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École Polytechnique de Montréal Département de génie électrique ELE3100 - Projets de génie électrique Robotique et informatique Cours no. 4: systèmes électromécaniques.

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1 École Polytechnique de Montréal Département de génie électrique ELE Projets de génie électrique Robotique et informatique Cours no. 4: systèmes électromécaniques Coordonnateur: Réjean Plamondon, ing. Ph.D., professeur titulaire Département de génie électrique, section génie biomédical (A ) Courriel: Chargé de cours et de laboratoire: Julien Beaudry, étudiant M.Sc.A. (A.321) Courriel: Chargé de laboratoire: Moussa Djioua, étudiant Ph.D. (A.408) Courriel:

2 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Plan du cours 2 Présentation de quelques plates-formes Principaux types dactuateurs Notions de modélisation Choix dun actuateur

3 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Quelques plates-formes 3 Robots munis de roues: M M Robot à vitesses différentielles Moteurs de propulsion et direction Roues stabilisatrices

4 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Quelques plates-formes 4 Robots munis de roues: M Robot de type tricycle M Moteur de propulsion Moteur de direction Roues indépendantes

5 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Quelques plates-formes 5 Robots munis de roues: Robot à vitesses synchronisées 3 roues disposées en triangle équilatéral Lorientation des roues est la même (1 moteur de direction) La vitesse des roues est la même (1 moteur de propulsion) Permet de contrôler la direction du déplacement mais pas lorientation de la plate-forme x y

6 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Quelques plates-formes 6 Robots munis de roues: Robot à vitesses synchronisées x y

7 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Quelques plates-formes 7 Robots munis de roues: Robot à vitesses synchronisées x y

8 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Quelques plates-formes 8 Robots munis de roues: Robot à vitesses synchronisées x y

9 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Quelques plates-formes 9 Robots munis de roues: Robot à vitesses synchronisées x y

10 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Quelques plates-formes 10 Robots munis de roues: Robot omnidirectionnel M M M Roues omni-directionnelles

11 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Quelques plates-formes 11 Robots munis de roues: Robot omnidirectionnel M M M M M M M Roues omni-directionnelles

12 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Quelques plates-formes 12 Robots munis de roues: Robot omnidirectionnel M M M M M M M Roues omni-directionnelles Vidéos de léquipe WinKIT : 1, 2, 3123

13 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Quelques plates-formes 13 Robots munis de chenilles: Robots robustes et tout-terrains Mêmes équations quun robot à vitesses différentielles MM Moteurs de propulsion et direction Chenilles

14 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Quelques plates-formes 14 Robots munis de chenilles: Robots robustes et tout-terrains Mêmes équations quun robot à vitesses différentielles MM Moteurs de propulsion et direction Plate-forme PackBot de iRobot: Chenilles

15 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Quelques plates-formes 15 Robots marcheurs: Robots bipèdes (humanoïdes)

16 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Quelques plates-formes 16 Robots marcheurs: Robots bipèdes (humanoïdes) QRIO (Sony), 38 DDL

17 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Quelques plates-formes 17 Robots marcheurs: Robots bipèdes (humanoïdes) QRIO (Sony), 38 DDL HRP-2 (Kawada Industries), 30 DDL

18 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Quelques plates-formes 18 Robots marcheurs: Robots bipèdes (humanoïdes) QRIO (Sony), 38 DDL HRP-2 (Kawada Industries), 30 DDL Asimo (Honda), 30 DDL

19 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Quelques plates-formes 19 Robots marcheurs: Robots bipèdes (humanoïdes) QRIO (Sony), 38 DDL HRP-2 (Kawada Industries), 30 DDL Asimo (Honda), 30 DDL Pino (Kitano Symbiotic Systems Research), 26 DDL

20 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Quelques plates-formes 20 Il existe une multitude de configurations de robots marcheurs: monopodes, bipèdes, quadrupèdes, hexapodes, etc. Il existe également une multitude de plates-formes permettant de répondre à des besoins spécifiques: robots aériens, aquatiques, manipulateurs, etc.

21 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Principaux types dactuateurs 21 Moteurs à courant continu Pistons pneumatiques Pistons hydrauliques Pistons électriques Muscles artificiels

22 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Principaux types dactuateurs 22 Moteurs à courant continu (DC) Appropriés pour les systèmes fonctionnant à piles. Ils offrent un excellent couple de démarrage. Il en existe 3 types: Moteurs DC à balais Moteurs DC sans balais Moteurs pas-à-pas

23 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques# Principaux types dactuateurs 23 Moteurs à courant continu (DC) Modélisation du moteur DC: M + -

24 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques# Principaux types dactuateurs 24 Moteurs à courant continu (DC) Modélisation du moteur DC: M

25 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques# Principaux types dactuateurs 25 Moteurs à courant continu (DC) Modélisation du moteur DC: Constantes: Résistance interne: M Constante de couple: Constante de force contre-électromotrice: Friction interne : Frottement visqueux : Inertie du rotor :

26 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques# Principaux types dactuateurs 26 Moteurs à courant continu (DC) Modélisation du moteur DC: Couple généré:

27 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques# Principaux types dactuateurs 27 Moteurs à courant continu (DC) Modélisation du moteur DC: Couple généré:

28 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques# Principaux types dactuateurs 28 Moteurs à courant continu (DC) Modélisation du moteur DC: Couple généré:

29 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques# Principaux types dactuateurs 29 Moteurs à courant continu (DC) Modélisation du moteur DC: Courant consommé: Couple généré:

30 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques# Principaux types dactuateurs 30 Moteurs à courant continu (DC) Modélisation du moteur DC: Tension aux bornes: Courant consommé: Couple généré:

31 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques# Principaux types dactuateurs 31 Moteurs à courant continu (DC) Modélisation du moteur DC: Tension aux bornes: Courant consommé: Couple généré: pas toujours

32 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Principaux types dactuateurs 32 Moteurs DC à balais (« brush-commutated ») Commutation du bobinage à laide de balais, ils demandent un entretien minutieux. Les moteurs à aimant permanent (les plus répandus) offrent des relations vitesse-couple et courant-couple linéaires sur une très grande plage. Couple Courant, Vitesse T PK

33 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Principaux types dactuateurs 33 Moteurs DC à balais Exemple de fiche technique

34 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Principaux types dactuateurs 34 Moteurs DC sans balais («brushless») Le bobinage est intégré au stator donc pas besoin de commutateurs internes. Durée de vie plus longue que les moteurs à balais et moins dentretien nécessaire. Ils existent en différentes configurations de bobinage et nécessitent des circuits électroniques spécialisés pour les contrôler. Ils offrent également des relations tension-couple et courant- couple linéaires sur une très grande plage. Exemple de fiche technique

35 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Principaux types dactuateurs 35 Moteurs DC pas-à-pas («stepper motors») Moteurs rotatifs dont le mouvement est engendré grâce à des impulsions électriques. Chaque impulsion fait tourner le moteur dun pas prédéterminé. Possibilité de contrôler la position du moteur simplement en envoyant le nombre dimpulsions nécessaires (boucle ouverte). Peuvent offrir un bon couple de blocage, mais leur vitesse de rotation est relativement faible. Exemple de fiche technique

36 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Principaux types dactuateurs 36 Pistons pneumatiques: Utilisation dair comprimé pour produire une puissance intéressante. Disponibles dans une grande variété de configurations. Très simples à utiliser en contrôle tout-ou-rien. Possibilité de faire du contrôle de force et de vitesse/position. Source: Norgren Pneumatics,

37 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Principaux types dactuateurs 37 Pistons pneumatiques: Peuvent être utilisés sur les systèmes embarqués avec des réservoirs à haute pression et des régulateurs de pression. Demandent peu ou pas dénergie électrique (pour commutation du piston seulement). Exemple de fiche technique

38 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Principaux types dactuateurs 38 Pistons hydrauliques: Les pistons hydrauliques peuvent sutiliser de façon similaire aux pistons pneumatiques. La puissance générée peut être gigantesque. Ils sont mal adaptés aux systèmes embarqués fonctionnant à lénergie électrique (besoin dun compresseur énergivore).

39 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Principaux types dactuateurs 39 Autres types dactuateurs: Pistons électriques (solénoïdes) Muscles artificiels

40 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Notions de modélisation 40 Objectif: modéliser la dynamique et la cinématique du système robotisé. Permet de comprendre et danalyser le comportement dynamique dune plate-forme par voie de simulation.

41 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Notions de modélisation 41 Modèle dynamique: Ensemble déquations permettant de définir la dynamique dun système en présence de forces internes et externes (accélération du système en fonction des forces appliquées). La dynamique peut-être représentée dans lespace articulaire ou opérationnel.

42 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Notions de modélisation 42 Modèle dynamique: Ensemble déquations permettant de définir la dynamique dun système en présence de forces internes et externes (accélération du système en fonction des forces appliquées). La dynamique peut-être représentée dans lespace articulaire ou opérationnel. Modèle dynamique Robot omnidirectionnel (espace opérationnel)

43 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Notions de modélisation 43 Modèle dynamique: Ensemble déquations permettant de définir la dynamique dun système en présence de forces internes et externes (accélération du système en fonction des forces appliquées). La dynamique peut-être représentée dans lespace articulaire ou opérationnel. Modèle dynamique Robot omnidirectionnel (espace opérationnel) Modèle dynamique Bras anthropomorphique (espace articulaire) ……

44 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Notions de modélisation 44 Modèle cinématique: Cinématique directe: ensemble déquations permettant de définir la cinématique du système (position, vitesse) dans lespace opérationnel à partir de lespace articulaire (positions, vitesses des articulations). Cinématique inverse: ensemble déquations permettant de définir la cinématique du système dans lespace articulaire à partir de lespace opérationnel.

45 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Notions de modélisation 45 Modèle cinématique: Cinématique directe: ensemble déquations permettant de définir la cinématique du système (position, vitesse) dans lespace opérationnel à partir de lespace articulaire (positions, vitesses des articulations). Cinématique inverse: ensemble déquations permettant de définir la cinématique du système dans lespace articulaire à partir de lespace opérationnel. Cinématique directe Bras anthropomorphique (cinématique directe) … 3 3 position orientation

46 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Notions de modélisation 46 Modèle cinématique: Cinématique directe: ensemble déquations permettant de définir la cinématique du système (position, vitesse) dans lespace opérationnel à partir de lespace articulaire (positions, vitesses des articulations). Cinématique inverse: ensemble déquations permettant de définir la cinématique du système dans lespace articulaire à partir de lespace opérationnel. Cinématique directe Bras anthropomorphique (cinématique directe) … 3 3 position orientation Cinématique inverse Bras anthropomorphique (cinématique inverse) … 3 3 position orientation

47 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Notions de modélisation 47 Simulation du système Contrôle direct (espace art. ou opér.)

48 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Notions de modélisation 48 Simulation du système Contrôle hiérarchisé Contrôle direct (espace art. ou opér.)

49 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Notions de modélisation 49 Passage au système réel

50 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Notions de modélisation 50 Passage au système réel

51 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Notions de modélisation 51 Passage au système réel Remplacer par le système réel (e/s,amplificateurs, actuateurs)

52 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Notions de modélisation 52 Exemple simple: système masse-piston Schéma du système :

53 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Notions de modélisation 53 Exemple simple: système masse-piston Schéma du système : Équations du système : Modèle dynamique : Modèle cinématique : Somme des forces :

54 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Sélection dun actuateur 54 Étape déterminante dans le développement dun système robotisé. Les actuateurs vont influencer les caractéristiques physiques du système en termes de dimensions, de masse et de performances. Ils influencent également le choix des circuits dalimentation, damplification et de contrôle.

55 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Sélection dun actuateur 55 Le choix dun actuateur en quelques étapes:

56 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Sélection dun actuateur 56 Le choix dun actuateur en quelques étapes: 1.Définition des spécifications du système

57 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Sélection dun actuateur 57 Le choix dun actuateur en quelques étapes: 1.Définition des spécifications du système 2.Choix du type dactuateurs

58 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Sélection dun actuateur 58 Le choix dun actuateur en quelques étapes: 1.Définition des spécifications du système 2.Choix du type dactuateurs 3.Modélisation du système

59 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Sélection dun actuateur 59 Le choix dun actuateur en quelques étapes: 1.Définition des spécifications du système 2.Choix du type dactuateurs 3.Modélisation du système 4.Évaluation des caractéristiques recherchées

60 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Sélection dun actuateur 60 Le choix dun actuateur en quelques étapes: 1.Définition des spécifications du système 2.Choix du type dactuateurs 3.Modélisation du système 4.Évaluation des caractéristiques recherchées 5.Recherche dun actuateur adéquat

61 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Sélection dun actuateur 61 1.Définition des spécifications du système: Contraintes physiques (dimensions, masse) Contraintes de performances (vitesses, accélérations)

62 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Sélection dun actuateur Choix du type dactuateurs: Déterminé par lapplication et le type de travail demandé aux actuateurs Sélection dun type qui répond aux besoins

63 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Sélection dun actuateur Modélisation du système: Modélisation des équations de mouvements du robot Établir les relations entre les vitesses et accélérations dans lespace opérationnel et celles dans lespace articulaire

64 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Sélection dun actuateur Évaluation des caractéristiques recherchées: Considérer les spécifications visées ainsi que le modèle du système et des actuateurs Établir les caractéristiques minimales des actuateurs permettant de respecter les spécifications

65 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Sélection dun actuateur Recherche dun actuateur adéquat: Recherche de manufacturiers Rechercher des actuateurs qui offrent au moins les caractéristiques minimales TRUC: écrire un script Matlab contenant les constantes et les équations du système et lutiliser pour vérifier les performances avec un actuateur donné.

66 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques 66 1.Définition des spécifications du système: Contraintes physiques : M = 20kg, L = 0,334m, Ra = 0,062m, μ c = 0,02 Contraintes de performances : Vitesse maximale : 2m/s, Accélération : 2m/s 2 Sélection dun actuateur, exemple de MobiDiff M M L Ra

67 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques 67 1.Définition des spécifications du système: Contraintes de performances : Profil de vitesse: Parcours aller-retour de la moitié du terrain (6m), vitesse=2m/s, accél. = 2m/s 2 Sélection dun actuateur, exemple de MobiDiff temps(s) vitesse(m/s) 2 t1 t2 t3

68 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Choix du type dactuateurs: Besoin dun moteur rotatif asservi en vitesse Possède déjà électronique de contrôle pour moteur DC à balais Moteurs DC à balais! Sélection dun actuateur, exemple de MobiDiff M M L Ra

69 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Modélisation du système: Sélection dun actuateur, exemple de MobiDiff

70 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Modélisation du système: Sélection dun actuateur, exemple de MobiDiff F(t)

71 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Modélisation du système: Sélection dun actuateur, exemple de MobiDiff F(t) FfFf

72 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Modélisation du système: Sélection dun actuateur, exemple de MobiDiff F(t) FfFf Somme des forces:

73 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Modélisation du système: Sélection dun actuateur, exemple de MobiDiff F(t) FfFf Pour obtenir A(t), nous devons générer: Somme des forces:

74 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Modélisation du système: Sélection dun actuateur, exemple de MobiDiff F(t) FfFf Pour obtenir A(t), nous devons générer: Somme des forces: Au niveau dune roue:

75 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Évaluation des caractéristiques recherchées: Sélection dun actuateur, exemple de MobiDiff 1- Calcul de la vitesse angulaire nécessaire avec :

76 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Évaluation des caractéristiques recherchées: Sélection dun actuateur, exemple de MobiDiff 1- Calcul de la vitesse angulaire nécessaire avec : 2- Calcul du couple demandé en régime continu avec le profil trapézoïdal et :

77 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques Évaluation des caractéristiques recherchées: Sélection dun actuateur, exemple de MobiDiff 1- Calcul de la vitesse angulaire nécessaire avec : 2- Calcul du couple demandé en régime continu avec le profil trapézoïdal et : Référence: Pittman® Servo Motor Application Notes

78 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques 78 Il existe une multitude de plates-formes électromécaniques répondant à des besoins spécifiques En résumé

79 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques 79 Il existe une multitude de plates-formes électromécaniques répondant à des besoins spécifiques Il existe également un large éventail dactuateurs offrant différentes caractéristiques En résumé

80 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques 80 Il existe une multitude de plates-formes électromécaniques répondant à des besoins spécifiques Il existe également un large éventail dactuateurs offrant différentes caractéristiques La modélisation permet de simuler la dynamique du système En résumé

81 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques 81 Il existe une multitude de plates-formes électromécaniques répondant à des besoins spécifiques Il existe également un large éventail dactuateurs offrant différentes caractéristiques La modélisation permet de simuler la dynamique du système Il est important de bien connaître le type de travail à accomplir par le système En résumé

82 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques 82 Il existe une multitude de plates-formes électromécaniques répondant à des besoins spécifiques Il existe également un large éventail dactuateurs offrant différentes caractéristiques La modélisation permet de simuler la dynamique du système Il est important de bien connaître le type de travail à accomplir par le système Avec une bonne modélisation et des spécification claires, il devient possible de choisir des actuateurs adéquats En résumé

83 ELE3100, Projets de génie électrique: systèmes électromécaniques 83 Il existe une multitude de plates-formes électromécaniques répondant à des besoins spécifiques Il existe également un large éventail dactuateurs offrant différentes caractéristiques La modélisation permet de simuler la dynamique du système Il est important de bien connaître le type de travail à accomplir par le système Avec une bonne modélisation et des spécification claires, il devient possible de choisir des actuateurs adéquats Il est également possible de simuler le système afin de développer des contrôleurs En résumé


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