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Eric LUCET eric.lucet@robosoft.fr. La Robotique Mobile Manufacturière. Cours M2 – Systèmes Avancés & Robotique. Les robots. La Politique, livre I , Aristote (384-322 av J.C.)

Audrey
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  1. Eric LUCET eric.lucet@robosoft.fr La Robotique Mobile Manufacturière Cours M2 – Systèmes Avancés & Robotique

  2. Les robots La Politique, livre I, Aristote (384-322 av J.C.) «Si, en effet, chaque instrument était capable, sur une simple injonction, ou même pressentant ce qu'on va lui demander, d'accomplir le travail qui lui est propre, comme on le raconte des statues de Dédale ou des trépieds d'Héphaïstos, lesquels, dit le poète, Se rendaient d'eux mêmes à l'assemblée des dieux, si, de la même manière, les navettes tissaient d'elles-mêmes, et les plectres pinçaient tout seuls la cithare, alors, ni les chefs d'artisans n'auraient besoin d'ouvriers, ni les maîtres d'esclaves.»

  3. Les robots Définition du terme robot (du tchèque robota~servitude) : Un robot est une machine équipée de capacités de perception, de décision et d’action qui lui permettent d’agir de manière autonome dans son environnement en fonction de la perception qu’il en a. D. Filliat, Robotique mobile, cours ENSTA

  4. Robosoft • Créée en1985 par Vincent Dupourqué (startup INRIA) • Notre mission : robotiser les services • Notre activité: recherche sous contrat • 2 sites : Biarritz et Grenoble • 31 employés • 6 M€ en 2009 • Plus de 1,000 robots vendus depuis 1985 • Equipe d’origine autour du robuTER, • premier robot Robosoft, INRIA, 1986.

  5. Robosoft • Solutions de robotique avancée pour : • Les transports • La propreté • La sécurité • La santé robots d’assistance

  6. Objectifs de ce cours • Problématiques de la robotique mobile et des solutions actuelles dans le monde de l’entreprise, et ce, en partie à partir de mon expérience au sein de l’entreprise Robosoft. • Marché mondial de la robotique mobile et de son développement. • Études de cas pratiques récents avec des problématiques proches de la recherche.

  7. Introduction • Distinguons : • La robotique industrielle classique : robots soudeurs sur une chaîne de montage par exemple ; • La robotique de service : dernières générations de robots qui apportent aux humains une aide concrète dans une multitude de circonstances, réunissant les robots agissant dans les secteurs de : • les robotiques sous-marine et aérienne, • l'exploration spatiale, • la maintenance, • la sécurité et la défense, • le transport, • la santé.

  8. Introduction

  9. Sommaire • Robotique Industrielle • Robotique Sous-marine • Robotique Aérienne • Exploration Spatiale • Construction & Exploitation • Sauvetage & Sécurité • Transport Automatique • Robotique d’Assistance & Domestique

  10. Robotique Industrielle • La plupart des robots d’aujourd’hui, plus adaptés aux humains et multitâches puisent leur origine dans la conception et la commande des premiers robots industriels. • Les robots industriels sont également de loin la plus importante application commerciale des technologies robotiques d’aujourd’hui. • En 2007, on enregistre plus d’un million d’installations de robots industriels, l’industrie automobile étant prédominante avec plus de 60% de celles-ci. Springer Handbook of Robotics

  11. RobotiqueIndustrielle • Brevet à l’origine du premier robot industriel déposé en 1954 par George Devol. • Première compagnie de fabrication de robot, Unimation Inc. (fusion de universal et automation), créée aux Etats-Unis par Joseph Engelberger en 1956. • Premier robot hydraulique Unimates mis en application dans l'usine Ewing Township (banlieue de Trenton) de General Motors en 1961 pour l’extraction de pièces d'une cellule de fonderie sous pression. • Applications suivantes dans la manutention de pièces et le soudage de caisses de véhicules.

  12. RobotiqueIndustrielle Emergence de l’AGV (AutomatedGuidedVehicle) MORO (MObililerROboter), 1984, Frauenhofer IPA, Stuttgart (Allemagne), suivant un fil enterré dans le sol. Chariot élévateur automatisé de chez MLR System, Ludwigsburg (Allemagne).

  13. RobotiqueIndustrielle AutoVacC 2 (Autonomus Vacuum Cleaner), 1988, Robosoft, pour GSF (Groupe Services France), premier robot mobile et autonome. Aspirateur nettoyant bureaux, pièces et couloirs, en zones dangereuses, salles blanches ou grands espaces comme les centres commerciaux ou les aéroports. S’en suivent de nombreux prototypes (projet européen EUREKA)… …dont l’auto-laveuse C100, 2000, 4 exemplaires à GSF, Comac (Italie), Henkel Ecolab (Allemagne). Science et vie n°851, août 1988 http://www.robosoft.com/eng/museum.php

  14. RobotiqueIndustrielle AutoWIND, 1994 Programme européen de développement d’une plateforme à câbles suspendue pour le lavage des carreaux. AutoWIND, 1999 Premier prototype Robosoft de robot grimpant. Nettoyeur de verrières de la Gare de Massy, 2010, pour SNCF, Eiffage. robuGLASS : laveur de carreaux de la pyramide du Louvre (> 500,000 m2 nettoyés), Stade de France, Hôpital G.Pompidou…

  15. RobotiqueIndustrielle • OSCAR, 1990 • Premier prototype de remplissageautomatique de carburant, développé par Robosoft, en coopération avec STAB et SEMVAT, les compagnies de bus de Bayonne et Toulouse. • robuFILL :Remplissage automatisé 24h / 24h avec suivi précis des consommations. • Toulouse, Biarritz (F), Chicago (USA), La Haye (NL)… Science et vie n°851, août 1988 http://www.robosoft.com/eng/museum.php

  16. Robotique Sous-marine • Intérêt des océans, couvrant les 2/3 de la Terre, pour le transport de marchandises, la sécurité, la nourriture, les gisements de métaux, de gaz et de pétrole. • Expansion continuelle du rôle de la robotique marine dans le domaine de l’ingénierie océanique pour : • l’exploration des fonds marins, • la maintenance des infrastructures sous-marines. • Utilisation de : • ROV (RemotelyOperatedVehicle) commandé à distance, • AUV (AutonomousUnderwaterVehicle) autonome, • UVMS (UnderwaterVehicleManipulator System).

  17. RobotiqueSous-marine (ROVs) Jason 2, WHOI, USA Hyperdolphin, ISE Ltd., Japon (International Submarine Engineering)

  18. RobotiqueSous-marine (ROVs) • Victor 6000, Ifremer, 2000 • Partenaires industriels intervenant dans le développement du submersible : • CRP pour le flotteur • CYBERNETIX pour le bras manipulateur MAESTRO assisté par ordinateur • DEFREANE pour l’énergie du robot • DE REGT pour l’attache • HYTEC pour la caméra numérique • GENISEA pour l’installation électronique des équipements sous pression • JM MOTEURS pour la propulsion • SCHLUMBERGER pour les câblages électrique et optique • THALES, IxseaOceano pour le système de positionnement POSIDONIA • Coordinateur industriel • ECA http://www.ifremer.fr/fleet/systemes_sm/engins/victor.htm

  19. RobotiqueSous-marine (AUVs) • Environ 200 AUVs opérationnels dans le monde, essentiellement pour : • - le repérage de gisements • - la surveillance de sites militaires et le déminage REMUS 100, Hydroid, USA SeaGlider, iRobot, USA Odin, Univ. d’Hawaï, USA

  20. Robotique Aérienne • Large potentiel d’applications rendues possibles par la mobilité a d’un système aérien : • - militaires pour la surveillance, la détection d’objectifs, voire le combat. • - civiles pour la télédétection, la surveillance, l’acquisition d’images, l’aide lors de catastrophes naturelles, le transport de personnes ou de marchandises. • Challenges : • - Régulation d’état en vol, • - Interface Homme/Machine, • - Circulation / trafique aérien, • - Sûreté / fiabilité, • - prévention des collisions, • - techniques de décollage / atterrissage. AR.Drone (2010), Parot, France

  21. RobotiqueAérienne • Pr. Robert C. Michelson (Georgia Tech, USA), père de la robotique aérienne, avec l’une de ses inventions : l’Entomopter (2000) • Différents types de drones / UAVs (UnmannedAerialVehicles) : Helios (2001), NASA, USA DRAC (2008), EADS, France Northrop YB-49 (1947), Northrop Corp., USA R-MAX (1980), Yamaha, Japon http://fr.wikipedia.org/wiki/Liste_de_drones http://en.wikipedia.org/wiki/Robert_C._Michelson

  22. RobotiqueAérienne • Classement des drones (produits à au-moins 200 exemplaires) d’après R. Weibel • => Tendance vers des systèmes à ailes fixes n évoluant à toutes altitudes Wasp (13cm, 1998), AeroVironment, USA Luna (2000), EMT, Allemagne Hermes 450 (2004), Elbit Systems, Israël R.E. Weibel, R.J. Hansman: Safetyconsiderations for operation of different classes of UAVs in the national airspace system, AIAA 3rd UnmannedUnlimitedTechnicalConference, Chicago (2004) paper 6244

  23. Exploration Spatiale • Robot spatial : Système facilitant la manipulation, l’assemblage, et autres services à l’astronaute, ou dédié à l’exploration. • 2 types : • Robot orbital • Robot de surface • Manipulation & Mobilité : • Microgravité • Température • Pression • Radiations • - Sable fin Projet Exomars (EU)

  24. Exploration Spatiale • Premiers prototypes de rovers aux USA et en URSS au milieu c des années 1960 Sojourner (1997), 1cm/s, NASA, USA Lunokhod (1970), URSS Lunar Rover (1971), Apollo 15, USA Spirit & Opportunity (2003), NASA, USA • 10 minutes de délais de communication avec Mars • Projets de robots aériens (drones ou ballons) ou souterrains http://fr.wikipedia.org/wiki

  25. Construction & Exploitation • Domaines : • Agriculture, • exploitation forestière, • construction, • zones dangereuses (ex : centrales nucléaires), • exploitation des mines et des carrières. • Problématiques • Force, • Précision (vision + GPS). MininRake, 2003, Robot d’étalage de béton, SomeroEnterprises (USA)

  26. Construction & Exploitation • 95% du bois ramassé par des machines v autonomes dans les pays nordiques depuis f la fin des années 1990 Forest Walker, 1995, PlustechOy (Finlande) • Automatisation de véhicules agricoles avec a ajout de systèmes hydrauliques pour la a direction et nouvelles méthodes de a localisation par vision et GPS, au début a des années 1990 Vue caméra avec identification de rangées

  27. Construction & Exploitation • Exemple d’automatisation d’un tracteur a de retraitement de boues usagées pour a la Générale des eaux, par Robosoft • Utilisation de robots dans la construction et l’exploitation en plein air depuis les années 1980, avec l’arrivée de processeurs performants. • Difficulté de leur développement depuis en raison de tâches peu répétitives et de problèmes d’interopérabilité. Robot de transport de mines, 2008, Caterpillar (USA) http://dsc.discovery.com/news/2008/11/06/monster-robot-truck.html

  28. Sauvetage & Sécurité • Robots de sauvetage très utilisés depuis l’attentat du 11 septembre a 2001 à New-York. • Déploiement de robot lors d’attaques ou catastrophes naturelles : • Guerre, attentat, • Tremblement de terre, • Ouragan, • Coulées de boue, • Inondation, etc. • Tous types d’architectures concernées : • Marine, • Aérienne, • Terrestre. Solem (2001), Foster-Miller Inc., USA

  29. Sauvetage & Sécurité Robot de surveillance basé sur le robot RobuTER, équipé de caméras, modules pan-tilt, ultrasons et autres capteurs. Développé en 1996, en coopération avec JRC-ISPRA et soutenu par la Commission Européenne, pour la surveillance de 2 sites, un centre commercial et un garage. Robot d’aide au sauvetage lors de catastrophes naturelles élu parmi les meilleurs robots produits en 2010 au Japon, par le ministère japonais de l’économie, du commerce et de l’industrie. SMIS (1996), Robosoft, France FRIGO-M (2010), Mitsubishi, Japon

  30. Sauvetage & Sécurité Exemples de projets : SCA2RS, Roburemote: simulation, interface • Animation de différents types de robots terrestres, maritimes ou aériens, et simulation de leur interaction avec l’environnement. • Validation d’algorithmes de planification ou de coordination multi-robots, ainsi que des IHM de visualisation de l’environnement et de supervision de la mission de la flotte. • Interface générique pour poste sol.

  31. Sauvetage & Sécurité SF: développement d’une plateforme tout terrain de petit taille pour le sauvetage Définition, intégration de contrôleurspécifique (imitation du comportement animal d’exploration), dissémination.

  32. Sauvetage & Sécurité ENH • 2.9 x 1.5 x 1.1 m • Objectif de masse à vide: 730 kg • Charge utile 320 kg • Vitesse maxi 50 km/h • Franchissement pente 30% • Simulations réalisées sous ADAMS :

  33. Sauvetage & Sécurité • Intégration de tous les composants plateforme et communication : • Odométrie: Codeurs sur les 6 roues • GPS: NovatelFlexpack - Bi-fréquence - EGNOS - Upgradable RTK • Inertiel: XsenseMti - Capteur d’attitude (roulis tangage) - Cap par magnétomètre • Fusion de données par hybridation lâche après projection plane - Algorithmes issus du projet de recherche CTS-Sat.

  34. Sauvetage & Sécurité • Anti-dérapage - ESP dynamique

  35. Sauvetage & Sécurité • Double bridage: vitesse et braquage • Bridage des consignes braquage en fonction de la vitesse - Respecter la condition d'adhérence correspondant à une route mouillée (coefficient d'adhérence de 0.8). - Rayon de braquage maximal admissible à la vitesse courante R = V² / ug avec R = rayon de braquage, V = vitesse du véhicule, u = coefficient d'adhérence (0.8) g=9.81.  - Angle de braquage max - L'angle de consigne de braquage sera alors saturé par ce braquage maximum.

  36. Sauvetage & Sécurité • Bridage de vitesse tant que le braquage désiré ne peut pas être réalisé: - Bridage vitesse: calcul avec l'équation d'adhérence précédente la vitesse consigne à commander pour pouvoir réaliser le braquage désiré. • Anti-retournement - Calcul basé sur Transfert de charge Latéral (LLT) - Roue soulevée quand LLT =1

  37. Sauvetage & Sécurité • Anti-retournement: calcul LLT (Bouton, Lenain, ICRA2010) calculé d’après :

  38. Commande classique Position mesurée Position désirée Algorithme de Stabilisation Sauvetage & Sécurité FAST COMMANDE PAR MODULATION DES COUPLES DES ROUES

  39. Forces en entrée Angles de braquage Forces généralisées Sauvetage & Sécurité Mise en œuvre • Equations dynamiques dans le repère local : • Vecteur des entrées : • Vecteur des vitesses dans le repère local :

  40. angle de braquage erreur en vitesse de lacet Ifδ< 0 If ε< - limit Negative force Frl applied. end ε< - limit if ε> limit Negative force Ffr applied. end ε> limit end δ< 0 Ifδ> 0 If ε< - limit Negative force Ffl applied. end ε< - limit if ε> limit Negative force Frr applied. end ε> limit end δ> 0 Ifδ< 0 If ε< - limit Negative force Frl applied. end ε< - limit if ε> limit Negative force Ffr applied. end ε> limit end δ< 0 Ifδ> 0 If ε< - limit Negative force Ffl applied. end ε< - limit if ε> limit Negative force Frr applied. end ε> limit end δ> 0 Sous-virage Sur-virage Sauvetage & Sécurité Ifδ< 0 If ε< - limit Negative force Frl applied. end ε< - limit if ε> limit Negative force Ffr applied. end ε> limit end δ< 0 Ifδ> 0 If ε< - limit Negative force Ffl applied. end ε< - limit if ε> limit Negative force Frr applied. end ε> limit end δ> 0

  41. Sauvetage & Sécurité Evaluation sous MRDS • Suivi de chemin sinusoïdal • Avec le nouvel algorithme • Sans stabilisation

  42. Force pour prévenir le sous-virage lors de virages à droite Force pour prévenir le sur-virage lors de virages à droite Force pour prévenir le sous-virage lors de virages à gauche Sauvetage & Sécurité • Forces appliquées avec • l’algorithme de stabilisation • Position du robot

  43. Sauvetage & Sécurité Essais à Montoldre Septembre 2009 • Conditions : • terrain plat, soit • horizontal soit en • pente, herbe. • Entrées de commande : • vitesse X 4, • direction avant. • Mesures : • codeurs, magnétos, gyros, accéléros, GPS. Robot FAST A sur site

  44. Sauvetage & Sécurité Résultats en virage à 8 m/s • Avec le nouvel algorithme • Sans stabilisation

  45. Sauvetage & Sécurité Résultats en virage à 8 m/s Erreur en vitesse de lacet (rad/s) Angle de glissement (deg) Position (m) • Algorithme de stabilisation impératif, sinon tête-à-queue ; • Amélioration significative du suivi de chemin avec la loi de commande cinématique étendue.

  46. Sauvetage & Sécurité Résultats en double virage à 6 m/s Courbure (m-1) Deltas de vitesse ajoutés (m/s) Pics de vitesse sur les roues gauches (noir et bleu) pour éviter un sous-virage à gauche ; Pics de vitesse sur les roues droites (rouge et vert) pour éviter un sous-virage à droite.

  47. Sauvetage & Sécurité Résultats en double virage à 6 m/s Position (m) Angle de glissement avant (deg) • Bonne compensation ponctuelle des pics de glissement.

  48. Sauvetage & Sécurité Résultats en pente à 6 m/s Chemin suivi

  49. Sauvetage & Sécurité Erreur vitesse lacet (rad/s) Angle de glissement avant (deg) • Compensation de glissements en pente à droite ; • Réduction de moitié de l’erreur en vitesse de lacet.

  50. Sauvetage & Sécurité

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