Contrat de projets etat-region 2007/2013 Grands Réseaux de Recherche de Haute-Normandie Demande de financement 2009
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VOLET SCIENTIFIQUEMerci d’apporter une attention particulière au présent dossier scientifique, qui tiendra lieu de feuille de route pour le projet, pour son calendrier, ainsi que de cadre pour la rédaction du rapport d’activité final. A - Description détaillée du projet :
LOGITRONIQUE : Caractérisation et Commande de Robots Industriels à l’Echelle Micrométrique
Nom de l’Etablissement gestionnaire : Jean-François Brethé, GREAH, Université du Havre
Historique L’étude de la caractérisation des performances de positionnement à l’échelle micrométrique des robots industriels a démarré en 2000 lors de la thèse de JF Brethé « Contribution à la modélisation de la répétabilité des robots manipulateurs industriels par les ellipsoïdes stochastiques ». Les résultats encourageants obtenus en 2004 à l’issue de cette thèse nous ont mené à amplifier nos efforts de recherche sur ce thème finalement assez peu traité au niveau international mais pour lequel l’ensemble des spécialistes s’accorde à reconnaître qu’il est d’une importance capitale : l’étude des performances en précision des robots à l’échelle micrométrique. En effet, d’une manière générale, les robots ont vu leur prix relatif baisser par rapport aux machines spéciales et on peut espérer aujourd’hui les utiliser dans des secteurs nouveaux, notamment ceux exigeant une grande précision de positionnement. Cependant si les indicateurs de performance en précision des machines spéciales sont bien connus notamment en raison de l’architecture cartésienne sous-jacente, cela est tout à fait différent pour les robots industriels de manipulation car la complexité des chaînes cinématiques mène à des non-linéarités plus difficiles à traiter. En ce sens, un projet transversal « Plate-forme expérimentale pour les assemblages fins » porté par notre équipe a été soutenu par le Conseil Scientifique de l’Université du Havre en juin 2007 et a produit un certain nombre de résultats significatifs dans le domaine de la caractérisation des performances des robots à l’échelle micrométrique dont un certain nombre de publications internationales citées dans la suite du texte. Ce projet a notamment permis l’instrumentation d’un dispositif permettant de mesurer la répétabilité de pose et d’orientation avec une résolution de 0,5 Les pistes de recherche ont ensuite été détaillées dans le cadre du projet Dextarm déposé en réponse à un appel à projet ANR Jeunes Chercheurs en février 2008, doublement labellisé par les pôles de compétitivité Microtechniques de Besançon et Arve Industries. L’ANR n’a pas choisi de soutenir ce projet qui se met cependant en place grâce à la mobilisation de différentes sources de financement. D’une part, dans le cadre de ce projet Dextarm, l’Université a déposé un brevet en avril 2008 sur des architectures innovantes pour la robotique fine. D’autre part, les deux thèses proposées sont en cours de réalisation, financées par divers moyens dont des bourses de gouvernements étrangers et des vacations. Enfin, l’UFR Sciences et Techniques a financé l’achat d’un bras robotique SCARA Epson en juin 2009 permettant à la plate-forme pour les assemblages fins de prendre vie dans notre laboratoire. Ainsi une grande partie du cadre de travail du projet Dextarm s’est mis en place et l’objet du présent projet est de finaliser la partie informatique et traitement de l’information en vue de la commande optimale d’un bras manipulateur industriel. Objectifs généraux Il s’agit de travailler à la caractérisation des déplacements des robots à l’échelle micrométrique. Par ces termes, on entend la modélisation des déplacements et le traitement des informations de position de l’extrémité terminale des robots afin d’optimiser leur architecture cinématique et leur commande et d’adapter le fonctionnement des robots à la tâche à réaliser. Cela passe par les étapes suivantes :
Objectifs opérationnels L’offre commerciale de robots manipulateurs est aujourd’hui importante. Il est alors légitime de pouvoir classifier, comparer et choisir le meilleur robot pour une application donnée. Actuellement cette démarche est difficile car les outils manquent pour évaluer les performances des robots. Certes la norme ISO 9283 présente un certain nombre d’indicateurs de performance. Cependant les moyens humains et techniques mobilisés lors des estimations de ces indicateurs sont importants. La plupart des constructeurs de robots se contentent alors de donner uniquement le nombre de degrés de liberté, la charge utile, les dimensions géométriques et la répétabilité de pose1. Autrement dit, les autres critères de performance de pose sont passés sous silence (exactitude de positionnement, exactitude d’orientation, répétabilité d’orientation, variation multidirectionnelle de l’exactitude de pose, exactitude et répétabilité de distance)2. Quand bien même ces critères seraient disponibles, ils sont difficiles à synthétiser et effectuer un choix optimal semble une perspective bien lointaine. Nous cherchons à sélectionner les indices qui nous semblent les plus appropriés pour la description complète des performances de positionnement d’un robot à l’échelle micrométrique.
Des travaux ont été développés en asservissement visuel avec le succès que l’on connaît3. Ici il s’agit d’une approche quelque peu différente puisque la commande bas niveau de chaque articulation reste gérée par l’armoire de commande du constructeur. Par-contre, l’information de position de l’extrémité terminale du bras robotique est mesurée par des capteurs micrométriques ou des caméras et est ensuite utilisée dans un deuxième essai pour améliorer le positionnement du robot. La stratégie suivie est un essai suivi d’une acquisition d’information puis le calcul d’une consigne optimale afin de se rapprocher de l’objectif. Il faut parfois repasser par une position intermédiaire entre les deux essais dans le cas où le mouvement est impossible à obtenir directement en raison des frottements (zone morte). Cette stratégie n’est pas nouvelle en soi puisqu’elle peut être utilisée avec un correctif issu du modèle différentiel du robot (matrice jacobienne). Cependant à petite échelle le comportement du robot est non-linéaire et ce modèle différentiel atteint ses limites. Le superviseur que nous proposons exploitera les deux niveaux d’information et de commande et doit permettre d’améliorer de manière notable la précision. Cette intégration nous semble être un enjeu majeur de la robotique de manipulation fine. En ce sens, nous souhaitons mettre en place au niveau d’une plate-forme pour les assemblages fins, un dispositif de test afin de valider l’ensemble de ces théories de commande. Le dispositif expérimental comportera deux manipulations permettant de traiter des tâches d’insertion isotrope et anisotrope avec des jeux d’assemblage qui seront de l’ordre de grandeur d’une dizaine de microns.. La première correspondra à l’assemblage d’une clavette calibrée dans un alésage et le guidage sera piloté par retour d’information en provenance de 4 comparateurs micrométriques. La deuxième manipulation concernera l’insertion d’une pige calibrée dans un alésage et le guidage se fera par une caméra placé sur le robot avec une résolution de 4 microns dans un champ de vision de 1 cm2 environ. Cette dernière manipulation où les performances du robot seront poussées à l’extrême nécessitera d’acquérir des compétences pointues en vision industrielle et en ce sens, nous travaillerons avec l’entreprise GTRobotique (Bernin, 38) leader français dans le domaine de l’intégration vision-robot. La mise au point de ces manipulations nécessite des investissements non négligeables au niveau de la vision industrielle et des matériels annexes, préhenseur, mécanique de fixation, matériels de métrologie, usinage des pièces de précision.
Dans ce contexte, la révision de la modélisation de la « précision » au sens large des robots manipulateurs s’impose. Actuellement, les experts distinguent essentiellement la répétabilité de pose et l’exactitude de pose. Les différents points correspondant à la répétition d’un même mouvement demandé au bras robotique forment un nuage. La répétabilité mesure la dispersion des points autour du nuage lorsque l’exactitude mesure la distance entre le barycentre du nuage et la cible visée. Cette dualité transparaît en filigrane dans la structuration des thèmes de recherche en robotique : les travaux portent soit sur l’étude des facteurs d’influence de la répétabilité, soit sur la calibration des robots avec comme objectif de diminuer la valeur de l’exactitude de pose. Une telle dualité a pour conséquence que dans la modélisation mathématique, la variable aléatoire position est décrite par une densité de probabilité dont les paramètres sont indépendants du temps. Or des études récentes montrent au contraire que l’aspect dynamique doit être pris en compte4. Si l’indépendance temporelle de la distribution peut s’envisager en laboratoire, cette hypothèse est à exclure formellement en milieu industriel où les variations de température ne sont pas négligeables. Dès lors la dilatation et les déformations qui s’ensuivent provoquent une dérive spatiale de l’espérance mathématique du nuage de points. Une modélisation plus fine de ces phénomènes conduite à partir d’une étude statistique a permis d’introduire la notion d’ellipsoïdes stochastiques5. Ce sont les zones de confiance associées à un risque donné et calculées à partir de la matrice de covariance angulaire. Ce modèle complété par l’étude du processus stochastique saut a montré une bonne adéquation avec les résultats expérimentaux. Appliqué sur deux robots (KUKA IR384 et Samsung Faraman), le modèle a notamment permis d’évaluer l’importance des facteurs d’influence de la répétabilité6. Ainsi a été démontré que le principal facteur d’influence est la position de l’extrémité terminale du robot dans l’espace de travail. La charge transportée par le robot n’a pas une influence prépondérante sur la valeur de la répétabilité. Ces études ont permis de compléter les travaux de recherche en cours7. L’étude de ces facteurs d’influence est un enjeu scientifique majeur car il conditionne le constructeur à porter ses efforts vers tel ou tel domaine de recherche. Outre les résultats obtenus au niveau de la répétabilité, la modélisation spatio-temporelle de la précision des robots manipulateurs a mis en évidence le concept d’espace granulaire8. En se basant sur la résolution angulaire des actionneurs et en étudiant la distribution des nuages de points les uns par rapport aux autres, il a été démontré que l’espace de travail contient des zones inaccessibles et des zones plus accessibles comme si l’espace était granulaire. Cela montre le caractère fortement non linéaire de la distribution spatiale à l’échelle micrométrique. D’autre part, les positions des centres de ces différents grains dérivent au cours du temps de manière incontrôlable. Pour pouvoir évaluer cette dérive, il est nécessaire de récupérer des informations supplémentaires par capteurs extéroceptifs. Notre objectif est l’utilisation de ces informations extéroceptives et leur intégration dans un système de supervision qui permettra de corriger au mieux les dérives des trajectoires et de piloter le robot plus finement. On peut même envisager dans certaines zones de l’espace de travail, de piloter le robot plus finement que la valeur de la répétabilité. Objectif opérationnel : implémentation logicielle d’une commande optimale par ellipsoïdes de saut et retour d’informations par capteurs extéroceptifs Dès lors la qualification des robots industriels et la définition de nouveaux outils d’évaluation de leurs performances deviennent un point crucial. Notre objectif est de travailler à la création de nouveaux critères faciles à mesurer pour le constructeur et aussi à vérifier et à exploiter par le client9. L’enjeu est le suivant : l’utilisateur d’un bras robotique doit pouvoir savoir à partir de ces critères si l’opération d’assemblage qu’il prévoit de mettre en œuvre pourra être réalisée avec une bonne fiabilité. La modélisation de l’adéquation robot-tâche a fait l’objet d’un certain volume de recherche. Notamment des travaux10 ont été menés sur la définition d’un index d’adéquation robot-tâche. De nombreux autres indices ont été proposés mais la plupart d’entre eux sont construits sur les ellipsoïdes de manipulabilité de Yoshikawa qui souffrent de certaines limitations (absence d’ancrage physique et d’homogénéité des grandeurs). L’interprétation physique du modèle des ellipsoïdes stochastiques permet de revoir et d’améliorer ces indices d’adéquation. L’enjeu est de pouvoir qualifier a priori un robot pour une tâche donnée, puis placer et orienter la tâche de manière optimale dans l’espace de travail.
D’ores et déjà, la modélisation de la répétabilité par les ellipsoïdes stochastiques permet aux constructeurs de poser un diagnostic sur leurs robots. Il est possible par exemple de repérer les axes globalement mal dimensionnés et d’évaluer l’importance relative de la contribution de chacun des axes dans la répétabilité globale. L’enjeu est le développement d’une méthodologie permettant de concevoir et de simuler de nouvelles architectures de robots et d’évaluer a priori les performances en précision du robot. L’étude des facteurs d’influence de la précision d’un robot manipulateur a permis de concevoir de nouvelles architectures de robots sériels pour lequel la répétabilité et l’exactitude de pose ont des performances supérieures d’un facteur 5 par rapport à l’existant. Ces architectures protégées par un brevet déposé par l’Université du Havre sont en cours de développement avec la mise au point d’un prototype et constituent un axe privilégié de recherche. Le projet de transfert en cours de montage avec Oséo consiste à développer une table d’assemblage micrométrique à destination notamment du secteur de la productronique. En effet, ce domaine de la productronique (production de circuits intégrés et cartes électroniques) est demandeur de bases robotiques à précision micrométrique pour la réalisation de tâches jusque là dévolues aux machines spéciales. Dans le domaine de la production en grande série de cartes électroniques par assemblage de composants électroniques (CMS), les industriels (Johnson Controls…) utilisent des machines spéciales capables de placer les composants très précisément et à des cadences élevées, avant d’envoyer la carte au four pour effectuer la soudure. Pour des cartes électroniques prototypes ou destinées à être produites en petites et moyennes séries, les investissements en machines spéciales ne sont pas rentables et l’assemblage est sous-traité à des entreprises où des opérateurs effectuent les différentes opérations de pose/dépose en dirigeant une table micrométrique par le biais d’un joystick et en visualisant la scène grâce à un binoculaire ou un microscope optique. Dans le domaine de la production de circuits intégrés en petites séries, les différentes opérations (wafer scribing, dispensing, pick and place, wire bonding, encapsulation..) demandent une résolution/répétabilité finale toujours plus fine (10 microns) et sont réalisées par un opérateur grâce à différentes machines en s’aidant d’informations visuelles et d’un joystick. Deux phénomènes importants vont révolutionner le secteur de la productronique dans les années à venir :
Le brevet détenu par notre Université et laboratoire pourra donc donner lieu au développement d’un prototype de table d’assemblage micrométrique. Les performances de cette table seront donc évaluées dans le cadre du projet afin de comparer les résultats à ceux des robots commerciaux disponibles sur le marché. Objectif opérationnel : Caractérisation des performances de la table d’assemblage micrométrique développée dans le cadre d’un transfert de technologie.
Deux thèses sont actuellement en cours dans notre équipe sur la caractérisation de la précision des robots manipulateurs industriels.
Elle étudie les indicateurs de performance existants notamment ceux définis dans la norme européenne ISO9283 et la norme américaine ANSI R15.05-1-1990, afin de les comparer puis elle cherche à les déterminer expérimentalement pour des robots industriels présents au laboratoire (Samsung Faraman et Epson). Elle analyse aussi l’influence de certains facteurs sur les performances du robot, notamment la charge et la position du point terminal dans l’espace de travail. Une autre approche est alors proposée à partir de la détermination expérimentale de la matrice de covariance angulaire et de la théorie des ellipsoïdes stochastiques. On cherche à voir dans quelle mesure cette méthodologie permet d’obtenir plus simplement les indicateurs de performance précédents et de prévoir leur évolution dans tout l’espace de travail. D’autres essais sont menés afin de déterminer des indicateurs non répertoriés dans les normes mais qui à notre sens ont une importance cruciale pour caractériser le comportement du robot à l’échelle micrométrique : essai de cycle glissant pour la résolution spatiale locale et essai de de zig-zag pour la réversibilité. L’ensemble de ces indicateurs est estimé par l’intermédiaire d’un logiciel de caractérisation à développer.
Il mène une analyse comparée de la répétabilité des robots série et parallèle en particulier un robot SCARA série classique et un robot SCARA parallèle (ou RRRRR) afin de répondre à une question scientifique toujours ouverte : les robots parallèle sont-ils plus précis que les robots série ? Des études ont été réalisées avec le laboratoire CNRS LIRMM de Montpellier sur un robot Delta linéaire grâce à une instrumentation fournie par notre laboratoire. Pour la suite des travaux, il s’agit d’optimiser le placement des actionneurs et/ou capteurs sur les chaînes cinématiques des robots parallèles pour une meilleure précision (dissociation actionnement/mesure) et étudier l’impact des redondances d’actionnement, cinématique et métrologique sur la précision des robots parallèles.
estimation de la matrice de covariance angulaire détermination des non-linéarités (réversibilité)
L’expertise scientifique accumulée par notre équipe sera implémentée dans un logiciel qui donnera une vision très concrète des procédures et traitements permettant de caractériser rapidement les performances d’un robot manipulateur. Ce logiciel sera disponible pour les entreprises et les laboratoires. Ce produit logiciel aura double fonction : d’une part il permet de caractériser un robot et d’autre part, de connaître la fiabilité de réalisation d’une tâche d’assemblage donnée en fonction de différents paramètres (localisation, orientation, taille du jeu,..) Les résultats seront aussi publiés à la fois dans les congrès les plus importants au niveau international pour la robotiques (ICRA et IROS) et dans les revues de références du domaine (IEEE TRO, ASME, IJRR, Robotica..) Les travaux seront aussi diffusés grâce aux manuscrits des deux thèses en cours. La participation à la vie de la communauté robotique française est aussi un objectif affiché de notre équipe. Nous nous inscrivons dans le cadre du GDR Robotique piloté par le CNRS et sommes actifs dans les GT6 conception des robots et GT3 manipulation multi-échelle. Depuis 2001, l’équipe participe régulièrement aux journées nationales robotiques. Nous souhaitons amplifier ces participations et permettre à nos doctorants de s’y investir pleinement.
Pour notre équipe, l’acceptation du projet au sein du GRR TL-TI est vitale. Ce GRR est le seul qui nous permette d’inscrire nos travaux de recherche au sein d’un pôle parfaitement en adéquation avec la thématique robotique de notre équipe. En effet, il s’agit bien de technologie de l’information puisque pour piloter une structure robotique, il faut traiter de l’information en temps réel. Cette information de position est obtenue à deux niveaux d’échelle différents : au niveau codeurs sur l’axe des actionneurs par des capteurs dits intéroceptifs et au niveau micrométrique par des capteurs dits extéroceptifs. L’expertise de notre équipe permet de gérer la dualité d’information grâce aux algorithmes de commande développés. En ce qui concerne le Grand Réseau de Recherche, il semble important que le pôle TI affiche les compétences des équipes de recherche Haut-Normandes en matière robotique. L’environnement industriel de notre région comprend de nombreuses usines d’assemblage utilisant des équipements robotiques (usines Renault pour la soudure par point par exemple) L’affichage de notre savoir-faire au sein de ce pôle permettra donc de susciter des rapprochements et synergies sur cette thématique, aussi bien entre laboratoires traitant des technologies de l’information que les industriels.
La caractérisation et l’optimisation des bras robotiques pour l’assemblage fin a des retombées au niveau des industries locales. Notamment la région est riche d’un secteur industriel électronique qui pourra bénéficier des avancées de ce projet notamment en ce qui concerne la table d’assemblage micrométrique. Des contacts sont d’ores et déjà initiés avec l’industriel Accelonix d’Evreux qui distribue des équipements d’assemblage pour la microélectronique. La robotique de manipulation fine peut être utilisée pour la réalisation de tâches en microélectronique notamment le placement des composants exotiques sur les cartes. Le projet de transfert en cours pour le développement d’une table d’assemblage micrométrique aboutira peut-être à la création d’une unité de production dans la région, en collaboration notamment avec Accelonix.
Notre équipe tisse depuis quelques années des liens avec les laboratoires CNRS actifs en robotique. Par exemple en juin 2009, notre doctorant Michel Assoumou a réalisé un stage de 3 semaines au LIRMM pour l’étude de la répétabilité d’un robot Delta linéaire. Nous avons aussi des collaborations avec le laboratoire LMS de Poitiers et la Startup SENSIX. Les contacts initiés dans le cadre du projet dépassent la région et au niveau international, notre offre de technologie sur le réseau européen nous a mis en contact avec la Startup TAIPRO, Université de Liège, Belgique intéressée pour développer une machine polyvalente pour la productronique. Nous avons aussi initié des relations avec les fabricants et distributeurs de robots en France (Adept, Staubli, GTRobotique, ABB,…). Le partenariat mené notamment avec la société GTrobotique est extrêmement important pour notre équipe. Cette entreprise distribue en exclusivité les robots Epson et a développé un savoir-faire de pointe en assemblage par vision industrielle. La collaboration en cours sera notablement renforcée par ce projet car cette entreprise nous fera partager son savoir-faire en fournissant un matériel industriel et la formation sur ce type de matériel. Ainsi l’intégration de la vision dans notre boucle de commande en sera facilitée. Enfin sur ce projet, nous avons des partenaires étrangers susceptibles de participer notamment l’Université de Brasov, Roumanie, Pr Aurel FRATU et l’Université de Biskra, Algérie, MdC Labib TERRISSA.
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