Robotique Mobile PDF

Robotique Mobile Dr. A. ZEROUAL Cours pour: Auto & Sys, Auto & info, Sys Emb Robotique Mobile — Petit historique Partie 1 — Applications, systèmes, locomotions Partie 2 — Marché mondial et besoins technologiques Partie 3 — Effec...

Robotique Mobile Dr. A. ZEROUAL Cours pour: Auto & Sys, Auto & info, Sys Emb Robotique Mobile — Petit historique Partie 1 — Applications, systèmes, locomotions Partie 2 — Marché mondial et besoins technologiques Partie 3 — Effecteurs et actionneurs Partie 4 — Robots mobiles à jambes, à roues et aériens Partie 5  VS Chaîne de montage Environnement naturel Tâches répétitives Dynamique, Incertain ! Prédictible Contrôlable (cf. cours M1 de “Robotique Industrielle”) Robot manipulateur vs robot mobile — Robot manipulateur § Très implanté sur les lignes d’assemblage § Mouvements limités A l’opposé: robot mobile Problématiques de mobilité (déplacement en autonomie) Mécanismes de locomotion complexes Premiers robots mobiles “Canard” de Jacques de Vaucanson (1739) Canard articulé en cuivre capable de boire, manger, cancaner, battre des ailes et digérer « Automate » comme un véritable animal “Robot boat” de Nikola Tesla (1898) Navire télécommandé Madison Square Garden, New York, Electrical Exhibition « Shakey » Stanford Research Institute (1966) Premier robot mobile percevant son environnement Capteurs Caméra Télémètre Contact (bumper) « Genghis » MIT (1988) Six pattes Apprentissage autonome – Franchissement d’obstacles – Réaction de chaque jambe à l’environnement – Programme de contrôle très simple Actuellement au Smithsonian Air and Space Museum (Washington DC) Deux paradigmes différents Shakey (1966) Genghis (1988) Pensée, raisonnement Action, comportement Intelligence: cerveau Intelligence: organisme Intelligence artificielle Vie artificielle Traitement Coordination d’information sensori-motrice Pensée cartésienne Centré sur l’agent, basé action Tendance récente (20 dernières années) Robotique coopérative: volées, troupeaux, cohortes, équipes et formations de robots Commande décentralisée ou distribuée “Consensus and Cooperation in Networked Multi-agent Systems”, R. Olfati-Saber, J.A. Fax, R.M. Murray, Proc. of the IEEE, vol. 95, n. 1, pp. 215-233, 2007 Applications — Le milieu hostile Industrie nucléaire Exploration: spatiale (par ex. lander Philae), sous-marine, volcanique, spéléologique Surveillance: robots militaires (par ex. drone Predator de l’US Air Force) Sauvetage en cas de catastrophes naturelles (tremblements de terre, inondations, avalanches) Déminage — Les travaux répétitifs Nettoyage Automatisation des entrepôts Domaine agricole Nettoyage Robot40 de Cleanfix ◦ Nettoyage de gymnases ◦ Navigation basée sonars et capteurs IR VC-RE70V de Samsung ◦ Aspirateur autonome ◦ Exploration exhaustive ◦ SLAM visuel « plafond » ◦ Capteur optique: mesure la pollution de l’air aspiré Roomba de iRobot ◦ Nettoyage de maisons ◦ Brosse rotative ◦ Bumpers Automatisation des entrepôts Amazon Robotics (ex Kiva Systems, 2011), Exotec (2015-) et Omron (2015-) Flotte de robots mobiles Stockage global par logiciel gestionnaire Déplacements auto-gérés Balise Automatisation des entrepôts Boston Dynamics : robots Corvus Robotics : Inventaire SpotMini et Handle (2019) des entrepôts par drone (2021) Domaine agricole Robot Oz de Naïo Technologies Désherbage automatique Transport de matériel agricole Husky UGV de Clearpath Robotics Titan de FarmWise Arrosage de vignes Surveillance du récolte (Californie) Autres applications — Le service ◦ Médicine Drone Swiss Post (2018) – Pilules robotiques de Matternet ◦ Aide aux personnes handicapées ou âgées (fauteuil roulant intelligent) PostBot (2018) Deutsche Post, Dresde ◦ Robot guide (musées, centres commerciaux, etc.) ◦ Robot facteur Caméra panoramique http://sssa.bioroboticsinstitute.it Projets U.E. Interreg COALAS/ADAPT Robot Enon de Fujitsu Systèmes et locomotions — Environnement hostile à locomotion non conventionnelle § Rovers NASA sur Mars ◦ Sojourner (1997) ◦ Spirit et Opportunity (2004) ◦ Curiosity (2012) ◦ Perserverance & Ingenuity (2020) § Téléopérés depuis la Terre, mais détection automatique des obstacles Spirit Curiosity Sojourner Suspension de type rocker-bogie Systèmes et locomotions — Robot rampant (ou continuum) ◦ Inspiration: locomotion des serpents ◦ Modulaires et flexibles ◦ Déplacement sur tous les terrains (insertion dans des passages étroits) ◦ Idéaux pour missions de sauvetage Robot chenillé Snakebot, Carnegie Mellon University Systèmes et locomotions — MagneBike (ETHZ + ALSTOM) Roues magnétiques Grande mobilité Inspection de structures complexes ◦ Tuyaux ◦ Oléoducs ◦ Turbines — Gibbot (NxR lab, Northwestern University) Robot « singe » Brachiation Deux extrémités magnétiques Déplacement sur des parois métalliques Systèmes et locomotions — ParkourBot (Northwestern et Carnegie Mellon University) ◦ Robot sauter/grimper ◦ Deux jambes élastiques ◦ Application: inspection de tuyaux Systèmes et locomotions Véhicules Autonomes Sous-marins (AUVs) — OceanOne (Stanford Robotics Lab) — Aquanaut (Houston Mechatronics Inc.) Applications: § Maintenance de plate-formes pétrolières/pipelines § Archéologie sous-marine § Échantillonnage de matériel biologique sous-marin OceanOne https://cs.stanford.edu/group/manips/ocean-one.html Aquanaut Systèmes et locomotions Véhicules Autonomes Sous-marins (AUVs) — Sirius (University of Sydney) ◦ Cartographie 3D des fonds marins ◦ Assemblage d’images stéréo (mosaïque) Systèmes et locomotions Les drones Voilure fixe – Non motorisée ◦ Planeur – Motorisée ◦ Traction ◦ Propulsion Voilure tournante – Birotor (co-axial) – Quadrirotor – Hexarotor – … Voilure battante Plus léger que l’air – Dirigeable Firefly de AscTec Phantom 1 de DJI Systèmes et locomotions — SCAMP (« Stanford Climbing and Aerial Maneuvering Platform») ◦ Robot multi-modal qui peut: Voler (comme un quadrirotor) Se percher avec un système passive Grimper sur des surfaces à l’extérieur Décoller d’une surface verticale "A Multimodal Robot for Perching and Climbing on Vertical Outdoor Surfaces”, T.M. Pope et al., IEEE Trans. Robotics, vol. 33, n. 1, pp. 38-48, 2017 Systèmes biomimétiques — Volatiloïde BionicSwift et eMotionButterflies de Festo Nano Hummingbird de AeroVironment — Poissonoïde Airacuda de Festo § Commande pneumatique § « Muscles » fluides Insectoïde Genghis Plantoïde Projet U.E. Plantoid (IIT) Humanoïde Asimo, Baxter, Atlas Marché mondial et besoins technologiques — Aujourd’hui ◦ Industrie: 20% ◦ Robotique personnelle et de service: 72% — 2025 ◦ Industrie: 15% ◦ Robotique personnelle et de service: 77% — Robotique personnelle seule: de 5 G$ à 50 G$ ! Marché mondial des robots* Robots de service Robot semi ou complètement autonome Robot réalisant des tâches pour les humains … … hormis les opérations de manufacture § Le marché de la robotique de service pour les professionnels a connu une forte croissance de 32% en 2019: de 8.5 G$ à 11.2 G$ § La chiffre d’affaires pour la robotique médicale a augmenté de 28% en 2019, qui correspond à 47% de la chiffre d’affaires totale pour la robotique de service pour les professionnels. Cette hausse est attribuable en grande partie aux systèmes pour la robotique chirurgicale, qui sont les plus coûteux en robotique de service *Executive Summary, World Robotics 2020: Service Robots (https://ifr.org) Marché mondial des robots* Robots de service § Robots de service pour les professionnels: - 2019: 173000 unités, +32% - Développement potentiel en 2020: 240000 unités, +38% - 2023: 537000 unités, +31% CAGR § Robots de service pour les tâches domestiques/ménagères: - 2019: 18.6 millions d’unités, +40% - Développement potentiel en 2020: 21.6 millions d’unités, +16% - 2023: 48.6 millions d’unités, +31% CAGR § Robots de service pour les loisirs: - 2019: 4.6 millions d’unités, +13% - Développement potentiel en 2020: 5.1 millions d’unités, +10% - 2023: 6.7 millions d’unités, +10% CAGR CAGR = Compound Annual Growth Rate (ou Taux de Croissance Annuel Composé) Plate-formes pour la recherche et la pédagogie 1. E-puck 2. Khepera III EPFL - École Polytechnique Fédérale de Lausanne (K-Team Corporation) 3. Koala 2.5 4. TurtleBot (Willow Garage: Create de iRobot + Kinect de Microsoft) 5. Pioneer 3-AT 6. AmigoBot Omron Adept Technology 7. Seekur Jr 7 1 3 5 2 4 Robots pas à l’échelle 6 Environnements de simulation et développement Robot Operating System (ROS) Ensemble de bibliothèques et outils (drivers, algorithmes, etc.) pour développer des applications robotiques (“middleware”) Open source: www.ros.org Gazebo Simulation précise et efficace de populations de robots dans des environnements virtuels Moteur physique robuste et interfaces graphiques avancées Gratuit: http://gazebosim.org — CoppeliaSim (ex V-REP) 6 approches et 7 langages de programmation Destiné à chercheurs, amateurs et développeurs professionnels Vidéo Version « player » et « edu » gratuite: www.coppeliarobotics.com — Matlab Robotics System Toolbox de MathWorks (à partir de R2015b) Robotics Toolbox de Peter Corke Gratuit: https://petercorke.com/toolboxes/robotics-toolbox Robotique Mobile — Petit historique Partie 1 — Applications, systèmes, locomotions Partie 2 — Marché mondial et besoins technologiques Partie 3 — Effecteurs et actionneurs Partie 4 — Robots mobiles à jambes, à roues et aériens Partie 5 Effecteurs et actionneurs § Un effecteur est tout dispositif (contrôlé par un robot) pouvant affecter l’environnement Grande variété d’effecteurs: roues, jambes, hélices, préhenseurs, etc. § Un actionneur est le mécanisme qui permet à l’effecteur d’exécuter une action Les actionneurs incluent typiquement les moteurs électriques ou les systèmes hydrauliques/pneumatiques Moteur électrique à courant continu Le plus répandu en robotique mobile Simple (à aimant permanent et balais), peu cher et facile d’utilisation Grande variété de tailles (adapté à la taille du robot et à la tâche) Nécessite plus d’énergie que l’électronique: § Par ex. 5 mA pour le microprocesseur 68HC11 vs 100 mA pour un “petit” moteur à courant continu Carte d’alimentation séparée requise Moteur à courant continu Tension § Tension nominale: fonctionnement « optimal » Si tension faible: fonctionnement mais puissance faible Si tension élévé: dans certains cas, plus puissance en sortie mais durée de vie moindre ! Courant § Si tension constante, un moteur à courant continu fournit un courant proportionnel au travail réalisé Ex. robot poussant un objet è robot se déplaçant librement (résistance au mouvement du moteur introduite par l’obstacle) Profils vitesse/couple-puissance Couple de démarrage Max. puissance Couple (mNm) Puissance (W) Couple Remarque: Le couple de démarrage § Proportionnel au est le couple moteur à courant efficace Vitesse sans charge (à vide) vitesse nulle (“stall torque”) 0 Vitesse angulaire (tr/min) Moteur à courant continu Remarque Vitesse angulaire (à vide) des moteurs à courant continu: de l’ordre de 3000 à 9000 tr/min (tours par minute) Grande vitesse mais couple faible À l’inverse, les robots mobiles nécessitent un couple important et une vitesse modérée (déplacement dans des environnements limités) Réducteurs Train d’engrenages: contrôle de vitesse/couple Réducteur Si rayon engrenage de sortie > rayon engrenage d’entrée: couple é, vitesse ê Si rayon engrenage de sortie < rayon engrenage d’entrée: Moteur couple ê, vitesse é  sha1_base64="9xrewpA0dhmKUrADdAArip9uEz0=">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