Pages personnelles de Sébastien BRIOT

Accueil > Travaux de recherche > Conception de mécanismes > PAMINSA

 

PAMINSA : de nouveaux manipulateurs découplés pour le déplacement de lourdes charges

 

Les objectifs du projet PAMINSA (PArallel Manipulator of the INSA)

Depuis plusieurs décennies, les chercheurs et les industriels ont été attirés par la création de nouveaux manipulateurs parallèles. En effet, ces manipulateurs permettent de diviser la charge manipulée entre les différentes jambes du système robotisé. Donc, les manipulateurs parallèles rendent possible la création de robots ayant une plus grande rigidité, et qui sont composés d’éléments en mouvement de faible masse. Leurs applications sont nombreuses et bien connues, comme leur utilisation dans les secteurs de l’électronique, de l’agroalimentaire, de la pharmaceutique, ou bien encore dans l’aéronautique ou le domaine médical.

Cependant, les manipulateurs parallèles ont aussi des inconvénients, comme un espace de travail limité, des singularités plus contraignantes ou un fort couplage cinématique et dynamique. Cette non-linéarité des modèles cinématiques et dynamiques n’est pas attractive pour leur application industrielle. Afin de résoudre ce problème, depuis plusieurs années, de nouveaux mécanismes ont été développés. Une analyse bibliographique des travaux sur le découplage des relations entrée/sortie (cinématiques et dynamiques) des manipulateurs parallèles montre que, dans la majorité des cas, deux approches principales sont développées :

  1. le découplage entre la position et l’orientation de l’organe piloté
  2. le découplage total, c'est-à-dire le découplage des déplacements selon tous les degrés de liberté de l’organe piloté (Fig. 1).

 

Fig. 1. Manipulateur Tripteron.

 

Nos observations ont montré que, malgré des résultats encourageants, il n’est pas facile de développer une architecture parallèle simple découplée totalement tout en conservant ses principaux avantages : sa plus grande rigidité avec des éléments de faible masse. Afin de résoudre ce problème, nous avons essayé de trouver un compromis entre le découplage des mouvements et les caractéristiques architecturales des manipulateurs parallèles. En d’autres termes, nous avons changé la problématique : il n’est pas essentiel qu’un manipulateur parallèle soit découplé, il peut l’être partiellement, mais il est important de créer une architecture mécanique qui peut manipuler des charges importantes. Cette problématique a donné lieu à la création des manipulateurs PAMINSA.

 
Le déroulement du projet PAMINSA

Le projet PAMINSA débuta en septembre 2003, lorsque Vigen Arakelyan proposa à deux élèves-ingénieurs de l’INSA de Rennes dont je faisais partie, dans le cadre d’un projet d’étudiants de dernière année (sept. 2003 – fév. 2004), de travailler sur le développement d’un nouveau manipulateur dont il avait eu l’idée (Fig. 2).

Fig. 2. Schéma du premier manipulateur PAMINSA.

 

Ce nouveau manipulateur à quatre degrés de liberté, réalisé à l’aide de mécanismes de pantographes, autorise le découplage partiel entre les déplacements de la plate-forme dans le plan horizontal (deux translations selon les axes du plan et une rotation autour de l’axe vertical) et ses translations suivant l’axe vertical.

Parmi les avantages évidents du manipulateur, nous pouvons noter les points suivants :

  1. le découplage des puissances de contrôle en deux parties permet, par l’utilisation d’un actionneur puissant, de rendre possible l’élévation d’une charge importante à une altitude fixée, puis, de la déplacer dans le plan horizontal en utilisant des actionneurs moins puissants ;
  2. l’amélioration de la précision dans le positionnement, car l’altitude de la charge peut être fixée en utilisant les propriétés architecturelle du manipulateur (en d’autres termes, si la position de l’actionneur vertical est fixée, l’altitude de la plate-forme ne peut pas changer) ;
  3. l’annulation des charges de gravité sur les actionneurs qui déplacent la plate-forme dans le plan horizontal ;
  4. la simplification des lois entrée/sortie pour la commande de l’actionneur vertical.

Il fût tout d’abord question de modéliser la structure sous ADAMS afin de vérifier ses propriétés cinématiques et statiques, et en parallèle de développer une première maquette (Fig. 3) permettant de mieux comprendre les caractéristiques fonctionnelles du manipulateur.

 

Fig. 3. Maquette du manipulateur PAMINSA.

 

Après avoir soutenu mon projet d’étudiant, j'ai continué à travailler avec V. Arakelyan, dans le cadre de mon projet de fin d’étude (mars 2004 – sept. 2004), sur le développement d’un prototype de PAMINSA. Après une première étude sur le volume de travail et les singularités du manipulateur, un modèle CAO d’un prototype fût alors conçu avec l’aide et l’expertise de Jean Le Flecher, ancien enseignant de l'INSA de Rennes (Fig. 4). Ce prototype, fabriqué par le Centre Commun de Mécanique de l’INSA, devait servir par la suite à valider les études théoriques des propriétés cinématiques et statiques des manipulateurs PAMINSA. En parallèle, une demande de brevet fût déposée afin de protéger l’idée (il fût publié le 27 janvier 2006).

 

Fig. 4. Dessin CAO du prototype de manipulateur PAMINSA.

 

La troisième étape commença en octobre 2004 lorsque j'ai démarré la préparation un doctorat, sous la supervision de V. Arakelyan, doctorat dont le sujet principal concernait l’analyse et l’optimisation des manipulateurs PAMINSA. Les différents travaux qui ont été réalisés sur les manipulateurs PAMINSA concernent :

Fig. 5. Le prototype de manipulateur PAMINSA.

 

Pour plus d'informations sur les manipulateurs PAMINSA, je conseille au lecteur de se procurer mon manuscrit de thèse.

Il est à noter que ma thèse fût soutenue à Besançon le 20 juin 2007, lors du congrès d’IFToMM, devant un jury d’expert en robotique.

De plus, les travaux réalisés sur les manipulateurs PAMINSA ont fait l’objet de nombreuses publications scientifiques.

 

Ci-dessous, quelques vidéos et animations du manipulateur PAMINSA :