1 - Bras robotisé par commande vidéo

Ingénieur de Projets
Grande Traverse 10
4000 Liège
Préparation de l’édition 2012-2013
Définition de base des projets
Remarque préalable : L’énoncé ci-dessous résulte des discussions entreprises par le Comité
Organisateur de Ingénieur de Projets avec différents responsables académiques de la
Faculté.
N° identification : 1
Titre : Bras robotisé à commande vidéo
Coordinateur proposé : O. Brüls
Filières concernées : Biomédical, Mécanique, Electricité/Informatique
Référents techniques envisagés : O. Brüls, M. Van Droogenbroeck, B. Boigelot, J. LecomteBeckers
Contraintes pour l’ouverture du projet : un minimum de deux étudiants en
mécainque/biomédical de master 1 et de deux étudiants en électricité/informatique de
master 1.
Contexte
Les progrès réalisés dans le domaine de la bionique et des prothèses robotisées offrent
aujourd’hui à de nombreux handicapés l’espoir de retrouver, au moins partiellement, l’usage
que leur apportaient leurs membres perdus. Les années 2000 ont vu l’explosion du nombre
de robots permettant de reproduire des mouvements du corps humains en étant
commandés soit par commande classique, soit directement par commande neurologique.
A l’heure actuelle, la majeure partie de ces réalisations est effectuée aux Etats-Unis et au
Japon. Mais les compétences nécessaires à la réalisation de telles applications sont
également disponibles en Europe, et en Belgique.
Sujet du projet
Dans le cadre du projet proposé par « Ingénieur de Projets », les étudiants seront amenés à
concevoir et réaliser un bras robotisé permettant de reproduire les mouvements d’un bras
humain.
Le schéma de principe de ce projet est représenté ci-dessous à la Figure 1.
Ingénieur de Projets
Grande Traverse 10
4000 Liège
La mission du bras robotisé est de reproduire, à l’identique et continu, le mouvement réalisé
par un opérateur.
Figure 1 - Schéma de principe
Description de la partie mécanique
Le bras est composé de deux membres rigides correspondant au bras et à l’avant bras. Ces
deux membres sont articulés par deux pivots motorisés, l’un représentant l’épaule et l’autre
représentant le coude. Chaque pivot ne peut tourner que selon un seul axe. Le bras
comporte donc deux degrés de liberté motorisés ; les axes de rotation des deux
articulations sont parallèles. Le mouvement est plan et correspond au plan vertical passant
par l’épaule et parallèle au plan de symétrie du corps humain.
Les moteurs sont choisis pour que le robot puisse effectuer les mêmes mouvements qu’un
bras humain. Ils doivent donc pouvoir reprendre le couple lié au poids du bras mais ils
doivent également pouvoir fournir les accélérations suffisantes pour pouvoir effectuer les
mouvements aux vitesses nécessaires lors par exemple de la préhension d’un object. Un
surdimensionnement sera cependant pénalisé.
Aucune commande de pince n’est demandée. Le bras ne doit pas soulever de charge ni
reprendre d’effort extérieur.
Jumelages possibles avec cours :
« Cinématique et Dynamique des Mécanismes », MECA0031-2, O. Brüls. M1
Dans le cadre du projet de ce cours, on demande aux étudiants d’effectuer une modélisation
du système dynamique au sein des environnements Matlab et Mecano. Une
complexification du modèle peut-être envisagée dans le cadre de ce projet.
« TFE », O. Brüls. M2
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4000 Liège
Travail de fin d’étude à réaliser sur la génération de trajectoire en robotique dont la
complexité pourra être adaptée à ce projet.
« Materials Selections », MECA0462-2, J. Lecomte-Beckers, M1
Dans le cadre du projet de ce cours, on demande aux étudiants d’étudier le choix des
matériaux possibles pour une telle réalisation sachant que le bras devra, à terme, pouvoir
reprendre des charges pouvant être soulevées par le bras humain, tout en conservant un
encombrement minimum et un prix acceptable.
Description de la partie électronique - informatique
Le bras robot est commandé par un opérateur qui anime son propre bras par le mouvement
souhaité. Le bras de l’opérateur est filmé par une ou plusieurs caméras permettant, par un
système de traitement d’image, de reconstituer la commande à transmettre au bras robot.
L’équipe des informaticiens est en charge de la réalisation de la capture d’image à l’aide
d’une (ou plusieurs) caméra qui permet l’acquisition d’images vidéo et d’images de
profondeur. La capture du mouvement de l’opérateur doit pouvoir être réalisée quelle que
soit l’orientation de celui-ci. Placer une caméra dans la direction perpendiculaire au plan du
mouvement n’est donc pas une solution suffisante.
Une fois que le mouvement de l’opérateur a été capté, un ordre de commande est
reconstitué et transmis au système de contrôle du bras robotisé par l’équipe des
électriciens. La position courante des moteurs est une information directement embarquée
dans les servomoteurs. Aucun capteur d’accélération supplémentaire n’est donc nécessaire.
Jumelage possible avec les cours :
-
« Traitement numérique des images », ELEN0016-1, M. Van Droogenbroeck, M1
Dans le cadre du projet de ce cours, les étudiants sont amenés à réaliser l’analyse en continu
des images obtenues par caméra afin de déterminer la position de différents points de
repère marqués sur le bras de l’opérateur.
-
« Systèmes programmés enfouis », INFO0064-1, B. Boigelot, M1
Dans le cadre du projet de ce cours, les étudiants sont amenés à utiliser les données
transmises par les caméras et transformées dans le cadre du cours de Traitement
Numérique des Images pour piloter le bras.
Description de la partie biomécanique
L'anatomie du bras humain est étudiée de manière à comprendre la mécanique du système:
les efforts, les vitesses, les accélérations qu'il est capable de produire. Sur cette base, un
cahier des charges sera établi pour l'équipe mécanique.
L'équipe biomécanique est également en charge de l'intégration de tous les systèmes (prise
de vue, création de la commande, contrôle et mécanique) et du traitement des images avec
l’équipe des électriciens/informaticiens.
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Grande Traverse 10
4000 Liège
Jumelage possible avec les cours :
-
« Traitement numérique des images », ELEN0016-1, M. Vandroogenbroeck, M1
Dans le cadre du projet de ce cours, les étudiants sont amenés à réaliser l’analyse en continu
des images obtenue par caméra afin de déterminer la position de différents points de repère
marqués sur le bras de l’opérateur.
-
« Robotique biomédicale et prothèses actives », PROT0430-2, O. Brüls, M2
Dans le cadre de ce cours, une étude de cas réel sera investiguée.
Remarque : Entre le cours de « Cinématique et Dynamique des Mécanismes » et de
« Robotique biomédicale », une seule valorisation est possible dans le cadre de Ingénieur de
Projets.