Robots parallèles à câbles avec dispositifs embarqués – DexterWide

Deux grands types de système embarqué ont été sélectionnés, modélisés, développés et démontrés expérimentalement au cours du projet DexterWide. Le premier est constitué d’un robot industriel (bras manipulateur) et d’un robot parallèle à câbles de grandes dimensions. Le robot industriel est placé sous la plate-forme mobile du robot à câbles. Ce système permet d’effectuer des mouvements et des tâches complexes au sein d’un vaste espace de travail à condition de maitriser la coordination et la synchronisation des mouvements des deux robots. Aussi, différentes problématiques de modélisation, planification de mouvements, évitement de collisions et communication entre contrôleurs de robots doivent être traitées. Le second type de système embarqué a pour but d’amortir rapidement les vibrations de la plate-forme mobile du robot à câbles. Ces vibrations peuvent avoir des origines diverses et peuvent notamment être provoquées par des mouvements rapides d’un robot industriel embarqué. Différentes technologies permettant d’implémenter un tel stabilisateur ont été étudiées et testées. Des stratégies de commande avancée utilisant une modélisation dynamique du stabilisateur et des capteurs extéroceptifs ont notamment été proposées et validées expérimentalement.

Deux grands types de système embarqué ont été réalisés et démontrés expérimentalement au cours du projet DexterWide. Le premier est constitué d’un robot industriel (bras manipulateur) et d’un robot parallèle à câbles de grandes dimensions. Le robot industriel est placé sous la plate-forme mobile du robot à câbles. Ce système permet d’effectuer des mouvements et des tâches complexes au sein d’un vaste espace de travail à condition de maitriser la coordination et la synchronisation des mouvements des deux robots. Aussi, différentes problématiques de modélisation, planification de mouvements, évitement de collisions et communication entre contrôleurs de robots ont été traitées. Le second type de système embarqué a pour but d’amortir rapidement les vibrations de la plate-forme mobile du robot à câbles. Ces vibrations peuvent avoir des origines diverses et peuvent notamment être provoquées par des mouvements rapides d’un robot industriel embarqué. Différentes technologies permettant d’implémenter un tel stabilisateur ont été étudiées et testées. Des stratégies de commande avancée utilisant une modélisation dynamique du stabilisateur et des capteurs extéroceptifs ont notamment été proposées et validées expérimentalement.

Les démonstrations réalisées au cours du projet (mouvement sans contact, perçage, etc.) et les démonstrations d’amortissement actif de vibrations démontrent la fonctionnalité des concepts à une échelle représentative. Les domaines d’application principalement visés sont l’industrie nucléaires, les grands ouvrages, la construction aéronautique, ainsi que l’industrie naval/défense. Par exemple, dans l’industrie nucléaire, les atouts de la technologie des robots parallèles à câbles sont la simplicité de mise en œuvre, le grand volume de travail et la légèreté du système. Le fait d’embarquer un robot industriel sur la plate-forme mobile du robot à câbles ouvre la porte à la réalisation d’opérations plus complexes telles que l’évaluation de débit de dose ou de contamination, le marquage de zones, le prélèvement d’échantillons, l’assainissement par action mécanique ou projection, ou encore le démantèlement par démontage, découpe, et récupération de déchets.

Begey, J.; et al. Dynamic Control of Parallel Robots Driven by Flexible Cables and Actuated by Position-Controlled Winches. IEEE Transactions on Robotics. 2019.

Michelin, M.; et al. Path Following Demonstration of a Hybrid Cable-Driven Parallel Robot. In Cable-Driven Parallel Robots, Springer. 2021.

Amortissement d’oscillations : youtu.be/tN5UPqr268o
Démonstrations robot à câbles équipé du robot industriel : youtu.be/g0_OqK-ZWdU, youtu.be/yU3Lx-1FL1M

Dépôt de brevet : EP3318369 (A1) - CABLE DRIVEN PARALLEL MANIPULATOR.

Le projet DexterWide est consacré aux systèmes robotiques composés d’un robot parallèle à câbles (RPC) de grande dimension et d’un robot industriel (manipulateur sériel), ce dernier étant embarqué sur la plate-forme mobile du RPC. Un tel ensemble est pertinent dans plusieurs applications industrielles nécessitant l’exécution de tâches dextres au travers d’un vaste espace de travail. Des exemples d’applications qui devraient bénéficier de cette technologie sont la production, la manipulation et l’inspection dans les secteurs de la construction navale, des énergies renouvelables, de l’aéronautique, du nucléaire et du génie civil. La robotisation de certaines de ces applications devrait soulager des travailleurs de tâches dangereuses et pénibles, accélérer les temps de production, améliorer la qualité et ainsi préserver la compétitivité d’industries nationales de premier rang. Le projet DexterWide est soutenu par le PNB (“Pôle de l’industrie nucléaire”).
Dans le cadre du projet, trois applications feront l’objet de démonstrations expérimentales :
• application sans contact : peinture à la bombe ;
• application « en interaction » #1 : découpe de plastique ou de métal ;
• application « en interaction » #2 : carottage de différents matériaux.
Le projet traitera particulièrement des cas où l’influence du robot industriel embarqué sur la statique et/ou la dynamique du RPC est notable et ne peut donc pas être négligée. La faible raideur mécanique du RPC, dont la plate-forme mobile constitue la base du robot industriel embarqué, et la redondance cinématique et d’actionnement constituent les principaux défis du projet. Ces défis seront relevés par le biais :
1. de dispositifs supplémentaires embarqués sur la plate-forme du RPC permettant l’ajustement du centre de masse global du système et la stabilisation active (compensation de vibrations) ;
2. de stratégies de planification et de commande utilisant toutes les variables de commande disponibles (treuils du RPC et actionneurs embarqués incluant ceux du robot industriel) afin de bénéficier pleinement de la redondance cinématique du système.
Des dispositifs mécaniques actionnés, constitués de masses mobiles embarquées dans la plate-forme mobile du RPC, seront proposés. Les mouvements de ces masses embarquées seront coordonnés à ceux du robot industriel afin de maintenir la position du centre de masse global constante ou de n’autoriser son déplacement que dans des limites acceptables. De tels dispositifs devraient permettre au RPC de ne pas être surdimensionné et aussi d’éviter d’avoir à restreindre (trop) strictement les configurations possibles et la dynamique des mouvements du robot industriel embarqué. Pour la stabilisation active (compensation de vibrations), le projet traitera de l’utilisation de toutes les variables de commande disponibles ainsi que de dispositifs tel que les roues à réaction, les actionneurs gyroscopiques et les jets d’air comprimé.
Les stratégies de planification et de commande proposées au cours du projet auront pour objectif une utilisation optimale du système complet qui possède de la redondance cinématique ainsi qu’une possible redondance d’actionnement. En outre, des méthodes d’automatique avancée seront développées et/ou éprouvées afin de permettre la stabilisation active du système et d’améliorer ces performances dynamiques, deux conditions probables au succès des démonstrations des trois applications sélectionnées dans le projet (peinture, découpe et carottage).