Conception et Réalisation d`un Bras Manipulateur Commandé par API

République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université de KHEMIS MILIANA
Faculté des Sciences et de la Technologie
Département de la Technologie
Mémoire du Projet de Fin d’Etudes
Pour l’obtention de diplôme
Master
En
« Automatique des systèmes et production »
Option :
« Génie électrique »
Titre :
Conception et Réalisation
d'un Bras Manipulateur Commandé par API
Réalisé par :
Encadré par :
Ait Dahmane Kahina
Dr. Abdelfettah Hocine
Ait Ziane Meziane
Année Universitaire 2014/2015
DEDICACE
J'adresse mes remerciements avec un grand respect et gratitude à mes
chers parents que je prie de trouver ici l’expression de ma reconnaissance et de
mes sentiments les plus affectueux en espérant vous satisfaire avec une réussite
permanente.
Ainsi qu’à mes sœurs et mon frère. A mes neveux Aghiles, ilyes et Belaid,
Koceila et djalil, Amine et Ibrahim, Iselam et yaniss, Et à mes nièces Ines et
Riane, Lina et Yassmine, Nour et Latifa, Manele et Maroua à ma poupée
Serine, je leurs souhaite toute la réussite dans leurs vies. sans oublier mes
cousines adorées Yasmmine,Feth ezhar et Donia.
Ainsi qu’à tous mes collègues de la spécialité « Automatique des Systèmes
et Production » et à mes copines que j’adore Zineb et Niaama, Imane, Fatima et
Meriem.
A tous mes profs du primaire, CEM et du lycée et bien sur à notre
docteur de l'université sur tout à notre encadreur monsieur « Abdelfettah
Hocine » et à tous ceux qui nous ont aidé de prés ou de loin pour la réalisation
de ce travail. A mon binôme Meziane ainsi qu’à sa famille, la famille Ait Ziane.
Ainsi qu’à tous ceux qui me connaissent ; qui m’ont aidé et qui sont
toujours présents à mes côtés, avec qui j’ai partagé le bon et le mauvais,
Ait Dahmane Kahina
1
DEDICACE
Je dédie ce mémoire à :
Mes parents :
Ma mère, qui a œuvré pour ma réussite, de par son amour, son soutien,
tous les sacrifices consentis et ses précieux conseils, pour toute son assistance et
sa présence dans ma vie, reçois à travers ce travail aussi modeste soit-il,
l'expression de mes sentiments et de mon éternelle gratitude.
Mon père, qui peut être fier et trouver ici le résultat de longues années de
sacrifices et de privations pour m'aider à avancer dans la vie. Puisse Dieu faire
en sorte que ce travail porte son fruit ; Merci pour les valeurs nobles,
l'éducation et le soutient permanent venu de toi.
Mon frère et ma sœur Hamza et Meriem : qui n'ont cessé d'être pour moi des
exemples de persévérance, de courage et de générosité.
Mon promoteur Mr Hocine Abdelffetah qui m’a encouragé et pour sa
confiance que je n’oublierai jamais.
Mes grandes mères et toute ma famille.
Ma binôme Kahina et sa famille à qui je souhaite bonne chance dans la vie et
un chemin plein de réussite.
A Samir et son petit fils Mahrez “ath yahrez rebi“.
A tous mes amis.
Ait Ziane Meziane
2
REMECIMENT
Tout d’abord, nous tenons à remercier DIEU le miséricordieux de nous
avoir donné la possibilité de réaliser notre projet, d’arriver à notre souhait et
d’atteindre notre objectif.
Nous aimerions dans ces quelques lignes remercier toutes les personnes
qui d’une manière ou d’une autre, ont contribué au bon déroulement de notre
travail, tout au niveau humain qu’au niveau scientifique.
Nous tenons tout d’abord à remercier notre encadreur « Abdelfettah
Hocine » qui nous a permis de bénéficier à la fois de ses compétences
scientifiques et de sa grande disponibilité, tant pour résoudre les difficultés
rencontrées lors de la réalisation de notre projet ou pour répandre à nos
questions.
Nous le remercions aussi pour sa patience et ses encouragement ce qui
nous a permis de travailler dans de bonnes conditions.
Grand remerciement à tous les ingénieurs du laboratoire de génie
électrique. Nos remerciements s’adressent également à tous les membres de
Jury qui ont accepté de nous honorer de leur présence et de juger notre travail
Merci.
Et à toute personne ayant contribué de près ou de loin à notre soutien moral.
3
Sommaire
Introduction générale.............................................................................................................10
Chapitre I
Généralités sur les robots industriels
I.1.
I.2.
Introduction.................................................................................................................12
Définition générale......................................................................................................12
I.2.1. Le robot industriel..............................................................................................12
I.2.2. La robotique.......................................................................................................12
I.3. L'histoire de la robotique industrielle..........................................................................13
I.4. Types de robots............................................................................................................14
I.4.1. Robots mobiles...................................................................................................14
I.4.2. Robot manipulateur............................................................................................15
I.5. Les éléments constitutifs d'un robot............................................................................15
I.5.1. Unité opérationnelle...........................................................................................16
I.5.2. Unité informationnelle.......................................................................................16
I.6. Structure mécanique articulée.....................................................................................16
I.6.1. Structure mécanique articulée à chaîne cinématique simple.............................17
I.6.2. Structure mécanique articulée à chaîne cinématique fermée.............................17
I.7. Architecture des robots................................................................................................18
I.8. Classification des robots..............................................................................................20
I.8.1. Classification fonctionnelle................................................................................20
I.8.1.1. Manipulateur à commande manuelle …………………........................21
I.8.1.2. Manipulateur automatique …………………....................................... 21
I.8.1.3. Robots programmables..........................................................................22
I.8.1.4. Robots intelligents.................................................................................22
I.8.2. Classification géométrique.................................................................................23
I.9. Domaines d'applications..............................................................................................25
I.10. Conclusion.................................................................................................................. 26
4
Chapitre II
Système de commande et de traitement de l'information
II.1. Introduction.................................................................................................................27
II.2. Définition d'un automate programmable.....................................................................27
II.3. Structure fonctionnelle de l'automate..........................................................................27
II.3.1. Interface d'entrée.............................................................................................28
II.3.2. L'unité centrale................................................................................................28
II.3.3. Interface de sortie............................................................................................28
II.3.4. Communication et dialogue............................................................................28
II.4. Types d'automates.......................................................................................................29
II.4.1. Automate Monobloc.......................................................................................29
II.4.2. Automate Modulaire.......................................................................................29
II.5. Plate forme d'automatisme MODICON M340…………............................................30
II.5.1. Modules processeur.........................................................................................31
II.5.2. Modules alimentation......................................................................................32
II.5.3. Modules d'entrées/ sorties "Tout ou Rien"......................................................34
II.6. Interface Homme/ Machine.........................................................................................36
II.7. Programmation et Supervision....................................................................................37
II.7.1. Logiciel Unity Pro...........................................................................................37
II.7.1.1. Présentation.......................................................................................37
II.7.1.2. Les cinq langages IEC.......................................................................37
II.7.2. Vijeo Designer................................................................................................38
II.7.2.1. Présentation.......................................................................................38
II.7.2.2. Communications..........................................................................................39
II.7.3. supervision....................................................................................................39
II.8. Conclusion...................................................................................................................40
Chapitre III
Actionneurs en robotique
III.1. Introduction.................................................................................................................41
III.2. Généralités sur les moteurs pas à pas..........................................................................41
III.2.1. Structure d'un actionneur pas à pas...............................................................41
III.2.2. Principe de fonctionnement d'un moteur pas à pas.......................................42
III.2.3. Principaux types de moteurs pas à pas..........................................................44
III.2.3.1. Moteur pas à pas à reluctance variables............................................44
III.2.3.2. Moteur pas à pas à aiment permanent...............................................44
III.2.3.3. Moteurs pas à pas hybride.................................................................44
III.2.3.4. La comparaison entre les différentes types de moteurs pas à pas….45
III.2.4. Modes d'alimentation d'un moteur pas à pas.................................................45
III.2.5. Avantages et inconvénients des moteurs pas à pas.......................................46
III.3. Etude de la carte de commande d'un moteur pas à pas bipolaire................................47
III.3.1. Les circuits de commande des moteur pas à pas...........................................47
5
III.3.1.1. Le circuit intégré L297......................................................................47
III.3.1.2. Le circuit intégré L298N...................................................................48
III.3.1.3. NE555................................................................................................50
III.3.2. Génération du signal Clock...........................................................................52
III.3.3. Schéma Structurel global de la carte de commande......................................53
III.3.4. Réalisation et application de la carte de commande......................................53
III.3.4.1. Le Typon...........................................................................................53
III.3.4.2. Soudage............................................................................................ 54
III.4. Généralités sur les moteurs à courant continu.............................................................56
III.4.1. Définition d'un moteur à courant continu.....................................................56
III.4.2. Les constituants d'un moteur à courant continu............................................56
III.4.2.1. Circuit inducteur (Stator)...................................................................56
III.4.2.2. Circuit induit (Rotor).........................................................................57
III.4.3. Principe de fonctionnement des moteurs à courant continu.........................58
III.4.4. Avantages et inconvénients des moteurs à courant continu..........................59
III.5. Etude de la carte de commande d'un moteur à courant continu..................................60
III.5.1. Schéma Structurel global de la carte de commande......................................60
III.5.2. Principe de fonctionnement...........................................................................61
III.5.3. Réalisation et application de la carte de commande......................................62
III.5.3.1. Le Typon...........................................................................................62
III.5.3.2. Soudage.............................................................................................62
III.6. Conclusion...................................................................................................................63
Chapitre IV
Conception du bras manipulateur
IV.1. Introduction.................................................................................................................64
IV.2. Partie mécanique du bras manipulateur......................................................................64
IV.2.1. La structure mécanique du bras manipulateur..............................................64
IV.2.2. Dimensions du bras manipulateur.................................................................66
IV.2.3. Les différentes vues du bras manipulateur....................................................68
IV.2.4. Système d'actionneur du bras........................................................................69
IV.2.5. Transmission entre articulation: engrenage..................................................69
IV.3. Partie commande du bras manipulateur......................................................................70
IV.3.1. Raccordements avec l'automate....................................................................71
IV.3.2. Commande par API.......................................................................................72
IV.3.3. Communication entre l’automate et l’IHM et PC :.......................................72
IV.3.4. Mouvements du bras...................................................................................75
IV.3.4.1. Mouvement du bras manipulateur en fonction du temps..................76
IV.4. Conclusion...................................................................................................................77
Conclusion générale..............................................................................................................78
Références bibliographies
Annexe
6
Liste des figures
Chapitre I
Généralités sur les robots industriels
Figure I.1: Robotique industrielle (unimate, puma).............................................................13
Figure I.2: Spirit, NASA,2003 sur Mars..............................................................................15
Figure I.3: Robot fanuc........................................................................................................15
Figure I.4: Structure fonctionnelle d’un robot.....................................................................16
Figure I.5: Structure sériel....................................................................................................17
Figure I.6: Structure fermée.................................................................................................18
Figure I.7: Architecture d’un robot......................................................................................18
Figure I.8: Représentation d’une articulation rotoïde..........................................................19
Figure I.9: Représentation d’une articulation prismatique...................................................19
Figure I.10: Manipulateurs à commande manuelle..............................................................21
Figure I.11: Manipulateur à cycle préréglé..........................................................................21
Figure I.12: Robot programmable........................................................................................22
Figure I.13: Robot intelligent...............................................................................................23
Figure I.14: Robot cartésien.................................................................................................23
Figure I.15: Robot cylindrique.............................................................................................24
Figure I.16: Robot sphérique................................................................................................24
Figure I.17: Robot SCARA..................................................................................................25
Figure I.18: Robot 3R..........................................................................................................25
Chapitre II
Système de commande et de traitement de l'information
Figure II.1: Structure d’un système de traitement...............................................................28
Figure II.2: Automate monobloc TSX Nano.......................................................................29
Figure II.3: API modulaire...................................................................................................30
Figure II.4: MODICON M340.............................................................................................30
Figure II.5:a) BMX P34 2020..............................................................................................31
Figure II.5:b) BMX P34 20102/20302................................................................................31
Figure II.6: BMX CPS 2000 2000 / 3500...........................................................................33
Figure II.7: Module à raccordement par bornier débrochable 20 contacts..........................35
Figure II.8: Face avant de magelis GT5230, XBT GT5330 et XBT GT 5430....................36
Figure II.9: Et en face arrière MAGELIS GT5230, XBT GT5330 et XBT GT 5430.........36
Figure II.10: Connectez plusieurs automates à un écran de contrôle.................................38
Figure II.11: La communication entre l’IHM et l’automate................................................39
Chapitre III
Actionneurs en robotique
Figure III.1: Structure d’un Moteur pas à pas......................................................................41
Figure III.2: Position1 des bobines......................................................................................42
Figure III.3: Position 2 des bobines.....................................................................................42
Figure III.4: Position 3 des bobines.....................................................................................42
Figure III.5: Position 4 des bobines.....................................................................................43
7
Figure III.6: Principe de fonctionnement du moteur pas à pas............................................43
Figure III.7: Le circuit L297................................................................................................47
Figure III.8: Brochage et structure interne du circuit L297.................................................48
Figure III.9: Brochage et structure interne du circuit L298.................................................49
Figure III.10: Le circuit intégré NE555...............................................................................50
Figure III.11: Le schéma bloc simplifié du NE555.............................................................50
Figure III.12: Diagramme schématique du NE555 en configuration monostable .............51
Figure III.13: Diagramme schématique du NE555 en configuration astable......................52
Figure III.14: Circuit électrique qui généré le signal carré..................................................52
Figure III.15: Schéma Structurel global de la carte de commande......................................53
Figure III.16: La carte coté Pistes........................................................................................54
Figure III.17: La carte coté composants..............................................................................55
Figure III.18: Moteur à courant continu..............................................................................56
Figure III.19: Constituant d’un moteur à courant continu...................................................57
Figure III.20: Principe de fonctionnement d’un moteur à courant continu.........................58
Figure III.21: Description de la machine à courant continu................................................59
Figure III.22: Schéma Structurel global de la carte de commande......................................60
Figure III.23: La carte coté Pistes........................................................................................62
Figure III.24: La carte coté composants..............................................................................63
Chapitre IV
Conception du bras manipulateur
Figure VI.1: Schéma de notre bras manipulateur.................................................................65
Figure VI.2: Photo réel de notre bras manipulateur.............................................................65
Figure VI.3: Coupe transversale du bras..............................................................................66
Figure VI.4: Coupe transversale de l’avant bras..................................................................67
Figure VI.5: La base.............................................................................................................67
Figure VI.6: Vue de face du bas manipulateur ...................................................................68
Figure VI.7: Vue d'arrière du bras........................................................................................68
Figure VI.8: Vue du dessus du bras.....................................................................................69
Figure VI.9: La transmission entre articulation...................................................................70
Figure VI.10: Raccordements de module de sortie TOR DRA 0805..................................71
Figure VI.11: Raccordements de module de sortie avec la carte de commande du moteur
pas à pas........................................................................................................72
Figure VI.12: Configuration adresse IP de l'automate.........................................................73
Figure VI.13: Configuration adresse IP de l'IHM................................................................73
Figure VI.14: Câblages d'automate avec les cartes de commande et l'IHM........................74
Figure VI.15: Ecran magelis programmer...........................................................................74
Figure VI.16: Le bras dans sa postposition initiale.............................................................75
Figure VI.17: Le bras à 45°.................................................................................................75
Figure VI.18: Le bras dans sa postposition initiale.............................................................75
Figure VI.19: L'avant bras bouge en bas à 45°..................................................................75
Figure VI.20: Le bras dans sa postposition initiale.............................................................75
Figure VI.21: Rotation de la base à 180°.............................................................................75
Figure VI.22: Le bras et l'avant bras en 153°.......................................................................76
Figure VI.23: Le bras à 108°................................................................................................76
Figure VI.24: Le bras dans sa postposition initiale.............................................................76
Figure VI.25: Déplacement du bras manipulateur (degré) en fonction du temps................76
8
Liste des tableaux
Tableau III.1.Comparaison des performances pour les trois types de moteurs pas à pas....45
Tableau III.2. Différents modes d'excitation.......................................................................45
Tableau III.3. Les avantages et les inconvénients des moteur pas à pas.............................46
Tableau IV.1. Valeurs des caractéristiques physiques des matériaux..................................66
9
INTRODUCTION GENERALE
Introduction Générale
Aujourd’hui, il existe plusieurs types de robots conçus pour des tâches bien
spécifiques.
Dans ce travail de mémoire, nous nous sommes intéressés aux robots
manipulateurs pour des applications en robotique industrielle.
Utilisés dans l’industrie depuis maintenant plusieurs dizaines d’années, les robots industriels
actuellement en service sont des robots de type manipulateur. Ils sont bien implantés dans les
procédés de fabrication modernes et sont employés pour augmenter le volume de production
et améliorer la qualité du produit. Dans les chaînes de montages de l’industrie automobile, ils
remplacent les ouvriers dans les tâches pénibles, répétitives ou dangereuses (peinture,
soudure…).
Le bras manipulateur est un système de positionnement ou les forces agissant au
niveau des articulations sont produites par des actionneurs. Ces derniers peuvent être de types
électrique, hydraulique ou pneumatique. Dans notre mémoire nous nous intéressons
particulièrement au cas des moteurs à courant continu et moteurs pas à pas.
L’objectif principal de notre travail est de concevoir et réaliser et commander un bras
manipulateur à 3 degrés de liberté commandé par un Automate Programmable Industriel. Ce
dernier a pour fonction de traiter les informations entrantes pour émettre des ordres de sorties
en fonction d’un programme. C’est un automate programmable à usage industriel destiné à
commander les systèmes en temps réel.
Pour aboutir à cette fin, nous avons organisé notre travail en quatre chapitres :
- Introduction
- Chapitre 1 : “généralités sur les robots industriels“ : Ce chapitre donne un aperçu sur
les robots. Nous définissons le robot industriel et la robotique et nous donnons un
bref historique sur la robotique industrielle et les différents types de robots. Ce
premier chapitre analyse aussi les différents constituants d’un robot manipulateur qui
est l’objet de notre étude et explique ce qu’une structure mécanique articulée (SMA).
- Chapitre 2 : “système de commande et de traitement de l’information“. Nous
donnons dans ce chapitre une présentation d’un Automate Programmable Industrie
(API) et d’une plate forme d’automatisme MODICON M340 qui sont utilisés dans
10
INTRODUCTION GENERALE
notre projet. Ce chapitre traite aussi l’Interface Homme/ Machine (IHM) type
MAGELIS (écran tactile) ainsi que le logiciel commun de programmation (Logiciel
Unity Pro) et le logiciel de configuration pour les IHM Magelis (Vejio Designer).
- Chapitre 3 :“ actionneurs en robotique“ : Ce chapitre aborde les actionneurs pas à pas
et les moteurs à courant continu. On cite leurs principes de fonctionnement ainsi que
les avantages et les inconvénients de chaque moteur. Ce troisième chapitre montre la
démarche qu’on a suivi pour réalisée des carte de commande pour nos actionneurs et
ceci à l’aide des circuits intégrés.
- Chapitre 4 : “conception et commande d’un bras manipulateur“ : Pour ce chapitre qui
est une partie pratique, on présente la structure mécanique de notre bras manipulateur
(structure à 3 articulations rotoïde), le système d’actionneur du bras ainsi que le
système de transmission entre articulation. La commande par API utilisée pour notre
bras manipulateur est expliquée ainsi que le raccordement des cartes des moteurs
avec l’automate en utilisant l’automate Schneider M340 avec le module de sortie
TOR DRA 0805 et la communication entre l’IHM et l’automate.
11
CHAPITRE I
GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS
Chapitre I
Généralités sur les robots industriels
I.1. Introduction
L’utilisation des systèmes robotiques apparait aujourd’hui dans plusieurs domaines
d’activités : la médecine, la défense, la recherche scientifique etc.… Les robots sont utilisés
de manière privilégiée pour des missions où les objectifs sont quantifiables et clairement
définis. Ils sont destinés à faciliter les tâches pour l’homme et à amplifier le rendement.
Dans ce premier chapitre, on va donner un aperçu non exhaustive sur les robots, un
bref historique sur l'évolution de la robotique industrielle et présenter les différents types de
robots et les éléments constitutifs de ces derniers.
I.2. Définition générale
I.2.1. Le robot industriel
Le terme robot a été introduit pour la première fois par l’auteur Tchèque Capek en
1920 dans sa pièce de théâtre R.U.R. (Rossum’s Universal Robot) et il est dérivé du mot
robota qui signifie travailleur (de force). [1]
Un robot est un dispositif mécatronique (alliant mécanique, électronique et informatique)
accomplissant automatiquement des tâches diverses. C’est une machine intelligente
fonctionnelle qui nécessite une autonomie de mouvements.
L’Organisation Internationale de Normalisation définit le robot comme étant un
manipulateur à plusieurs degrés de liberté, à commande automatique, reprogrammable, multiapplications, mobile ou non, destiné à être utilisé dans les applications d’automatisation
industrielle. [2]
I.2.2. La robotique
La robotique est une science qui s’intéresse aux robots. En fait, il s’agit d’un ensemble
de disciplines techniques (mécanique, électronique, automatique, informatique) articulées
autour d’un objectif et d’un objet communs. Cet objectif est l’automatisation flexible de
nombreux secteurs de l’activité humaine réputés jusqu’à très récemment comme ne pouvant
12
CHAPITRE I
GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS
se passer de la présence de l’homme, et l’objet est le robot, sorte de machine universelle dont
l’homme rêve depuis toujours pour le remplacer dans les tâches difficiles.
I.3. L'histoire de la robotique industrielle
La robotique industrielle a connu un essore entre 1950-1970. Elle a vu le jour en 1954
lorsque Georges DEVOL a pu réaliser son brevet sur la robotique. Dans ce brevet Devol a
conçu un robot qu’il a intitulé Unimate.
En 1961, le premier Unimate fut utilisé dans les usines de GENERAL MOTORS.
En 1966 , l’entreprise Unimation continue de développer des robots et élaborent notamment
des robots permettant de faire d’autres tâches, comme des robots de manipulation matérielle
ou encore des robots conçus pour la soudure ou pour d’autres applications de ce genre.
En 1978 un nouveau robot est conçu par Unimation Inc avec l’aide de General Motors.
Ensemble ils conçurent le robot PUMA 500. Le robot PUMA (Programmable Universal
Machine for Assembly) a été conçu par Vic Schienman et fut financé par General Motors et
par The Massachussets Institute of Technology au milieu des années 70. Le système de ce
robot est composé d’un bras manipulateur permettant d’assembler des composants industriels
et de son ordinateur de commande. Ce robot est le robot d’assemblage le plus rependu dans
l’industrie des années 70.
Figure I.1. Robotique industrielle (unimate, puma)
13
CHAPITRE I
GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS
En 1985, Reymond Clavel a imaginé le Robot Delta qui possède un bras de
manipulation formé de 3 parallélogrammes. Son brevet tombe dans le domaine public en 2007
et différents constructeurs devraient alors sortir leur propre robot delta.
Le Jet Propulsion Laboratory (JPL) développe un robot industriel hexapode (à 6
pattes) du nom de Lemur. Lemur aura pour mission de monter, assembler et réparer des
installations spatiales. Pesant moins de 5 kg, il offre la possibilité innovante d’adapter
différents outils sur chacun de ses membres.
Selon l’étude robotique de la Fédération Internationale de Robotique (IFR) en 2012, il y a au
moins 1 153 000 robots industriels opérationnels fin 2011 dans le monde.
Avec l’apparition de la robotique industrielle, les robots étaient conçus pour remplacer
les ouvriers dans les tâches pénibles, répétitives ou dangereuses (peinture, soudure…).
Aujourd’hui avec le développement de l’électronique, de l’informatique, de la mécanique et
aussi de l’automatique, la technologie robotique a progressé. La recherche dans le domaine de
la robotique est dirigée vers le développement de robots dévoués à des tâches bien différentes
que celles demandées par l’industrie. Par exemple des robots travaillant en mode automatique
ou semi-automatique et qui ont souvent pour objectif d’interagir avec des humains et de les
aider dans leurs tâches (surveillance, manutention d’objets lourds…). Ils sont dotés d’une
intelligence qui leur donne une certaine autonomie.
Ainsi donc, le développement important de l’intelligence artificielle et de la robotique
font que de nouveaux robots apparaissent constamment et l’utilisation de systèmes robotiques
apparait aujourd’hui dans plusieurs domaines d’activité : la médecine, la défense, la recherche
etc.…
I.4. Types de robots
Il existe deux types de robots : robots mobiles et robots manipulateurs.
I.4.1. Robots mobiles
Ce sont des robots capables de se déplacer dans un environnement comme le montre la
figure I.2. Ils sont équipés ou non de manipulateurs suivant leur utilisation, (les robots
explorateurs, les robots de services….).
14
CHAPITRE I
GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS
Figure I.2: Spirit, NASA,2003 sur Mars
I.4.2. Robots manipulateurs
Des robots ancrés physiquement à leur place de travail et généralement mis en place
pour réaliser une tâche précise répétitive, (tels que les robots industriels, médicaux….).
Figure I.3: Robot fanuc
I.5. Les éléments constitutifs d'un robot
Dans un robot en fonctionnement, on peut distinguer plusieurs ensembles interactifs
(figure I.4).
15
CHAPITRE I
GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS
Figure I.4. Structure fonctionnelle d’un robot.
I.5.1. Unité opérationnelle
Exerce les actions commandées en empruntant la puissance nécessaire à la source
d’énergie. Cette partie, qui constitue le robot physique, intègre la structure mécanique
(segments, articulations, architecture,…), les modules d’énergie (amplificateurs, variateurs,
servovalves....), les convertisseurs d’énergie (moteurs, vérins….), les chaines cinématiques de
transmission mécanique ( réducteurs, vis à billes, courroies crantées ….), les capteurs de
proprioceptifs placés sur chaque axe pour mesurer en permanence leur position et leur vitesse,
et enfin l’effecteur, ou organe terminal, qui est en interaction avec l’environnement .[3]
I.5.2. Unité informationnelle
Reçoit les instructions décrivant la tâche à accomplir, les mesures relatives à l’état
interne de la structure mécanique qui constitue le bras manipulateur et les observations
concernant son environnement. Elle élabore en conséquence les commandes de ses différentes
articulations en vue de l’exécution de ses tâches. Les systèmes actuels fonctionnent en
interaction permanente selon le cycle information-décision-action. [4]
I.6. Structure mécanique articulée
Un robot manipulateur est constitué généralement par deux sous-ensembles distincts :
un organe terminal qui est le dispositif destiné à manipuler des objets, et une structure
mécanique articulée (SMA), constituée d’un ensemble de solides reliés entre eux,
16
CHAPITRE I
GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS
généralement les uns à la suite des autres où chaque solide est mobile par rapport au
précédent. Cette mobilité s’exprime en termes de degrés de liberté (d.d.l) qui est par définition
le nombre de mouvements indépendants possibles d’un solide par rapport au solide qui lui est
directement relié .
Une structure mécanique articulée peut être représentée par une architecture composée
de plusieurs chaînes de corps rigides assemblés par des liaisons appelées articulations. Les
chaînes peuvent être dites soit ouvertes ou en série dans les quelles tous les corps ont au plus
deux liaisons, ou bien arborescentes où au moins l’un des corps a plus de deux liaisons. Les
chaînes peuvent aussi être fermées dans les quelles l’organe terminal est relié à la base du
mécanisme par l’intermédiaire de plusieurs chaînes. [3]
I.6.1. Structure mécanique articulée à chaîne cinématique simple
C’est une chaîne cinématique dont chaque membre possède un degré de connexion
(nombre de liaisons mécaniques) inférieur ou égal à deux. Un robot sériel est formé d’une
chaîne cinématique simple dont la base et l’organe effecteur possèdent un degré de connexion
de un (c’est-à-dire qu’il n’est relié qu’à un seul corps) et les autres éléments un degré de
connexion de deux.
Figure I.5. Structure sériel.
I.6.2. Structure mécanique articulée à chaîne cinématique fermée
C’est une chaîne cinématique qu’il existe un retour mécanique d’un ou plusieurs
segments à un autre dans la chaine.
17
CHAPITRE I
GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS
Figure I.6. Structure fermée.
I.7. Architecture des robots
Figure I.7. Architecture d’un robot.

La base :
La base du manipulateur est fixée sur le lieu du travail. Ceci est le cas de la quasi-
totalité des robots industriels.

Le porteur :
Le porteur représente l’essentiel du système mécanique articulé (segment, articulation,
actionneur, l’organe terminal), il a pour rôle d’amener l’organe terminal dans une situation
donnée imposée par la tâche. Il est constitué de :
 Segment : corps solides rigides susceptibles d’être en mouvement par rapport à la base du
porteur, et les uns par rapport aux autres,
18
CHAPITRE I
GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS
 Articulation : Une articulation lie deux corps successifs en limitant le nombre de degré de
liberté, de l'un par rapport à l'autre.
 Articulation rotoïde : Il s'agit d'une articulation de type pivot, notée R, réduisant le
mouvement entre deux corps à une rotation autour d'un axe commun. La situation relative
entre les deux corps est donnée par l'angle autour de cet axe (Voir la figure ci-dessus)
Figure I.8. Représentation d’une articulation rotoïde.
 Articulation prismatique :
Il s'agit d'une articulation de type glissière, notée P, réduisant le mouvement entre
deux corps à une translation le long d'un axe commun. La situation relative entre les deux
corps est mesurée par la distance le long de cet axe (voir la figure si dessus).
Figure I.9. Représentation d’une articulation prismatique.

L’actionneur :
Pour être animé, la structure mécanique articulée comporte des moteurs le plus
souvent associés à des transmissions (courroies crantées), l'ensemble constitue les
actionneurs. Les actionneurs utilisent fréquemment des moteurs électriques à aimant
19
CHAPITRE I
GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS
permanent, à courant continu, à commande par l’induit. On trouve de plus en plus de moteurs
à commutation électronique (sans balais), ou, pour de petits robots, des moteurs pas à pas.
Pour les robots devant manipuler de très lourdes charges (par exemple, une pelle
mécanique), les actionneurs sont le plus souvent hydrauliques, agissant en translation (vérin
hydraulique) ou en rotation (moteur hydraulique). (Les actionneurs pneumatiques sont d'un
usage général pour les manipulateurs à cycles (robots tout ou rien). Un manipulateur à cycles
est une structure mécanique articulée avec un nombre limité de degrés de liberté permettant
une succession de mouvements contrôlés uniquement par des capteurs de fin de course
réglables manuellement à la course désirée (asservissement en position difficile dû à la
compressibilité de l'air). [3]

L’organe terminal :
On regroupe tout dispositif destiné à manipuler des objets (dispositifs de serrage,
dispositifs magnétiques, à dépression, …), ou à les transformer (outils, torche de soudage,
pistolet de peinture, …). En d'autres termes, il s'agit d'une interface permettant au robot
d'interagir avec son environnement. Un organe terminal peut être multifonctionnel, au sens où
il peut être équipé de plusieurs dispositifs ayant des fonctionnalités différentes. Il peut aussi
être monofonctionnel, mais interchangeable. Un robot, enfin, peut-être multi-bras, chacun des
bras portant un organe terminal différent. On utilisera indifféremment le terme organe
terminal, préhenseur, outil ou effecteur pour nommer le dispositif d'interaction fixé à
l'extrémité mobile de la structure mécanique, exemple : pistolet pour la soudure dans les
robots industriels. [3]
I.8. Classification des robots
On peut classer les robots d’un point de vue fonctionnel ou d’après leur structure
géométrique.
I.8.1. Classification fonctionnelle
Le nombre de classe et les distinctions entre celles-ci varient de pays à pays (6 classes
au Japon, 4 en France). L’A.F.R.I. distingue 4 classes illustrées ci-dessous :
20
CHAPITRE I
GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS
I.8.1.1. Manipulateur à commande manuelle :
La Figure I.10 représente les manipulateurs à commande manuelle :
Figure I.10. Manipulateur à commande manuelle
I.8.1.2. Manipulateur automatique
La figure montre un bras manipulateur qui exerce des mouvements de soudure sans
l’intervention de l’homme.
Figure I.11. Manipulateur à cycle préréglé
21
CHAPITRE I
GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS
I.8.1.3. Robots programmables
. Ils répètent les mouvements qu’on leur a appris ou programmés sans informations sur
l’environnement ou la tâche effectuée. On peut aussi faire la distinction entre robots « playback » qui reproduisent la tâche apprise et robots à commande numérique qui peuvent être
programmés hors-ligne.
Pour certains robots, par exemple les robots de peinture, qui doivent suivre une
trajectoire complexe qu’il est difficile d’exprimer mathématiquement, un opérateur humain
spécialiste de la tâche effectue la trajectoire en guidant le bras du robot à l’aide d’un « pantin
», et l’entièreté de la trajectoire est mémorisée par le robot et la figure I.12 représente les
robots programmables. [4]
Figure I.12: Robot programmable
I.8.1.4. Robots intelligents
On trouve actuellement des robots de seconde génération qui sont capables d’acquérir
et d’utiliser certaines informations sur leur environnement (systèmes de vision, détecteurs de
proximité, capteurs d’efforts,...) comme le montre la Figure I.13. Les robots de troisième
génération sont capables de comprendre un langage oral proche du langage naturel et de se
débrouiller de façon autonome dans un environnement complexe grâce à l’utilisation de
l’intelligence artificielle. [4]
22
CHAPITRE I
GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS
Figure I.13. Robot intelligent
I.8.2. Classification géométrique
On peut aussi classer les robots suivant leur configuration géométrique, autrement dit
l’architecture de leur porteur.

La structure cartésienne (PPP) :
C’est une structure à trois liaisons prismatiques et est la plus ancienne.
Historiquement, elle découle logiquement de la conception traditionnelle d’une machine-outil
à trois axes, type rectifieuse ou fraiseuse par exemple. Cette structure est relativement peu
utilisée sauf dans quelques applications particulières telles que robots pratiques, robots de
magasinage.[3]
Figure I.14. Robot cartésien
23
CHAPITRE I

GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS
La structure cylindrique (RPP) ou (PRP) :
Cette structure associe une rotation et deux translations. Elle présente l’inconvénient
d’offrir un volume de travail faible devant un encombrement total important. Elle n’est
pratiquement plus utilisée. [3]
Figure I.15. Robot cylindrique

La structure sphérique ou polaire
C’est une structure quasiment abandonnée pour des raisons similaires à l’abandon de
la structure cylindrique.
Figure I.16. Robot sphérique

La structure dite SCARA :
A axes de rotation parallèles, elle est l’une des plus utilisées en particulier pour des
tâches de manutention ou d’assemblages très fréquents dans l’industrie. Ce succès
commercial est lié au fait que le ratio entre le volume de travail et l’encombrement est très
favorable et aussi au fait que la structure SCARA est très adaptée à ce type de tâches. [3]
24
CHAPITRE I
GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS
Figure I. 17. Robot SCARA

La structure 3R (anthropomorphe) :
Elle permet d’amener un solide en un point de l’espace par trois rotations,
généralement une à axe vertical et deux à axes horizontaux et parallèles. C’est le porteur «
généraliste par excellence pouvant se programmer facilement pour différents types de tâches
et disposant d’un volume de travail conséquent. [3]
Figure I.18. Robot 3R
I.9. Domaines d'applications
Les robots industriels peuvent être utilisés dans plusieurs domaines et peuvent
accomplir différentes tâches.
-
Tâches simples
La grande majorité des robots est utilisée pour des tâches simples et répétitives. Ils
sont programmés une fois pour toute au cours de la procédure d'apprentissage. Les critères de
choix de la solution robotique sont:
25

La tâche est assez simple pour être robotisée.

Les critères de qualité sur la tâche sont importants.

Pénibilités de la tâche (peinture, charge lourde, environnement hostile, ...).
CHAPITRE I
GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS
Exemples de robots utilisés pour des tâches simples : robots soudeurs par points et
robots soudeurs à l'arc.
-
Tâches complexes
Exemples :

Robotique de service :
-
Robot pompiste
-
Robot de construction
-
Robot Computer motion
-
Robot Assistance aux personnes Handicapées
I.10. Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons donner une idée générale sur la robotique, l’historique des
robots, leurs structures, leurs utilisations et les différents types de robots ainsi que leurs
classifications et leurs domaines d'applications et cela va nous servir pour la construction de
notre bras manipulateur qui va respecter les classifications et les définitions donner dans ce
chapitre .
26
CHAPITRE II
SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION
Chapitre II
Système de commande et de traitement de l'information
II.1. Introduction
Tout système automatisé est composé d’une installation (machine) et d’une partie
commande constituée par l’appareillage d’automatisme. Cette dernière partie synthétise les
consignes des asservissements pilotant les actionneurs à partir de la fonction de perception et
des ordres de l'utilisateur. Elle est assurée par des constituants répondant à quatre fonctions
de base : l’acquisition des données, le traitement des données, la commande de puissance et le
dialogue homme machine.
Dans ce chapitre nous allons présenter l'Automate Programmable Industrie (API) MODICON
M340, qui est utilisé dans notre projet puis on va présenter les Interfaces Homme Machine
(IHM) type MAGELIS (écran tactile) ainsi que leurs logiciels de programmations.
II.2. Définition d'un automate programmable
D'après la norme DIN 19237, un automate programmable est un « appareil
électronique programmable par un utilisateur automaticien (non informaticien) et destiné à
piloter en environnement logiques séquentiels ou combinatoires." On les appelle aussi
"Programmable Logic Controller P.L.C." ou "Programmable Controller PC".
On appelle Automate Programmable Industriel ou API un automate programmable à
usage industriel. De nos jours les termes "automate programmable" et "automate
programmable industriel" désignent le même appareil par abus de langage. [5].
II.3. Structure fonctionnelle de l'automate
L’automate programmable industriel est un appareil qui traite les informations selon
un programme préétabli. Son fonctionnement est basé sur l’emploi d’un microprocesseur et de
mémoires. (Voir figure II.1)
27
CHAPITRE II
SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION
Figure II.1: structure d’un système de traitement
II.3.1. Interface d'entrée
Elle permet d’isoler électroniquement le circuit externe (saisie de l’information) du
circuit de traitement.
II.3.2. L'unité centrale
Cœur de l’automate, elle est constituée:
-
D’un processeur qui exécute le programme
-
Des mémoires qui, non seulement contiennent ce programme, mais aussi des
informations de données (durée d’une temporisation, contenu d’un compteur).
II.3.3. Interface de sortie
Elle permet de commander les sorties toute ou rien (TOR) telle que : les contacteurs,
les moteurs pas à pas, les électrovannes et ainsi des sorties analogiques (boucle de régulation
débit température et variateur de vitesse.)
II.3.4. Communication et dialogue
Elle est réalisée avec l’opérateur par un pupitre de dialogue ou par l’intermédiaire d’un
ordinateur et avec les autres automates pour un réseau informatique local.
28
CHAPITRE II
SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION
II.4. Types d'automates
Il existe deux types d’automate programmable industriel:
-
le type monobloc
-
le type modulaire
II.4.1. Automate Monobloc
Le type monobloc possède généralement un nombre d’entrées et de sorties restreint et
son jeu d’instructions ne peut être augmenté. Bien qu’il soit parfois possible d’ajouter des
extensions d’entrées/sorties, le type monobloc a pour fonction de résoudre des automatismes
simples faisant appel à une logique séquentielle et utilisant des informations tout-ou-rien.
(Figure II.2) [6]
Figure II.2: Automate monobloc TSX Nano
II.4.2. Automate Modulaire
Par ailleurs, le type modulaire est adaptable à toutes situations. Selon le besoin, des
modules d’entrées/sorties analogiques sont disponibles en plus de modules spécialisés tels:
PID, BASIC et Langage C, etc. La modularité des API permet un dépannage rapide et une
plus grande flexibilité. La figure II.3 présente un automate modulaire.[6]
29
CHAPITRE II
SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION
Figure II.3: API modulaire
II.5. Plate forme d'automatisme MODICON M340
Cette figure nous montre l’automate MODICON M340 qu’on a utilisé dans notre travail.
Figure II.4: MODICON M340
30
CHAPITRE II
SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION
II.5.1. Modules processeur
II.5.1.1. Présentation
Les processeurs Standard BMX P34 1000 et Performance BMX P34 2**** de la
plate-forme d’automatisme Modicon M340 gèrent les stations automate monorack ou
multirack, dont les emplacements peuvent être équipés de :
-
Modules d’entrées/sorties “Tout ou Rien”,
-
Modules d’entrées/sorties analogiques,
-
Modules de communication : réseau Ethernet MODBUS/TCP, bus capteurs/
actionneurs AS-Interface et RTU (Remote Terminal Unit),
-
Modules métiers : comptage, commande d’axe et liaison série.
II.5.1.2. Description
Description des processeurs avec port Ethernet MODBUS/TCP intégré BMX P34
2020/20302 :
Figure II.5:a) BMX P34 2020
Figure II.5:b) BMX P34 20102/20302
Les processeurs Performance BMX P34 2020/20302 simple format comprennent en
face avant :
1. Vis de sécurité pour verrouillage du module dans son emplacement (repère 0) du rack.
2. Un bloc de visualisation comprenant, selon modèle 8 ou 10 voyants.
31
CHAPITRE II
SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION
3. Un connecteur type USB mini B pour le raccordement d’un terminal de
programmation (ou d’un terminal de dialogue IHM MAGELIS XBT GT/GK/GTW,
HMI GTW et HMI STU/STO.
4. Un emplacement équipé de sa carte mémoire Flash pour la sauvegarde de
l’application. Un voyant, situé au dessus de cet emplacement indique la
reconnaissance ou l’accès à la carte mémoire.
5. Un connecteur type RJ45 pour le raccordement au réseau Ethernet MODBUS /TCP
10BASE-T/100BASE-TX.
Avec en plus, selon modèle :
6. Processeur BMX P 34 2020 : un connecteur type RJ45 pour liaison série MODBUS ou
liaison Mode Caractères (RS 232C/RS 485, 2 fils, non isolée),
7. Processeur BMX P 34 20302 : un connecteur type SUB-D 9 contacts pour bus maître
CAN open intégré.
En face arrière : 2 commutateurs rotatifs pour la sélection de la méthode d’attribution de
l’adresse IP du module. [7]
II.5.2. Modules alimentation
II.5.2.1. Présentation
Les modules alimentation BMX CPS sont destinés à l’alimentation de chaque rack
MODICON M340 BMX XBP..00 et de ses modules installés.
L’offre de modules d’alimentation MMODICON M340 comprend :
 Trois modules alimentation pour réseau à courant continu :
- Module alimentation
24 V isolée BMX CPS 2010,
- Module alimentation
24...48 V isolées BMX CPS 3020,
- Module alimentation
125 V BMX CPS 3540T (température de fonctionnement
étendue -25° à +70°C),
 Deux modules alimentation pour réseau à courant alternatif :
- Module alimentation
100...240 V, 20 W BMX CPS 2000.
- Module alimentation
100...240 V, 36 W BMX CPS 3500.
32
CHAPITRE II
SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION
Figure II.6: BMX CPS 2000 2000 / 3500
II.5.2.2. Description
Le module alimentation est choisi en fonction :
Du réseau d’alimentation électrique :
24 V,
48 V, 125 V ou
100 ... 240 V,
Les modules alimentation BMX CPS **** disposent en face avant de :
1. Un bloc de visualisation comprenant :
-
Un voyant OK (vert), allumé si les tensions racks sont présentes et correctes,
-
Un voyant
24 V (vert), allumé lorsque la tension capteur est présente
(uniquement avec les modules alimentation courant alternatif BMX CPS
2000/3500/3540T).
2. Un bouton-poussoir RESET à pointe de crayon provoquant une reprise à froid de
l’application.
3. Un connecteur 2 contacts recevant un bornier débrochable (à vis à cage ou à ressort)
pour le raccordement du relais alarme.
4. Un connecteur 5 contacts recevant un bornier débrochable (à vis à cage ou à ressort)
pour le raccordement :
-
Du réseau d’alimentation
-
De la terre de protection,
-
De la tension
ou
,
24 V dédiée à l’alimentation des capteurs d’entrées (uniquement
avec modules alimentation courant alternatif BMX CPS 2000/3500/3540T).[7]
33
CHAPITRE II
SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION
II.5.3. Modules d'entrées/ sorties "Tout ou Rien"
II.5.3.1. Présentation
Les modules d’entrées/sorties “Tout ou Rien” (TOR) de l’offre MODICON M340 sont
des modules standard occupant un seul emplacement sur le rack. Ces modules sont équipés
soit :
-
D’un connecteur pour bornier débrochable 20 contacts à vis ou à ressort,
-
D’un ou deux connecteurs 40 contacts.
Cette large gamme d’entrées/sorties “Tout ou Rien” permet de répondre aux besoins
rencontrés au niveau :
-
Fonctionnel, entrées/sorties continues ou alternatives, logique positive ou Négative,
-
Modularité, 8, 16, 32 ou 64 voies par modules.
Les entrées reçoivent les signaux en provenance des capteurs et réalisent les fonctions
suivantes :
-
Acquisition,
-
Adaptation,
-
Isolement galvanique,
-
Filtrage,
-
Protection contre les signaux parasites.
Les sorties mémorisent les ordres donnés par le processeur et réalisent la commande
des pré actionneurs au travers de circuits de découplage et d’amplification.[7]
II.5.3.2. Description
Les modules d’entrées/sorties “Tout ou Rien” BMX D*I/D*O/DRA sont au format
standard (1 emplacement). Ils se présentent sous la forme d’un boîtier assurant une protection
IP 20 de toute la partie électronique et se verrouillant sur chaque emplacement par une vis
imperdable.
 Modules d’E/S à raccordement par bornier débrochable 20 contacts :
34
CHAPITRE II
SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION
Figure II.7: Module à raccordement par bornier débrochable 20 contacts
1. Corps rigide assurant les fonctions de support et de protection de la carte électronique.
2. Marquage de la référence du module (une étiquette est également visible sur le côté
droit du module).
3. Bloc de visualisation d’état des voies.
4. Connecteur recevant le bornier débrochable 20 contacts, pour le raccordement des
capteurs ou des préactionneurs.
5. Un bornier débrochable 20 contacts BMX FTB 20p0 (étiquette de repérage fournie
avec chaque module d’E/S) ou un cordon prééquipé avec bornier débrochable 20
contacts et extrémité fils libres.[7]
II.6. Interface Homme/ Machine
 Magelis XBT GT à écran 10.4

Advanced Panels Standard MAGELIS Multifonction XBT GT5230, XBT GT5330 et
XBT GT 5430 :
Ils comportent en face avant :
35
CHAPITRE II
SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION
Figure II.8: Face avant de magelis GT5230, XBT GT5330 et XBT GT 5430
1. Un écran tactile d’affichage de synoptiques (10,4” couleur STN ou 10,4” couleur TFT,
selon modèle).
2. Un voyant multi-couleur (vert, orange et rouge) indiquant le mode de fonctionnement
du terminal.
 Et en face arrière :
Figure II.9. Et en face arrière MAGELIS GT5230, XBT GT5330 et XBT GT 5430
1. Un bornier à vis débrochable pour alimentation
24 V.
2. Un emplacement pour carte mémoire Compact Flash, avec cache pivotant.
3. Un connecteur débrochable d’entrées /sorties, 12 bornes à ressort pour connexion
haut-parleur, une entrée (RAZ) et 3 sorties (alarme, Butzer, marche).
4. Une interface d’unité d’extension pour carte de communication bus de terrain (Device
Net, Profi bus DP).
5. Un connecteur type RJ45 pour liaison Ethernet TCP/IP, 10BASE-T /100BASE-TX
avec une LED d’activité.
36
CHAPITRE II
SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION
6. Deux connecteurs USB type A maître pour connexion de périphérique, transfert
d’application et communication prise terminal MODICON M340.
7. Un connecteur type RJ45 pour liaison série RS 485 (COM2) avec commutateur pour
polarisation de la liaison utilisé en MODBUS.
8. Un connecteur mâle type SUB-D 9 contacts pour liaison série RS 232C ou RS
422/485 vers automates (COM1).

Sur XBT GT5340 uniquement :
9. Un connecteur type mini-jack pour connexion d’un microphone.
10. Un connecteur type RCA pour connexion d’une caméra numérique ou analogique
vidéo (codage NTSC/PAL). [8]
II.7. Programmation et Supervision
II.7.1. Logiciel Unity Pro
II.7.1.1. Présentation
Unity Pro est le logiciel commun de programmation, mise au point et exploitation des
gammes d’automates MODICON M340, Premium et Quantum.
Unity Pro est un logiciel multitâche qui offre les fonctionnalités suivantes:
 Logiciel “tout en un”.
 5 langages de programmation IEC 61131-3.
 Librairie de blocs fonctions intégrée et personnalisable.
 Simulateur automate sur PC pour valider votre programme avant installation.
 Tests integers (Built-in test) ET diagnostic.
 Large gamme de services en ligne.
II.7.1.2. Les cinq langages IEC
Les cinq langages de type graphiques ou textuels du logiciel Unity Pro permettent la
programmation des plates-formes d’automatismes MODICON M340, Atrium, Premium et
Quantum.
37
CHAPITRE II
SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION
Les 3 langages graphiques sont :
-
Langage à contacts (LD).
-
Langage blocs fonctionnels (FBD).
-
Langage diagramme fonctionnel en séquence (SFC) ou Graf cet.
Les 2 langages textuels sont :
-
Langage littéral structuré (ST).
-
Langage liste d’instructions (IL).
II.7.2. Vijeo Designer
II.7.2.1. Présentation
Vijeo Designer est le logiciel de configuration pour les IHM Magelis : Vijeo Designer
Lite pour les afficheurs compacts et Vijeo Designer pour les terminaux graphiques et PC
industriels.
Vijeo-Designer permet de configurer rapidement des connexions à plusieurs
équipements. Il prend également en charge une large gamme de pilotes d'équipement que
vous pouvez utiliser pour transmettre des données sans aucune programmation.
Figure II.10: Connectez plusieurs automates à un écran de contrôle
38
CHAPITRE II
SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION
II.7.2.2. Communications :
Pour communiquer avec des équipements, des variateurs et d'autres équipements,
connectez-les au port série (RS-232C/RS-422), au port Ethernet ou au module/à la carte de
communication de la machine cible, puis ajoutez un pilote. Vijeo-Designer utilise des pilotes
pour activer les communications avec l'équipement. Cela évite de créer des programmes de
communication complexes.
Figure II.11: La communication entre l’IHM et l’automate
II.7.3. supervision :
 Domaines d'application :
 Le pilotage de grandes installations industrielles automatisées:
-
métallurgie (laminoir) production pétrolière (distillation),
-
production et stockage agroalimentaire (lait, céréales...)
-
production manufacturière (automobile, biens de consommation...)
 Le pilotage d'installations réparties:
-
alimentation en eau potable,
-
traitement des eaux usées,
-
gestion des flux hydrauliques (canaux, rivières, barrages...)
-
gestion de tunnels (ventilation, sécurité)
 La gestion technique de bâtiments et gestion technique centralisée (GTC):
-
gestion des moyens de chauffage et d'éclairage (économies d'énergie)
-
gestion des alarmes incendies
-
contrôle d'accès, gestion des alarmes intrusion.
39
CHAPITRE II
SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION
II.8. Conclusion :
Dans ce chapitre nous avons expliqué l’outil de commande de notre bras manipulateur
(l’automate Schneider M340) et ses différents modules utilisés dans la partie pratique ainsi
que les langages de programmation. Comme on a expliqué aussi les logiciels qui pilotent
l’automate et IHM et la communication entre eux.
40
CHAPITRE III
ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
Chapitre III
Actionneurs en Robotique
III.1. Introduction
Les performances des robots dépendent fortement de celles des actionneurs, des
chaînes cinématiques associées, et de système sensoriel associe, qui ont, de ce fait une
importance primordiale. Les capteurs constituent la source des données qui permettent
l’élaboration des commandes pilotant le robot, pour exercer les actions matérielles désirées
sur l’environnement.
Ce chapitre a pour objectif d’étudier les actionneurs pas à pas et les moteurs à courant
continu ainsi que la réalisation et l’application d’une carte de commande.
III.2. Généralités sur les moteurs pas à pas
III.2.1. Structure d'un actionneur pas à pas
Le moteur pas à pas est un moteur qui tourne en fonction des impulsions électriques
reçues dans ses bobinages. L'angle de rotation minimal entre deux modifications des
impulsions électriques s'appelle un pas. On caractérise un moteur par le nombre de pas par
tour (c'est à dire pour 360°). Les valeurs courantes sont 48, 100 ou 200 pas par tour. Analyse
d'un moteur théorique composé d'un aimant permanent (boussole) et de 2 bobinages
constitués chacun de 2 bobines. Le passage d'un courant, successivement dans chaque
bobinage, fait tourner l'aimant. [9]
Figure III.1. Structure d’un Moteur pas à pas
41
CHAPITRE III
ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
III.2.2. Principe de fonctionnement d'un moteur pas à pas
Comme le montre l'animation, une rotation s'effectue en quatre étapes, reprises dans ce
qui suit. La flèche noire représente l'aiguille d'une boussole qui serait disposée en place et lieu
du rotor ; elle indique l'orientation du champ magnétique (elle pointe vers le nord, qui attire
donc le pôle Sud du rotor) et se décale alors d'un quart de tour à chaque étape :
Etape 1, position 1 :
 Premier bobinage (stator bleu) :
- Phase 1 (inter gauche) non alimentée.
- Phase 2 (inter droit) alimentée.
 Second bobinage (stator vert) :
- Phase 1 (inter gauche) alimentée.
- Phase 2 (inter droit) non alimentée.
Figure III.2. Position1 des bobines
Etape 2, position 2 :
 Premier bobinage :
- Phase 1 alimentée.
- Phase 2 non alimentée
 Second bobinage :
- Phase 1 alimentée.
- Phase 2 non alimentée.
Figure III.3. Position 2 des bobines
Etape 3, position 3 :
 Premier bobinage :
- Phase 1 alimentée.
- Phase 2 non alimentée.
 Second bobinage :
- Phase 1 non alimentée.
- Phase 2 alimentée.
Figure III.4. Position 3 des bobines
42
CHAPITRE III
ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
Etape 4, position 4 :
 Premier bobinage :
- Phase 1 non alimentée.
- Phase 2 alimentée.
 Second bobinage :
- Phase 1 non alimentée.
- Phase 2 alimentée.
Figure III.5. Position 4 des bobines
Les impulsions électriques sont du type tout ou rien c'est à dire passage de courant ou
pas de passage de courant. Les tensions d'utilisation des moteurs sont de 3,3V à 48V
continues. La consommation est de 0,2 A à 3 A..
Le moteur pas à pas et son circuit de commande permettent donc la rotation d'un axe
avec beaucoup de précision en vitesse et en amplitude. Un moteur pas à pas transforme une
impulsion électrique en énergie mécanique permettant le déplacement angulaire du rotor,
appelé «pas». [9]
Figure III.6. Principe de fonctionnement du moteur pas à pas
43
CHAPITRE III
ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
III.2.3. Principaux types des moteurs pas à pas
Ils existent trois types de moteurs pas à pas :
III.2.3.1. Moteur pas à pas à reluctance variable
Un moteur pas à pas à réluctance variable comporte un rotor à encoches non aimanté
se positionnant dans la direction de la plus faible réluctance. Le fonctionnement du moteur est
assuré par un pilotage du type unipolaire et l'avance du rotor est obtenue en excitant tour une
paire de pôles du stator.
III.2.3.2. Moteur pas à pas à aiment permanent
Les moteurs pas à pas à aimant permanent courant sont biphasés: ils sont constitués de
deux enroulements (deux bobines distinctes) sur le stator, tandis que le rotor est un aimant
permanent (un pôle nord et un pôle sud). Lorsqu'un enroulement est alimenté, il crée un
champ magnétique avec lequel l'aimant permanent va tenter de s'aligner (le sud attirant le
nord et vice/ versa).
En alimentant les enroulements successivement dans le bon ordre et dans le bon sens,
on peut alors faire tourner le rotor dans le sens désiré. Cette succession d'alignement est ce
qu'on appelle le pas. On distingue deux familles dans les moteurs pas à pas aimant permanent:

Les moteurs unipolaires: le courant circule dans un seul sens dans des demi-bobines,
attirant toujours le même pole.
Les moteurs bipolaires: le courant circule dans les deux sens dans des bobines, attirant
tantôt le NORD tantôt le SUD. [10]
III.2.3.3. Moteur pas à pas hybride
Pour tirer profit des avantages des moteurs pas à pas à aimants permanents et à
réluctance variable, on utilise des moteurs hybrides. La commande est similaire à un moteur
pas à pas à aimant permanent mais la constitution du rotor permet d'obtenir beaucoup plus de
pas.
44
CHAPITRE III
ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
III.2.3.4. La comparaison entre les différents types de moteurs pas
à pas
Le Tableau III.1 donne une comparaison entre les divers types de moteurs pas à pas.
Type de moteur pas
à pas
Résolution
(nb de pas par tour)
Couple moteur
Sens de rotation
Fréquence de travail
Puissance
Inconvénients
Moteur à
réluctance
variable
Bonne
Moteur à aimants
permanents
Faible
Dépend :
- de l’ordre
d’alimentation
des phases
Grande
Quelques Watts
Moteur hybride
Moyenne
Elevée
Elevée
Dépend :
- de l’ordre
d’alimentation
des phases
Faible
Quelques dizaines
de Watts
Elevée
Dépend :
- de l’ordre
d’alimentation des
phases
Grande
Quelques KWatts
Pas de mémoire
de position
Tableau III.1.Comparaison des performances pour les trois types de moteurs pas à pas
III.2.4. Modes d'alimentation d'un moteur pas à pas
C'est une structure de séquence d'alimentation d'un moteur pas à pas qui donne une
manière d'excitation des bobines statique. Pour bien diriger ce courant vers une telle bobine,
il faut qu'il reçoive des impulsions de courant d'alimentation pour faire tourner le moteur d'un
pas ou d'une fraction de pas.
On peut donc citer les modes d'excitation en cinq qui sont montrés dans le tableau III.2
Mode
d'alimentation
Mode -1-
45
Alimentation
Unipolaire
Alimentation
Bipolaire
Remarques
*Alimentation d'une seule
phase par un courant normal.
*I1,I2,I3,I4 sont des courants
de phase.
*I1 définit l'angle du pas.
CHAPITRE III
ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
Mode -2-
*Alimentation des deux phases
à la fois par un courant normal.
* (
2)√2.
(
1)
(
*Pas angulaire
2)
(
= pas angulaire
1)
*Alimentation des deux phases
à la fois par un courant normal.
*La précision est doublée car
le nombre de déplacement.
*Le couple moteur est
totalement diffère.
*Ce mode est la combinaison
des deux premiers modes.
*Alimentation d'une seule
phase par un courant normal.
*I1,I2,I3,I4 sont des courants
de phase.
*I1 définit l'angle du pas
Mode -3-
Mode -4-
Tableau III.2. Différant modes d'excitation
Mode -5- Ce mode est appelé ministepping, dont les positions d'équilibres intermédiaires dont
multipliées grâce à un réglage de courant de chaque phase.
III.2.5. Avantages et inconvénients des moteurs pas à pas
Les caractéristiques de ces moteurs sont particulièrement intéressantes,
Le Tableau III.3 Résume les avantages et les inconvénients de ces actionneurs :
Avantages
 Asservissement de position ou de
vitesse en boucle ouverte
 Fort couple a basse vitesse
 Simplicité de mise en œuvre
 Positionnement statique
 Fiabilité
 Faible prix
Inconvénients
 Positionnement discret
 Faible vitesse maximale
 Faible puissance
 Bruyant, source d'oscillations
 Faible rendement
Tableau III.3.les avantages et les inconvénients de moteur pas à pas
46
CHAPITRE III
ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
III.3. Etude de la carte de commande d'un moteur pas à pas bipolaire
III.3.1. Les circuits de commande des moteurs pas à pas
III.3.1.1. Le circuit intégré L297
Le L297 est un circuit qui contient toute le circuiterie de commande et de contrôle de
moteurs pas à pas unipolaire et bipolaire. Utilisé conjointement avec un driver double point tel
que le L298, l'ensemble forme une interface idéale pour le contrôle d'un moteur pas à pas
bipolaire par microprocesseur ou micro contrôleur. Il est possible de contrôler un moteur pas à
pas unipolaire avec un L297 en lui adjoignant quatre transistors Darlington ou mosfet.
Le circuit de commande de moteur pas à pas L297 est initialement prévu pour être
avec un driver L298 ou L293E. Il reçoit les signaux de contrôle en provenance d'un système à
base de microprocesseur et génère tous les signaux nécessaires pour l'étage de puissance. Ce
circuit inclue deux régulations à découpage type PWM (modulation de largeur d'impulsion)
pour réguler le courant des enroulements moteur. Avec un étage de puissance adapté le L297
commande un moteur pas à pas bipolaire à aimant permanent, un moteur unipolaire à quatre
phases à aimant permanent ou un moteur à reluctance variable à quatre phases. De plus il est
capable de gérer le mode demi pas et pas complet. Le L297A est une version spéciale pour le
positionnement des têtes de lecteur de disquette.[10]
Le circuit L297 est disponible en boîtier DIP plastique 20 pins. Il s'alimente en 5V et
les lignes d'entrées sont compatibles TTL, CMOS et s'interface aussi avec des transistors en
collecteur ouvert. La haute densité d'intégration du L297 est l'une des caractéristiques
technologique clé de ce circuit.
Figure III .7. Le circuit L297
47
CHAPITRE III

ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
constitution du L297
-
Le séquenceur
Le cœur du L297 est le block appelé "translator" sur le schéma-block. C'est lui qui
génère les séquences appropriées pour l'alimentation des phases en mode demi-pas, pas entier
une phase/Biphasé.
Figure III.8.brochage et structure interne du circuit L297
Ce block est contrôlé par deux entrées de mode - le mode (CW / CCW) et le mode pas
entier / demi-pas (HALF/FULL)- et l'entrée clock dont les impulsions d'horloge qu'on lui
applique font évoluer le séquenceur vers le prochain pas.
Quatre sorties sont fournies par le séquenceur et attaquent le block logique qui
contient les fonctions "inhib" et "chopper".
La structure interne du séquenceur consiste en un compteur 3 bits (plus une logique
combinatoire) qui génère les huit étapes de base (en code gray)[10]
III.3.1.2. Le circuit intégré L298N
Le contrôleur L297 a été conçu pour fonctionner avec le circuit L298N Driver de
puissance qui fournit le courant nécessaire au moteur pas à pas. Ce circuit peut fournir jusqu'à
4A sous 46V. Il est composé de logique combinatoire et de transistors de puissance qui
fonctionnent en bloqués-saturés. Il reçoit les signaux A, B, C et D des 4 phases (signaux
fournis par le L297) et fournit les mêmes signaux mais avec la tension et le courant nécessaire
au moteur pas à pas (5V et 1.9A).
48
CHAPITRE III
ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
Le principe de fonctionnement résulte immédiatement en regardant le schéma cidessous:
Figure III.9.brochage et structure interne du circuit L298

Schéma Interne du L298
Le L298 véhicule les courants continus drainés par les stators. La commande en
courant donne de bons résultats parce quelle permet d'appliquer aux moteurs pas à pas une
tension plus importante que celle admissible dans le cas d'une commande en tension. De plus,
avec ce type de commande les caractéristiques dynamiques du moteur (fréquence de
démarrage et taux de pas maximal) s'améliorent sensiblement. Lorsque les enroulements du
stator sont reliés à la tension d'alimentation, au début de chaque période, un oscillateur interne
positionne une bascule bistable. En raison de l'inductivité du stator, le courant de sortie
commencera par croître linéairement entraînant ainsi la présence d'une tension linéaire aux
bornes des résistances de détections de courant, Rsa et Rsb. Lorsque la tension mesurée atteint
la valeur de crête définie par l'utilisateur, Vréf, 2 comparateurs remettent les bistables à zéros,
provoquant la coupure du courant de stator.
Le seul inconvénient avec ce circuit de puissance c'est qu'il continent pas de protection
incorporé, donc il va falloir qu'on lui ajoute des diodes rapides entre le L298 et les bobines du
moteur, ces diodes la vont récupérer le courant et ainsi assurer la protection de notre étage de
puissance.[10]
49
CHAPITRE III
ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
III.3.1.3. NE555
Le NE555 (plus couramment nommé 555) est un circuit intégré utilisé pour la
temporisation ou en mode multivibrateur. Le NE555 a été créé en 1970 par TOUHA
DEGHBACH et commercialisé en 1971 par Signetics (maintenant NXP Semiconductors). Ce
composant est toujours utilisé de nos jours en raison de sa facilité d'utilisation, son faible coût
et sa stabilité. Un milliard d'unités sont fabriquées par an.[11]
Le NE555 contient 23 transistors, 2 diodes et 16 résistances qui forment 4 éléments :

deux amplificateurs opérationnels de type comparateur

une porte logique de type inverseur

et une bascule SET-RESET
Figure III.10. le circuit intégré NE555
On peut voir à partir du schéma bloc les différents composants du NE555,
Figure III.11. le schéma bloc simplifié du NE555
Le NE555 peut fonctionner selon trois modes : monostable, astable ou bistable.
50
CHAPITRE III

ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
fonctionnement monostable
L'utilisation du NE555 en configuration monostable permet de générer une impulsion
d'une durée définie seulement à l'aide d'une résistance et d'un condensateur comme illustrée
dans le schéma ci-contre. Une impulsion est engendrée suite à l'application d'un front
descendant à l'entrée du circuit (TRIG), le graphique ci-dessous présente les formes d'ondes
résultantes.
On trouve également le schéma du 555 en monostable redéclenchable, qui est à
l'identique excepté la pin 4 Reset reliée au trigger : à chaque impulsion d'entrée le timer est
réinitialisé même si l'impulsion précédente n'est pas terminée.[29]
Figure III.12. Diagramme schématique du NE555 en configuration monostable

fonctionnement astable
La configuration astable permet d'utiliser le NE555 comme oscillateur. Deux
résistances et un condensateur permettent de modifier la fréquence d'oscillations ainsi que
le rapport cyclique. L'arrangement des composants est tel que présenté par le schéma cicontre. Dans cette configuration, la bascule est réinitialisée automatiquement à chaque cycle
générant un train d'impulsion perpétuelle.
Une oscillation complète est effectuée lorsque le condensateur se charge de 1/3 de Vcc
jusqu'à 2/3 de Vcc. Lors de la charge, les résistances Ra et Rb sont en série avec le
condensateur, mais la décharge s'effectue à travers de Rb seulement. C'est de cette façon que
le rapport cyclique peut être modifié. La fréquence d'oscillations
cyclique
suivent les relations suivantes [10] :
=(
51
.
=1−(
[III.3]
)
)
[III.4]
ainsi que le rapport
CHAPITRE III
ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
Figure III.13. Diagramme schématique du NE555 en configuration astable
III.3.2. Génération du signal Clock
Pour la commande de notre moteur pas à pas, nous avant choisi d'attaquer le Clock du
L297 avec un signal carré généré à partir de NE555 en configuration astable.
Figure III.14. Circuit électrique qui généré le signal carré
Voici la liste des composants :

Un circuit intégré NE55

Deux Resistances de 1 K Ohms

Resistances de 500 K Ohms

Trois condensateurs 3n3
52
CHAPITRE III
ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
III.3.3. Schéma Structurel global de la carte de commande
Cette figure présente la structure globale de notre carte de commande :
Figure III.15. Schéma Structurel global de la carte de commande
III.3.4. Réalisation et application de la carte de commande
III.3.4.1. Le Typon
Avant d'entamer la première étape qui consiste en l'établissement du Typon de la carte.
Ce dernier est la base qui servira à imprimer les pistes et la localisation des composants sur la
carte électronique. Ce n'est qu'une fois que le Typon imprimé sur la carte qu'on pourra
commencer à installer les composants.
53
CHAPITRE III
ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
Figure III.16.La carte coté Pistes
III.3.4.2. Soudage
On commence à souder les borniers et les supports des circuits intégrés, ensuite on
installe les résistances, les condensateurs puis les diodes.
Voici la liste des composants dont nous avons eu besoin pour cette carte pour moteur pas à
pas:

Un circuit intégré L297+ support de 20 pattes

Un circuit intégré L298

Sept Resistances de 1 Ohms

Resistances de 22 K Ohms

Deux condensateurs 100nf

Un Condensateur 3.3 nf

Un Condensateur 470uf

Cinq Borniers 2 entrées/sortie

Un Bornier 2 entrées/sortie

Huit diod de type Fast Diod
54
CHAPITRE III
ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
Figure III.17.La carte coté composants
Cette carte du commande contient deux circuits intégré L297 et
L298 et des
composantes électronique comme des résistances et des condensateurs et des diodes.
-
L297 est un circuit qui contient toute la circuiterie de commande et de contrôle le
moteur pas a pas bipolaire.
-
L’alimentation de ce circuit est avec une tension de 5V.
-
Le connecteur qui est broncher au pin 18 de ce circuit et destiné au clock, ici qu’and
doit brancher notre signal qui est délivrer pas le NE555.
-
Et pour les connecteurs qui sont lier aux 17 et 19 pins, le premier son rôle de changer
le sens de rotation du moteur. (si on applique une tension de 5v il tourne dans un sens
et si une tension de 0V il tourne dans l’autre sens).Et pour le deuxième pin son rôle est
de faire tourner le moteur en pas entier ou en demis pas et pour le changement entre
les deux modes soit en applique une tension de 5V ou 0V.
L298 est un driver a double pont tel que l’ensemble forme interface idéal pour le
contrôle d’un moteur pas a pas, l’alimentation de ce circuit dépond de la puissance du moteur
elle varie entre (5V et 24V),comme le L298 n’assure pas la protection de notre moteur on
ajoute 8 diodes de type (fast diode) pour la protection.
55
CHAPITRE III
ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
III.4. Généralités sur les moteurs à courant continu
III.4.1. Définition d'un moteur à courant continu
Une machine à courant continu est une machine électrique. Il s'agit d'un convertisseur
électromécanique permettant la conversion bidirectionnelle d'énergie entre une installation
électrique parcourue par un courant continu et un dispositif mécanique ; selon la source
d'énergie

En fonctionnement moteur, l'énergie électrique est transformée en énergie mécanique.

En fonctionnement générateur, l'énergie mécanique est transformée en énergie
électrique (elle peut se comporter comme un frein). Dans ce cas elle est aussi appelée
dynamo.
Figure III.18. Moteur à courant continu
III.4.2. Les constituants d'un moteur à courant continu
Le moteur à courant continu est essentiellement composé de deux parties :
III.4.2.1. Circuit inducteur (Stator)
C'est la partie fixe, il est constitué d’un aimant permanent pour les moteurs de faible
puissance, dans ce cas le champ magnétique est constant. Pour les moteurs puissants, il est
formé d'un bobinage parcouru par un courant. Ce bobinage créant un champ magnétique
= ( ).
[III.5]

Les aimants ou bobines permettent la création d’un champ magnétique B de direction
fixe sous les pôles de la machine.[12]
56
CHAPITRE III
ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
III.4.2.2. Circuit induit (Rotor)
Il est constitué de plusieurs enroulements répartis pour former un cylindre. Ce dernier
est porté par l'armature du rotor, et crée des forces électromagnétiques.
Le rotor est constitué d'un cylindre, des collecteurs et des balais.

Le cylindre :
Il est réalisé en matériaux ferromagnétiques à partir des tôles découpées, isolées entre
elles et assemblées pour limiter les pertes par les courants de FOUCAULT.

Le collecteur :
Il est formé d’un ensemble de lames de cuivre isolées latéralement entre elles par du
Mica, et disposées suivant un cylindre en bout de rotor, sur la surface cylindrique du
collecteur frottent les balais qui sont connectés aux bornes de l'induit. Le collecteur réalise
l'opération de "redressement" ou encore de "commutation ".[12]

Les balais :
Ils sont fabriqués en charbon, et fixés sur une pièce appelée porte balais. Portés par le
stator, ils frottent sur les lames du collecteur.
Figure III.19. Constituant d’un moteur à courant continu
57
CHAPITRE III
ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
III.4.3. Principe de fonctionnement des moteurs à courant continu
Le moteur à courant continu se compose :

de l'inducteur ou du stator,

de l'induit ou du rotor,

du collecteur et des balais.
Lorsque le bobinage d'un inducteur de moteur est alimenté par un courant continu, sur
le même principe qu'un moteur à aimant permanent (comme la figure ci-dessous), il crée un
champ magnétique (flux d'excitation) de direction Nord-Sud.
Une spire capable de tourner sur un axe de rotation est placée dans le champ magnétique. De
plus, les deux conducteurs formant la spire sont chacun raccordés électriquement à un demi
collecteur et alimentés en courant continu via deux balais frotteur.
D'après la loi de Laplace (tout conducteur parcouru par un courant et placé dans un
champ magnétique est soumis à une force), les conducteurs de l'induit placés de part et d'autre
de l'axe des balais (ligne neutre) sont soumis à des forces F égales mais de sens opposé en
créant un couple moteur : l'induit se met à tourner ![13]
Figure III.20. Principe de fonctionnement d’un moteur à courant continu
Si le système balais-collecteurs n'était pas présent (simple spire alimentée en courant
continu), la spire s'arrêterait de tourner en position verticale sur un axe appelé communément
"ligne neutre".
Le système balais-collecteurs a pour rôle de faire commuter le sens du courant dans les
deux conducteurs au passage de la ligne neutre. Le courant étant inversé, les forces motrices
sur les conducteurs le sont aussi permettant ainsi de poursuivre la rotation de la spire.
58
CHAPITRE III
ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
Figure III.21. Description de la machine à courant continu
Dans la pratique, la spire est remplacée par un induit (rotor) de conception très
complexe sur lequel sont montés des enroulements (composés d'un grand nombre de spires)
raccordés à un collecteur "calé" en bout d'arbre. Dans cette configuration, l'induit peut être
considéré comme un seul et même enroulement semblable à une spire unique.[13]
III.4.4. Avantages et inconvénients des moteurs à courant continu
- Avantages
L'avantage principal des moteurs à courant continu réside dans leur adaptation simple
aux moyens permettant de régler ou de faire varier leur vitesse, leur couple et leur sens de
rotation : les variateurs de vitesse, voire leur raccordement direct à la source d'énergie :
batteries d'accumulateur, piles, etc. Ils ne nécessitent pas d’électronique pour les piloter, et
peuvent être branchés directement sur une alimentation, des batteries, un variateur de vitesse,
ou une carte de positionnement associée à un signal de recopie. [14]

possibilité d’entrainer de très fortes inerties

forte constante de temps mécanique

forte capacité à entrainer des surcharges élevées imprévisibles ralentissant le moteur :
puisque son courant est proportionnel au couple, le moteur courant continu peut
franchir des pointes de couple, et ainsi éviter les phénomènes de décrochage.
59
CHAPITRE III
ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
- Inconvénients
La commutation du moteur à balais nécessite la mise en œuvre d’un ensemble de
pièces mécaniques pour faire la liaison par frottement entre les charbons et le collecteur. Il en
découle que :

plus la vitesse de rotation est élevée, plus la pression des balais doit augmenter pour
rester en contact avec le collecteur donc plus le frottement est important ;

aux vitesses élevées les balais doivent donc être remplacés très régulièrement ;

le collecteur imposant des ruptures de contact provoque des arcs, qui usent rapidement
le commutateur et génèrent des parasites dans le circuit d'alimentation, ainsi que par
rayonnement électromagnétique (réduit dans le cas des moteurs maxon par le système
CLL (long life capacitor).
La température est limitée au niveau du collecteur par l'alliage utilisé pour braser les
conducteurs du rotor aux lames du collecteur. Un alliage à base d'argent doit être utilisé
lorsque la température de fonctionnement dépasse la température de fusion de l'alliage
classique à base d'étain.
III.5. Etude de la carte de commande d'un moteur à courant continu
III.5.1. Schéma Structurel global de la carte de commande
Cette figure présente la structure globale de notre carte de commande :
Figure III.22. Schéma Structurel global de la carte de commande
60
CHAPITRE III
ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
Ce montage consiste à réaliser un pont H d’un moteur à courant continu très utile,
pour la commande ou l'asservissement en vitesse et en position des robots. Le pont en H est
une structure électronique servant à contrôler la polarité aux bornes d'un dipôle. Il est
composé de quatre éléments de commutation généralement disposés schématiquement en une
forme de H d'où le nom. Les commutateurs peuvent être des relais, des transistors, ou autres
éléments de commutation en fonction de l'application visée. Cette structure se retrouve dans
plusieurs applications de l'électronique de puissance incluant le contrôle des moteurs, les
convertisseurs et hacheurs, ainsi que les onduleurs.
Dans ce montage on a utilisé des "POWER MOSFET", le circuit est plus simple et
les MOSFETs même de petite taille laissent passer des courants très importants.
III.5.2. Principe de fonctionnement
Ce montage est réalisé pour deux principales fonctions :
1) Inversement de sens de rotation du moteur à courant continu :
On alimente la borne de R4 avec une tension de 5 Volts, le moteur tourne dans le
sens contraire des aiguillages de la montre.
Si on alimente la borne R3 avec une tension de 5 volts le moteur tourne dans le sens des
aiguillages de la montre.
2) Stopper le moteur :
Pour freiner le moteur on a deux choix :
-
Soit en alimente aux bornes R3et R4 une tension de 5 volts.
-
Soit en alimente aux bornes R3et R4 une tension de 0 volts.
61
CHAPITRE III
ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
III.5.3. Réalisation et application de la carte de commande
III.5.3.1. Le Typon
Avant d'entamer la première étape qui consiste en l'établissement du Typon de la carte.
Ce dernier est la base qui servira à imprimer les pistes et la localisation des composants sur la
carte électronique. Ce n'est qu'une fois que le Typon imprimé sur la carte qu'on pourra
commencer à installer les composants.
Figure III.23.La carte coté Pistes
III.5.3.2. Soudage
On commence par souder les borniers ensuite on installe les résistances puis les
transistors. A la fin du soudage on obtient enfin le circuit final prêt pour les tests.
Voici la liste des composants dont nous eu besoin pour cette carte pour moteur DC:

Deux transistors Mosfet canal P IRF9640.

Deux transistors Mosfet canal N IRF640.

Deux transistors 2n2222.

Quatre Resistances 2k Ohm.

Un condensateur de 10nf.

Trois Borniers à 2 entrées/sortie
62
CHAPITRE III
ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE
Figure III.24.La carte coté composants
III.6. Conclusion
Dans ce chapitre nous avons donné un aperçu sur les capteurs et les actionneurs. On a
limité notre étude à deux types de moteurs : moteur pas à pas et moteur à courant continu. On
a étudié leurs principes de fonctionnement ainsi que les avantages et les inconvénients de
chaque moteur.
Nous avons aussi réalisé des cartes de commandes pour nos actionneurs à l’aide des
circuits intégrés à fin de les introduire dans le schéma globale dans la commande des robots.
63
CHAPITRE VI
CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR
Chapitre IV
Conception et commande du bras manipulateur
IV.1. Introduction
Les chapitres précédents ont porté sur l’étude des principaux constituants d’un robot
qui représentent les piliers de la réalisation de notre bras.
Dans ce chapitre, on va présenter la partie mécanique de notre bras manipulateur ainsi
que la structure et les segments du bras. Dans la partie commande, on va expliquer comment
on a commandé le bras manipulateur et ses mouvements.
IV.2. Partie mécanique du bras manipulateur
Notre projet est consacré à la construction d'une structure mécanique capable de se
déplacer dans l’espace pour accomplir un objectif établi au préalable. Ce bras manipulateur
doit répondre à des contraintes économiques strictes d'une production à faible coûts. La
structure mécanique du robot a été conçue pour répondre aussi à quelques préoccupations
majeures:

La robustesse de la structure.

La puissance de la motorisation pour doter le robot d'une bonne dynamique.

La précision dans le déplacement.
IV.2.1. La structure mécanique du bras
Notre bras possède 3 degrés de liberté de rotation. Il appartient à la classe 1 (structure
à 3 articulations rotoïde). La figure suivante illustre la structure mécanique du bras réalisé.
64
CHAPITRE VI
CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR
Réducteur 3
Moteurs
Réducteur
Moteur 3
Moteur 2
Réducteur 2
Réducteur 1
Moteur 1
Figure VI.1: Schéma de notre bras manipulateur
Figure VI.2:Photo réel du notre bras manipulateur
Le porteur de notre bras est constitué de trois liaisons de masses respectives m 1, m2 et
m3, et de longueurs respectives L1, L2 et L3.
Le choix des matériaux des segments est en fonction de critères déterminant:
65

minimum de mass:  (densité massique min)

un coût raisonnable avec la disponibilité des matériaux.
CHAPITRE VI
CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR
Le tableau suivant nous donne quelques valeurs de caractéristiques physiques de
certains matériaux :
Matériaux
Acier
Aluminium
Magnésium
Titane
Bois
PVC
 (Kg/ )
7800 à 7850
2700
1750 à 1800
4500
1150 à 1750
1380 à 1410
Tableau IV.1. Valeurs des caractéristiques physiques des matériaux
Pour ce bras manipulateur, nous avons réalisé la structure mécanique en bois pour la
base et le PVC pour l'avant bras et le bras. Ces matériaux ont quelques propriétés
intéressantes : d’une part, ils sont légers et possèdent une masse volumique et une rigidité
acceptable, d’autre part, Ils sont disponible et ont la facilité de bien s'usiner.
IV.2.2. Dimension du bras manipulateur
Notre bras est constitué de trois parties : base, bras et l'avant bras.
 Segment 1(bras): il est de forme :
avec :
Longueur = 20 cm
Longueur_r = 8 cm
Lo
Lo_r
Largeur = 5 cm
Largeur_r = 3 cm
Epaisseur = 0.3 cm
=10g
66
La_r
La
Figure VI.3 :coupe transversale du bras.
CHAPITRE VI
CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR
 Segment 2(avant bras): il est de forme:
avec :
Longueur = 18 cm
Longueur_r = 8 cm
Lo
Lo_r
Largeur = 4 cm
Largeur_r = 3 cm
La_r
Epaisseur = 0.3 cm
=9g
La
Figure VI.4:coupe transversale du avant bras.
 La base
avec :
e
Hauteur = 10 cm
Longueur = 9 cm
Largeur = 7.5 cm
Epaisseur = 0.6 cm
Rayon = 7 cm
=15g
Hauteur
Largeu
r
Longueur
r
e
Figure VI.5: la base
 Poids de l’ensemble
=
=
67
=
+
=
+
é
+
+
+
+
é
+
+
+
+
+
é
+
+
+
+
+
CHAPITRE VI
CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR
IV.2.3. Les différentes vues du bras manipulateur
Cette figure représente une vue de face de notre bras manipulateur
Figure VI.6: Vue de face du bras manipulateur
Cette figure représente une vue d’arrière du bras
Figure VI.7: Vue d’arrière du bras
68
CHAPITRE VI
CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR
Celle ci représente une vue de dessus de notre bras manipulateur
Figure VI.8: Vue de dessus du bras
IV.2.4. Système d'actionneur du bras
Notre bras manipulateur est actionné par deux types de moteurs : moteur à courant
continu et moteur pas à pas. Dans le chapitre précédent, on a fait une étude théorique et on a
réalisé des cartes de commandes à ces moteurs.
Le moteur à courant continu fixé dans la base du bras est responsable de faire tourner
le corps du bras manipulateur alors que le moteur pas à pas est responsable de mouvoir le
bras et l’avant bras du robot.
IV.2.5. Transmission entre articulation: engrenage
La transmission entre les articulations de notre bras manipulateur est assurée par un
système d’engrenage.
Un engrenage est constitué de deux roues dentées. On appelle la petite : le pignon et la
grande : la roue(ou couronne si c’est un engrenage intérieure), son principal role est de faire
diminuer la vitesse de rotation de segment et de le bien fixer avec l’actionneur.
69
CHAPITRE VI
CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR
Figure VI.9: La transmission entre articulation
Pour garantir cet engrénement,les pas primitifs respectifs des dentures du pignon et de
la roue qui correspondent aux longeus des arcs des cercles primitifs compris entre deux profils
de dents concectutifs, doivent etre egaux :
=
=
(IV.1)
(ou Ze et Zs sont les nombres de dents des roues de diamétre De et Ds).
On déduire que :
=
et donc aussi que
=
..
(IV.2)
IV.3. Partie commande du bras manipulateur
Dans cette partie, on va expliquer comment on a commandé le bras manipulateur et
visualiser son état à partir d’IHM, et les mouvements exercés.
70
CHAPITRE VI
CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR
IV.3.1. Raccordements avec l'automate
On a utilisé l’automate Schneider M340 avec le module de sortie TOR DRA 0805,
leur schéma ci-dessous montre le raccordement du module avec les cartes de commandes
réalisées :
Figure VI.10: Raccordements de module de sortie TOR DRA 0805
On remarque que ce module a 8 voies de sortie à relais, on a besoin de 6 voies dans
notre projet pour branche les entrées de nos cartes avec ce module.
La première voie (Q0, C0) pour la commande de moteur de la base pour qu’il tourne dans un
sens, elle est branchée avec la carte de commande. La deuxième (Q1, C1) voie aussi pour le
même moteur mais il tourne dans le sens inverse du premier.
La troisième voie (Q2, C2) pour le clock de moteur pas à pas qui est liée avec le bras.
La quatrième voie (Q3, C3) pour le changement de sens du même moteur.
La cinquième voie (Q4, C4) pour le clock de moteur pas à pas qui est liée avec l’avant bras.
La sixième voie (Q5, Q6) pour le changement de sens du l’avant bars.
71
CHAPITRE VI
CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR
Figure VI.11: Raccordements de module de sortie avec la carte de commande du moteur pas à pas
IV.3.2. Commande par API
Notre bras manipulateur est commandé par l’automate Schneider M340 sous le
logiciel « Unity Pro » avec le langage Ladder, on a écrit un programme qui permet de
commander nos 6 sorties.et on a ajouté l’écran tactile de type magelis (interface homme
machine) qui nous permet de regarder le déplacement du bras et aussi de le commander.
Pour la communication entre l’automate et l’ordinateur on a utilisé la connexion
Ethernet à l’aide d’un switcheur, on a changée dans les paramètres de l’automate et on a créé
un réseau Ethernet et on le donne cette adresse IP (192.168.1.3), et pour le PC on a créé une
adresse IP aussi (192.168.1.4).
IV.3.3. Communication entre l’automate et l’IHM et PC :
Pour la communication entre l’automate et l’ordinateur on a utilisé la connexion
Ethernet à l’aide d’un switcheur, on a changée dans les paramètres de l’automate et on a créé
un réseau Ethernet et on le donne cette adresse IP (192.168.1.3), et pour le PC on a créé une
adresse IP aussi (192.168.1.4).
72
CHAPITRE VI
CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR
Figure VI.12: Configuration adresse IP de l'automate
Et pour l’écran tactile on a crée un réseau TCP/IP (Ethernet) aussi dans le vejio
designer et on le donne cette adresse IP (192.168.1.5).
Quand la connexion est établit entre ces trois dispositif on peut faire la commande de notre
bras manipulateur soit avec l’ordinateur ou avec l’IHM.
Figure VI.13: Configuration adresse IP de l'IHM
73
CHAPITRE VI
CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR
Figure VI.14: Câblages d'automate avec les cartes de commande et l'IHM
Figure VI.15: Ecran magelis programmer
74
CHAPITRE VI
CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR
IV.3.4. Mouvements du bras
Les mouvements exercés sont des mouvements programmés selon les besoins, dans
notre cas on a programmé le bras de telles façons qui affecte le maximum de positions et qui
soient différents.
Voila la tache de notre bras manipulateur :
Figure VI.16: le bras dans sa
postposition initiale
Figure VI.19: l'avant bras
bouge en bas à 45°
75
Figure VI.17: le bras à 45°
Figure VI.20: le bras dans sa
postposition initiale
Figure VI.18: le bras dans sa
postposition initiale
Figure VI.21: Rotation de la
base a 180°
CHAPITRE VI
CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR
Figure VI.22: le bras et
l'avant bras en 153°
Figure VI.23: le bras à 108°
Figure VI.24: le bras dans sa
postposition initiale
IV.3.4.1. Mouvement du bras manipulateur en fonction du temps :
Figure VI.25: Déplacement du bras manipulateur (degré) en fonction du temps
Cette figure présente le déplacement de notre bras manipulateur (degré) en fonction
du temps. On observe que du [0s,8s] le bras fait une rotation de 45° puis il s’arrête pour 2
seconde il revient dans sa position initial à ce moment la [8s] il commence l’avant bras à
descendre avec le même angle jusqu’au la [12s] il fait une petite pause de 2 seconde et il
revient à sa position initial [18s] puis la base fait une rotation de 180° dans 1 seconde, à
partir de la 20 seconde le bras et l’avant bras font une rotation de 45° dans le sens contraire du
premier puis ils s’arrêtent pour 2 seconde et ils reviennent dans leurs position initial à la 28
secondes.
76
CHAPITRE VI
CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR
IV.4. Conclusion
Dans ce chapitre, on a expliquée comment on a choisi le matériel pour la construction
de notre bras manipulateur et son dimensionnement. Et pour la partie commande on a parlé
sur le raccordement des cartes des moteurs avec l’automate, et la connexion entre ce dernier et
le Pc et l’IHM et quelle langage utilisé et la tâche de notre bras.
77
CONCLUSION GENERALE
Conclusion Générale
Ce mémoire de Master présente la conception et la réalisation d’un bras manipulateur
à 3 degrés de liberté. Ce bras peut faire des mouvements diverses et cela grâce à l’utilisation
d’un Automate Programmable Industriel (API).
Pour parvenir au bout de notre travail, nous avons organisé notre mémoire en quatre
chapitres :
Le premier chapitre introduit les généralités sur les robots industriels ainsi que les
éléments constitutifs de ces robots en se basant sur leur structure mécanique. Un robot
manipulateur peut
être considéré d’une manière générale comme un générateur de
mouvements et d’efforts dans les diverses directions de l’espace. Il
se compose d'une
structure mécanique articulée, le bras lui-même (segments, articulations, architecture,…),
d’un organe terminal qui est le dispositif destiné à manipuler des objets, d’une unité
informationnelle qui élabore les commandes de ses différentes articulations en vue de
l’exécution de ses tâches, des convertisseurs d’énergie ainsi que des chaines de transmission
mécanique.
Le chapitre deuxième permet
de comprendre la structure d’un Automate
Programmable Industriel (API). Ce dernier est un ensemble électronique qui gère et assure la
commande d’un système automatisé. Il se compose de plusieurs parties dont les principales
sont : une mémoire programmable dans laquelle l’opérateur écrit des directives concernant le
déroulement du processus automatisé, un processeur qui organise les différentes relations
entre la zone mémoire et les interfaces d’Entrée/Sorties et gère les instructions du programme
et des interfaces d’Entrée /Sorties. Ce chapitre détaille aussi la plate forme d'automatisme
MODICON M340 (Schneider), l’Interface Homme/Machine (magelis GT5230, XBT GT5330
et XBT GT 5430) ainsi que le logiciel commun de programmation Unity Pro et le logiciel de
configuration pour l’IHM (Vijeo Designer).
Le troisième chapitre traite les actionneurs en robotique. Tous les mouvements des
robots sont réalisés à l’aide d’actionneurs et les performances de ces mouvements dépendent
fortement de celles des actionneurs, des chaînes cinématiques associées et de système
sensoriel associe. Parmi les différents actionneurs qui existent (pneumatique, mécanique,
78
CONCLUSION GENERALE
hydraulique, électrique..), on a abordé dans notre chapitre le moteur pas à pas qui est un
moteur qui tourne en fonction des impulsions électriques reçues dans ses bobinages et le
moteur à courant continu. La structure et le principe de fonctionnement de ces moteurs sont
expliqués ainsi qu’une étude et réalisation de chaque carte de commande pour chacun des
moteurs. Un schéma structurel global de chaque carte de commande est illustré et aussi leur
réalisation.
Le quatrième chapitre est une étude pratique qui explique la conception et la
réalisation et la commande de notre bras manipulateur. Sur la base des connaissances et des
informations des chapitres précédents, on a conçu un bras manipulateur à trois degrés de
liberté de rotation. Sa structure mécanique est : en bois pour la base et en PVC pour l'avant
bras et le bras. Les dimensions des trois parties constituantes de notre bras manipulateur: base,
bras et l'avant bras sont données ainsi que ses différentes vues. Le système actionneur utilisé
pour notre bras est composé : d’un moteur à courant continu (fixé dans la base du bras )
responsable de faire tourner le corps du bras manipulateur et d’un moteur pas à pas
responsable de mouvoir le bras et l’avant bras du robot. La transmission entre les articulations
de notre bras manipulateur est assurée par un système d’engrenage. Pour la partie commande,
on a utilisé l’automate Schneider M340 avec le module de sortie TOR DRA 0805 et on a
bronché dans ce module le clock et deux fils pour le changement de sens des deux moteurs
pas à pas liés avec les deux cartes de commande. Pour la connexion de l’automate avec le Pc
et l’IHM, on a utilisé la connexion Ethernet. Notre bras manipulateur est commandé par
l’automate Schneider M340 sous le logiciel « Unity Pro » avec le langage Ladder, et on a
ajouté l’écran tactile de type magelis (interface homme machine) qui nous permet de regarder
le déplacement du bras et aussi de le commander. Les mouvements programmés de notre bras
manipulateur sont aussi illustrés dans quelques figures dans ce chapitre.
Dans ce travail et l’élaboration de la maquette nous a permis :
-
La réalisation de la structure mécanique.
-
Conception et la réalisation des cartes.
-
Programmer avec l’automate le bras manipulateur.
-
Utilisation de l’IHM et leur logiciel (vejio designer)
-
Faire une connexion Ethernet entre l’automate et l’IHM
79
Références bibliographiques
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continue ouverte », UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA Option
Maintenance Industrielle , (2013)
[4,] SAADI RAMZY, SALHI NASSEREDDINE, « Réalisation de carte à
microcontrôleur pour le contrôle de bras manipulateur via un pc », Université
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[5] Kangni B.KINVI, « Introduction des automates programmables industriels sur les
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Travail DIRECTION RECHERCHE ET INGENIERIE DE FORMATION , (2007)
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[10] AMMAR.Adel, GUEHRIA,Amine, « Conception et réalisation d'une carte de
commande pour un moteur pas à pas »,Université des Sciences et de la Technologie
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[13] http://www.energieplus-lesite.be/index.php?id=11530#c7323
[14] http://www.mdpmotor.fr/documentation/lexique/courant-continu/definition.html
76
Annexe
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84