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3.3. MÉCATRONIQUE
Ce thème regroupe des travaux autour de la Modélisation et du Contrôle de systèmes Polyarticulés qui ont donné lieu pour la majeure partie à des développements de 90 à 94 dans un code d'éléments finis de dynamique rapide, PLEXUS, en collaboration avec le C.E.A.
A la suite d'une collaboration entre la société SFIM et le CEA puis le CEMIF, PLEXUS est devenu PLEXUS-R c'est à dire un logiciel semi-industriel de conception Mécatronique associant la Mécanique et l'Automatique [BEN95aC].
Depuis nous nous attachons à travers la réalisation de projets industriels innovants, de mettre en 'uvre cette logique Mécatronique , de définir des principes de simulation toujours plus réalistes, qui permettraient un proto-typage rapide [BENb95C], [JOL98RC], [SEG-T], [ART-T]. Toujours dans une logique Mécatronique, il a été réalisé une thèse sur la simulation d'une commande dynamique d'un robot parallèle [BEJ97T], [BEJ99R]..
Dans la suite des travaux portant sur la Modélisation des robots souples par synthèse modale, une thèse est en cours afin d'optimiser les temps de calcul [GEV-T].
Enfin d'autres travaux ont été développés dans le domaine des vibrations de structure et de la stabilité d'orientation des satellites munis de réservoirs de carburant.
Les travaux de recherche effectués peuvent être répartis en trois thèmes principaux :
3.3.1 Modélisation et commande de robots
Ces études concernent aussi bien les robots parallèles que les robots séries flexibles.
Pour ce qui est des robots parallèles, ceux-ci, comme on le sait, ont l'avantage par rapport aux robots séries d'être plus précis, plus légers et plus performants. Par contre, selon leur architecture, ils peuvent s'avérer beaucoup plus complexes à modéliser et à contrôler.
En collaboration avec le Centre d'Etudes et de Recherches en Mécanique (CERMA) de l'Université d'Evry, on a réalisé une étude qui consiste à élaborer une commande originale pour un robot parallèle qui tient compte des frottements dans les mécanismes et des effets inertiels. Ce robot (SPACE) conçu et développé au CERMA à Evry présente une architecture originale à 3 bras et à 6 degrés de liberté.
Après avoir établi les modèles géométriques et cinématiques directs et inverses du robot, un modèle dynamique direct [BEJ96bC] est obtenu à partir duquel les lois de commande pour le suivi de trajectoires sont élaborées. Celles-ci prennent en compte la dynamique des actionneurs en utilisant une approche par perturbations singulières [BEJ96cC].
Concernant les robots flexibles, les travaux ont été menées en collaboration avec le C.E.A., en vue notamment de mettre en place un logiciel performant (intégré dans le code PLEXUS) qui permet de traiter tout type de structures complexes flexibles tout en minimisant les temps de simulation.
Une première étude réalisée au CEN de Saclay, avait pour objectif la mise en 'uvre d'un formalisme d'analyse des structures flexibles polyarticulées soumises à de grands mouvements. L'accent a été mis sur l'optimisation du rapport précision sur temps de calcul. Pour cela, on a utilisé une technique de sous-structuration dynamique couplée à une représentation lagrangienne actualisée. Le mouvement de chaque sous-structure est projeté sur une base modale relative à un repère local. Par linéarisation des mouvements sur un pas de temps, le mouvement d'ensemble est projeté sur la base modale similairement à la contribution flexible. Ceci a permis de tenir compte du couplage inertiel entre mouvement rigide et déformation [AZO95C]. La principale difficulté dans cette analyse résidait dans la connexion des différentes sous-structures. Pour cela on a mis en place une technique originale reposant sur la théorie des mécanismes et s'inspirant des techniques d'assemblage en éléments finis. Ceci a permis, au moyen notamment de la construction automatique des matrices de liaison et de l'écriture des principes variationnels autour des repères locaux de liaison, de tenir compte du paramétrage modal des différentes sous-structures et ainsi de minimiser les calculs [AZO98R]. Les différents développements ont été intégrés dans le code PLEXUS du CEA.
Une seconde étude s'est basée sur ces derniers travaux pour réaliser une commande robuste de robots flexibles.
Dans certaines circonstances, l'apparition de vibrations structurelles pour des robots légers et à dynamique rapide entraîne une dégradation des performances et de la précision de ces appareils. Pour compenser ces effets, il faut agir soit de manière passive (choix du matériau) soit de manière active. Dans ce dernier cas, on cherche à utiliser les actionneurs existants pour simultanément contrôler la position de chaque bras et amortir les vibrations de structure. Pour ce faire, on a développé à partir du modèle dynamique élaboré précédemment une loi de commande par découplage et linéarisation sur les variables rigides et amortissements sur les variables souples [YAC95C], [YAC95 S], [AZO98C].
L'étude a permis un très bon suivi de trajectoire ainsi qu'une atténuation substantielle des vibrations, et a donné lieu à un nouveau logiciel qui a été implanté dans PLEXUS.
Une autre étude concerne un des objectifs principaux de la simulation des systèmes rencontrés en robotique, à savoir la diminution du temps de calcul. Ce problème se pose notamment lors de la commande de ces appareils.
En robotique rigide, il est bien connu que l'utilisation de la méthode Newton-Euler (opposée aux méthodes variationnelles type équations de Lagrange) associée à une description récursive du système est la méthode la plus performante du point de vue des temps de calcul. En robotique souple, du fait de la discrétisation par synthèse modale ou par éléments finis des parties déformables, l'utilisation des méthodes variationnelles est inévitable.
Récemment, toutefois, une méthode mixte qui utilise la formulation Newton-Euler pour les déplacements d'ensemble et la formulation variationnelle pour les vibrations de structure a été proposée. L'étude s'appuie sur cette méthodologie, l'objectif étant de développer un outil performant permettant d'inclure différents types de commande et des imperfections dans les liaisons. (jeux, frottements).
Ces travaux font l'objet d'une thèse en cours [GEV-T].
D'autre part, un autre facteur qui permet la diminution des temps de calcul dans la simulation numérique des systèmes multicorps est l'utilisation de codes formels. Ces codes permettent d'obtenir le modèle dynamique sous forme symbolique.
Actuellement, un certain nombre de codes symboliques ont été élaborés en robotique rigide mais un très petit nombre concerne les mécanismes déformables. L'étude entreprise montre que l'on peut utiliser n'importe quel code de simulation dynamique de corps rigides articulés pour modéliser le mouvement des mécanismes flexibles dans lesquels les déformations sont discrétisées.
La méthode consiste à introduire un modèle rigide fictif qui aura les mêmes degrés de liberté et les mêmes énergies cinétique et potentielle que le mécanisme déformable. On utilise ces résultats pour résoudre un certain nombre de problèmes inverses en robotique flexible : le logiciel utilisé est le code de simulation dynamique AUTOLEV consacré initialement aux corps indéformables [PAS 99R].
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