Structure d’un robot

Un robot se compose de sept parties principales : la structure mécanique articulée, la source d’énergie, les actionneurs, les transmissions, les capteurs internes, les capteurs externes, le système de commande.

La structure mécanique articulée constitue en quelque sorte le squelette du robot ; elle comprend des segments placés généralement les uns à la suite des autres, chaque segment étant articulé et mobile par rapport au précédent. La structure mécanique comporte trois grandes parties fonctionnelles : le véhicule, le porteur,  l’organe terminal .

La source d’énergie peut être d’origine pneumatique, hydraulique ou électrique. L’intérêt de chacune de ces sources se juge d’après les propriétés des actionneurs (les moteurs qui entraînent les articulations) qu’on peut réaliser, sur l’autonomie dans le cas des robots mobiles, et sur le coût de réalisation.

L’énergie pneumatique présente quelques attraits : elle est disponible dans les ateliers, sa mise en œeuvre est simple, le fluide n’est pas polluant, elle est bon marché et la maintenance des systèmes pneumatiques est aisée. On rencontre des actionneurs pneumatiques sur les robots (ou manipulateurs) dits séquentiels , c’est-à-dire ceux dont les articulations se déplacent d’une position sur butée à une autre position sur butée sans possibilité d’arrêt intermédiaire. Les outils portés par les organes terminaux des robots sont souvent aussi à motorisation pneumatique (pince, perceuse, etc.).

L’énergie hydraulique est celle qui développe la force la plus grande par unité de volume ou de poids d’actionneur. On la rencontre sur les robots devant déplacer des charges supérieures au millier de newtons.

L’énergie électrique rencontre en général la faveur des utilisateurs ainsi que celle des constructeurs de robots pour des charges à déplacer inférieures à 1 000 newtons.

Les actionneurs pneumatiques se présentent sous forme de vérins linéaires ou même rotatifs alimentés via des distributeurs à clapet ou à tiroir monovoie ou multivoie. Il en est de même pour les actionneurs hydrauliques, où l’on rencontre des vérins linéaires à simple ou double effet, ou à effet différentiel, ainsi que des moteurs rotatifs accompagnés de leurs servovalves.

La plupart des types de moteur électrique semblent avoir été testés sur les robots. Les moteurs pas à pas, attrayants parce que semblant par avance numérisés, c’est-à-dire facilement connectables aux ordinateurs, sont très difficiles à maîtriser, car ils sont sujets à une influence considérable de la charge transportée, instables aux basses fréquences et nécessitant une commande sophistiquée, donc onéreuse. On leur préfère les moteurs à courant continu à aimant permanent dont le couple de sortie, indépendant de la position et de la vitesse du rotor, permet une intégration aisée au sein de boucles classiques d’asservissement en position.

Les transmissions assurent le lien entre les sorties mobiles des actionneurs et les articulations à mouvoir. De nombreuses techniques sont utilisées : câbles, rubans métalliques, chaînes, courroies crantées ou non, engrenages, etc.

Les transmissions sont une source majeure de difficultés, car elles induisent des vibrations, des jeux et des frottements réduisant les performances des robots. La technique de l’entraînement direct supprime les transmissions par insertion du moteur au sein de l’articulation, l’axe du moteur devenant l’axe de l’articulation ; mais ce que l’on gagne en qualité mécanique est partiellement perdu dans l’accroissement de difficulté du contrôle.

Les capteurs internes , nommés aussi capteurs proprioceptifs par analogie avec l’anatomie humaine, sont destinés à donner les grandeurs réelles de la position, de la vitesse et de l’accélération du couple développé à chaque articulation, afin d’assurer par asservissement le bon suivi des trajectoires commandées.

Les capteurs d’accélération restant d’un coût élevé, on préfère généralement avoir accès à cette grandeur par dérivation de la vitesse.

L’information sur la vitesse est obtenue soit à l’aide de génératrices tachymétriques classiques, soit par comptage d’impulsions (un disque à fentes tourne devant une tête optoélectronique), soit par dérivation de la position.

Pour mesurer la position, tous les capteurs habituels peuvent être rencontrés sur les robots : potentiomètres résistifs linéaires et rotatifs, transformateurs différentiels, résolveurs, capteurs capacitifs (pour des microdéplacements), capteurs optoélectroniques incrémentaux, codeurs absolus, etc. L’objectif des capteurs externes , ou capteurs extéroceptifs , est le prélèvement d’informations sur l’environnement afin d’être à même d’exécuter la tâche demandée.

Il tombe sous le sens que, suivant la tâche projetée et ce qu’on en sait à l’avance (information a priori), la nature et la quantité d’informations à prélever sur l’environnement varient largement. Or les constructeurs de robots ignorent forcément lors de la conception les conditions complètes d’utilisation future. Ils sont donc dans l’impossibilité de prévoir les capteurs externes adéquats.

Pour surmonter cette difficulté, les concepteurs s’inspirent d’une analogie anthropomorphique. On remarque aisément que, dans la majorité des actions physiques qu’un homme exécute, il utilise principalement ses sens de la vision et du toucher.

Un système perceptif faisant appel à des capteurs capables d’acquérir des informations à distance (comme la vision) ou au contact (comme le toucher) devrait aider à l’exécution correcte de nombreux types de tâches non déterminées à l’avance.

On divise usuellement ces capteurs en trois catégories :

– les capteurs au contact sont nommés tactiles lorsqu’ils sont utilisés pour la reconnaissance géométrique de l’environnement (par palpation) ; on parle de capteurs d’efforts lorsque l’information à acquérir concerne une force , un couple , ou un moment  ;

– les capteurs à faible distance , ou capteurs proximétriques , donnent des images de quelques points de l’environnement local en utilisant les rayonnements infrarouges ou ultrasonores, ou les variations de champ magnétique (pour des objets sensibles à ce champ) ;

– les capteurs à distance fournissent des images détaillées d’un environnement plus global ; il s’agit de caméras de type télévision ou de dispositifs à transfert de charges (charge-coupled device , ou C.C.D.).

Il faut remarquer que, si le prélèvement d’informations sur l’environnement pose de difficiles problèmes de capteurs, le tri de ces informations, leur compréhension et la recherche de l’information significative (ou pertinente) pour la tâche en cours constituent une partie algorithmique très délicate.

Le système de commande d’un robot comporte nécessairement deux modules fonctionnels pouvant cependant s’appuyer sur la même structure physique : le premier module sert à l’apprentissage du robot ; le second module est utilisé lors de l’exécution de la tâche apprise.

Comme on classe souvent les robots à partir de leur système de commande, ceux-ci peuvent être très divers. Les robots à fonctionnement séquentiel (ou " en tout ou rien ", ou pick and place ) ne possèdent généralement pas de capteur externe. Leur système de commande fera appel à des logiques à relayage électrique ou à des logiques pneumatiques ou, le plus souvent, à des automates programmables . Pour les robots dotés d’asservissements, le système de commande est constitué généralement d’un minicalculateur ou de microprocesseurs.