Analyse, conception et contrôle de robots collaboratifs

Abstract

Le projet derrière cette thèse porte sur l’amélioration des conditions de travail des ouvriers sur les chaînes d’assemblage. Une équipe de Général Motors est venue à notre rencontre avec la problématique que les ouvriers sur leurs chaînes d’assemblage doivent souvent adopter des postures inconfortables lors de l’exécution de certaines tâches. Répétées de nombreuses fois, ces postures peuvent engendrer des problèmes de santé sur le long terme. Une solution proposée pour pallier à ce problème est de permettre à l’ouvrier d’effectuer son travail depuis une zone éloignée de la zone d’assemblage, où il ne devrait pas adopter de postures gênantes et pourrait être isolé de bruits, chaleurs ou dangers induits par la proximité avec la chaîne d’assemblage. Pour faire le lien entre cette zone sécuritaire et la zone de travail, la solution d’un robot a été proposée. Cette thèse présente le travail effectué pour concevoir ce robot. Cette thèse est composée de quatre chapitres qui sont autant d’articles abordant chacun un sujet différent. Le chapitre 1 porte sur deux types d’assemblages courant, en fait l’analyse et propose des solutions pour mécaniser ces tâches. Un outil est conçu et testé dans le cas des clips aussi appelés ’snap-fit’. Des stratégies de trajectoire et l’usage de mécanismes vibrants sont explorés pour l’insertion de tuyaux. Les phases de test et de mesure sont présentées en vidéo. Dans le chapitre 2, la notion de difficulté d’accomplir une tache de loin est abordée. En effet, la distance augmente considérablement la concentration et la perception nécessaires à un opérateur humain pour accomplir une tâche d’assemblage, résultant en un échec ou au moins un temps d’exécution plus grand et donc une efficacité moindre. Les mécanismes de correction de précision sont donc abordés. Des solutions impliquant l’usage de ressorts sont tout d’abord présentées pour permettre aux mécanismes d’être compliants tout en maintenant une position neutre définie. Ces solutions ont pour particularité d’introduire des seuils de force pour activer la compliance qui garantissent un comportement du mécanisme prévisible dans une utilisation générale. Puis, la notion de correction de position est introduite au travers de la famille de mécanismes des Remote Centre of Compliance (RCC) que l’on peut traduire par centre de mobilité distant. Différentes architectures en rotation et en translation sont présentées pour proposer des alternatives au RCC plus adaptées au contexte de travail avec un opérateur humain. Des tests sont effectués et une vidéo appuie la démonstration. Après la conception des mécanismes passifs, le plan du projet était de se tourner vers des solutions actives. La recherche d’une architecture adaptée aux besoins a mené à l’élaboration du chapitre 3. Ce dernier présente une architecture de robot parallèle à six degrés de liberté de type 6-ꝐUS. La cinématique du robot est étudiée, puis une méthode analytique de détermination de son espace de travail géométrique est présentée. Une étude de ses lieux de singularité et de ses capacités en force complète son analyse. Même si cette architecture ne fut pas celle retenue pour le prototype, les méthodes développées pour cette architecture furent utilisées pour la conception du robot fabriqué. Après de multiples itérations, une architecture pour le robot actif fut choisie. Cette dernière est présentée au chapitre 4 et s’accompagne de la présentation de trois schémas de contrôle développés pour répondre à la problématique. Les étapes de conception développées dans le chapitre 3 sont présentées au préalable. Le premier schéma de contrôle exploré est un contrôle en position, qui sert de base au contrôle du robot et permet de développer et valider les outils essentiels au bon contrôle du robot. Le second schéma de contrôle introduit des concepts présentés dans les architectures passives précédentes, en présentant l’avantage d’être reconfigurable au besoin. Un modèle simulant le comportement d’un RCC est d’ailleurs présenté. Le dernier schéma de contrôle exploré introduit de la vision numérique. Un marqueur ARUCO est placé sur le robot et les informations qu’il fournit sont incluses et traitées dans le schéma de contrôle. L’objectif est de simuler un environnement où le robot peut détecter de façon efficace et indépendante les positions des pièces à assembler et ajuster en temps réel les erreurs de positionnement de l’opérateur humain.

The project behind this thesis is about improving the working conditions of workers on assembly lines. A research team from General Motors came to us with a problem to work on: the workers on their assembly lines must use body postures that are difficult to bear when performing some tasks. These postures can become health hazards because of the repetitive nature of their work. The proposed solution to this problem is to make the operator work in a safe remote area from the assembly area, where he can keep a comfortable posture and remain far from the potential hazards of the assembly line. To make the link between the safe area and the assembly area, the solution of using a robot has been suggested. This thesis presents the work accomplished to design such robot. This thesis is composed of four chapters, each corresponding to an article dealing with a different subject. Chapter 1 deals with two different types of assembly tasks, presents their analysis and discusses solutions to introduce mechanisms in their process. A tool is designed and tested to perform snap-fit assembly tasks. Motion strategies are explored as well as vibrating mechanisms to deal with hose assembly tasks. Test phases and data measurements are presented in a video. In chapter 2, the issues associated with performing a task remotely are raised. Indeed, distance enhances greatly the required concentration and perception for a human operator to perform the task, resulting in a failure or a greater operating time, reducing productivity. Therefore, the accuracy correction mechanisms were considered. First, solutions with springs are presented to design compliant mechanisms that return to a neutral configuration when unloaded. These solutions bring the originality to introduce force thresholds to keep the compliance passive when not needed. Then, accuracy correction mechanisms are introduced through RCC mechanisms. Several rotational and translational mechanisms adapted to human collaboration are presented. Tests to validate the concept are shown in a video. After the design of passive mechanisms, the scope of the project turned to active solutions. The search for an effective architecture led to the contents of chapter 3. It presents a sixdegree-of-freedom 6-ꝐUS parallel robot. The kinematic analysis of the robot is presented, followed by an algorithm to determine the geometrical workspace of the robot. A singularity locus analysis and a force capability analysis are then presented. Even if this architecture was not selected in the end, the methods developed were used for the design of the final architecture. After several iterations, an architecture was chosen for the active robot. This architecture is presented in chapter 4. After a design process based on the work shown in chapter 3, three control schemes are presented. The first one is a classical position control which is a requisite for more advanced schemes. The second control scheme introduces concepts previously raised with the passive mechanisms discussed in chapter 2. The model simulates a RCC mechanism with the advantage of being reconfigurable without hardware modifications. The last control scheme introduces computer vision. An ARUCO marker is placed on the robot and the information it provides are injected in the control scheme. The objective is to simulate an environment where the robot detects the pose of the parts to assemble and adjusts itself in real time to compensate for the errors of the human operator.