IRSBot-2 : un robot rapide pour des opérations de pick-and-place réquérant une bonne précision

Depuis la création du robot Delta, l’utilisation des robots parallèles dans l’industrie ne cesse d’augmenter surtout pour des opérations de manipulations de type pick-and-place. La plupart d’entre eux possèdent quatre degrés de liberté (DDL) et génèrent des mouvements dits de Schoenflies, mais de nombreuses opérations ne nécessitent que deux DDL en translation pour transférer un objet d’une zone de travail à une autre (e.g. convoyeurs) c’est pourquoi des architectures à deux DDL en translation uniquement ont été développées. Cependant, ces robots ont l’inconvénient d’être des mécanismes plans, c’est à dire que tous leurs éléments se déplacent dans des plans parallèles et qu’ils sont soumis à des sollicitations de flexion sous l’action d’une charge perpendiculaire au plan de déplacement de la plate-forme mobile. Pour obtenir une raideur suffisante, les éléments doivent ainsi être massifs, ce qui implique une augmentation de la masse en mouvement et une diminution des capacités dynamiques du robot. Afin de palier à ce problème, le robot Par2 a été développé par le LIRMM et Tecnalia. Il possède une architecture spatiale et est construit sur la base du robot Quattro. Tous les éléments de sa partie distale sont uniquement soumis à des sollicitations de traction/compression/torsion permettant d’obtenir un robot plus léger ayant de meilleures capacités dynamiques. Le prototype de ce robot peut actuellement atteindre une accélération de 53 G mais avec une précision modeste. Cette faible précision est due à la complexité de la conception du robot composé de quatre jambes identiques dont deux d’entre elles sont couplées par une courroie métallique afin de contraindre le mouvement de la plate-forme mobile dans le plan. Ce robot est soumis à beaucoup d’effets parasites rendant ses paramètres dynamiques difficiles à identifier et altérant sa précision. Par ailleurs, son espace de travail est plus petit que celui de ses homologues à deux DDL puisqu’il possède quatre jambes.

Afin de palier aux problèmes mis en avant précédemment en termes de masse en mouvement, de raideur et d’espace de travail, nous avons développé un nouveau robot nommé IRSBot-2 (acronyme de IRCCyN Spatial Robot with 2 DOF).

 
Description de l'IRSBot-2

L’IRSBot-2 est un nouveau robot parallèle à deux DDL de translation suivant les axes x0 et z0 du repère représenté dans la Fig. 1. Il est constitué de deux jambes identiques reliant la base fixe à la plate-forme mobile. Chaque jambe est composée d’une partie proximale et d’une partie distale. La partie proximale est réalisée par une articulation de type parallélogramme, également appelée articulation PI composée des éléments 0i, 1i, 2i et 3i (i = 1, 2). Ces éléments sont reliés entre eux par des liaisons pivot d’axe y0. Ce parallélogramme permet de maintenir l’orientation du plan P1 parallèle au plan P0 auquel est attaché le repère global (x0, y0, z0).

Fig. 1. Schéma du manipulateur IRSBot-2.

 

Contrairement aux manipulateurs planaires classiques, les mouvements des éléments de la partie distale n’ont pas lieu dans des plans parallèles. Cependant, les déplacements de la plate-forme sont contraints à rester dans le plan vertical (x0,O, z0). La partie distale est attachée d’un côté à l’élément 3i par l’intermédiaire de deux liaisons pivot d’axes y1ji appartenant au plan P1, et de l’autre coté à l’élément 7i de la plate-forme par l’intermédiaire de deux liaisons pivot d’axes y1ji appartenant au plan P2 (j = 1, 2). Les plans P1 et P2 étant parallèles, le plan P2 est également parallèle au plan P0. L’architecture est conçue de telle sorte que les axes y11i et y12i (respectivement z21i et z22i) soient symétriques par rapport au plan (x0,O, z0). Notons que les barres 51i et 52i ne sont pas parallèles. Si c’était le cas, la partie distale serait un parallélogramme spatial et l’architecture du robot serait singulière.

La partie distale se décompose elle-même en deux sous-parties possédant la même architecture réalisée à l’aide des éléments 4ji, 5ji et 6ji (j = 1, 2). Ces éléments sont reliés entre-eux par des liaisons pivot d’axes z2ji. Les axes y1ji et z2ji sont orthogonaux.

Pour analyser la mobilité de l’IRSBot-2, étudions le robot représenté par la Fig. 2. Il s’agit d’un robot Delta linéaire composé de quatre jambes identiques, chacune étant composée d’un actionneur linéaire attaché à la base fixe et d’une barre AiBi reliant l’actionneur à la plate-forme mobile par l’intermédiaire de liaisons cardan (Fig. 2(b)). La plate-forme mobile peut réaliser des mouvements à trois DDL de translation alors que le mécanisme a quatre actionneurs. Il est ainsi redondant du point de vue de l’actionnement. Pour que la plate-forme mobile de ce robot admette un mouvement de translation uniquement dans le plan (x0,O, z0) passant par le centre de la base (Fig. 2(c)), les centres des liaisons cardan Ai (i = 1 . . . 4) des jambes 1 et 2 d’une part et des jambes 3 et 4 d’autre part, doivent avoir la même altitude, i.e. zA1 = zA2 et zA3 = zA4 , où zAi représente la coordonnée cartésienne du point Ai selon z0. En conséquence, une solution pour que les centres des liaisons cardan des jambes 1 et 2 (respectivement 3 et 4) conservent la même altitude est de les relier au même actionneur. Notons que l’architecture est équivalente à celle représentée par la Fig. 1 dans le cas où la liaison glissière est remplacée par une articulation PI.

 

Fig. 2. Schéma cinématique du robot Delta redondant.

 
Avantages de l'IRSBot-2

Les avantages de l’IRSBot-2 sont les suivants :

• par rapport aux architectures planaires de robots à deux DDL en translation dont chaque élément est soumis à des sollicitations de flexions dans les directions normales au plan du déplacement, les éléments 5ji de l’IRSBot-2 ne sont soumis qu’à des sollicitations de traction/compression/torsion. Ils se déforment ainsi moins que des éléments soumis à de la flexion. Pour l’IRSBot-2, toutes les sollicitations de flexion sont reportées au niveau du parallélogramme, ce qui conduit à l’augmentation de la raideur intrinsèque de l’architecture. Ses performances dynamiques peuvent ainsi être améliorées en minimisant sa masse et sa précision maximisée en diminuant les déformations des éléments.

• par rapport au robot Par2, seul robot d’architecture spatiale à deux DDL de translation que nous pouvons trouver dans la littérature, l’IRSBot-2 présente les avantages d’être (i) plus simple donc moins soumis à des effets parasitaires non maîtrisés et (ii) d’avoir un espace de travail plus grand puisqu’il n’a que deux jambes contre quatre pour le Par2. 
  

 
Travaux réalisés

Les premiers travaux sur l'IRSBot ont donné lieu aux résultats suivants :

• les performances de l'IRSBot par rapport à ses concurrents ont été validées en simulation.
• l'étude de ses singularités a permis de trouver les intervalles sur ses paramètres géométriques permettant de concevoir un mécanisme sans singularité
• un brevet est en cours de dépôt

La conception et la commande du robot IRSBot-2 entrent dans le cadre du projet ANR ARROW.

Pour plus d'informations sur l'IRSBot-2, veuillez consulter

C. Germain, S. Briot, V. Glazunov, S. Caro et P. Wenger, «IRSBOT-2: A Novel Two-Dof Parallel Robot for High-Speed Operations », Proceedings of the ASME 2011 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference IDETC/CIE 2011, 29 - 31 Août, 2011, Washington DC, USA.

C. Germain, S. Briot, S. Caro et P. Wenger, « IRSBOT-2 : Un nouveau robot parallèle à deux degrés de liberté pour des applications de manipulation rapide », Actes du 20ème Congrès Français de Mécanique, 28 août – 2 septembre, 2011, Besançon, France.