Contexte : expérimentation sur des robots assistants pour les tâches domestiques
L’assistance robotisée pour les tâches domestiques (notamment auprès des personnes âgées ou à mobilité réduite) est une problématique autour de laquelle de nombreux projets de recherche sont menés.
Toyota, Preferred Networks, le MIT, Sony ou encore l’université Carnegie Mellon font chacun des recherches dans ce domaine.
Un robot capable d’identifier et de ranger toutes les affaires qui traînent par terre. Un robot laveur de vitres, un robot qui repasse ou qui fait la cuisine…
Ces expérimentations vont servir à améliorer les aptitudes suivantes chez les robots :
- Navigation autonome
- Repérage dans l’espace
- Reconnaissance d’objets
- Manipulation et préhension
- Apprentissage (Deep Learning)
C’est dans ce contexte que l’université de Freiburg (Albert-Ludwigs-Universität Freiburg) nous a demandé de lui fournir 4 robots mobiles manipulateurs.
Ces robots seront utilisés dans un projet d’aide aux tâches domestiques (reconnaissance et manipulation d’objets, à différentes hauteurs).
GR LAB : le bureau d’études en robotique de Génération Robots
Génération Robots est un intégrateur en robotique de service, capable de concevoir des solutions sur la base de votre cahier des charges.
Au-delà de la conception mécanique et électrique, notre expertise la plus importante se situe au niveau du software.
Nous avons en effet conçu de nombreux robots autonomes, autant en intérieur qu’en extérieur.
Choix de l'équipement
ROBOT RIDGEBACK de Clearpath Robotics
- Plateforme omnidirectionnelle (roues Mecanum)
- Charge utile max. : 100 kg
- Obstacle franchissable : 18 mm
- Autonomie : 15 h à charge maximale
- Communication : Ethernet, USB 3.0, RS232
- Intégration native avec ROS et Gazebo
- Large plateau : 960 mm x 793 mm
COLONNE TÉLESCOPIQUE TLT de Exellix
- Alimentation : 24 V (comme le Ridgeback)
- Communication : série (pilotable/programmable par ordinateur)
- Connexion USB : oui
- Poids : 20 kg
- Déploiement en hauteur : 50 cm
- Empreinte au sol : 145 mm x 145 mm (compact)
- Contrôleur : oui (gestion de l’alimentation, la communication série et la télécommande)
BRAS 7 AXES FRANKA EMIKA
- 7 degrés de liberté
- Charge utile max. : 3 kg
- Force de préhension continue : 70 N
- Force max. : 140 N
- Ouverture maximale de la pince : 80 mm
- Compatibilité ROS
LIDAR UST-30LX HOKUYO
- Télémètre basse-consommation (150 mA ou moins)
- Portée : 0.05 m - 30 m
- Plage de balayage : 270°
- Précision : +/-40 mm
- Vitesse de balayage : 25 msec
Défi technique #1 : Création d’un bouton unique pour 3 éléments mobiles
Pourquoi ?
- Plus de praticité
- Plus de sécurité pour l’opérateur
Pour plus de sécurité et de praticité, il a été décidé que le bouton d’arrêt d’urgence de la plateforme Ridgeback servirait à arrêter l’ensemble de la solution robotique (plateforme mobile, bras robotique, colonne télescopique, ordinateurs).
Défi technique #2 : Une colonne qu'il a fallu adapter à la robotique mobile
NON COMPATIBLE ROS
La colonne TLT Ewellix n’avait pas de driver ROS (Robot Operating System).
Nous avons développé le package ROS pour la colonne (mis à disposition en Open-Source) et un jumeau numérique de la colonne sous Gazebo à partir des modèles 3D fournis par le constructeur.
Nos ingénieurs ont d’ailleurs créé un jumeau numérique complet du robot pour que le client puisse réaliser des simulations.
ALIMENTATION DE LA COLONNE TELESCOPIQUE
La colonne TLT Ewellix s’alimente avec du 24V, soit la tension de sortie du robot mobile Ridgeback.
Afin de garantir la stabilité de la tension, notre équipe a installé un convertisseur (la tension de sortie du robot varie en fonction de l’état de charge de la batterie, elle oscille entre 23V et 28V).
Défi technique #3 : Un bras qui nécessite une tension de fonctionnement de 230V
COMPLEXITÉ D’ALIMENTATION
Le bras FRANKA EMIKA est piloté par un contrôleur qui fonctionne avec du 230V (tension du secteur)
Nos ingénieurs ont ajouté un onduleur DC/AC de tension permettant de transformer les 24V DC en 230V AC.
Cette solution permet d’alimenter le bras avec la batterie du robot mobile. Elle offre également la possibilité de brancher un PC au format tour (tension de 230 V requise).
En effet, l’université ayant besoin de faire de la reconnaissance d’objets avec ce robot, il lui fallait une carte graphique puissante. Ces cartes ne sont compatibles qu’avec les tours PC.
PROBLÈME IDENTIFIÉ
La batterie du robot mobile se déchargera assez rapidement (1h d’autonomie en mode actif) car très sollicitée par la tour PC, la colonne et le bras.
SOLUTION PROPOSEE POUR AUGMENTER L’AUTONOMIE
Des batteries au plomb supplémentaires seraient trop lourdes pour le robot mobile (il en faudrait 2, de 30 kg chacune), qui supporte déjà le poids de la colonne et du bras.
Des batteries lithium-ion ou LiFePo4 pourraient être envisagées dans ce cas de figure. Pour l’expérience prévue par le client, 1h d’autonomie en mode actif (1 journée en mode veille) est suffisant.
EVOLUTION POSSIBLE
Si le client le souhaite, il pourra améliorer l’autonomie de son robot. Notre bureau d’études lui a fourni les schémas électriques complets. Les chercheurs travaillant sur ce projet sont en capacité de réaliser une telle amélioration.
Défi technique #4 : Amplitude de bras & de colonne insuffisante pour l’expérimentation
PROBLÈME IDENTIFIÉ
Les bras robotiques s’installent normalement au sommet de la colonne télescopique. Ce positionnement limite l’amplitude de déploiement et de préhension du bras, notamment pour ramasser des objets par terre.
DE LA 3D À LA PIÈCE USINÉE
Conception d’une petite plateforme en métal, qui sera ajustée sur la colonne, et sur laquelle viendra se poser le bras.
Le design et le positionnement de la pièce devaient être faits de telle sorte que rien n’entrave le déploiement de la colonne.
Nous avons usiné une première pièce en aluminium. Ce matériau s’est révélé trop souple et la structure entrait en résonance dans certains cas. L’usinage d’une pièce en acier a réglé ce problème.
La forme de la pièce a également été ajustée de manière à mieux absorber les forces et les vibrations. Au final, l’équipe a réussi à réduire les vibrations à un niveau proche de zéro
Défi technique #5 : Téléopération & Autonomie
TÉLEOPÉRABLE MAIS ÉVOLUTIF
Dans le cadre du projet, le client a souhaité une base prête pour recevoir les algorithmes de navigation et manipulation autonome. Conformément au cahier des charges, nous avons livré une base téléopérable et tout a été mis en place pour que la base mobile puisse devenir autonome. 2 LiDAR Hokuyo UST30-LX ont été installés, les drivers ROS de chaque élément ont été fournis et installés.
Dans le cadre de son expérimentation, les chercheurs de l’université vont pouvoir injecter leurs propres programmes.
Notre équipe a fait en sorte que la colonne télescopique puisse également être pilotée avec la même manette qui permet de piloter la base mobile.
Conclusion
La plateforme robotique livrée par nos équipes est très complète et comprend :
- 1 base mobile
- 1 colonne télescopique
- 1 bras 7 axes
- 2 LiDAR
- 2 ordinateurs
- 1 caméra de profondeur montée sur un pan-tilt
Nous avons assemblé, programmé et livré en Allemagne 4 exemplaires de ce robot. 3 mois et demi ont été nécessaires à la réalisation complète du projet (de la prise de brief à la livraison).
Grâce à notre filiale en Allemagne, nous pouvons assurer un suivi au plus près du client.
Utilisation du bras collaboratif Franka Research 3 pour assurer la sécurité des menuisiers
L’article suivant est un retour sur une expérience menée par le centre de recherche INRIA Bordeaux – Sud-Ouest, partenaire de longue date de l’entreprise Génération Robots.
Dans l’expérimentation décrite ci-dessous, les chercheurs de l’INRIA ont utilisé un bras collaboratif pour assister les menuisiers pendant l’usinage du bois, afin de réduire (voire éliminer) les risques d’accidents.
- Choix de l’équipement
-
Défi technique #1
La propagation de l'arrêt d’urgence -
Défi technique #2
Une colonne inadaptée à la robotique mobile -
Défi technique #3 :
Un bras qui nécessite une tension de fonctionnement de 230v -
Défi technique #4 :
Amplitude de bras et de colonne insuffisante pour l’expérimentation -
Défi technique #5 :
Téléopération et autonomie de la plateforme robotique