Prototype de robot sériel à 7 ddl partiellement équilibré statiquement
Un bras sériel à 7 degrés de liberté (DDL) partiellement équilibré statiquement a été mis au point au laboratoire de robotique dans le but de tester une nouvelle technique d'équilibrage et de fournir une plateforme de travail pour la recherche sur la collaboration humain-robot. Afin d'assister un humain dans ses tâches, un robot doit pouvoir déplacer des charges de plusieurs kilogrammes, au sein même de l'espace de travail de l'humain. La puissance du robot doit donc être minimisée afin d'assurer la sécurité de l'usager, sans toutefois compromettre l'exécution de la tâche. Le robot doit de plus être facile à déplacer (rétrocommandable), intuitif à opérer et suffisamment agile pour ne pas limiter l'usager dans ses tâches.
La figure 2 montrent les différentes composantes du prototype. L'épaule ainsi que le coude sont muni de limiteur de couple afin de réduire la force d'un éventuel impact. Des encodeurs auxiliaires permettent de détecter qu'un moteur s'est désengagé suite à une collision et permettent de connaître en tout temps la position du robot. Le bras et l'avant-bras sont équilibrés statiquement par des vérins à membranes reliés au banc d'équilibrage. Le coude est muni de 2 pivots mais d'un seul actionneur. Relié par des câbles, ces 2 pivots forment un joint roulant qui permet une rotation de +- 180 degrés du coude. Le poignet, compact et puissant, possède 3DDL. Une main Robotiq sous-actionnée à 3 doigts, installée sur un capteur de forces/moments ATI, complète le robot et permet la manipulation de charges de 10 kg.
Le mécanisme utilisé pour l'équilibrage du bras est présenté aux figures 3 et 4. La structure en parallèlogramme permet de conserver un repère vertical pour la prochaine membrure. Ceci rend l'équilibrage du bras insensible à la configuration des membrures suivantes. Un cylindre à membrane relié au banc d'équilibrage fournit la force d'équilibrage ainsi que la force d'actionnement du mécanisme. Cette configuration du vérin à l'intérieur de la membrure a l'avantage d'être simple de conception. La vidéo Animation du bras permet de bien en comprendre le fonctionnement.
d'équilibrage du bras.
Les figures 5 et 6 montrent le mécanisme d'équilibrage utilisé pour l'avant-bras. L'interférence causée par le moteur du poignet empêche d'utiliser la même configuration que pour le bras. Dans cette configuration, le vérin demeure parallèle à la membrure du bas ce qui simplifie grandement la gestion des interférences mécaniques. Le vérin pousse sur un chariot relié à la base par des membrures en tension. Cette configuration, légèrement plus complexe que celle du bras, demeure néanmoins très efficace. L'espace libéré dans la membrure du haut permet d'y insérer l'électronique pour le contrôle des moteurs du coude et du poignet. La vidéo Animation de l'avant-bras montre le fonctionnement du mécanisme.
de l'avant-bras.
Le robot nécessite l'utilisation d'un banc d'équilibrage. C'est le banc d'équilibrage qui fournit la pression aux vérins à membrane qui supportent et actionnent le robot. La figure 7 montre une vue en coupe du banc d'équilibrage et la vidéo Interaction entre le bras et le banc d'équilibrage montre l'interaction entre le robot et son banc d'équilibrage. Le banc d'équilibrage contient en fait 2 bancs d'équilibrage en un seul ; ils sont supperposés. Le vérin à membrane du bas génère la pression pour le cylindre à membrane du bras du robot, tandis que le vérin à membrane du haut génère la pression pour le vérin à membrane de l'avant-bras du robot. Des contrepoids installés sur les 2 plateaux génèrent les forces d'équilibrage statique qui seront transmises au robot. Des actuateurs utilisant des vis à billes permettent d'ajouter aux forces statiques de poussée, des forces d'actionnement pour le déplacement du robot. À cela s'ajoute un contrepoids mobile qui permet d'ajuster l'équilibrage au poids de l'objet manipulé par le robot, jusqu'à concurrence de 10 kg.
Bien que la supperposition des bancs d'équilibrage en un seul ait ses avantages, elle réduit la qualité de l'équilibrage obtenu en couplant les 2 DDLs. La figure 8 permet de comprendre le comportement passif du robot. L'énergie potentielle du robot, en fonction de l'angle du bras et de l'avant-bras, a été estimée en mesurant les erreurs d'équilibrage. Comme les systèmes physiques se déplacent naturellement vers les zones de moindre énergie potentielle, le robot aura naturellement tendance à se déplacer des zones rouges vers les zones bleues, soit vers la position horizontale.
La figure 9 montre les forces de rétrocommandement du robot à partir de la position horizontale. Il est donc facile de déplacer le robot manuellement, et donc de lui enseigner une trajectoire. La vidéo Démonstration de programmation par démonstration montre un example de tâche enseignée au robot en mode passif, donc de manière sécuritaire.
Enfin, la vidéo Animation du montage complet montre l'intégration complète du système. Le banc d'équilibrage est hors de l'espace de travail du bras. Des tuyaux d'acier remplis d'eau relient le robot au banc d'équilibrage. Des réservoirs au sommet de la structure permettent de remplir le système.