Modélisation et animation de systèmes robotisés dans l

Modélisation et animation de systèmes robotisés dans l'environnement Delphi
Aurel Fratu1, Mariana Fratu1, Jean-François Brethé2, Olga Cachard2
1 - Université Transilvania de Brasov, Roumanie,
E-mail : [email protected]; [email protected]
URL : http://www.unitbv.ro
2 – GREAH - Université du Havre, France,
E-mail : [email protected]; [email protected]
URL : http://www.univ-lehavre.fr
Résumé. Les environnements informatiques sont les moyens idéaux pour créer/modéliser les
architectures de robots virtuels. L’animation ou la simulation comportementale, dans les
environnements informatiques, devient un outil important de recherche. La simulation est une
approche stratégique pour la visualisation, la planification et a un rôle très important en robotique.
Différents outils sont utilisés pour l'analyse du comportement des robots manipulateurs, pour la
programmation off-line, pour la conception des différents algorithmes de commande, pour la
conception de la structure mécanique des robots, pour la conception des cellules et des lignes de
production robotisées, etc. En particulier, nous présentons dans cet article une technique
innovante pour créer les prototypes virtuels. Nous donnons une vue d’ensemble de
l’environnement Delphi permettant de créer et animer/simuler des robots virtuels. Les avantages
de la simulation et des environnements virtuels et réels, utilisés en robotique, sont précisés. Cet
article est le résultat de nos efforts pour modéliser/ créer et animer/ simuler des systèmes -robots
virtuels.
Mots-clés : Modélisation/Création, Animation/Simulation, Systèmes virtuels, Visualisation
Introduction
La simulation est maintenant un outil puissant pour
la conception, la planification, l'analyse et la prise de
décision dans différents domaines de recherche et de
développement. En particulier, elle est devenue un
outil stratégique en robotique.
Dans le domaine de la robotique, la simulation joue
un rôle très important, peut-être plus important encore
que dans beaucoup d'autres domaines.
Nous
abordons ici la robotique du point de vue de la
simulation des comportements et de l’animation.
Nous allons présenter quelques exemples typiques
d’animation/simulation dans différents domaines de
la robotique concernant la simulation du
comportement des robots manipulateurs et les
environnements intégrés pour la simulation
dynamique des systèmes robotisés.
Les outils avancés de simulation sont la base pour la
conception des systèmes sophistiqués comme le sont
les robots, pour l'utilisation des robots dans les
environnements complexes et pour le développement
de nouvelles stratégies et algorithmes de commande.
Auparavant, la simulation n’était qu'un outil pour
l'analyse d'un système robotisé et pour la planification
de la tâche robotique. Maintenant c’est une
plateforme ouverte pour développer/créer de
nouveaux systèmes robotisés. Non seulement les
outils modernes de simulation permettent de simuler
et visualiser le monde réel d'une manière très
plausible, mais aussi ils permettent d’aller au delà de
la réalité. En particulier, les chercheurs peuvent créer
les environnements virtuels expérimentaux selon leur
propre imagination, les robots et les technologies qui
ne sont pas encore disponibles.
1. Le rôle de la
simulation/animation
La simulation comprend la conception d'un modèle
d'un système physique réel ou théorique, l’étude
expérimentale du modèle, et l’analyse des résultats
obtenus à partir de ce modèle. En fait, la simulation
est très utile pour appréhender la réalité dans toute sa
complexité. Nous essayons de construire les objets
artificiels et de les animer dynamiquement.
Le concept d’apprentissage est essentiel dans la
simulation. En utilisant la simulation nous pouvons
apporter des améliorations au modèle et tout en
modifiant « la règle de fonctionnement » nous
pouvons observer les résultats des modifications
apportées. Comme nous vivons selon le principe « je
ne crois que ce que je vois », la visualisation est un
autre aspect important de la simulation.
La
simulation
est
un
champ
fortement
interdisciplinaire
puisqu'elle
est
employée
couramment dans tous les domaines de la recherche,
de la recherche universitaire à la fabrication.
La possibilité de simuler un phénomène ouvre un
éventail d'options pour résoudre beaucoup de
problèmes de manière créative. Nous pouvons
concevoir, visualiser et étudier un objet/système
même s’il n'existe pas. Nous pouvons tester les
performances d'un système qui n’est pas encore
construit. Il est possible que nos solutions mènent à
l’échec ou même provoquent la destruction de l’objet
de la simulation, mais ce n’est que virtuellement.
Ainsi, à l'aide des outils de simulation on peut éviter
les collisions ou des modifications de la conception
après le début de la production des pièces en
constatant que le processus de fabrication contient des
cycles de durée trop longue.
Les outils de simulation permettent d’aborder la
géométrie exacte, de considérer les caractéristiques
dynamiques d'un système, d’inclure les interfaces
homme - machine, et de visualiser les détails d’un
objet en 2D ou 3D.
En sachant bien que tout ce que l’on peut simuler
n’est pas réalisable, à l’aide des outils avancés pour
simuler la réalité virtuelle on repousse loin les
frontières de la connaissance.
En utilisant des simulateurs, les chercheurs peuvent
établir les environnements expérimentaux selon leur
propre imagination. Ce qu'ils ont imaginé pendant la
nuit, peut être transcrit en images le jour suivant. La
complexité et la spécificité des objets de simulation
peuvent être graduellement augmentées jusqu'à un
niveau où les systèmes virtuels peuvent représenter
un véritable défi pour le monde physique.
La simulation a été identifiée comme outil important
en robotique dans le domaine de la conception des
nouveaux robots, l’étude de leurs performances et
dans la réalisation de tâches par ces robots. La
simulation nous permet d'étudier la structure, les
caractéristiques et le fonctionnement d'un système
robotisé, à différents niveaux de détails, en fixant
pour chaque niveau différentes conditions pour les
outils de simulation. Par exemple un processus
rapide, comme le mouvement d’une articulation
mobile de robot, peut être animé au ralenti pour
observer tous les détails de ce mouvement. Ainsi, les
choses deviennent plus faciles.
À mesure que la complexité du système augmente,
l’importance du rôle de la simulation augmente
également. C'est pourquoi les outils de simulation
peuvent certainement augmenter les performances de
la conception, du développement et même de
l'exploitation des systèmes robotisées. En améliorant
la simulation avec des outils et des interfaces de
visualisation, on peut simuler le fonctionnement des
systèmes robotisés d'une manière très réaliste. Ainsi,
on peut diminuer le coût de développement.
Selon l’utilisation particulière, les différents attributs
structuraux et les paramètres fonctionnels doivent être
modélisés. Par conséquent, une grande variété d'outils
de simulation a été développée pour la conception
mécanique des robots manipulateurs, des systèmes de
commande, des systèmes de programmation off - line,
pour la conception et l’étude des cellules flexibles de
fabrication, etc.
Pour surmonter les problèmes qui apparaissent quand
le système est très complexe (comme les robots le
sont habituellement) plusieurs approches existent
pour obtenir automatiquement les modèles
dynamiques et/ou cinématique des robots.
2. Simulation des systèmes robotisés
Une grande quantité de logiciels de simulation est
maintenant disponible pour des systèmes robotisés, et
est déjà intensivement employée. Dans la plupart des
cas, la simulation de robots est centrée sur les
mouvements du robot manipulateur dans différents
environnements. Comme la simulation de mouvement
joue le rôle central dans tous les systèmes robotisés,
on y tient compte de la cinématique ou des modèles
dynamiques des robots manipulateurs. Le choix de
type de modèle à employer dépend de l'objectif du
système de simulation. Par exemple, les algorithmes
de planification de trajectoire dépendent des modèles
cinématiques. De même, la construction d'une cellule
robotisée peut être simulée efficacement en
employant seulement des modèles cinématiques des
robots manipulateurs, sans considérer
leur
dynamique ou les modèles de commande.
Par contre, pour concevoir les actionneurs, les
modèles dynamiques sont nécessaires. Les systèmes
de commande modernes pour les robots
manipulateurs
utilisent
différents
modèles
dynamiques internes pour améliorer l'exécution de la
tache robotique.
Il est possible de modéliser et simuler/animer le
comportement d'un système robotisé de différentes
manières. Tout dépend de l’approche utilisée pour
établir le modèle. Le logiciel de simulation basé sur
des diagrammes exige que l'utilisateur décrive le
système en combinant des blocs et des diagrammes,
mais il existe des logiciels différents nécessitant le
codage manuel, c’est à dire l’écriture de code source.
Les outils de simulation pour les systèmes robotisés
peuvent être divisés en deux groupes principaux : les
outils basés sur les systèmes usuels de simulation et
les outils spéciaux pour des systèmes robotisés.
Les outils basés sur les systèmes de simulation
ordinaires contiennent habituellement les modules de
simulation, les bibliothèques et les interfaces
utilisateur spéciales permettant de simplifier la
conception des systèmes et des espaces de travail
pour robots (Corke, 1996).
L’un des avantages de telles boîtes à outils intégrées
est une possibilité d’avoir accès aux autres outils
disponibles dans le système de simulation pour
l’exécution de différentes fonctions : par exemple,
pour concevoir un système de commande, pour
analyser des résultats de simulation, pour visualiser
des résultats, etc. Ils existent plusieurs outils de
simulation de ce type qui peuvent être utilisés pour la
simulation des systèmes robotisés comme par
exemple, la boîte à outils pour la robotique de
MATLAB, le Dymola/Modelica, le Sim 20, etc.
Les outils spéciaux de simulation pour des robots
couvrent un ou plusieurs domaines d’application dans
la robotique comme la programmation off-line, la
conception des cellules de travail pour robots, la
conception mécanique, l'analyse cinématique et
dynamique. Ils peuvent être spécialement développés
pour les types particuliers de robots comme les robots
mobiles, les robots industrielles, les mécanismes
parallèles, ou ils sont désignes à une famille donnée
de robots comme par exemple, le KUKAsim, le
simulateur Fanuc etc.
Dans cet article les auteurs proposent d’utiliser
l'environnement informatique Delphi, pour la
simulation qualitative des systèmes robotisés, en
utilisant la programmation visuelle.
Delphi est un outil de programmation visuelle qui
permet de réaliser l'interface des applications
Windows de manière pratiquement instantanée.
L’utilisation de cet outil est très intuitive et aisée car
on arrive à gérer sans effort un environnement aussi
sophistiqué que Windows.
Le langage Delphi vient du Pascal, et est orienté objet
exactement comme langage C++. Il est très simple à
apprendre, très évolutif et très intuitif. Le simulateur
créé dans l'environnement Delphi a été utilisé pour
contrôler l’exécution des tâches des systèmes
robotisés. Le simulateur est créé avec le code
DELPHI, dont l’objet est de créer des prototypes
virtuels.
Dans la formation des ingénieurs en robotique, il est
fondamental de donner une définition exacte et
structurée de ce qu'est exactement un robot. Le
modèle générique de robot donne cette définition. La
simulation fondée sur ce modèle est un outil valable
pour définir les propriétés d'un robot.
Le système Delphi incite les utilisateurs à faire leurs
propres extensions de programmes et à les exécuter.
En faisant ceci, de nouvelles idées peuvent être
testées sur les systèmes de production robotisés.
En général, la simulation peut être employée pour
effectuer l'analyse et l’étude de tout projet de création
d’un système robotisé pouvant être modélisé comme
un ensemble des corps rigides reliés par des
articulations, pouvant subir l’action des forces,
pouvant être guidé par les mouvements prédéfinis et
en tenant compte des limites posées par des
contraintes.
Dans la simulation qualitative on considère le
mouvement pur, sans faire la référence aux masses ou
aux forces impliquées dans ce mouvement. C'est le
cas du modèle cinématique qui étudie le mouvement
d'un corps ou d’un système de corps, sans prendre en
considération la masse ou les forces qui agissent
dessus. Ce modèle met en évidence les
caractéristiques du mouvement, en négligeant les
effets dynamiques.
3. Moteurs pour simuler la
dynamique de multi-corps
Dernièrement sont apparus des nouveaux outils
pour la simulation de la dynamique des
environnements
physiques
basés
sur
les
moteurs usuels. Ces moteurs fournissent des
bibliothèques pour pouvoir simuler la dynamique de
système multi corps, c.-à-d. le modèle numérique du
mouvement d'un ensemble de plusieurs corps avec
contraintes. Ces outils permettent aussi l’étude de
comportement des robots manipulateurs.
Ils
disposent d’un moteur de simulation de la dynamique
des corps et également d’un moteur de simulation
pour la détection des collisions. Dans ce dernier cas,
on fournit au moteur de simulation des informations
concernant la forme de chaque corps, en supposant
que les corps en question rentrent en contact suite à
une collision. Le moteur délivre au programmateur
les informations résultantes concernant les points de
contact. Le programmateur peut alors prendre les
mesures appropriées.
Comme exemples des bibliothèques servant à simuler
la dynamique de multi corps, nous avons choisi Open
Dynamics Engine (ODE) et Open Graphics Library
(OpenGL).
Open Dynamics Engine (ODE) est une bibliothèque
logicielle libre qui se place dans la catégorie des
moteurs physiques. Elle sert à simuler l'interaction
physique de corps rigides. ODE est disponible pour
plusieurs plates-formes et utilise une interface de
programmation en C pour une plus grande
compatibilité (bien qu'en interne le code source est
écrit en C++). Elle possède plusieurs types
d’articulations et intègre un détecteur de collision
avec friction. Le moteur utilise plusieurs intégrateurs
en fonction de la précision et de la robustesse de la
simulation désirée.
L'ODE est une source ouverte, une bibliothèque très
efficace pour simuler la dynamique des corps rigides
ou articulés. L'ODE est utile pour simuler des objets
dans les environnements virtuels inspirés de la réalité.
Avec son aide, il est assez simple d’établir le modèle
d'un robot.
Open
Graphics
Library(OpenGL)
est
une
spécification qui définit une API (Application
Programming
Interface
ou
l’interface
de
programmation des applications) multi-plateforme
pour la conception des applications générant des
images 3D ou 2D. Elle utilise en interne les
représentations de la géométrie projective. L'interface
regroupe environ 250 fonctions différentes qui
peuvent être utilisées pour afficher des scènes
tridimensionnelles complexes à partir de simples
primitives géométriques. Du fait de sa souplesse
d'utilisation et de sa compatibilité avec toutes les
plates-formes, elle est utilisée par la majorité des
applications scientifiques, industrielles ou artistiques
3D et certaines applications 2D vectorielles.
Comme exemple de l’environnement d’étude du
comportement des systèmes multi corps nous avons
choisi
BehaviorSim.
BehaviorSim
est
un
environnement d’étude basé sur le comportement de
l'agent robot. Cet environnement permet de réaliser
l'étude de la commande adaptive du robot dont le
comportement
s’adapte en fonction d’un
environnement dynamique (Wooldridge et Al., 2002).
La simulation se fait d'une façon intuitive suivant le
paradigme de « comportement-basé ». BehaviorSim
permet à des étudiants de développer et de tester leurs
propres applications basées sur le comportement des
robots.
Cependant, la diversité des tâches à réaliser nécessite
l'étude d'autres types de robots, dont les paramètres
de la conception diffèrent de ce qui est connu
habituellement. Les nouveaux types de robots
peuvent avoir de nouvelles propriétés, comme la
haute stabilité ou l'existence de nouveaux types de
trajectoires. Afin d'agrandir les possibilités de tels
systèmes, il est intéressant d’assouplir quelques
contraintes sur les paramètres des systèmes robotisés
actuels.
Les structures virtuelles présentées dans cet article
peuvent se comporter différemment des robots
actuellement utilisés dans l'industrie, ce qui permet
des changements de conduite des systèmes robotisés
actuels.
Une tendance courante en robotique consiste à
concevoir un robot dont les performances sont
optimales pour une application donnée, tout en
préservant la possibilité de l'employer pour des autres
tâches ; c'est-à-dire de le spécialiser au maximum
pour une application donnée et de l‘homologuer pour
d’autres applications, afin d’amortir son coût et
d’augmenter sa sûreté opérationnelle.
4. Exemples des systèmes multicorps simulés dans l’environnement
Delphi
Sous sa forme plus générale, un système robot se
compose d'un certain nombre de corps rigides reliés
par des articulations. Souvent, par souci de simplicité
dans la fabrication et dans la commande on considère
les robots uniquement avec les articulations de
rotation ou de translation et aussi avec les axes
d'intersection des articulations orthogonales et/ou
parallèles (au lieu d’axes placés arbitrairement). La
position et l'orientation du préhenseur du robot sont
déterminées à partir des positions et orientations des
articulations du bras de robot.
Dans le premier exemple nous utilisons un robot
virtuel de type sériel. Nous devons créer tous les
corps et les relier aux articulations appropriées. Par
exemple,
le
modèle
3DOF
(degrees
of
freedom=degrés de liberté) comme montré ci-dessous
est intégré dans une cellule de travail. Ici, la
bibliothèque de multi-corps fournit les composants
mécaniques tridimensionnels pour construire des
systèmes multi-corps, comme les robots. Le système
robotisé est établi en reliant des blocs représentant
des pièces comme des corps, des articulations, des
actionneurs, etc.
La méthodologie de simulation emploie de nombreux
scénarii possibles avec quelques séquences
d'animation, que l’on peut voir dans les figures
suivantes.
La figure 1 montre comment une main (préhenseur)
de robot peut saisir un récipient. Dans cet exemple, la
synchronisation entre le bras du robot et le convoyeur
est étudiée et tous les contacts entre les doigts et le
récipient sont analysés.
•
Figure 1 : Séquences d'animation d’après scénarii
représentant le processus de saisie d’un récipient
La simulation dynamique des systèmes multi-corps
devient nécessaire quand il existe une interaction
entre le robot manipulateur et les objets mobiles.
Dans ce cas, le résultat final dépend non seulement
des performances des robots mais également de la
simulation de l’interaction de tels systèmes. Dans
notre exemple, on simule la situation où la main du
robot et le système de transport agissent l'un sur
l'autre. Ceci nous permet d’étudier chaque soussystème, de comprendre entièrement le comportement
du système robotisé, d’examiner des algorithmes de
commande.
Pour la deuxième application, les images suivantes
montrent des séquences d'animation d’après des
scénarii créés pour usiner la carrosserie de la voiture
DACIA. L’environnement Delphi nous permet de
créer une chaîne de production automobile.
La méthodologie est interactive parce que l'humain
participe en définissant le volume d'espace de travail
et le nombre de voitures embarquées dans le camion.
Les configurations des système sont présentées cidessous pour deux couleurs différentes de la voiture:
verte et rouge.
• La première étape a été de réaliser
graphiquement l’installation robotisée à l’aide
des fonctions forme (rectangle, ellipse,
polygone…). Nous avons commencé par créer le
premier tapis roulant, puis le pont roulant, le
deuxième tapis et ainsi de suite en suivant
l’ordre logique de la chaîne, jusqu'à obtenir
toute l’interface graphique. Mais pendant le
déroulement du processus, certains objets se
mettent devant les autres. Pour réaliser cela,
Delphi lit le code dans l’ordre, c'est-à-dire que si
l’on demande de tracer deux objets superposés,
on verra uniquement le deuxième, car Delphi,
après avoir interprété le premier, le trace, mais
ensuite lit le deuxième et le trace par-dessus le
premier, ainsi on ne voit donc que le deuxième
dessin.
La deuxième étape a été d’animer le dessin
selon les séquences suivantes :
- avancement de la voiture sur le tapis 1 ;
- prise de la voiture par le pont roulant ;
- trempage de la voiture dans le bac de
cataphorèse (la cataphorèse est une
technique de peinture
qui consiste à
immerger la pièce dans un bain de peinture
hydrosoluble) ;
- le pont roulant dépose la voiture sur le
tapis 2 ;
- la voiture avance jusqu’au prochain poste ;
- le premier robot prend la porte arrière dans
le bac et la maintient à sa future position
sur la voiture ;
- le deuxième robot soude la porte puis
revient à sa position initiale ;
- le premier robot relâche la première porte
et va chercher la porte avant dans le
deuxième bac, puis il la positionne ;
- le deuxième robot soude la porte et revient
à sa position initiale ;
- le premier robot revient à sa position
initiale ;
- la voiture avance avec ses portes et descend
au deuxième étage ;
- la voiture avance jusqu'à la cabine de mise
en peinture où elle est peinte ;
- la voiture avance jusqu’au prochain poste
où elle reçoit ses roues ;
- la voiture avance jusqu’au vérin ;
- le vérin descend avec la voiture et attend ;
- la deuxième voiture commence son cycle ;
- quand la deuxième voiture atteint la cabine
peinture, la première voiture avance et
rentre dans le garage puis le vérin
remonte ;
- la deuxième voiture sort de la cabine
peinture et va recevoir ses roues ;
- elle avance jusqu’au vérin et descend ;
- elle entre dans le garage ;
- le vérin remonte ;
- les deux voitures sortent du garage et
montent dans le camion pour être
évacuées.
Présentation des séquences principales pour les
différents scénarii
Dans le langage Delphi - au niveau de code source on utilise la programmation textuelle avec des
symboles numériques et littéraux.
Nous avons imaginé des scenarii dont nous avons
retenu le premier Fig.(2) et le dernier Fig.(3) :
• Au début, le pont roulant va attraper la voiture
pour l’emmener dans le bain de cataphorèse,
pour cela, il faut ajouter la variable qui
s’incrémente automatiquement et qui est placée
à la fois dans les coordonnées de la voiture et
dans celles du pont roulant.
Figure 2 : Première séquence d'animation simulée.
•
Pour passer à la dernière séquence il suffit
d’utiliser la même variable dans les coordonnées
des deux voitures et du camion afin de les faire
avancer en même temps. On obtient cette
dernière image :
5. Conclusions
L’objectif de cet article est de souligner le rôle de la
simulation dans différents domaines de la robotique.
Ainsi nous recommandons aux chercheurs d'employer
les moteurs dynamiques généraux et les langages de
programmation visuels pour la simulation et la
visualisation des systèmes robotisés.
Les systèmes robotisés avancés exigent des outils
sophistiqués de simulation qui peuvent simuler assez
précisément le monde physique, à une vitesse
suffisante et permettent l'interaction avec l’utilisateur.
La simulation des systèmes multi corps, sous
l'influence des forces extérieures, la détection de la
collision et la détermination de la force d’impact, la
visualisation réaliste de la scène de travail et
l'interaction avec l’environnement sont les nouveaux
défis dans la simulation des systèmes robotisés.
Cet article propose d’utiliser l'environnement de
programmation visuel Delphi, pour faciliter la
programmation intuitive des robots et présente
quelques exemples d’applications de systèmes
robotisés virtuels. Le premier exemple concerne des
robots qui travaillent dans des environnements avec
contraintes. L’étude de la tâche robotique avec des
contraintes nous permet d'établir les règles de base
pour contrôler le processus de préhension, utilisé pour
les robots réels. Le deuxième exemple nous montre
comment mettre au point une chaîne de fabrication
robotisée.
Ainsi on peut analyser les structures virtuelles créées
de point de vue de la robotique et obtenir une
meilleure description du comportement de telles
structures réelles robotisées.
Les simulations réalisées pour cette application ont
été également utilisées pour l'élaboration des
méthodes systématiques pour créer les nouveaux
systèmes robotisés.
Nous avons prouvé que ces méthodes créatrices
peuvent maintenant être utilisées pour créer de
nouvelles structures de robots, pour tester les
paramètres des systèmes et pour résoudre des
problèmes spécifiques de cette façon.
Enfin, la simulation en robotique maintenant joue un
rôle très important. En employant ces différents
logiciels de simulation, les performances - présentes
et futures - des systèmes robotisés complexes peuvent
être sensiblement améliorées.
6. Remerciements
Figure 3 : Dernière séquence d'animation simulée.
Ce travail a été soutenu dans le Département
d'Automatique de l’Université Transilvania de Brasov
Roumanie. Les auteurs remercient vivement cet
établissement pour son accueil.
7. Références
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http://ode.org/ode.html