Modèle dynamique d`un robot
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Modèle dynamique d`un robot
UFR des Sciences, Département EEA M1 EEAII Parcours ViRob Fabio MORBIDI E-mail: [email protected]! http://home.mis.u-picardie.fr/~fabio/Teaching.html Année Universitaire 2014/2015 Plan du cours Chapitre 1 : Généralités 1.1 Définitions 1.2 Constituants d’un robot 1.3 Classification des robots 1.4 Caractéristiques d’un robot 1.5 Les générations de robot 1.6 Programmation des robots 1.7 Utilisation des robots Chapitre 2 : Degrés de liberté - Architecture 2.1 Positionnement • Rotation et représentation de la rotation • Attitude et matrices homogènes 2 Plan du cours 2.2 Cinématique • Vitesse d’un solide • Vecteur vitesse de rotation • Mouvement rigide • Torseur cinématique Chapitre 3 : Modélisation d’un robot 3.1 Modèle géométrique • Convention de Denavit-Hartenberg • Modèle géométrique direct • Modèle géométrique inverse 3.2 Modèle cinématique • Jacobien direct d’un robot • Jacobien inverse d’un robot 3.3 Modèle dynamique • Equation d’Euler-Lagrange 3 Modèle dynamique d’un robot • Le modèle dynamique d’un manipulateur est important pour: • La simulation du mouvement • Analyser la structure d’un robot • Le développement d’algorithmes de contrôle • Il y a deux méthodes pour déterminer les équations du mouvement d’un manipulateur dans l’espace articulaire: 1. La méthode basée sur la formulation de Lagrange • Conceptuellement simple et systématique 2. La méthode basée sur la formulation de Newton-Euler (on trouve la résultante des forces qui s'exercent sur un segment générique du manipulateur) • Elle produit un modèle de façon récursive • Plus avantageuse du point de vue computationnel que la formulation de Lagrange • De manière similaire au cas cinématique, on peut encore définir: ¨ (t)) • Un problème dynamique direct (trouver les accelerations q • Un problème dynamique inverse (trouver les couples articulaires τ (t)) 4 Modèle dynamique: formulation de Lagrange • Le modèle dynamique d’un manipulateur nous permet de décrire la relation entre les couples des actionneurs sur les articulations et le mouvement de la structure. • Avec la formulation de Lagrange les équations de mouvement peuvent être déterminées d’une façon systématique et indépendamment du référentiel que nous avons choisi. • Lorsque les variables qi , i ∈ {1, . . . , n} “coordonnées généralisées” ont été fixées (elle décrivent la position des segments d’un manipulateur à n DDL), le lagrangien L du système peut être défini en fonction des coordonnées généralisées, de la manière suivante: L = T −U Énergie cinétique totale Énergie potentielle totale 5 Modèle dynamique: formulation de Lagrange • Les équations de Lagrange (ou d’Euler-Lagrange) sont exprimées par: où d ∂L ∂L − = ξi , dt ∂ q˙i ∂ qi i ∈ {1, . . . , n} ξi est la force généralisée associée à la coordonnée généralisée qi • Sous une forme compacte, nous pouvons réécrire les équations de Lagrange comme: d dt � ∂L ∂ q˙ �T − � ∂L ∂q �T = ξ où, pour un manipulateur (à chaîne ouverte), les coordonnées généralisées sont réunies dans le vecteur des variables articulaires q • Les contributions aux forces généralisées sont données par les forces non-conservatives dans le système: • Les couples des actionneurs sur les articulations • Les forces de frottement sur les articulations • Les couples sur les articulations générées par les forces de contact de l’effecteur avec l’environnement 6 Modèle dynamique: formulation de Lagrange • Les équations de Lagrange: d ∂L ∂L − = ξi , dt ∂ q˙i ∂ qi i ∈ {1, . . . , n} nous fournissent une relation entre les forces généralisées ξi appliquées au manipulateur, et les positions, vitesses et accelerations des variables articulaires, c’est-à-dire qi , q˙i , q¨i , i ∈ {1, . . . , n} • Ces équations nous permettent de déterminer le modèle dynamique d’un robot à partir de l’énergie cinétique et potentielle du système Joseph-Louis Lagrange (1736-1813) 7 Modèle dynamique: formulation de Lagrange Exemple [Pendule inversé actionné par un moteur électrique] r moteur F θm θ rm � I m , Fm I, F r, rm : longueur de la tige : moment d'inertie du servomoteur autour de l’axe de rotation et son coefficient de frottement visqueux : moment d'inertie de la tige et son coefficient de frottement visqueux : rayon des engrenages côté tige et côté moteur kr = r/rm : braquet θ, θm : position angulaire de l’axe du moteur et de l’axe de la tige (si θ = 0, la tige m, g : masse de la tige et accélération de la pesanteur cm : couple engendrée par le moteur pointe vers le bas) 8 Modèle dynamique: formulation de Lagrange Exemple [Pendule inversé actionné par un moteur électrique] r moteur F θm θ rm Si on choisit θ comme coordonnée généralisée, l’énergie cinétique du système est: T = 1 ˙2 1 I θ + Im kr2 θ˙2 2 2 En outre, l’énergie potentielle du système (définie à une constante près) est: U = m g � (1 − cos θ) 9 Modèle dynamique: formulation de Lagrange Exemple [Pendule inversé actionné par un moteur électrique] Le lagrangien du système est donc: L = T −U = 1 ˙2 1 I θ + Im kr2 θ˙2 − m g � (1 − cos θ) 2 2 Si on utilise cette expression dans l’equation de Lagrange suivante (nous avons une seule coordonnée généralisée, l’angle θ ): d ∂L ∂L − = ξ dt ∂ θ˙ ∂θ on trouve: (I + Im kr2 ) θ¨ + m g � sin θ = ξ La force généralisée ξ est donnée par plusieurs de contributions: la couple d’actionnement au côté tige, et les couples de frottement visqueux −F θ˙ , −Fm kr2 θ˙ (la dernière couple a été reportée au côté tige): ξ = τ − F θ˙ − Fm kr2 θ˙ 10 Modèle dynamique: formulation de Lagrange Exemple [Pendule inversé actionné par un moteur électrique] Conclusion: Nous trouvons ainsi le modèle dynamique complet du système, sous la forme d’une équation différentielle ordinaire du second ordre: (I + Im kr2 ) θ¨ + (F + Fm kr2 ) θ˙ + m g � sin θ = τ On verra la prochaine leçon comment calculer l’énergie cinétique et l’énergie potentielle d’un un manipulateur générique avec n segments rigides, pour trouver son modèle dynamique (les “équations du mouvement’’) avec la formulation de Lagrange. 11