Motion Control :où les mathématiques et la physique empêchent les collisions

Incorporant l'ingénierie électrique et mécanique, la conception de logiciels et de matériel, et s'appuyant sur des connaissances glanées dans des domaines aussi divers que la biologie, l'éthique et la psychologie, la robotique est un domaine véritablement multidisciplinaire.

Les mathématiques et la physique sont centrales et étroitement liées, bien sûr. Et les deux sont utilisés pour produire une automatisation qui ne provoque pas de collisions.

Dans cet article, nous examinerons de haut niveau les bases du contrôle de mouvement, de la cinématique et de la cinétique. Tout au long, nous partagerons des liens vers des ressources utiles pour en savoir plus sur le contrôle de mouvement et les concepts associés, à partir des archives A3 et au-delà.

Qu'est-ce que le contrôle de mouvement ?

Comme son nom l'indique, le « contrôle de mouvement » fait référence au sous-domaine de l'automatisation qui vise à obtenir un mouvement contrôlé de toutes les parties individuelles d'un système automatisé. Le contrôle du mouvement des moteurs internes, des pointes de préhension, des portiques et de tous les autres composants de l'automatisation complexe d'aujourd'hui nécessite une compréhension des concepts physiques clés tels que la force, le mouvement et le couple et la capacité d'appliquer des algorithmes de contrôle complexes au matériel du monde réel.

Déployé avec succès, le contrôle de mouvement garantit que chaque partie du système est là où elle doit être à un moment donné, ce qui garantit une fiabilité et une répétabilité globales.

'Motion control' est parfois utilisé au sens strict de contrôler le mouvement des moteurs seuls, mais dans son sens le plus large, le terme englobe toutes les parties d'un système automatisé, tels que les pinces et les portiques. Dans ce sens plus large, le contrôle de mouvement intègre la planification de trajectoire, la cinétique et la cinématique.

Un système de contrôle de mouvement typique se compose de trois composants :un contrôleur de mouvement, un amplificateur et un ou plusieurs moteurs.

Les contrôleurs de mouvement sont le cerveau de l'opération, chargés de garantir que le moteur fonctionne conformément aux exigences de l'utilisateur final, y compris la trajectoire du moteur. Les contrôleurs de mouvement ont diminué en taille - et sont devenus plus intelligents - au cours des dernières années, permettant aux fabricants d'intégrer l'intelligence du contrôle de mouvement dans leurs conceptions de manière innovante et de plus en plus utile.

La série d'apprentissage en ligne de Yaskawa America sur YouTube comprend cet aperçu utile des principes de base du contrôle des mouvements :

https://www.youtube.com/watch?v=-ZWUSbMKAfg

Cinématique

En physique, la cinématique est un sous-domaine qui décrit le mouvement des points, des corps et des systèmes de corps les uns par rapport aux autres à travers la géométrie.

Au sein de la robotique, la cinématique fait référence à la géométrie du mouvement d'un robot et intègre des équations cinématiques qui permettent de calculer la position de différents points au sein d'un système d'automatisation. Surtout, la cinématique ne prend pas en compte les forces qui provoquent le mouvement, elle considère simplement si le mouvement est possible.

La cinématique avant implique le calcul de la position d'un effecteur terminal à partir des valeurs spécifiées pour les paramètres de l'articulation. La cinématique inverse calcule les angles articulaires associés en fonction de l'emplacement de l'effecteur terminal.

La série de vidéos « Introduction to Robotics » de l'Université de Stanford comprend cette conférence utile sur les concepts de cinématique :

https://www.youtube.com/watch?v=QKyDrUonp98

Cinétique

En physique, la cinétique fait référence à l'étude des forces agissant sur les corps ou les particules qui sont responsables de leur mouvement. En robotique, il s'agit de calculer et d'évaluer les couples et les forces, dont le courant électrique, présents dans le système. Les équations de Newton-Euler et de Lagrange sont ici utilisées pour fournir un modèle dynamique d'un système d'automatisation ou pour déterminer les forces et les moments agissant sur les liaisons rigides d'un robot manipulateur.

Autres lectures des archives A3 :

Qu'est-ce que le contrôle de mouvement ?

Apporter une fonctionnalité en boucle fermée aux moteurs pas à pas

Et au-delà :

Le Center for Robotics and Biosystems de la Northwestern University aux États-Unis a produit une série de vidéos en complément de "Modern Robotics:Mechanics, Planning, and Control" (Lynch et Park, Cambridge University Press, 2017), qui sont tous disponibles sur YouTube, y compris :

https://www.youtube.com/watch?v=QFCbTVJqm8I

Guide du professeur Michael Milford de l'Université du Queensland sur la cinématique directe et inverse :

https://www.youtube.com/watch?v=VjsuBT4Npvk

Cinématique et cinétique des robots - Une brève enquête, ScienceDirect