Bras Robotique

Structure d'un bras robotique

Un bras robotique industriel est constitué d'une série de corps rigides (les bras) reliés entre eux par des articulations. Cet ensemble forme une chaîne cinématique ouverte. Le premier corps est fixé à un support (la base), et le dernier porte l'outil de travail (le porte-effecteur). La mobilité du robot est définie par le nombre et le type de ses articulations.

Les 6 degrés de liberté (DDL)

Pour positionner et orienter librement un objet dans l'espace à 3 dimensions, il faut 6 degrés de liberté : 3 pour la position (translations selon X, Y, Z) et 3 pour l'orientation (rotations autour de X, Y, Z). Un robot industriel classique possède donc 6 axes articulés, lui conférant cette dextérité. Certains robots spécialisés peuvent en avoir moins (4 axes pour la palettisation) ou plus (7 axes pour une mobilité redondante améliorant l'évitement d'obstacles).

• Axes 1, 2, 3 : Généralement de grande amplitude, ils positionnent le poignet du robot dans l'espace de travail.
• Axes 4, 5, 6 : Montés en série au poignet, ils orientent l'outil avec précision.

L'espace de travail est le volume géométrique que peut atteindre le porte-effecteur. Sa forme dépend de la longueur des bras et des limites angulaires des articulations.

Modélisation géométrique

La cinématique étudie le mouvement des corps sans considérer les forces qui les provoquent. Pour un robot, elle établit le lien entre la position des articulations (variables articulaires) et la position/orientation de l'outil dans l'espace (coordonnées opérationnelles).

Cinématique directe

La cinématique directe répond à la question : « Où se trouve l'outil si je connais l'angle de chaque articulation ? ». Elle est calculée à l'aide de matrices de transformation homogène (méthode de Denavit-Hartenberg) qui décrivent successivement la position et l'orientation d'un repère lié à chaque corps par rapport au précédent. Le produit de ces matrices donne la transformation complète de la base à l'outil. Cette relation est unique et relativement simple à établir.

Cinématique inverse

La cinématique inverse est le problème essentiel pour la commande : « Quelles valeurs doivent prendre les articulations pour que l'outil atteigne une position et une orientation désirées ? ». Contrairement à la directe, cette relation n'est pas unique (plusieurs configurations articulaires peuvent mener au même point) et son calcul est complexe, souvent résolu par des méthodes algébriques ou numériques. La résolution de la cinématique inverse est intégrée au contrôleur du robot.

L'articulation rotoïde (ou pivot)

C'est l'articulation la plus courante dans les robots industriels. Elle permet une rotation autour d'un axe fixe. Le mouvement est mesuré par un angle (en degrés ou radians). Les axes 1 à 6 d'un robot standard sont presque toujours des rotoïdes. Leur conception implique des roulements pour supporter les charges radiales et axiales, et un système pour transmettre le couple moteur (réducteur).

L'articulation prismatique (ou glissière)

Cette articulation permet un mouvement de translation linéaire le long d'un axe. Le mouvement est mesuré par une distance. On la trouve dans certains types de robots (cartésiens, cylindriques) ou dans des axes linéaires complétant un robot. Elle utilise généralement des glissières à billes ou des vis à billes pour assurer la précision et la rigidité du déplacement.

Choix et implications

Le choix du type d'articulation définit l'architecture du robot (cartésien, cylindrique, sphérique, SCARA, articulé). L'architecture articulée à 6 rotoïdes est la plus polyvalente, offrant un grand volume de travail pour un encombrement au sol réduit. Chaque articulation introduit des jeux, des flexibilités et des erreurs qui s'accumulent le long de la chaîne cinématique, affectant la précision absolue de l'outil.

Les servomoteurs

Les articulations sont actionnées par des servomoteurs électriques. Un servomoteur est un système asservi en position, vitesse ou couple. Il se compose typiquement d'un moteur à courant continu sans balais (brushless) pour sa fiabilité et son couple élevé, d'un capteur de position (codeur) et d'un variateur électronique de puissance (amplificateur). Le contrôleur envoie une consigne de position au variateur, qui pilote le moteur en boucle fermée grâce au retour du codeur.

Le rôle crucial des réducteurs

Les moteurs tournent à grande vitesse mais avec un faible couple. Les articulations nécessitent un couple important à vitesse relativement lente. Un réducteur (ou réducteur de vitesse) est donc indispensable. Il abaisse la vitesse et multiplie le couple du moteur selon son rapport de réduction (R, souvent entre 50:1 et 200:1). Les réducteurs harmoniques sont très répandus en robotique pour leur compacité, leur jeu quasi-nul et leur grande précision de répétabilité.

Chaîne d'actionnement complète

La chaîne complète pour un axe est : Contrôleur → Variateur → Servomoteur → Réducteur → Articulation → Bras. La dynamique du mouvement (accélération, décélération) est limitée par les couples disponibles et les inerties à entraîner. La conception doit soigneusement équilibrer la vitesse, la charge utile et la précision.

Capteurs de position : les codeurs

Ils sont le cœur de l'asservissement. Un codeur incrémental fournit des impulsions lors de la rotation, permettant de mesurer la vitesse et la position relative. Un codeur absolu, plus coûteux, donne une valeur de position unique même après une mise hors tension, évitant une procédure de recalage au démarrage. Ils sont montés directement sur l'arbre moteur ou, pour plus de précision, après le réducteur.

Capteurs d'effort et de couple

Pour des tâches nécessitant un contact contrôlé (comme l'insertion, le ponçage), les robots peuvent être équipés de capteurs d'effort. Un capteur de couple à six composantes, monté entre le poignet et l'outil, mesure les forces (Fx, Fy, Fz) et les moments (Mx, My, Mz). Ces informations permettent un contrôle en force (l'outil suit une surface en appliquant une force constante) ou la détection de collisions.

Autres capteurs

• Capteurs de vision : Caméras 2D ou 3D guidant le robot pour le prélèvement d'objets non positionnés.
• Capteurs de proximité : Détectent la présence d'un objet sans contact.
• Capteurs de sécurité : Cellules photoélectriques, tapis sensibles, scanners laser formant une zone de protection.

Génération de trajectoire

Programmer un robot ne consiste pas seulement à définir des points cibles, mais aussi le chemin pour les atteindre. Le planificateur de trajectoire du contrôleur calcule les lois de mouvement (profils de position, vitesse, accélération) pour chaque articulation entre les points de passage. Les trajectoires peuvent être point à point (seul le point final compte) ou suivies (la trajectoire de l'outil est contrôlée, essentielle pour la soudure ou la peinture). Des interpolations linéaires ou circulaires sont utilisées.

Le GRAFCET pour la commande séquentielle

Le GRAFCET (Graphe de Commande Étape-Transition) est un outil graphique normalisé pour décrire le comportement séquentiel d'un automatisme, comme le cycle de travail d'un robot. Il modélise les différentes étapes (actions : « avancer le bras », « saisir la pièce ») et les transitions entre elles, conditionnées par des réceptivités (« pièce détectée », « position atteinte »). Il est particulièrement adapté pour décrire les interactions du robot avec son environnement (convoyeurs, postes de travail).

Exemple de séquence

Un cycle simple de prélèvement-dépose pourrait avoir les étapes : Attente pièce → Déplacement au-dessus de la pièce → Descente → Fermeture de la pince → Montée → Déplacement au-dessus du bac → Descente → Ouverture de la pince → Montée → Retour attente. Chaque transition est validée par un capteur ou un acquittement de position.

La chaîne d'énergie

Elle a pour fonction d'alimenter et de convertir l'énergie pour effectuer le travail mécanique. Pour un robot électrique :

• Source : Réseau électrique triphasé 400V.
• Distributeur/Protecteur : Disjoncteur, sectionneur, parasurtenseur.
• Convertisseurs : Alimentation à découpage pour les parties commande (24V DC), variateurs (onduleurs) pour les servomoteurs.
• Actionneurs : Les servomoteurs eux-mêmes.
• Transmetteurs : Réducteurs, arbres, accouplements.
• Effecteur : L'outil (pince, ventouse, chalumeau).

La chaîne d'information

Elle a pour fonction de traiter les données pour piloter la chaîne d'énergie.

• Acquisition : Capteurs (codeurs, fin de course, vision).
• Interface d'entrée : Cartes d'acquisition, modules d'entrées numériques/analogiques.
• Traitement/Commande : Le contrôleur robotique (unité centrale). C'est le cerveau. Il exécute le programme utilisateur, résout la cinématique inverse, génère les trajectoires et les consignes pour les asservissements.
• Interface de sortie : Cartes de commande vers les variateurs, modules de sorties pour les actionneurs binaires (LED, électrovannes).
• Communication : Bus de terrain (PROFIBUS, EtherCAT) pour relier contrôleur, variateurs et E/S, et réseau (Ethernet) pour la connexion à un PC de programmation ou un superviseur.

Soudage à l'arc

Le robot guide avec une grande régularité une torche de soudage le long d'un joint souvent complexe (carter de boîte de vitesses, châssis automobile). La précision de la trajectoire et la régulation des paramètres (voltage, courant, vitesse de défilement du fil) assurent une soudure de qualité constante, sans défaut. L'opérateur est protégé des fumées, de la chaleur et des rayonnements.

Assemblage et insertion

Les robots assemblent des composants électroniques sur des cartes (pick-and-place très rapides) ou des pièces mécaniques plus lourdes (moteurs, pare-chocs). L'insertion avec ajustement serré peut nécessiter un contrôle en force pour éviter le coincement ou le grippage. La vision artificielle est souvent utilisée pour compenser les tolérances de positionnement des pièces.

Peinture et pulvérisation

Dans l'automobile ou l'aéronautique, les robots de peinture assurent une épaisseur de film uniforme, sans coulure, avec un gaspillage minimal de peinture. La trajectoire de la buse est optimisée pour recouvrir des surfaces complexes. L'environnement est explosif (vapeurs de solvants), nécessitant des moteurs et équipements antidéflagrants.

Autres applications majeures

• Palettisation/Dépalettisation : Emballage et manutention de colis.
• Usinage : Découpe au jet d'eau, meulage, polissage.
• Contrôle qualité : Guidage de capteurs (caméras, palpateurs) pour l'inspection.