Aide à la conception d'un robot hexapode hydraulique à haute vélocité.

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Salazar garcia, Mahuampy (2009) Aide à la conception d'un robot hexapode hydraulique à haute vélocité. Doctorat Mécanique, LAboratoire Matériaux Endommagement Fiabilité et Ingénierie des Procédés - LAMEFIP, ENSAM 2009ENAM0010 p.255.

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Résumé

Dans ce travail de thèse, un outil logiciel d'aide à la conception des robots hexapodes a été réalisé en développant un modèle électro-hydraulique non linéaire d'un vérin. Ce vérin à haute vitesse (5m/s) et d'une forte capacité de charge (10 tonnes en statique et 1 tonne en dynamique) est piloté par deux servovalves trois étages montées en parallèles. Le modèle a été développé à partir des données constructeurs et de paramètres non mesurables qui ont été estimés. Les tests expérimentaux réalisés sur banc d'essai ont permis de valider le modèle élaboré. Celui-ci est représentatif du comportement de l'ensemble indissociable, servovalve-vérin hydraulique, sur tout son domaine de fonctionnement. Une étude en simulation de l'asservissement du vérin a été menée en prenant en compte son comportement non linéaire. Un régulateur proportionnel permet d'obtenir une loi de commande rapide en assurant, pour tous les points de fonctionnement, un bon compromis entre stabilité et précision grâce à l'effet intégral du système. Par ailleurs, afin d'introduire les robots hexapodes en milieu marin hyperbar, des solutions technologiques aux problèmes liés à l'alimentation en huile du vérin et la gestion des fuites ont été proposées. Une étude préliminaire sur la jambe des robots hexapodes suggère qu'une nouvelle structure utilisant une tige en S pourrait être envisagée pour augmenter l'espace de travail de l'hexapode nécessitant néanmoins une augmentation de la taille de la rotule.

Table des Matières

Nnottr11112222GMao - 123344édoinudoRICDMMMM11112n

èrn - tlooéa334teaoooinbrolbndd11122ion

dntiièèdllpitéellutseeutusséLLCGM11111111111o

rlpiCG.a - ontdoeeaé3333333aatiinssésboesnrneto11111122222.nsurraéepm - l

iormtpr1122334tar..abèéerNoPalht.itletbtriJaoites

ié

iLLLLRRRRRRA..sartqqaxsuàa

eeeeuooooooutpu..tallossssisibbbbbbetle6iopebè..erorraarnpiieiIodooner

ttttttnns..enssatbbssssss.etdsnvvdii..grgam

eoeppppppueeréptturn..eraaaaaatséessnsldslirrrrrrsna..l.Irlpèeentitrodsp(llllll

lu..(iavébaMeoeaaptMèèèèèèrelen...ysnttesarlCeeeeeeii.stGsisprs..ossssss(bs..IuanepIe) - luuuuuup)rxsCarètttttttaGt..siiiiiiiiérllllll

en - oiusssssssévdl.uéééééélm..eeaègst - atehedddddiytosn...aaaaa-tipnqSnnnnnà - uensussssstsove...eahilllllmé7neeeeew

- rtaxeiaing - a

vssmmmreslpiie - atmm.aoosohtyy)n - uuduy.eeillerdp - nnaaeruttss: - aeedlAddauuu - t''lprrseeie - ssqssur..ul - oriaae

sb - iis.ass..t - ptisoa - nrp - sad.r - om - lèa - ien - se - d - 'a - p - l - i

a - t - io - n - 111323222222323323222222222213591940046154156056856716

2.5 ModèleGéométriqueDire

t(MGD) - 22..67 EM2222 - s6677opd1122aè

leeSEÉC22dD..isqa77nypulgt

11naaruu..

ata2lemiavodrdniieiqtlHMuédetseyyétrpnatD.Shvaoiiomtnrhidegl.ièe

qust.uleaee.ri..NtIténe.snvwo..ettro..asn..i-oE...nu..sle - r - 443343441388273 f−−N→i 2.72.1 Relation.e.tre.l'a

.

él.rat.ion.arti.

ula.ire - 49 γBi etlseortsarti

ulairesτi - 51 2.72 .Modèlesimpliéautordelapositonominale - 53 2.8 Con

lusion - 53 3Simulations 5 3.1 Simulationumérique - 5 3.2 Simulationdusytèmehydraulique - 56 3.21 Analysedusytème - 56 3.2 Modèlemathématique - 56 3.23 Résolutiondumodèletlogi

elsmisenoeuvre - 57 3 .Logi

elsdesimulation - 57 3.1 Étadel'artdeslogi

elsdesimulatiopurdesrobts - 57 3.2 MATLAB,Simulink,etSimMe

hanique - 58 3.2.1 MATLAB(MATrixLABoratory) - 58 3.2 .Simulink - 59 3.2.3 SimMe

hani

s - 60 3.2.4 VirtualRealityTolbox - 61 3.4 Modélisationdusytème(servoalve

domandetvérin) - 61 3.41 Con

eptionduvérinhydraulique - 63 3.42 Intefa

edumodèleSolidWorksaumodèleSimulink,SimMe

hani

s - 63 3.43 ModèleSimulink - 63 3.4 ModèleSimulink-SimMe

hani

s - 68 3.45 Représentaionvirtuelduvérinhydraulique - 69 3.5 Modélisationdurobthexapode - 70 3.51 Con

eptiondurobthexapodenSolidWorks - 70 3.52 Tradu

teurdumodèleSolidWorksaumodèleSimulink,SimMe

hani

sdurobthexapode. 70 3.53 ModèleSimulink - 70 3.54 ModèleSimulink-SimMe

hani

sdurobthexapode - 72 3.6 Con

lusion - 72

4Modélisationd'una

tioneurhydraulique 73 4.1 Lesloisphysiquesquirégisentlesystèmeshydrauliques - 73 4.2 Dispoitfexpérimental - 74 4.21 Vérinhydraulique - 75 4.2 Alimentaion - 76 4.2.1 GroupeHydraulique - 76 4.2.2 A

umlateur - 76 4.23 Pilotage - 76 4.24 Eortsadmisbles - 7 4.25 Conditonsdemesure - 7 4.26 Comande - 78 4.3 Fon

tionemntduispoitfexpérimental - 78 4 .Modèleinéairedusytèmeé

ltro-hydraulique - 81 4.5 Modèlenolinéairedusytèmeé

ltro-hydraulique - 84 4.51 Hypothèsepourlamodélisation - 84 4.52 Modélisationétagepilote(premierétage

éltriquetdeuxièmeétagehydraulique)... 84 4.52.1 Équations

a

rtéristques - 84 4.52 .Modèled'étadel'étagepilote(premierétage

éltriquetdeuxièmeétagehydrau- liqu) - 90 4.53 Modélisationdutroisèmeétagehydraulique - 91 4.54 Modélisationduvérinhydraulique - 95 4.6 Validationdumodèleéle

tro-hydraulique(servoalve) - 9 4.61 Estimationdesparmètresdusytèmeé

ltro-hydraulique - 9 4.62 Courbes

a

rtéristquestaiquestdynamiquesdeservoalves - 1 04.62.1 Servoalvepilote - 1 04.62 .Troisèmeétagedlaservoalve - 109 4.62.3 Con

lusion - 16 4.63 Parmètres - 17 4.7 Analysedufon

tionemntduispoitfhydrauliquensimulation - 18 4.71 Conditonitale(sytèmeaurepos) - 19 4.72 Réponsei

ndiel - 12 4.72.1 Premiertdeuxièmeétage: - 12 4.72 .Troisèmeétage: - 125 4.72.3 Vérinhydraulique: - 128 4.8 Validationdumodèlepardesxpérimentaionsurban

- 134 4.81 Aservisemntendépla

emntduvérinhydraulique: - 134 4.81 .Pro

toled'esai - 134 4.82 Courbe

a

rtéristquevites/eortduvérinhydrauliqueLAMEFIP - 137 4.82.1 Ban

d'esai - 137 4.82 .Pro

toled'esai - 139 4.82.3 Résultas - 140 4.9 Con

lusion - 14

5Comanded'unhexapode 145 5.1 Introdu

tion - 145 5.2 Cal

udelaoide

omandeuvérinhydraulique(servoalve+vérin) - 145 5.21 Aservisemntdelaservoalvetroisétages - 146 5.21 .LerégulateurPoprtionel - 147 5.21.2 LerégulateurPoprtionelIntégrateurDérivateur(PID) - 157 5.21.3 Con

lusion - 164 5.2 Aservisemntduvérinhydraulique - 164 5.2.1 LerégulateurPoprtionel - 165 5.2.2 Réponsefréquentielduvérinhydrauliquenbou

lefrmée - 174 5.2.3 Con

lusion - 176 5.3 Synthèseds

omandesd'unrobthexapodehydraulique - 17 5.4 Aservisemntrobthexapode - 179 5.41 AservisemntdelaServoalve - 180 5.42 Aservisemntdelaplate-formemobile - 182 5.42.1 Ensemblesrvoalve_aservi+vérin - 182 5.42 .Linéarisationetrée-sortiepardiéomrphismetbou

lage - 183 5.42.3 Loide

omandeynamique - 190 5.42.4 AservisemntAnti

pation(Fedforwad) - 1 95 .Con

lusion - 192 6Perspe

tives 193 6.1 Robthexapodeanslemileumarin - 193 6.1 A

tioneurhydrauliquedanslemileumarin - 194 6.1.1 Alimentaion: - 194 6.1.2 Solutionste

hnolgiques

on

ernatlesfuitesd'huiledusytèmehydrauliquedans emleudsuxd'auvsle

ir

nhuile - 195 6.2 Re

hr

hed'uneaugmentaiondel'spa

edtravildurobthexapodeparl'angledrotaiondes arti

ulationspsivs - 201 6.21 Dimensionemntdelarotule - 2 06.21 .Des

riptondelarotule - 2 06.21.2 Cahierdes

harges - 2 06.21.3 Dimensionemntdelatigedroite - 203 6.21.4 Dimensionemntdel'arti

ulationetra

tion - 204 6.2 Tigetespa

edtravil - 21 6.2.1 Tigedroite - 21 6.2.2 TigenS - 2 16.23 Simulationdes

ontraintesurlatigenS - 2 16.24 Optimsationdel'arti

ulation - 215 6.3 Con

lusion - 219

BCAionbnl

eolxugsriaopnhigeénraletPerspe

tives 222159



LNesnootatiaonstuiiovannteserontemployées:

. : Symboleduproduits

alire.

∧

: Symboleduproduitve

toriel.

−→

: Symboledve

tur.

{}

:: SSyymmbboolleeddTlaomrseautrri.

eantisymétriqueaso

ieàunve

tur.

Rb : Repèredlabse.Repèregaliéen.

Rr : Repèredlaplate-forme.

O : Centredurepèregaliéen.Pointd'orignedlabse.

C : Centredlaplate-formemobile.

Ai : Orignesdesrepèresdesixarti

ulationsdelabse.

Bi : Orignesdesrepèredsixarti

ulationsdelaplate-forme.

X : Cordonéesgénraliséedu

entredlaplate-forme.

ρi : Longuervarible

dha

undesvérini (Cordonéesarti

ulaires).

Ii : Tensursd'inertiduvérinparaportàrepèreRb.

G : Centredmasedlaplate-forme.

mp : Masedlaplate-forme.

Ip : Tensurd'inertidelaplate-formeparaportàrepèreRb.

I3 : Matri

edentiéd'orde3.

−→ni : Ve

tursunitares.

−→fi : For

esxer

éesur

haquepoint−→Bi

f−−N→1 : Composantenormaleauve

tur−→ndueàl'inertidelafor

e−→fi .

τi : For

earti

ulaire

omposanted−→fsurladire

tion−→n.

−→F : For

extérieurapliqueaupointC.

−M−−/→C

: MomentextérieurapliqueaupointC.

{F}

: TorseurenCdesa

tionsextérieursparaportaurepèreRb.

−→ FN : For

erésultanenCdel'a

tiondesfor

esf−−N→i

−M−−N−/→C

: MomentrésultanenC dûauxfor

esf−−N→i.

J−1 : Matri

eJa

obieneinve

rsinémati que.

J−T : Transpoéedlamatri

eJa

obi eneinve

rsinémati que.

V−−B−/R→b

: Vitesd'unetraje

toiredupointmatérielBi paraportourepèred'observationRb.

V−−C−/R→b

: Vitesd'unetraje

toiredupointmatérielC paraportourepèreRb.



−−(p−/−R→b)

: T

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