Optimisation du comportement de cellules robotiques par gestion des redondances : application à la découpe de viande et à l’Usinage Grande Vitesse

Optimization of robotic cell behavior by managing kinematic redundancy : application to meat cutting and high speed machining

• Auteur / Autrice : Kévin Subrin
• Direction : Grigore Gogu, Youcef Mezouar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique
• Date : Soutenance le 13/12/2013
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : (LAMI) Laboratoire de Mécanique et Ingénieries - Institut Pascal
• Jury : Président / Présidente : François Pierrot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Grigore Gogu, Youcef Mezouar, Laurent Sabourin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Faïz Ben Amar, Saïd Zeghloul

Mots clés

Mots clés contrôlés

Usinage à très grande vitesse

Robots industriels

Mots clés libres

Robot industriel

Planification de trajectoire

Redondance

Optimisation hors ligne

Méthode du gradient

Analyse du geste humain

Usinage robotisé

Industrial robots

Trajectory planning

Redundancy

Off-line optimization

Gradient projection method

Human gesture analysis

Machining robotic

Résumé

Les robots industriels ont évolué fondamentalement ces dernières années pour répondre aux exigences industrielles de machines et mécanismes toujours plus performants. Ceci se traduit aujourd’hui par de nouveaux robots anthropomorphes plus adaptés laissant entrevoir la réalisation de tâches plus complexes comme la découpe d’objets déformables telle que la découpe de viande ou soumis à de fortes sollicitations comme l’usinage. L’étude du comportement des robots anthropomorphes, à structures parallèles ou hybrides montre une anisotropie aussi bien cinématique, que dynamique, impactant la précision attendue. Ces travaux de thèse étudient l’intégration des redondances cinématiques qui permettent de pallier en partie ce problème en positionnant au mieux la tâche à réaliser dans un espace de travail compatible avec les capacités attendues. Ces travaux ont suivi une démarche en trois étapes : la modélisation analytique de cellules robotiques par équivalent sériel basée sur la méthode TCS, la formalisation des contraintes des processus de découpe de viande et d’usinage et une résolution par optimisation multicritère. Une première originalité de ces travaux réside en le développement d’un modèle à 6 degrés de liberté permettant d’analyser les gestes de l’opérateur qui optimise naturellement le comportement de son bras pour garantir la tâche qu’il réalise. La seconde originalité concerne le placement optimisé des redondances structurales (cellules à 9 ddls) où les paramètres de positionnement sont incorporés comme des variables pilotables (cellule à 11 ddls). Ainsi, ces travaux de thèse apportent des contributions à : - la définition de critères adaptés à la réalisation de tâches complexes et sollicitantes pour la gestion des redondances cinématiques ; - l’identification du comportement des structures sous sollicitations par moyen métrologique (Laser tracker) et l’auto-adaptation des trajectoires par l’utilisation d’une commande en effort industrielle ; - l’optimisation du comportement permettant l’amélioration de la qualité de réalisation des différents processus de coupe (découpe de viande et usinage).

Industrial robots have evolved fundamentally in recent years to reach the industrial requirements. We now find more suitable anthropomorphic robots leading to the realization of more complex tasks like deformable objects cutting such as meat cutting or constrained to high stresses as machining. The behavior study of anthropomorphic robots, parallel or hybrid one highlights a kinematic and dynamic anisotropy, which impacts the expected accuracy. This thesis studied the integration of the kinematic redundancy that can partially overcome this problem by well setting the task to achieve it in a space compatible with the expected capacity. This work followed a three-step approach: analytical modeling of robotic cells by serial equivalent based on the TCS method, formalizing the constraints of meat cutting process and machining process and a multicriteria optimization.The first originality of this work focuses on the development of a 6 DoFs model to analyze the operator actions who naturally optimizes his arm behavior to ensure the task it performs. The second originality concerns the optimized placement of structural redundancy (9 DoFs robotic cell) where positioning parameters are incorporated as controllable variables (11 DoFs robotic cell). Thus, the thesis makes contributions to : - the definition of criteria adapted to the realization of complex and under high stress task for the management of the kinematic redundancy; - the structural behavior identification, under stress, by metrology tools (Laser tracker ) and the self- adaptation paths by using an industrial force control; - the behavior optimization to improve the cutting process quality (meat cutting and machining).