Conception de bras robotique : 7 explications importantes

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Source de l'image: Dreamtime

Sujet de discussion: Conception du bras robotisé et son fonctionnement

Qu'est-ce qu'un bras robotisé?

Le bras robotique est un mécanisme composé de liaisons, interconnectées par des articulations appropriées, pour atteindre les degrés de liberté et de mouvement spatial requis pour le travail prévu. Le manipulateur robotique peut souvent être programmé pour des tâches spécifiques. En raison de sa similitude fonctionnelle avec une main humaine, il est également appelé anthropomorphique.

Considérez une industrie manufacturière où les humains utilisent des outils mais effectuent eux-mêmes des tâches de bout en bout pour fabriquer un produit. Désormais, un bras robotisé peut effectuer de nombreuses opérations allant de la coupe du métal, l'assemblage du métal, le pick & place et l'assemblage de composants à l'étiquetage des produits, la peinture au pistolet, etc., par lui-même sans intervention humaine. L'utilisation de moteurs électriques et d'appareils électroniques tels que des microcontrôleurs pour entraîner les liaisons mécaniques et les articulations rend un manipulateur autonome et partie importante de la conception du bras robotique.

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Conception du bras robotique: Un bras robotique typique

La capacité d'un bras robotique à reproduire les résultats avec une erreur minimale augmente son efficacité et sa vitesse de fonctionnement, d'où une conception de bras robotique idéale réduisant le temps de cycle et le coût du produit. Sans intervention humaine, le risque de blessure est également considérablement réduit, ce qui facilite la manipulation des matières dangereuses.

Types de bras robotiques

Robot cartésien / robot Gantry: Le mouvement spatial et l'emplacement sont définis dans le système de coordonnées cartésien, et son bras se compose de trois articulations prismatiques. Les utilisations de ce robot vont du travail de pick and place à la manipulation de machines-outils, au soudage à l'arc, à l'application de mastic et aux opérations d'assemblage.

Robot cylindrique: Les axes de ce robot sont mis en place dans le système de coordonnées cylindriques. Il est utilisé pour la manipulation de machines de moulage sous pression, la manipulation de machines-outils, la réalisation d'opérations d'assemblage et le soudage par points.

Robot sphérique / Robot polaire: Ses axes forment le système de coordonnées polaires, et il est utilisé dans les opérations de soudage au gaz, à l'arc et par points, le moulage sous pression de mécanisme d'équarrissage et la manipulation de machines-outils.

Robot SCARA: Cela implique un bras de robot d'assemblage à conformité sélective, qui est particulièrement utile pour les petites opérations d'assemblage robotique. Comme son nom l'indique, il assure la conformité dans un plan avec deux joints rotatifs parallèles et il est rigide dans la troisième direction. Il est utilisé pour manipuler les machines-outils, l'application de mastic, les opérations d'assemblage et le travail de prélèvement et de placement.

Robot articulé: Le bras de ce robot comporte au moins trois articulations rotatives. La conception de bras robotisés utilise une gamme allant du soudage au gaz et à l'arc, à la peinture par pulvérisation, aux machines d'ébavurage, au moulage sous pression et aux opérations d'assemblage.

Robot parallèle: Un robot avec des joints prismatiques ou rotatifs simultanés. Des exemples célèbres sont la plate-forme Stewart et le robot Delta. Ce type de robot est utilisé dans les simulateurs de vol de cockpit et l'alignement de fibre optique.

Robot anthropomorphe: Une conception de robot qui ressemble à une main humaine avec des doigts indépendants.

Qu'entend-on par conception de bras robotisés ?

Conception mécanique du bras robotique

Inspiré d'une main humaine, l'aspect mécanique d'une conception de bras robotique se compose de plusieurs liaisons qui peuvent être considérées comme formant une chaîne cinématique. Les liens sont reliés par des articulations, qui fournissent les capacités de rotation et de translation nécessaires au mécanisme. La partie d'une conception de bras robotique qui interagit avec l'environnement est généralement le dernier maillon et elle est appelée l'effecteur d'extrémité, ou outillage d'extrémité de bras (EOAT). C'est là que la main serait dans un bras humain.

Degrés de liberté

Dans la conception de bras robotisés, le degré de liberté (DoF) d'un robot est déterminé en utilisant le nombre total de liberté du corps rigide moins le nombre de contraintes sur son mouvement. Ces contraintes de mouvement proviennent souvent des articulations. Par exemple, les joints tournants et prismatiques offrent chacun un seul degré de liberté entre les deux corps qu'ils relient. Un joint universel offre deux DoF relatifs, et un joint sphérique offre trois DoF relatifs.

Conception de bras robotisés
Conception de bras robotisés: degré de liberté crédit image: https://www.convict.lu/Jeunes/5%20DOF%20Robot-arm-Dateien/5_DOF.gif

Dans la conception de bras robotisés des systèmes de manipulation série et parallèle, l'effecteur d'extrémité est positionné avec cinq degrés de liberté, composés de trois DoF de translation et de deux pour l'orientation. Une relation directe peut ainsi être obtenue entre la position de l'actionneur et la configuration du manipulateur.

La formule de Grubler est utilisée à plusieurs reprises pour déterminer la DoF d'un bras robotique, qui considère que les contraintes à condition que les articulations soient autonomes.

Le degré de liberté est descriptif d'un bras robotique. Par exemple, dans le cas d'un robot en série, le nombre indique généralement le nombre d'articulation de rotation à un seul axe dans le bras, où un plus grand nombre spécifie une flexibilité améliorée dans l'alignement d'un outil, c'est donc un paramètre important pour la conception du bras robotique.

Espace de travail du robot

L'espace de travail du robot (également appelé espace accessible) est défini par la collection de tous les points qui peuvent être atteints par l'effecteur d'extrémité. L'espace de travail dépend de nombreuses variables: les longueurs de liaison, les limites de rotation et de translation, la configuration globale du mécanisme, etc. L'espace de travail d'une conception de bras robotique en série est décrit dans la figure ci-dessous. C'est un espace de travail typique d'un bras de robot 4 DoF. Le degré de liberté (DoF) offert par la rotation du poignet n'est pas inclus car l'espace de travail du robot ne dépend pas de son orientation.

Le volume de travail créé de cette manière définit l'espace de travail pour le robot, qui peut être modifié en changeant les longueurs de liaison et les degrés de liberté admissibles pour le mécanisme.

La conception mécanique peut être limitée à 6 DoF car elle permet tous les mouvements nécessaires. Cela peut aider à garder un contrôle sur le coût et la complexité du robot.

La représentation typique de l'espace de travail pour différents types de bras robotiques est donnée ci-dessous:

Conception électronique du bras robotique

Commande de servomoteur

En fonction de la source d'alimentation d'entrée, les servos sont des moteurs AD ou CC (alimentés par batterie). En général, les servomoteurs fournissent un rapport couple / inertie élevé, qui est obtenu grâce à un système d'engrenage intégré. La boucle de contrôle de rétroaction permet une très haute précision. Les servomoteurs CC petits et compacts sont très populaires auprès des jouets, des applications robotiques éducatives et des avions RC. La plupart des servomoteurs ont une limite de rotation d'environ 90 à 180 degrés.

Cependant, certains moteurs peuvent fournir des mouvements angulaires plus élevés. La capacité d'offrir un niveau de précision extrêmement élevé pour l'orientation spatiale fait des servomoteurs un choix idéal pour une utilisation dans les bras et les jambes de robot, la direction à crémaillère et le pignon et le scanner de capteurs. Il est facile de mettre en œuvre les boucles de contrôle de vitesse et d'angle car ces servos sont entièrement autonomes.

Câblage servo: En règle générale, les servomoteurs ont trois fils: la terre est identifiée par le noir ou le marron. La puissance est identifiée par le rouge. Le fil de signal est identifié par le jaune, l'orange ou le blanc (3-5V).

Tension servo (fils rouge et noir / marron): La tension de fonctionnement du servomoteur varie généralement de 4.8V à 6V. Certains servomoteurs de taille micro fonctionnent à une tension moindre, et certains servomoteurs Hitec sont également disponibles, qui fonctionnent à une tension nominale plus élevée.

Fil de signal (fil jaune / orange / blanc): Alors que l'alimentation est fournie au servomoteur via les fils noir et rouge, les commandes pour faire fonctionner le servo sont fournies via le fil de signal. En général, une onde carrée logique d'une longueur d'onde spécifique (~ 50 Hz) est envoyée au servo, qui l'oriente vers un angle particulier lorsque la longueur d'onde correspond directement à l'angle du servo. Par exemple, dans le cas d'Arduino Mega, il reçoit i / ps du PC pour générer l'onde carrée, qui contrôle alors l'orientation angulaire du servomoteur.

Microcontrôleur (concept de base d'Arduino)

Les servomoteurs utilisent des microcontrôleurs pour contrôler leur précision et leur emplacement angulaire. Arduinos (un microcontrôleur à carte unique) en sont un exemple pouvant être programmé selon l'application. Il est destiné à un processeur Atmel AVR, avec des structures d'E / S intégrées alimentées par des connexions USB.

Contrôle du bras robotisé

Les bras robotiques peuvent avoir un contrôle manuel ou une capacité autonome. En mode manuel, un robot apprend à accomplir sa tâche par un opérateur formé (programmeur) qui utilise un dispositif de commande portable (un boîtier d'apprentissage) pour réaliser l'objectif. C'est une procédure relativement lente.

Un bras robotique typique a une configuration de contrôle à plusieurs niveaux, comprenant un microcontrôleur, un pilote et une interface utilisateur basée sur un ordinateur. Les concepts de cinématique inverse sont utilisés pour offrir une flexibilité dans les méthodes de programmation et de contrôle. Cette implémentation est également possible en mode manuel. Un microcontrôleur typique a une carte de développement / programmation associée.

Cinématique inverse

Le concept de base de la cinématique avant est de déterminer l'orientation et la position de l'effecteur d'extrémité lorsque les angles d'articulation et les longueurs de liaison du bras du robot sont connus. L'inverse se produit en cinématique inverse lorsque la position souhaitée de l'effecteur terminal est connue, et le but est de connaître les angles d'articulation pour atteindre l'objectif.

Par exemple, considérons la représentation d'un bras robotique planaire à 2 DoF, comme illustré ci-dessus. Pour localiser l'effecteur d'extrémité à une position connue dans l'espace cartésien, les coordonnées de l'effecteur d'extrémité deviendront les variables d'entrée x et y par rapport à la base, qui est prise comme origine.

Sélection de l'effecteur terminal

Les robots sont utilisés pour une variété d'applications. L'effecteur terminal doit être choisi pour atteindre ledit objectif. Il peut s'agir d'une pince à main conçue pour les opérations de prélèvement et de placement à un emplacement spécifié, comme illustré ci-dessous, ou d'une interface de soudage pour maintenir les électrodes. Le manipulateur peut avoir une interface de pistolet à peinture en aérosol à des fins de peinture ou une plate-forme pour simulateurs, ce qui en fait un mécanisme complexe et la partie la plus cruciale du bras robotique. L'effecteur d'extrémité peut être à base pneumatique, électrique ou hydraulique. Un servomoteur contrôle généralement les effecteurs terminaux.

Avantages et inconvénients du bras robotisé

Avantages du bras robotisé

  • Productivité accrue.
  • Cela permet une utilisation efficace des ressources et des matières premières.
  • Cela offre de la flexibilité au travail.
  • Réduit le temps de cycle de fabrication du produit.
  • Un moindre rejet de produit compte pour des défauts.
  • Répétabilité et précision extrêmement élevées, minimisant ainsi les erreurs et améliorant les performances.
  • Plus sûr à manipuler les matières dangereuses car le risque de mort est réduit.

Inconvénients du bras robotisé

  • Responsable du chômage du travail.
  • Coûts élevés de configuration des installations et des équipements.
  • Flexibilité et fonctionnalité limitées par la conception par rapport à la main humaine, qui peut effectuer plusieurs tâches.
  • La programmation pour des tâches de haute précision est un défi.
  • Exigence étendue d'installation de capteur pour la rétroaction pour effectuer un travail de précision.
  • Défis à venir liés à l'intelligence artificielle et à la vision industrielle.
  • Maintenance après panne et retards de la ligne de production.

Applications notables du bras robotique

Les bras robotiques affectent nos vies à grande échelle car ils jouent un rôle essentiel dans des industries allant de l'emballage alimentaire à la fabrication automobile en passant par les applications spatiales. Quelques exemples notables sont énumérés ci-dessous:

Dans l'espace, la Station spatiale internationale (ISS) est installée avec le Bras canadien et son successeur Canadarm2, qui sont tous deux des bras robotiques multi-DoF. Le Canadarm1, officiellement reconnu comme le système de télémanipulation de la navette (SRMS), était utilisé pour déployer, manœuvrer et transporter une charge utile sur les orbiteurs de la navette spatiale. Il a également été équipé du système de capteur de flèche Orbiter (OBSS) pour évaluer les dommages au système de protection thermique.

Le Canadarm-2 joue un rôle vital dans l'assemblage et l'entretien de l'ISS et soutient l'amarrage des vaisseaux spatiaux et des sorties dans l'espace par les astronautes.

La Curiosité vagabond, qui a atterri sur la planète Mars, a utilisé un bras robotique pour choisir et placer des instruments et collecter des échantillons sur le terrain. Un autre atterrisseur sur Mars appelé InSight possède un bras robotique appelé Instrument Deployment Arm (IDA), qui mesure environ 1.8 m de long avec des articulations du coude et du poignet de l'épaule pour effectuer des fonctions telles que le déploiement d'une sonde de flux thermique profondément dans le terrain. Il dispose également d'un grappin à cinq doigts et d'une disposition pour le montage de caméras.

La mission de la NASA pour étudier les astéroïdes et prélever des échantillons à l'aide du vaisseau spatial OSIRIS-Rex, utilise le bras robotique TAGSAM pour collecter les échantillons.

Pour la sécurité humaine et pour aider les forces armées, des bras robotiques uniques sont fabriqués. La conception du bras robotisé peut synchroniser son mouvement avec l'opérateur, qui est à distance.

Le système chirurgical da Vinci approuvé par la FDA se compose de trois à quatre bras robotiques interactifs qui fournissent une assistance chirurgicale avec une approche mini-invasive.

Pour connaître le bras robotisé Pick and Place, cliquez ici .

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