2 Introduction

Dans beaucoup d'applications de la robotique on utilise le robot pour amener un objet d'une position à une autre. C'est typiquement le cas dans les opérations d'emballages où les produits sont initialement dans des contenants et doivent être chacun déposés dans une position fixée dans une boîte.

2.1 La mécanique d'un robot $\rightarrow$

Tous les robots utilisent des composants de base:

• des articulations: ce sont des mécanismes qui permettent le mouvement d'un corps par rapport à un autre. Par exemple dans un vélo les roues et le guidon sont montées sur une articulation qui permet leur rotation autour d'un axe fixe. Dans une grue un autre type d'articulation permet de faire déplacer le chariot le long d'un axe. Une articulation relie donc deux corps solides et permet le mouvement de l'un par rapport à l'autre.
• des segments: ce sont des corps solides sur lesquels vont être fixés des articulations

On trouve cette architecture par exemple dans un bras humain. Nous avons un segment qui est notre tronc sur lequel est fixé l'articulation de l'épaule qui permet à notre humérus (l'os de notre bras) de bouger par rapport au tronc. A l'autre extrémité de l'humérus une autre articulation, le coude, permet à l'avant bras de bouger par rapport à l'humérus. A l'autre extrémité de l'avant bras nous avons l'articulation du poignet qui permet à la main de bouger. On retrouve le même principe dans chacun de nos doigts.

Dans les structures décrites on peut remarquer que on a toujours une succession segment-articulation tout le long du robot: c'est ce que l'on appelle une structure série. Une grande partie des manipulateurs industriels utilise ce type de structure mécanique (figure 2).

Figure 2: Un robot industriel typique (photo Staubli)

: le mot série se justifie par une analogie avec les circuits électriques que l'on qualifie de série lorsque les composants sont placés à suite les uns des autres et de parallèle lorsque plusieurs composants partagent le même point d'entrée et de sortie

2.2 Actionnement d'un robot $\rightarrow$

La structure mécanique décrite ci-dessus permet des mouvements mais nous n'avons pas encore parlé des organes qui vont créer le mouvement. Dans le cas du bras humain ce sont les muscles qui vont permettre le mouvement en modifiant la position de l'humérus, de l'avant-bras et de la main Pour un vélo à assistance électrique c'est un moteur électrique rotatif qui fait tourner la roue du vélo. Il en sera de même pour un robot dont les articulations permettant une rotation seront rendues actives par ce type de moteur. Le robot est donc maintenant actionné. Un opérateur peut alors commander le robot. Par exemple pour une grue le grutier fait tourner la grue grâce au moteur électrique placé à sa base, fait glisser le chariot puis déroule le câble qui fait monter ou descendre la charge. Quand c'est un humain qui donne les ordres de mouvement aux moteurs on parle de mode téléopéré. Mais ce mode ne convient pas pour les robots qui doivent accomplir des tâches automatiquement comme, par exemple saisir, un objet en une position connue puis lui faire suivre une trajectoire pour enfin le déposer précisément en un autre endroit.

2.2.1 Les capteurs

Imaginons par exemple une grue automatique qui devrait déposer des parpaings d'un camion vers un lieux de stockage. La grue devra alors s'orienter d'abord dans la direction du camion (supposé connue), soulever la charge puis tourner en direction du lieu de stockage (lui aussi connu). Pour aligner la grue avec le camion le grutier envoit le courant dans le moteur et le stoppe quand il voit visuellement que la grue a tourné de la quantité voulue. Il utilise donc de la perception, sa vue, pour arrêter le mouvement. Dans un système automatique on va procéder autrement: un système de vision va déterminer de combien et dans quel sens doit tourner la grue pour être dans l'axe du camion et on place sur l'axe du moteur un dispositif, dit capteur, qui mesure de combien le moteur tourne. Pour faire simple l'ordinateur qui va contrôler la grue reçoit l'information du capteur, envoit le courant dans le moteur et le stoppe lorsque la grue a tourné de la quantité voulue.

Ce principe de fonctionnement est employé dans tous les robots même les plus sophistiqués comme les robots humanoïde, les drones, les robots d'exploration spatiales ou sous-marine. La différence entre ces robots et le simple robot de manipulation est qu'il va y avoir plusieurs de ces systèmes et que leur mouvement doit être cohérent pour réaliser un objectif: par exemple dans un robot humanoïde il faut contrôler simultanément les mouvements des jambes, des bras et du tronc pour que le robot marche en équilibre.

: Pour mesurer une rotation on peut utiliser un codeur optique. Sur l'axe qui tourne on place un disque circulaire transparent sur lequel on place à intervalle régulier des secteurs opaques (figure  3).

Figure 3: Le disque d'un codeur optique

D'un côté du disque on place une source lumineuse et de l'autre côté un récepteur de lumière. Ce récepteur fournit une tension, disons 5V, lorsqu'il est éclairé et ne fournit pas de tension (il est à 0V) lorsqu'il ne reçoit pas de lumière. Supposons le moteur arrêté avec le disque dans une position où la source de lumière est en face d'un secteur opaque: le récepteur est alors à 0V. Lorsque le moteur, et donc le disque, tourne l'émetteur de lumière va se trouver en face d'un secteur transparent et le récepteur passe à 5V. Si la rotation continue le disque va à nouveau devant un secteur opaque et le récepteur passe à 0V et ainsi de suite. Le récepteur fournit donc un signal qui est une succession de 0V, 5V, 0V, 5V et ainsi de suite. Un système électronique va alors détecter quand le signal passe de 0V à 5V. Supposons qu'il y ait 360 secteurs opaques et transparents sur le disque, donc 720 secteurs au totale. Pour que la source lumière passe d'un secteur opaque à un transparent le moteur doit donc avoir avoir tourné de 1/2 degrés. Chaque passage de 0 à 5V du récepteur indique donc une rotation de 1/2 degrés. Si l'on compte un nombre $n$ de ces passages on sait alors que le moteur à tourné de $0.5n$ degrés. Plus exactement on peut dire que le moteur a tourné d'au moins $0.5n$ degrés mais de moins que $0.5(n+1)$ degrés: la mesure n'est donc pas exacte mais l'erreur de mesure sera relativement faible.

La vidéo ci-dessous montre le fonctionnement du codeur. Le cercle en vert dans le disque représente l'émetteur et le cercle en dehors du cercle le signal du récepteur qui passe en vert lorsqu'il reçoit de la lumière ou est en rouge s'il n'en reçoit pas.

VIDEO

Ce type de capteur a toutefois un défaut. Il ne mesure que la rotation relative à la position de départ et donc on ignore l'angle de rotation de la grue à ce moment. Il existe des codeurs qui n'ont pas ce défaut mais ils sont coûteux.

: Si l'on coupe le courant du moteur lorsque le capteur indique qu'il a tourné de la quantité voulue la vitesse du moteur ne va pas tomber à 0 immédiatement à cause de l'inertie mécanique. A l'arrêt du moteur il aura donc tourné un peu plus que nécessaire. Il est peut être plus habile d'envoyer au moteur une tension qui est proportionelle à la différence entre la rotation souhaitée et la rotation mesurée par le capteur. Ainsi, moins alimenté, le moteur va progressivement ralentir lorsqu'il s'approche du but souhaité.

Lorsque l'on applique une tension au moteur qui dépend de la rotation souhaitée et de celle mesurée on parle alors de loi de commande. Le but de la discipline scientifique automatique est justement d'élaborer des lois de commande qui permettent d'atteindre au mieux l'objectif souhaité

2.3 Des besoins spécifiques en robotique

De nombreux robots de type bras humains sont à l'oeuvre dans l'industrie pour déplacer une charge. Il ont toutefois des limitations:

• ils ne sont pas les plus appropriés pour déplacer des charges très lourdes. Par exemple pouvez vous imaginer porter pendant très longtemps une charge de 20 kg à bout de bras ?
• ils ne peuvent pas déplacer la charge dans un volume très important. Il est difficile d'imaginer un bras de type humain qui déplacerait la charge sur 100 mètres et la plupart des bras industriels ne peuvent pas atteindre un objet qui est à plus de quelques mètres de leur base
• il paraît difficile d'imaginer un humain évoluant à proximité immédiate de ces machines puissantes et rapides, constituées de corps métalliques solides donc dangereux

Pourtant il y a besoin de robots pouvant porter des charges lourdes sur de grandes distances dans des domaines divers. Donnons en quelques exemples

• dans le domaine de la santé il serait intéressant d'aider les personnes fragiles à se déplacer partout dans une pièce, tâche pour les aidants qui est difficile et physiquement éprouvante
• dans le domaine agricole pour pouvoir désherber et traiter des plants spécifique sans s'appuyer sur les sols pour éviter le compactage
• dans les domaines de la construction, logistique ou de la maintenance pour placer précisément des charges lourdes
• comme assistant à des travailleurs sans risque pour leur sécurité. C'est ce que l'on appelle la cobotique
• dans le domaine de la sécurité par exemple pour intervenir dans les opérations de déblaiement après un tremblement de terre ou pour agir dans des lieux inaccessibles à l'humain car contaminés

Ce sont justement des tâches qu'il est possible d'accomplir avec des robots parallèles à câbles.