Amortissement actif de robots parallèles à câbles flexibles

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Les robots parallèles à câbles exploitent la légèreté, la résistances et la capacité à s'enrouler des câbles pour déplacer des charges. Nous nous intéressons à ce concept qui présente un énorme potentiel applicatif, mais qui souffre de difficultés importantes de modélisation et de précision de positionnement à cause du caractère flexible des câbles. Nous cherchons notamment à mieux comprendre les vibrations et à les atténuer activement, ce qui permet de rejeter des perturbations telles qu'on peut en trouver lors d'un travail en extérieur.

Introduction

Une partie de notre équipe de recherche s'intéresse à la conception de robots parallèles à câbles et à de prometteuses applications potentielles de ce concept. Ce type de robots présente des avantages très intéressants par rapport aux robots séries et parallèles classiques :

  • Un grand espace de travail aisé à modifier au besoin
  • D'excellentes dynamiques
  • Un prix très compétitif
  • Une faible consommation d'énergie

Cependant, ces avantages sont obtenus au prix d'une complexité plus grande de modélisation et d'une flexibilité bien plus grande, qui entraine régulièrement des vibrations de grande amplitude.

Dans notre projet, nous nous attachons à modéliser le comportement de robots parallèles à câbles utilisant des câbles très fins et légers, et à estimer et amortir les vibrations qui surviennent. Pour cela, nous avons modélisé et expérimenté l'utilisation de roues à inertie sur la plateforme du robot, ainsi qu'un certain nombre de techniques de commande pour réduire au maximum l'amplitude des vibrations et leur durée.

Expériences de stabilisation pour un robot plan

Plateforme expérimentale d'un robot plan à deux paires de câbles
Vue des actionneurs du robot

Un robot plan à 2 paires de câbles et 2 roues à inertie a été réalisé dans un premier temps pour valider le concept de roues à inerties embarquées sur la plateforme, et plus généralement d'embarquer l'ensemble des systèmes mécatroniques du robot sur la plateforme. Les résultats sont très encourageants : même avec du matériel très commun, il est possible de réduire significativement les vibrations.

Expériences de stabilisation avec un robot à 8 paires de câbles

Pour généraliser l'approche de l'amortissement de vibrations, un robot à 8 paires de câbles capable d'explorer les 6 degrés de liberté de l'espace a été construit. Les vibrations sont traitées comme une superposition de vibrations élémentaires dans 6 directions principales grâce aux techniques de l'analyse modale. La commande d'anti-vibration est réalisée dans cet espace, ce qui permet de calculer des correcteurs parfaitement adaptés aux vibrations élémentaires estimées dans chaque directions à l'aide des mesures fournies par une centrale inertielle.


Matériel utilisé

  • Boîte(s) de Lego Mindstorms version NXT ou EV3 (utilisation avec RPIt)
  • Raspberry Pi model B et un dongle wifi pour un contrôle sans fil depuis un PC du robot
  • Une batterie pour alimenter le Raspberry Pi
  • hub USB s'il y a plusieurs briques de contrôle à utiliser
  • Centrale inertielle 6DoF (Pololu MinIMU-9 v2 Gyro, Accelerometer, and Compass)
  • Matlab 2010+ avec Simulink Coder
  • fil de pêche pour les câbles (beaucoup de modèles sont utilisables, on cherche surtout un fil léger et résistant)

Publications

  1. Xavier Weber, Loic Cuvillon and Jacques Gangloff, Active vibration canceling of a cable-driven parallel robot using reaction wheels, in proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2014), Chicago, Illinois, Sept. 14–18, 2014.

Contact

Financement

  • Allocation de thèse du ministère (X. Weber, 2012-2015)