramme : modèles SN-IRB séries 1, 2, 4, 6.

Ces robots varient en charge utile, rayon d'action et masse :

Modèle	Charge utile (kg)	Rayon d'action (m)	Masse du robot (kg)
Série 1	5-6	1,45	225
Série 4	10-16	1,55	350
Série 2	45	1,95	900
Série 6	120	2,8	2000

Utilisation des robots

Tâches simples

La majorité des robots est utilisée pour des tâches simples et répétitives. Ils sont programmés une fois lors d'une phase d'apprentissage. Les critères de choix pour une solution robotique incluent :

• La simplicité de la tâche à robotiser.
• Les critères de qualité exigés.
• La pénibilité de la tâche (peinture, charges lourdes, environnement hostile, etc.).

Exemples d'applications :

• Robots soudeurs (par points ou à l'arc).
• Robots de palettisation.
• Chargement, polissage, positionnement.

Applications d'avenir : industrie agro-alimentaire, génie génétique.

Tâches complexes

Les robots sont également utilisés dans des tâches complexes, notamment dans la robotique de service :

• Robot pompiste.
• Robot grimpeur.
• Robot laveur d'avion.
• Robot de construction.

En robotique médicale, des systèmes comme Computer Motion™ et Intuitive Surgical™ assistent les interventions, ainsi que l'aide aux personnes handicapées.

Avenir de la robotique

Le nombre de robots utilisés pour des tâches simples stagne, tandis que la croissance est forte pour les robots dédiés à des tâches complexes :

• Robotique de service.
• Robotique d'assistance en recherche biologique et génétique.
• Robotique médicale.
• Robotique ludique.

Résultats attendus

Après ce cours, l'étudiant doit être capable de :

• Définir ce qu'est un robot et connaître son évolution historique.
• Classer les robots selon leur type et architecture.
• Comprendre les notions de géométrie, précision, répétabilité, performances dynamiques et charge utile.
• Identifier les applications adaptées à chaque type de robot.
• Anticiper les évolutions futures dans le domaine de la robotique.

Pièges courants

• Confondre précision et répétabilité : la précision absolue peut être faible alors que la répétabilité est élevée.
• Oublier que la charge utile est inférieure à la charge maximale liée aux actionneurs.
• Ne pas prendre en compte les limites mécaniques des articulations (butées) dans le calcul du volume accessible.
• Confondre les architectures en série et en parallèle, ce qui impacte la rigidité et la précision.
• Ignorer les différences entre les types de robots et leurs espaces de travail spécifiques (cylindrique, sphérique, cartésien).