Modélisation en robotique et robotique autonome (09_O-MRA)

• Coefficient : 6
• Volume Horaire: 150h estimées de travail (dont 84h EdT)
  CM : 39h encadrées
  TD : 15h encadrées
  Labo : 18h encadrées (et 12h de séances d'études dirigées)
  Travail personnel hors EdT : 66h

Liste des AATs

Description

• Compétences : La première compétence est de savoir élaborer, à l’aide de méthodes partagées par tous les roboticiens, les modèles géométrique, cinématique et dynamique, permettant l'ingénierie et la commande des robots industriels. Le deuxième est l’ingénierie des robots mobiles autonomes à travers la modélisation, la perception et le contrôle-commande. La commande est abordée dans la cadre des robots mobiles à roues dans le plan.

• Programme :

  1. Modélisation en Robotique Industrielle - P1
  • principes généraux, rotations 3D, changements de base, matrices homogènes
  • modélisation géométrique (positions, orientations, inversion, degrés de liberté)
  • modélisation cinématique (matrice jacobienne, inversion, singularités cinématiques)
  • modélisation dynamique (méthode de Newton-Euler et formalisme double-récursif)
  • Application : Modélisation du porteur IRB140, simulations numériques (Scilab)
  2. Robotique Mobile et Autonome - P2
  • introduction, domaines et applications de la robotique mobile
  • techniques de modélisation et de perception de la locomotion à roues
  • contrôle-commande des robots mobiles à roues dans le plan, basé modèle
  • Application : Labos ou Mini Projets avec les robots LEGO Mindstorms (EV3)

Acquis d'Apprentissage visés (AAv)

1. Modélisation en Robotique Industrielle - P1

• AAv1 [heures: 12.5, A3, B2, B3] : À la fin du semestre, les étudiants de MRA seront capables de comprendre et caractériser les différents espaces dans lequel évolue le robot et décrire les modèles et leurs caractéristiques associées, en faisant les liens entre eux. Ceci inclue:

  • l'espace cartésien du robot, menant aux positions, vitesses et efforts cartésiens
  • l'espace articulaires du robot, menant aux positions, vitesses et efforts articulaires
  • l'espace opérationnel du robot et sa mobilité, menant aux notions de sous-actionnement/redondance
  • l'espace de travail du robot, intégrant les butées articulaires, collisions et dimensions géométriques
  • la caractérisation des différents modèles régissant le comportement du robot et leurs liens avec les espaces

• AAv2 [heures: 12.5, A3, B1, B2, B3, D2] : À la fin du semestre, les étudiants de MRA seront capables d'obtenir le modèle géométrique direct d'un robot sériel, à liaisons rotoïdes et prismatiques, en utilisant soit un schéma cinématique, soit à partir de l'analyse des axes d'un robot réel. Ceci inclue:

  • la description des transformations géométriques entre les segments constituant le robot
  • le calcul des matrices de rotations entre tous les repères du robot, depuis la base jusqu'au repère outil
  • le calcul des vecteurs de translation entre tous les repères du robot, depuis la base jusqu'au repère outil
  • la détermination du paramètrage de Denavit-Hartenberg d'un robot ou la description de sa cinématique à partir de celui-ci
  • l'obtention de la matrice de transformations homogènes locale ou globale d'un robot et le calcul de sa réciproque

• AAv3 [heures: 12.5, A3, B1, B2, B3, D2] : À la fin du semestre, les étudiants de MRA seront capables d'obtenir le modèle cinématique direct et inverse d'un robot sériel, à liaisons rotoïdes et prismatiques, en utilisant soit un schéma cinématique soit par l'analyse d'un robot réel. Ceci inclue:

  • le calcul des vecteurs vitesses de rotations entre tous les repères du robot, depuis la base jusqu'au repère outil
  • le calcul des vecteurs vitesses de translation entre tous les repères du robot, depuis la base jusqu'au repère outil
  • le calcul des éléments de réduction du torseur cinématique du robot à partir de la méthode récursive avant
  • le calcul de la matrice Jacobienne du robot et le modèle cinématique, dans le sens direct et inverse
  • la détermination et la description détaillée des singularités cinématiques du robot, ainsi que leur conséquence sur la commande

• AAv4 [heures: 12.5, A3, B1, B2, B3, D2] : À la fin du semestre, les étudiants de MRA seront capables d'obtenir le modèle statique direct et inverse d'un robot sériel, à liaisons rotoïdes et prismatiques, en utilisant soit le modèle géométrique et/ou le schéma cinématique du robot. Ceci inclue:

  • le calcul des forces entre tous les repères du robot, depuis la base jusqu'au repère outil
  • le calcul des moments entre tous les repères du robot, depuis la base jusqu'au repère outil
  • le calcul des éléments de réduction du torseur statique du robot à partir de la méthode récursive arrière
  • le calcul de la matrice Jacobienne transposée du robot et le modèle statique, dans le sens direct et inverse
  • la détermination et la description détaillée des singularités statiques du robot, ainsi que leur conséquence sur la commande

• AAv5 [heures: 12.5, A3, B1, B2, B3, D2] : À la fin du semestre, les étudiants de MRA seront capables d'obtenir le modèle dynamique d'un robot sériel, à liaisons rotoïdes et prismatiques, sous la forme d'un système d'équations différentielles nonlinéaires, en utilisant le modèle cinématostatique et la méthode double récursive de Newton-Euler. Ceci inclue:

  • le calcul des accélérations pour tous les segments du robot, depuis la base jusqu'au repère outil par la récursion avant
  • le calcul des efforts d'inertie pour tous les segments du robot, depuis la base jusqu'au repère outil par itération
  • le calcul des efforts de liaison entre tous les segments du robot, depuis le repère outil jusqu'à la base par la récursion arrière
  • le calcul des efforts articulaires de tous les segments du robot, depuis le repère outil jusqu'à la base par itération/projection
  • l'application des effets particuliers :la gravité, les frottements et l'utilisation de réducteurs, côté moteur ou articulaire
  • le calcul de la matrice Jacobienne transposée du robot et le modèle statique, dans le sens direct et inverse

• AAv6 [heures: 12.5, C1, C2, D3] : À la fin du semestre, les étudiants de MRA seront capables de faire intéragir les différents modèles d'un robot (géométrique, cinématostatique et dynamique) au sein d'un programme de simulation/commande en programation haut-niveau (Scilab). Ceci inclue:

  • la programmation du calcul des différents outils constitutifs des modèles: matrices homogènes et Jacobiennes
  • la mise en oeuvre des différents modèles du robot pour obtenir les positions, vitesses et efforts pour une trajectoire donnée
  • la mise en oeuvre d'une commande nominale géométrique, cinématique, statique ou dynamique à partir des modèles correspondants
  • la mise en oeuvre des différents modèles et commandes du robot pour étudier les limites du robot (espace de travail, singularités)
  • la résolution dynamique du robot par la mise en oeuvre de la méthode de double récursive de Newton-Euler pour tout robot sériel

2. Robotique Mobile et Autonome - P2

• AAv7 [heures: 18.75, B3, B4] : À la fin du semestre, les étudiants de MRA seront capables de calculer le modèle cinématique plan des robots à roues, ceci inclut:

  • analyse de la mobilité et choix des roues par la méthode du CIR
  • modèles cinématiques et particularités des types de roues
  • équations de contraintes cinématiques du robot

• AAv8 [heures: 18.75, B3, C1] : À la fin du semestre, les étudiants de MRA seront capables de concevoir le système de perception/localisation dans le plan, d'un robot à roues. ceci inclut:

  • technologies et caractéristiques des capteurs
  • méthode de localisaiton proprioceptive (odométrie)
  • recalage extéroceptif et fusion de données

• AAv9 [heures: 18.75, B2, C1, C2, D3] : À la fin du semestre, les étudiants de MRA seront capables de synthétiser le système et les lois de contrôle-commande des robots mobiles à roues, basés modèle:

  • Représentation et commande par variables d'état
  • Linéarisation des modèles
  • Implantation de lois de commande
  • Simulation de systèmes et de lois de commande

• AAv10 [heures: 18.75, C3, D1, D3] : À la fin du semestre, les étudiants de MRA seront capables d'implémenter une solution théorique en robotique mobile (structure, assemblage mécatronique et programmation) sur un support physique existant (type plateforme robots LEGO). Ceci inclut:

  • procédures de test/essais unitaires des matériels et logiciels de la plateforme (capteurs, moteurs, instructions simples)
  • mise en place de comportements robotiques de base (mesures capteurs, insctuctions moteurs, boucles d'asservissement d'un DDL)
  • programmation et tests de comportements robotiques intégrés (synthèse d'asservissements multi-DLL, tâches parallèles, priorisation, intégration du modèle, tests de la mission, interactions des tâches de contrôle-commande et réglage des gains et seuils)

Modalités d'évaluation

Moyenne de plusieurs évaluations de contrôle continu

Mots clés

Denavit & Hartenberg, paramètres d'Euler, modèle géométrique, inversion, découplage, singularités, redondance, Euler-Newton, autonomie, perception, localisation, navigation, contrôle.

Pré-requis

Analyse vectorielle, trigonométrie, cinématique et dynamique du solide, algèbre linéaire, programmation Scilab , automatique linéaire, intégration et dérivation numériques.

Ressources

1. Handbook of Robotics – Siciliano-Khatib Eds
2. Introduction to Autonomous Mobile Robots - R. Siegwart, I.R. Nourbakhsh
3. Mathematical Control Theory: Deterministic Finite Dimensional Systems. Eduardo D. Sontag. Springer; 2nd ed. 1998.
4. Analysis and Control of Nonlineac Systems - Jean Lévine, Springer, 2009