Memoire de Master Électronique

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE

SCIENTIFIQUE
Université de Mohamed El-Bachir El-Ibrahimi - Bordj Bou Arreridj
Faculté des Sciences et de la technologie
Département d’Electronique
Mémoire
Présenté pour obtenir
LE DIPLOME DE MASTER
FILIERE : ELECTRONIQUE
Spécialité : Electroniques des Systèmes Embarqués
Par
 DJAAFRI Chemseddine
 HERNOUF Mounir
Intitulé
Étude de la partie commande d’un bras de robot

manipulateur éducatif (mise à jour avec une
architecture open source)
Evalué le : 14 / 09 / 2021
Par la commission d’évaluation composée de :
Nom & Prénom Grade Qualité Etablissement

Pr. Zoubeida MESSALI MCB Président Univ-BBA
Dr. Mohamed Lamine TALBI MCA Encadreur Univ-BBA
Dr. Latifa HACINI MCB Examinateur Univ-BBA
Année Universitaire 2020/2021
-
Remerciement
Remerciement
Nous tenons à exprimer notre profonde gratitude envers notre
dieu le tous puissant de nous avoir guidés dans la réalisation de
ce travail.
Nous sommes heureux de remercier nos parents qui nous ont
suivis et éduqués depuis que nous avons commencé notre vie,
nous sommes ici aujourd'hui grâce à eux.
Nous adressons nos sincères remerciements à notre encadreur :
Dr. Talbi Mohamed Lamine
Pour son aide, ses conseils et ses orientations pour effectuer ce

travail.
Merci pour tout, merci pour votre gentillesse et votre confiance
en notre capacité, pour le temps et la patience que vous avez
accordés tout au long de ces mois en nous fournissant
d'excellentes conditions pour travailler.
Comme nous présentons nos remerciements à tous les enseignants
de département de l’électronique, sans oublier l’ingénieur du
laboratoire « Bennia Rachid ».
Merci à toutes les personnes qui ont contribué de près ou de loin
pour nous aider et les soutenir, merci à tous nos amis et
collègues.

Sommaire
Sommaire
Introduction général .................................................................................................. 1
Chapitre I : Généralité sur les robots manipulateurs

I.1. Introduction ........................................................................................................... 2
I.2. Notions générales sur la robotique ......................................................................... 2
I.2.1. Relation Homme-Tâche ................................................................................... 2
I.3. Définitions des robots manipulateurs ..................................................................... 3
I.4. Catégories des robots manipulateurs ...................................................................... 3
I.4.1. Les manipulateurs ........................................................................................... 3
I.4.2. Les télémanipulateurs ...................................................................................... 4
I.5. Structure générale du robot manipulateur............................................................... 4
I.5.1. Morphologie générale ...................................................................................... 4
I.5.2. Les liaisons mécaniques .................................................................................. 6
I.5.3. Constitution géométrique des robots manipulateurs ......................................... 7
I.5.4. Degré de liberté et redondance ........................................................................ 8
I.5.6. Espace opérationnel ......................................................................................... 8
I.6. Applications des robots manipulateurs ................................................................... 8
I.6.1. Robots industriels de soudage .......................................................................... 8
I.6.3. Robots manipulateurs de la peinture ................................................................ 9
I.6.3. Robots manipulateurs dans l’aviation .............................................................. 9
I.7. Conclusion........................................................................................................... 10
Chapitre II : Matérielles et modélisation des bras manipulateurs
II.1. Introduction ........................................................................................................ 11

II.2. Modélisation ...................................................................................................... 11

Sommaire
II.2.1. Modèle cinématique direct ........................................................................... 11
II.2.2. Modèle cinématique inverse ......................................................................... 12
II.2.3. Modèle dynamique direct ............................................................................. 12
II.3. Description du matérielle utilisés ........................................................................ 13
II.3.1. Présentation d’Arduino Méga 2560 .............................................................. 13
II.3.1.1. Caractéristiques de l’Arduino Méga 2560 .............................................. 13
II.3.2. Pilote de moteur à double pont-H « L298N Dual H-Bridge » ....................... 14
II.3.2.1. Les caractéristiques ................................................................................ 15
II.3.2.2. Dimension de la carte et fonction des broches ........................................ 16
II.3.3. Moteurs à courant continu ............................................................................ 16
II.3.3.1. Caractéristiques du moteur à courant continu ......................................... 17
II.3.4. Moteurs à courant continu avec réducteur et un encodeur............................. 17
II.3.4.1. Motoréducteur ....................................................................................... 17
II.3.4.2. Description de l’encodeur ...................................................................... 18
II.3.4.2.1. Les différents types d’encodeurs ...................................................... 18
a) L’encodeur incrémental ....................................................................... 19
b) L’encodeur numérique ou absolu ........................................................ 19
II.3.4.2.2. Avantages, Inconvénients des codeurs incrémentaux et absolus ....... 20
II.4. Conclusion ......................................................................................................... 21
Chapitre III : Conception et réalisation de partie commande

III.1. Introduction ...................................................................................................... 22
III.2. Description du robot.......................................................................................... 22
III.2.1. Les caractéristiques corps de bras ED-7220C .............................................. 23
III.2.2. Plage de mouvement ................................................................................... 23
III.3. Réhabilitation de la partie Hardware ................................................................. 24
III.3.1. Description de l’architecture originale du robot .......................................... 24
III.3.1.1. Partie opérative ..................................................................................... 24
III.3.1.1.1. L’interface de mise en forme des signaux d’encodeurs ................... 26
III.3.1.2. Partie commande .................................................................................. 27
III.3.1.2.1. Les caractéristiques de contrôleur (ED-MK4) de bras ED-7220C ... 27

Sommaire
III.3.2. Identifications du câblage électrique ........................................................... 28
III.3.2.1. Identifications du câblage et des signaux de commande des moteurs .... 28
III.3.2.2. Identifications des signaux provenant des encodeurs ............................ 29
III.3.2.3. Identifications du bloc d’alimentation ................................................... 30
III.3.2.4. Identifications des capteurs de fins de course ........................................ 31
III.3.3. Description de l’architecture proposée ........................................................ 32
III.3.3.1. Schéma synoptique ............................................................................... 32
III.4. Réhabilitation de la partie Software................................................................... 34
III.4.1. Mode réglage/configuration ........................................................................ 34
III.4.2. Mode programmation.................................................................................. 37
III.4.2.1. Interfaçage (Arduino /MATLAB) ......................................................... 39
III.4.2.1.1. Package « Arduino IO » ................................................................. 39
III.4.3. Schéma électronique de projet sur Proteus ISIS .......................................... 40
III.4.4. Réalisation du l’interface de mise en forme des signaux d’encodeurs.......... 42
III.4.4.1. La réalisation du montage sous ISIS PORTEUS ................................... 42
III.4.4.2. Réalisation du circuit imprimé .............................................................. 43
III.4.4.3. Les composants utilisés ........................................................................ 44
III.4.4.4. Résultats et interprétation ..................................................................... 46
III.5. La partie de commande finale ........................................................................... 46
III.5.1. Test de la commande proposé (mode réglage/configuration) ....................... 48
III.6. Conclusion ........................................................................................................ 52
Conclusion général................................................................................................... 53

Liste des figures
Liste des figures

Chapitre I : Généralité sur les robots manipulateurs
Figure I. 1. Schéma synoptique d’un processus robotisé. ............................................. 2

Figure I. 2. Structure série. ........................................................................................... 5
Figure I. 3. Structure parallèle. ..................................................................................... 5
Figure I. 4. Structure mixte. ......................................................................................... 6
Figure I. 5. Liaisons (Paires cinématiques). .................................................................. 7
Figure I. 6. Robot à structure ouverte simple. ............................................................... 7
Figure I. 7. Robots industriels de soudage. ................................................................... 8
Figure I. 8. Robot manipulateur de la peinture. ............................................................ 9
Figure I. 9. Robot Skywash. ......................................................................................... 9
Chapitre II : Matérielles et modélisation des bras manipulateurs
Figure II. 1. Modèle cinématique direct. .................................................................... 11

Figure II. 2. Modèle cinématique inverse. .................................................................. 12
Figure II. 3. Les éléments du la carte Arduino mega. ................................................. 13
Figure II. 4. Carte de contrôle des moteurs « L298N ». .............................................. 14
Figure II. 5. Dimension de la carte et fonction des broches. ....................................... 15
Figure II. 6. Moteur à courant continu........................................................................ 16
Figure II. 7. Motoréducteur et engrenages intégrés. ................................................... 17
Figure II. 8. Le fonctionnement d’un réducteur. ......................................................... 17
Figure II. 9. Codeur incrémental. .............................................................................. 18
Figure II. 10. Disques de codeurs absolus code Gray et code binaire pur. .................. 19
Figure II. 11. Principe d’encodeur absolu.................................................................. 19
Figure III. 1. Bras manipulateur ED-7220C. .............................................................. 22

Figure III. 2. Moteur à courant continu de précision (DME38B50G). ........................ 24
Figure III. 3. Capteur fins de course de type (Mini Microswitch - SPDT). ................. 24
Figure III. 4. Connecteur DB50.................................................................................. 24

Liste des figures
Figure III. 5. L’interface de mise en forme des signaux d’encodeurs. ......................... 25
Figure III. 6. Comparateur de type LM393N. ............................................................. 25
Figure III. 7. Contrôleur (ED-MK4) de bras manipulateur ED-7220C........................ 26
Figure III. 8. La carte mère de commande ancienne. .................................................. 26
Figure III. 9. Connections des fils des moteurs avec connecteur DB50. ..................... 27
Figure III. 10. Signal de l’encodeur mesuré par l’oscilloscope. .................................. 28
Figure III. 11. La connexion entre l’encodeur de moteur de coude et connecteur
DB50. ........................................................................................................................ 29
Figure III. 12. Bloc d’alimentation. ............................................................................ 30
Figure III. 13. Connections des fils des fins de course avec connecteur DB50. .......... 30
Figure III. 14. Schéma synoptique. ............................................................................ 31
Figure III. 15. Architecture proposée de robot. ........................................................... 33
Figure III. 16. L'organigramme de commande par joystick de la manette. .................. 35
Figure III. 17. L'organigramme de commande par des boutons poussoir de la manette.
.................................................................................................................................. 36
Figure III. 18. L'organigramme de mode programmation. .......................................... 37
Figure III. 19. Téléchargement de package d’ArduinoIO sous MATLAB. ................. 38
Figure III. 20. L’affichage des informations de port d’Arduino. ................................. 39
Figure III. 21. Circuit de projet sur Proteus ISIS. ....................................................... 40
Figure III. 22. La carte réalisée sous ISIS-PORTEUS. ............................................... 42
Figure III. 23. Circuit imprimé sur ARES PROTEUS (double faces). ........................ 43
Figure III. 24. Schéma électrique imprimés sur une feuille glacée (double faces). ...... 43
Figure III. 25. La carte imprimée (côté composants). ................................................. 44
Figure III. 26. La carte imprimée (côté pistes). .......................................................... 45
Figure III. 27. L’allure des signaux obtenus et visualisé sur oscilloscope. .................. 45
Figure III. 28. La partie commande finale. ................................................................. 46
Figure III. 29. Ancienne commande vs nouvelle commande. ..................................... 47
Figure III. 30. Test du bras manipulateur pour déplacement d'objet. .......................... 51

Liste des tableaux
Liste des tableaux

Tableau III. 1. L’identification des fils d’alimentation de chaque moteur. .................. 27
Tableau III. 2. L’identification des fils de chaque encodeur. ...................................... 29
Tableau III. 3. La couleur et la fonction de chaque fils de l’encodeur. ........................ 29
Tableau III. 4. L’identification des fils de chaque capteur de fin cours. ...................... 30
Tableau III. 5. Les différentes bronches de connexions de schéma général. ............... 40

Résumé
Résumé
Le but de ce projet est la réhabilitation du robot manipulateur éducatif ED-7220C afin de
l’utiliser dans les travaux pratiques. La réhabilitation vise à remplacer la carte de commande
du robot (architecture ancienne et fermée) avec une architecture nouvelle open source. La
carte de commande proposée est basée sur l’utilisation de deux cartes Arduino méga, de
quatre pilotes de moteurs (L298N) et la réalisation d’une carte de polarisation des encodeurs
incrémentaux. La réhabilitation software du robot offre deux modes de fonctionnement, le
mode réglage/configuration et le mode programmation sous MATLAB. La carte de
commande proposée nous a permet un contrôle complet du robot avec des performances
satisfaisantes, et constitue une grande amélioration par rapport à la carte de commande
originale, car elle est moins encombrante, a un processeur plus puissant, facile à connecter via
USB et open source.
Mots-clés : bras manipulateur ED-7220C, réhabilitation, architecture, identification,

commande, programmation, conception, réalisation, Arduino et MATLAB.
Abstract
The objective of this project is the rehabilitation of the ED-7220C educational manipulator
robot for use in practical work. The rehabilitation aims to replace the robot control board (old
and closed architecture) with a new open source architecture. The proposed control board is
based on the use of two mega Arduino boards, four motor drivers (L298N) and the realization
of an incremental encoder bias board. The robot's software rehabilitation offers two operating
modes, the adjustment / configuration mode and the programming mode under MATLAB.
The proposed control board gave us full control of the robot with satisfactory performance,
and is a great improvement over the original control board, as it is less bulky, has a more
powerful processor, easy to connect via USB and open source.
Keywords: ED-7220C manipulator arm, rehabilitation, architecture, identification,

control, programming, design, production, Arduino and MATLAB.
‫ملخص‬
‫ الستخدامه في العمل‬ED-7220C ‫الهدف من هذا المشروع هو إعادة تأهيل روبوت المناور التعليمي‬
‫ تهدف إعادة التأهيل إلى استبدال لوحة تحكم الروبوت (الهندسة القديمة والمغلقة) بهندسة جديدة‬.‫التطبيقي‬
‫ تعتمد لوحة التحكم المقترحة على استخدام لوحتين من أردوينو ميجا وأربعة متحكمات‬.‫مفتوحة المصدر‬
‫ يوفر برنامج إعادة تأهيل الروبوت‬.‫( وانجاز لوحة التحيز اإلضافي لجهاز التشفير‬L298N) ‫على المحركات‬
‫ لقد منحتنا لوحة التحكم المقترحة‬.‫ التكوين ووضع البرمجة على ماتالب‬/ ‫ وضع الضبط‬، ‫وضعين للتشغيل‬
ً ، ‫ وتحسن كبير على لوحة التحكم األصلية‬، ‫تحك ًما كامالً في الروبوت بأداء ُمرض‬
، ‫نظرا ألنها أقل حج ًما‬
.‫ ومصدر مفتوح‬USB ‫ وسهل االتصال عبر‬،‫وتحتوي على معالج أقوى‬
،‫ التصميم‬،‫ البرمجة‬،‫ التحديد‬،‫ تحكم‬،‫ الهندسة‬،‫ إعادة التأهيل‬،ED-7220C ‫ ذراع المناور‬: ‫الكلمات المفتاحية‬
.‫ ماتالب‬،‫ أردوينو‬،‫االنجاز‬

Liste des abréviations
Liste des abréviations

Abréviation Signification
A.F.N.O.R Association Française de Normalisation
UART Universal Asynchronous Receiver-Transmitter
AC Alternative Current
DC Direct Current
ICSP In Circuit Serial Programming
SRAM Static Random Access Memory
EEPROM Electrical-Erasable Programmable Read-Only Memory
AREF Analog REFerence
CC Courant Continu
RPM Revolutions Per Minute
PC Personal Computer
LED Light Emmeting Diode
VCC Voltage Common Collector
GND Ground
TTL Transistor-Transistor Logic
USB Universal Serial Bus
PWM Pulse-Width Modulation
ArduinoIO Arduino Input-Output
ISIS Intelligent Schematic Input System
ARES Advance Routing and Editing Software

Introduction
général
Introduction général
Un robot manipulateur est constitué par l’assemblage de corps (segments) rigides en

première approximation, et articulés entre eux. Les articulations peuvent être motorisées
(actives) ou non (articulations passives) [1]. Ce type de robot fonctionne dans des situations
imprévisibles, dangereuses et inhospitalières que les humains sont incapables d'atteindre.
Le but de notre projet est la réhabilitation du robot manipulateur éducatif ED-7220C afin
de l’utiliser dans les travaux pratiques. Le robot une fois réhabilité peut aussi servir comme
banc d’essai pour les projets de recherche (la commande). La réhabilitation du robot concerne
essentiellement le remplacement de la partie commande du robot (architecture ancienne et
fermée) avec une architecture nouvelle et open source. Cela en respectant le cahier de charges
initial.
Le robot ED-7220C disponible au niveau des laboratoires pédagogiques du département

d’électronique n’est pas fonctionnel (il ne dispose ni du logiciel ni de la console de
programmation). Il faut aussi souligner le manque de la documentation et des schémas
électriques du robot.
La réhabilitation du robot doit permettre des nouvelles fonctionnalités notamment la

programmation dans l’environnement (MATLAB).
Le premier chapitre est dédié principalement à des généralités sur la robotique.
Le deuxième chapitre est consacré aux différents composants qui seront utilisés dans la
réalisation de la nouvelle carte de commande, une partie de ce chapitre est destinée à la
modélisation des bras manipulateurs.
Dans le dernier chapitre, nous allons présenter une nouvelle carte de commande qui
permettra la réhabilitation hardware et software du bras manipulateur.
Finalement, nous terminons ce mémoire par une conclusion générale qui illustre les
principaux résultats obtenus.
Année Universitaire 2020/2021 Page 1

Chapitre I
Généralité sur les
robots manipulateurs
Chapitre I Généralité sur les robots manipulateurs
I.1. Introduction
Un robot est un dispositif mécanique articulé capable d’imiter certaines fonctions
humaines telles que la manipulation d’objets ou la locomotion, dans le but de se substituer à
l’homme pour la réalisation de certaines tâches matérielles.
Il peu être considéré comme une machine industrielle poly articulée, dotée de possibilité
d’auto-adaptabilité et qui peut de ce fait agir d’une manière plus ou moins autonome dans et
sur son environnement.
Un robot manipulateur est composé d'une structure articulée de grande taille, fixée
sur un socle rigide. Ce type de robot est utilisé principalement pour libérer les opérateurs
de tâches lassantes, monotones et répétitives. Ce qui rend l’utilisation des manipulateurs très
répondu dans le domaine manufacturier, où ils peuvent intervenir, dans les chaînes de
production, pour accomplir des tâches de manutention, d’assemblage, etc.
I.2. Notions générales sur la robotique

I.2.1. Relation Homme-Tâche
Il existe trois modes de relations entre l’homme et la tâche qu’il doit effectuer à l’aide d’un
outil à savoir les reconnaissances, stratégie et l’intelligence artificielle.
La figure I.1. représente un schéma synoptique des différents blocs d’un processus robotisé.
Figure I. 1. Schéma synoptique d’un processus robotisé.

I.3. Définitions des robots manipulateurs

L'Association Française de Normalisation (A.F.N.O.R.) un bras manipulateur est un
dispositif reprogrammable multifonctionnel conçu pour déplacer des matériaux, des pièces et
des outils. Le bras manipulateur est une machine mue par un mécanisme incluant plusieurs
degrés de libertés, ayant souvent l’apparence d’un ou plusieurs bras se terminant par un
poignet capable de tenir des outils, des pièces ou un dispositif d’inspection [2].
I.4. Catégories des robots manipulateurs

La classification des robots manipulateurs est très délicate, elle est basée sur deux critères
(fonctionnalités et potentialités). Les robots manipulateurs peuvent être classés en deux
grandes catégories :
I.4.1. Les manipulateurs

Les robots manipulateurs sont des systèmes mécaniques destinée à exécuter de manière
autonome des tâches répétitives. Ce dernier peut être déplacé un outil pour saisir des objets ou
de la matière, les transporter et les déposer, exercer des efforts sur l’environnement fixe et
ordonnée. Peut donc être considéré d’une manière générale, vu par son environnement,
comme un gêné [1].
I.4.2. Les télémanipulateurs

Le télémanipulateur ou robot de télé opération est un système mécanique poly articulé et
multifonctionnel capable d'assister l'homme dans les opérations effectuées en milieu hostile. Il
est constitué par deux entités : un bras maître et un bras esclave. Le bras esclave reproduit
instantanément le mouvement imposé par un opérateur a un bras maître.
L'application des télémanipulateurs est répandu dans les domaines nucléaires
(manipulation des produits radioactifs), spatial (exploration des planètes), sous-marin
(forage), militaire (déminage) et médical (prothèse).

I.5. Structure générale du robot manipulateur
I.5.1. Morphologie générale

Un robot manipulateur est l'ensemble formé par [1]:
 Une structure mécanique le système mécanique articulé est un mécanisme ayant une
structure plus ou moins proche de celle du bras humain. Son rôle est d'amener l'organe
terminal dans une situation (position et orientation) donnée, selon des caractéristiques
de vitesse et d'accélération données. Son architecture est une chaîne cinématique de
corps, assemblés par des liaisons appelées articulations. Sa motorisation est réalisée
par des actionneurs électriques.
 Des actionneurs ce sont des mécanismes qui permettent à effecteur d’exécuter
une action, de convertir les commandes logicielles (Software) en des
mouvements physiques. Qui permet de se déplacer la structure mécanique pour
changer la situation de l'organe terminal.
 Des capteurs ce sont des outils de perception qui permettent de gérer les relations
entre le robot et son environnement. Les capteurs ont comme fonction de lire les
variables relativement au mouvement du robot pour permettre un contrôle convenable.
 Un système de commande le contrôleur récupère l’information sensorielle (par des
capteurs), prend des décisions intelligentes par rapport aux actes à accomplir, et
effectue ces opérations en envoyant les commandes adéquates aux actionneurs.
 Un système décisionnel qui assure la fonction de raisonnement et élabore le
mouvement du robot manipulateur.
 Un système de communication qui gère le message transmis entre le système
décisionnel et l'opérateur via une console de visualisation.
Pour décrire la topologie du mécanisme constituant le robot manipulateur, on lui associe un
graphe dont les sommets sont les corps constitutifs et les arcs représentent les assemblages
entre ces corps. Deux corps extrêmes ont des rôles particuliers [1]:
 La base, qui est fixée au sol ou sur un véhicule.
 L'organe terminal qui porte l'outil (ou effecteur).
En partant de la base pour aller vers l'effecteur, on pourra distinguer :
 Les structures séries (figure I.2.) ou sérielles, pour lesquelles le graphe est arborescent,
la base étant la racine et les feuilles étant les organes terminaux, c'est-à-dire que leur
structure mobile est une chaîne ouverte formée d'une succession de segments reliés

entre eux par des liaisons à un degré de liberté. Chaque articulation est commandée par
un actionneur situé à l'endroit de l'articulation ou sur un des segments précédents.
Figure I. 2. Structure série.
 Les structures parallèles ( figure I.3.) pour lesquelles toutes les chaînes partent de la
base pour aller vers l'organe terminal.
Figure I. 3. Structure parallèle.

 Les structures mixtes ( figure I.4.).
Figure I. 4. Structure mixte.
I.5.2. Les liaisons mécaniques

Dans l’assemblage de robots manipulateurs, les liaisons les plus courantes sont :
 La liaison rotoïde R (ou pivot) à un degré de liberté (figure I.5 j) ;
 La liaison prismatique P (ou glissière) à un degré de liberté ( figure I.5 k) ;
 La liaison rotule S (sphérique) à 3 degrés de liberté, équivalente à R3 (figure I.5 f) ;
 La liaison cardan U (joint universel) à deux degrés de liberté, équivalente à R2 ( figure
I.5 i).
Nous avons également représenté des liaisons unilatérales ( figures I.5 a, c et g) qui ne
servent pas à proprement parler dans l’assemblage de mécanisme, mais peuvent représenter
localement (une surface est approchée par son plan tangent) des relations temporaires entre
l’organe terminal du robot et son environnement. Dans la ( figure I.5.) le chiffre indique le
nombre de degré de liberté de la liaison.

Figure I. 5. Liaisons (Paires cinématiques).
I.5.3. Constitution géométrique des robots manipulateurs

Un robot manipulateur est une cinématique constituée de n+1 corps, possédant deux corps
particuliers et des actionneurs. Le premier corps particulier(C0), appelée base est le socle du
robot, le seconde corps particulier (Cn) et appelée terminal. Les n corps sont liés entre eux par
des liaisons (articulations), suivant une structure de chaîne. Ces liaisons sont de nature
prismatique P ou rotoïde R. Les corps et les liaisons du robot manipulateur sont numérotés de
0 à n dans un ordre croissant en partant du socle ( figure I.6.).
Figure I. 6. Robot à structure ouverte simple.

I.5.4. Degré de liberté et redondance

Le positionnement complet d'une pièce dans l'espace nécessite six paramètres
indépendants, appelées degré de liberté. Parmi les différents choix possibles de ces
paramètres, les trois coordonnées cartésiennes pour positionner un point de la pièce et les trois
angles pour orienter cette pièce [3].
Un manipulateur est dit cinématiquement redondant lorsque le nombre de degré de liberté
de l’organe terminal est inférieur au nombre de degré de liberté de l’espace articulaire
(nombre d’articulations motorisées).
I.5.6. Espace opérationnel

C’est celui dans lequel est représentée la situation de l’organe terminal. Cette peu se faire
par les cordonnées cartésiennes, sphérique ou cylindriques.
I.6. Applications des robots manipulateurs

I.6.1. Robots industriels de soudage
Une des applications les plus courantes de la robotique industrielle est le soudage. Par
exemple, le soudage robotisé des châssis de voiture (illustré dans la figure I.7.) améliore la
sécurité car un robot ne manque jamais son point de soudure et les réalise toujours de la même
manière tout au long de la journée.
Figure I. 7. Robots industriels de soudage.

I.6.3. Robots manipulateurs de la peinture

Les bras de peinture par pulvérisation robotisés ont généralement 6 axes et sont
spécialement conçus pour toute application nécessitant une automatisation robotique. Ils ont
des structures ouvertes qui peuvent largement communiquer avec des périphériques externes.
Il est illustré sur la figure I.8.
Figure I. 8. Robot manipulateur de la peinture.
I.6.3. Robots manipulateurs dans l’aviation

Les robots peuvent également s’avérer utiles dans le domaine de l’aviation. La figure I.9.
représente un robot de type « Skywash », c’est un bras robotique géant, qui nettoie les gros
porteurs en un temps record. Il lui faut environ trois heures pour laver un avion. Sans ce
robot, cela pourrait prendre jusqu'à 12 heures.
Figure I. 9. Robot Skywash.

I.7. Conclusion
Le robot manipulateur est un robot à plusieurs degrés de liberté, à commande automatique,
reprogrammable, multi-applications, mobile ou non, destiné à être utilisé dans les applications
d’automatisation industrielle. Ils sont très intéressants puisqu’ils ont prouvés qu’ils étaient
capables de se substituer à l’être humain dans plusieurs tâches difficiles à réaliser et
d’effectuer de bonnes performances.
Dans le prochain chapitre de ce mémoire, nous allons présenter la modélisation et
l’identification des paramètres de bras robot manipulateur de type série (robotic arm, model
ED7220C).

Chapitre II
Matérielles et
modélisation des bras
manipulateurs
Chapitre II Matérielles et modélisation des bras manipulateurs
II.1. Introduction
La modélisation du robot consiste à représenter son comportement par des équations
algébriques, dans le cas où les variables sont les positions, en parle du modèle géométrique ;
si les variables sont les vitesses, en parle du modèle cinématique ; si en considère les efforts,
alors en parle du modèle dynamique. Ce chapitre porte sur les concepts théoriques de la
modélisation d’un bras manipulateur ainsi que sur le matérielle utilisés dans la phase de
réhabilitation du bras manipulateur ED 7220C.
II.2. Modélisation
II.2.1. Modèle cinématique direct

Le Modèle cinématique direct d’un robot manipulateur est le modèle qui permet de
calculer la vitesse de déplacement du point 𝑃 en fonction des variables articulaires 𝑞,̇ il s’agit
de déterminer le vecteur 𝑋̇ en fonction du Jacobien du vecteur 𝑞̇ [4]. Il est donné par:
𝑑𝑋 = 𝐽(𝑞 )𝑑𝑞 (𝟏)

Où 𝐽 = 𝐽(𝑞 ) est la matrice jacobienne de la fonction f, de dimension 𝑛 ∗ 𝑚 :
𝐽 ∶ 𝑇𝑞 → 𝑇𝑥 𝑀
𝑋 = 𝑓(𝑞 ) (𝟐)
∂X
𝑞̇ → 𝑥̇ = 𝐽𝑞̇ Où J =
∂q
Figure II. 1. Modèle cinématique direct.
II.2.2. Modèle cinématique inverse

L’objectif du modèle cinématique inverse est de calculer, à partir d’une configuration
donnée, les vitesses articulaires q. Qui assurent au repère terminal une vitesse optimale X
imposée.

Figure II. 2. Modèle cinématique inverse.
II.2.3. Modèle dynamique direct

Le modèle dynamique est le modèle des efforts, lorsqu’on prend en compte les effets
dynamiques. Le modèle dynamique direct est celui qui exprime les accélérations en fonction
des positions, vitesses et couples des actionneurs [5]. Il est alors représenté par la relation
suivante :
𝑞̈ = 𝑔(𝑞, 𝑞̇ , 𝐶, 𝑓 ) (𝟑)
𝑞̈ : C’est le vecteur des accélérations articulaires.
𝑞: C’est le vecteur des positions articulaires.
𝑞̇ : C’est le vecteur des vitesses articulaires.
𝐶: C’est la vecteur colonne des couples/forces des actionneurs, selon que l’articulation est
rotoïde ou prismatique.
𝑓 : C’est l’effort extérieur (forces et couples), à exercer par l’organe terminal.
II.3. Description du matérielle utilisés

II.3.1. Présentation d’Arduino Méga 2560
L'Arduino Méga 2560 est une carte microcontrôleur basée sur l'ATmega2560. Elle dispose
de 54 broches d'entrée/sortie numériques (dont 15 peuvent être utilisées comme sorties
PWM), 16 entrées analogiques, 4UART (ports matériels en série), un oscillateur à cristal 16
MHz, une connexion USB et une source d'alimentation sont automatiquement sélectionnées ;
une source d'alimentation externe (non USB) peut provenir de la batterie ou d'un adaptateur
(AC-DC). La plage de tension recommandée est de 7 à 12 volts, avec une embase ICSP et un
bouton de réinitialisation [6].

Figure II. 3. Les éléments du la carte Arduino mega.
II.3.1.1. Caractéristiques de l’Arduino Méga 2560

Mémoire
La carte arduino Méga 2560 contient le microcontrôleur ATmega2560 avec mémoire flash
de 256 KB pour stocker le programme dont :
 8 ko est utilisée pour le chargeur de démarrage.
 8 ko de SRAM.
 4 ko de mémoire EEPROM (qui peut être lu et écrit avec la bibliothèque de
EEPROM).
Entrée et sortie
Elle dispose de 54 broches numériques, chacune pouvant être utilisée comme entrée ou
sortie en utilisant des fonctions telles que pinMode, digitalWrite et digitalRead pour initialiser
les ports. Chaque broche fonctionne à 5 volts, peut délivrer ou recevoir un maximum de 40
mA, et possède une résistance de réinitialisation interne (déconnectée par défaut) de 20-50
kOhms. De plus, certaines broches ont des fonctions spécialisées et disposent de 16 entrées
analogiques, chacune ayant 10 bits de résolution (à savoir 1024) pour des valeurs différentes.
Par défaut, ils mesurent 5 Volts par rapport à la masse [7].

Cependant, en utilisant la broche AREF et la fonction analogReference, il est possible

d'ajuster la limite supérieure de la plage.
Communication
L'Arduino Méga 2560 dispose de plusieurs façons de communiquer avec un ordinateur, un
autre Arduino ou une variété d'autres microcontrôleurs. L'ATmega2560 dispose de quatre
ports UART TTL pour la communication série (5V).
II.3.2. Pilote de moteur à double pont-H « L298N Dual H-Bridge »

Ce pilote de moteur bidirectionnel est basé sur le circuit intégré très populaire de moteur à
double pont en H L298. Le circuit vous permet de contrôler facilement et indépendamment
deux moteurs jusqu'à 2A chacun dans les deux sens. Il est idéal pour les applications
robotiques et bien adapté pour se connecter à un microcontrôleur qui ne nécessite que
quelques lignes de commande de moteur. Il est conçu pour supporter des tensions et des
courants plus élevés tout en fournissant une commande logique (tension plus faible, courant
plus faible, idéal pour un microcontrôleur) [8].
Figure II. 4. Carte de contrôle des moteurs « L298N ».
II.3.2.1. Les caractéristiques

 Tension d'entrée : 3,2 V~ 40 Vdc.
 Pilote : Pilote de moteur CC à double pont-H L298N.
 Alimentation : CC 5 V - 35 V.
 Courant de crête : 2 A.
 Plage de courant de fonctionnement : 0 ~ 36 mA.
 Plage de tension d'entrée du signal de commande :
 Faible : -0,3 V ≤ Vin ≤ 1,5 V.
 Élevé : 2,3 V ≤ Vin ≤Vss.

 Plage de tension d'entrée du signal d'activation :

 Faible : -0,3 ≤ Vin ≤ 1,5 V (le signal de commande est invalide).
 Haut : 2,3 V ≤ Vin ≤Vss (signal de commande actif).
 Consommation électrique maximale : 20W (lorsque la température T = 75 ℃).
 Température de stockage : -25 ~ +130 ℃.
 Alimentation de sortie régulée +5 V intégrée (alimentation à la carte contrôleur, c'est-
à-dire Arduino).
 Taille : 3,4 cm x 4,3 cm x 2,7 cm.
II.3.2.2. Dimension de la carte et fonction des broches
Figure II. 5. Dimension de la carte et fonction des broches.
II.3.3. Moteurs à courant continu

Le rotor (la partie tournante) et le stator (partie fixe) constituent un moteur à courant
continu. Le stator est également appelé inducteur en électrotechnique, tandis que le rotor est
appelé l’induit. Sur l’image au-dessous, nous pouvons observer au milieu entouré par les
aimants bleu et rouge qui constituent le stator, le rotor composé de fils de cuivre enroulés sur

un support lui même monte sur un axe. Cet axe, c’est l’arbre de sortie du moteur. C'est lui qui
transmettra le mouvement à l'ensemble mécanique (pignons, chaine, actionneur...) auquel il
est associé en aval [9].
Figure II. 6. Moteur à courant continu.
II.3.3.1. Caractéristiques du moteur à courant continu

 Plage de variation de vitesse très grande.
 Couple de démarrage important.
 Rapport volume/puissance très supérieur à toutes les autres technologies.
 Rendement élevé.
 Linéarité tension/vitesse, couple/courant.
II.3.4. Moteurs à courant continu avec réducteur et un encodeur
II.3.4.1. Motoréducteur
Le réducteur diminue la vitesse de rotation tout en augmentant le couple. Le couplage,
moteur et réducteur, est nommé motoréducteur.
Le motoréducteur est un système constitué d'un réducteur déjà équipé d'un moteur
électrique. Selon l'application, il existe plusieurs variétés de motoréducteurs : soit à axe
moteur dévié, soit à axe perpendiculaire à l'axe de sortie (sortie mâle ou femelle), et pouvant
être à axe simple ou double.

Figure II. 7. Motoréducteur et engrenages intégrés.
 Utilisation
Un réducteur est un jeu d'engrenages qui permet de réduire la vitesse de rotation de l'axe
du moteur tout en augmentant le couple de sortie. Ces moteurs peuvent fonctionner à courant
continu pour les micro-réducteurs ou en alternance pour les gros moteurs industriels. Le
fonctionnement d'un réducteur peut être modélisé de la manière illustrée sur la figure II.8.:
 Vitesse de rotation  Vitesse de rotation

élevée.
Réducteur faible.
 Couple faible.  Couple élevée.
Figure II. 8. Le fonctionnement d’un réducteur.
II.3.4.2. Description de l’encodeur

Un encodeur est un dispositif électromécanique qui génère un signal électrique en fonction
de la position ou du déplacement de l’élément mesuré. Les encodeurs rotatifs sont utilisés
pour mesurer le déplacement (sens et vitesse rotation) des moteurs.
II.3.4.2.1. Les différents types d’encodeurs

Il existe deux types de codeurs optiques :
Les codeurs incrémentaux qui renseignent sur le mouvement angulaire du disque sous la
forme d'une séquence d'impulsions.
Codeurs positionnels (codeurs absolus), dans lesquels chaque position du disque
correspond à une valeur numérique différente qui est identifiée par la partie de commande
[10].

a) L’encodeur incrémental
Ce type d'encodeur permet uniquement de mesurer des changements de position, mais il
est bien sûr possible d'en déduire vitesse et même accélération.
Le disque strié de l'encodeur peut comporter une seule piste qui, suivant son état, provoque
un changement de l'état binaire de sortie. En général, on a deux pistes qui ont la même
résolution mais sont déphasées entre elles de 90°. Cela permet ainsi de mesurer la vitesse de
rotation et le sens de rotation [11].
Lorsque le disque tourne, les segments opaques bloquent la lumière alors que les segments
transparents la laissent passer. Ceci génère des impulsions d’onde carrée qui peuvent ensuite
être interprétées comme position ou mouvement :
Figure II. 9. Codeur incrémental.
b) L’encodeur numérique ou absolu

La structure d’un encodeur absolu est proche de celle d’un encodeur incrémental. Il y a le
disque, la source de lumière et le capteur. La différence réside au niveau du disque. Au lieu de
2 ou 3 voies sur le disque comme dans l’encodeur incrémental, l’encodeur absolu utilise un
disque possédant de nombreux disques concentriques chacun comportant un motif différent.
La lecture de toutes les voies par un scan radial (c’est-à-dire partant du centre du disque vers
l’extérieur) donne une information unique quel que soit l’orientation du disque, information
correspondant à l’orientation du disque [12]. En pratique et comme illustré sur la figure II.10.
les positions successives auront été généralement codées en code binaire pur ou en code Gray

(code binaire réfléchi). L’utilisation du codage binaire offre la facilité des traitements
ultérieurs (calculs binaires). Le code Gray a la particularité de garantir qu’entre deux positions
successives seul un bit auront pu changer.
Figure II. 10. Disques de codeurs absolus code Gray et code binaire pur.
Figure II. 11. Principe d’encodeur absolu.
II.3.4.2.2. Avantages, Inconvénients des codeurs incrémentaux et absolus

a) Codeur incrémental
 Avantage
Le codeur incrémental est de conception simple (son disque ne comporte que deux pistes)
donc plus fiable.

 Inconvénients
Il est sensible aux coupures du réseau : chaque coupure du courant peut faire perdre la
position réelle du mobile à l'unité de traitement. Il faudra alors procéder à la réinitialisation du
système automatisé.
b) Codeur absolu
 Avantage
Il est insensible aux coupures du réseau : la position du mobile est détenue dans une onde
qui est envoyé en parallèle au système de traitement. L'information de position est donc
disponible dès la mise sous tension.
 Inconvénients
Les informations de position sont délivrées « en parallèle » ; son utilisation besoin un
nombre important d'entrées du système de traitement.
II.4. Conclusion
Ce chapitre est consacré à description du matérielle que nous allons utiliser dans la
réalisation de réhabilitation du robot manipulateur ED 7220 C. La première partie du chapitre
est destiné aux concepts de base de la modélisation d’un bras manipulateur.
Le reste du chapitre est consacré aux matérielles utilisés tel que, la carte de prototypage
Arduino Méga 2650, le Pilote de moteur à double pont-H « L298N Dual H-Bridge », les
moteurs à courant continue et les encodeurs incrémentaux.

Chapitre III
Conception et
réalisation de partie
commande
Chapitre III Conception et réalisation de partie commande
III.1. Introduction
Le robot sur lequel nous allons travail est un bras manipulateur à 6 degrés de liberté ED-
7220C développé par la société coréenne ED Corporation. Ces modèles de bras robotisés sont
largement utilisés dans l'industrie, la recherche et l'enseignement. Il est composé d’une carte
de commande et d’un logiciel. Le robot disponible au niveau des laboratoires pédagogiques
du département d’électronique est actuellement en panne (absence du logiciel de commande
et de la documentation).
Ce projet vise essentiellement à réhabiliter le bras manipulateur ED-7220C et le rendre

opérationnelle pour réaliser les travaux pratique de la robotique ; cette réhabilitation concerne
la partie hardware et la partie software du robot.
Pour la partie hardware, nous allons développer et réaliser une carte de commande basée
sur la carte de prototypage open source Arduino. En ce qui concerne la partie software, nous
allons proposer une interface de commande qui permettra le développement des programmes
de commande du robot sous Matlab.
III.2. Description du robot

Le robot est composé d'un bras robotisé à 6 degrés de liberté, modèle ED-7220C. La figure
III.1. représente ses articulations, qui sont situées sur le corps, l'épaule, le coude et le poignet.
Le bras manipulateur dispose également d'une pince pour collecter des objets. Toutes les
articulations ainsi que la pince sont équipés de fin de course, qui indique leurs déplacements
minimum et maximum. De plus, ces fins de course permettent d'établir la position initiale du
manipulateur. Les articulations du corps, l’épaule, les coudes, le poignet et la pince sont
couplées à des moteurs à courant continu. Chaque moteur du robot comprend un encodeur
optique pour déterminer sa position.

Figure III. 1. Bras manipulateur ED-7220C.
III.2.1. Les caractéristiques corps de bras ED-7220C

 Nombre de joints : 5 joints + pince.
 Construction : Bras Articulé Vertical.
 Précision (Position) : 0.5 mm.
 Vitesse de déplacement : 100 mm/s max.
 Capacité de charge : 1kg.
 Actionneur : servomoteur à courant continu (partie codeur optique).
III.2.2. Plage de mouvement

 Articulation du corps : 310°.
 Articulation de l'épaule : +130°/-35°.
 Articulation du coude : 130°.
 Rotation du poignet : 360°.

 Ouverture de la pince 55 mm (sans tampon en caoutchouc : 68 mm).
 Dimension de la base : 220 x 180 (H) mm.
 Poids : 33kg.
III.3. Réhabilitation de la partie Hardware

Le remplacement de la partie hardware du robot par une nouvelle architecture nécessite
tous d’abord l’étude de l’ancienne architecture. Malheureusement, l’absence de la
documentation et surtout les schémas électronique nous a poussé à utiliser ‘the reverse
engineering’ pour essayer de comprendre le principe de fonctionnement du robot.
Le premier problème que nous allons traiter est les liaisons et les interactions entre la partie
commande et la partie opérative de robot. Nous savons à priori que la partie commande est
liées à la partie commande par quatre types de liaisons qui véhicule les signaux suivants :
1) Les signaux de commande des moteurs.
2) Les signaux provenant des encodeurs.
3) Les signaux des fins de course.
4) Les signaux d’alimentations et de contrôles.
III.3.1. Description de l’architecture originale du robot
III.3.1.1. Partie opérative

La partie opérative du robot ED-7220C est composée de 6 moteurs à courants continus
alimenté par une tension de 24 volts, construits de manière articulée verticalement. Trois
types de moteurs sont utilisés (modèle DME38B50G-116, DME38B50-115 et DME33B37G-
171 de la société Servo of Japan). Le premier type est utilisé dans la base et l'épaule, du
coude, il a un couple de 34.2 RPM, le deuxième est utilisé dans le poignet sont couple est de
65.2 RPM et le dernier type est utilisé dans la pince, il a un couple de 205 RPM.
La vitesse de rotation et le déplacement des moteurs sont mesurés à travers des encodeurs
optiques montés sur les moteurs à courant continu de précision (DME38B50G). Ce dernier est
montré sur la figure III.2. ci-dessous :

Figure III. 2. Moteur à courant continu de précision (DME38B50G).
Le mouvement des articulations est limité par des capteurs (Mini Microswitch - SPDT),
ces fins de course sont utilisées pour déterminer la position des butées des moteurs ; et
déterminer la position des articulations du bras et assurée le fonctionnement dans l’espace de
travail (voir figure III.3).
Figure III. 3. Capteur fins de course de type (Mini Microswitch - SPDT).
La partie opérative du robot est comporte 6 moteurs à courant contenu avec 6 encodeurs
optiques et 5 capteurs de fins de cours liée à la partie commande à travers un connecteur
DB50, comme il est montré sur la figure III.4.
Figure III. 4. Connecteur DB50.

III.3.1.1.1. L’interface de mise en forme des signaux d’encodeurs

Les signaux provenant des encodeurs ne sont pas liés directement à la carte de commande,
il passe par une interface composée de plusieurs étages identiques, comme il est montré sur la
figure III.5.
Figure III. 5. L’interface de mise en forme des signaux d’encodeurs.
Le circuit encadré en noir sur la figure III.5. montre un étage de mise en forme des signaux
provenant de l’un des encodeurs. Chaque étage comporte deux amplificateurs opérationnels
montrés en comparateurs de type LM393N, (voir figure III.6).
Figure III. 6. Comparateur de type LM393N.

III.3.1.2. Partie commande

A l'origine, le bras manipulateur ED-7220C possède un contrôleur (ED-MK4) avec une
interface série qui permet le contrôle du bras par un Ordinateur Personnel (PC) ou directement
par une console de programmation.
La figure III.7. montre le boîtier de control du bras manipulateur ED-7220C.
Figure III. 7. Contrôleur (ED-MK4) de bras manipulateur ED-7220C.
La carte de commande est constituée d’une carte (voir la figure III.8.) sur laquelle on
trouve un processeur de type « N80188 » est illustré dans le carré blanc.
Figure III. 8. La carte mère de commande ancienne.
III.3.1.2.1. Les caractéristiques de contrôleur (ED-MK4) de bras ED-7220C

 Borne d'entrée : 8 ports et 8 LEDs.
 Commutateur d'entrée : Commutateur à bascule 8 ports.

 Terminal de sortie : 8 ports et 8 LEDs.
 Logiciel : ED-72C RoboTalk.
 Tension d'entrée : 220V, 50/60Hz.
 Dimensions : 385 (L) x 150 (H) x 460 (P) mm.
 Poids : 14,3 kg.
III.3.2. Identifications du câblage électrique
III.3.2.1. Identifications du câblage et des signaux de commande des moteurs

Il y a deux types de moteurs utilisés dans la partie opérative du robot manipulateur ED-
7220C, ils sont alimentés par une tension de 12 volts à travers un pilote intégré à la carte mère
de la partie commande basé sur les transistors bipolaire.
En utilisant un oscilloscope et un multimètre, nous avons arrivé à comprendre que le

câblage électrique entre la carte mère et les moteurs suit un code couleur comme montré sur la
figure III.9.et le tableau III. 1.
Figure III. 9. Connections des fils des moteurs avec connecteur DB50.
Tableau III. 1. L’identification des fils d’alimentation de chaque moteur.
Principale Bleu Vert Jaune Marron Rouge Noir

secondaire
Rouge Broche 50 Broche 16 Broche 15 Broche 46 Broche 14 Broche 12
Noir Broche 17 Broche 49 Broche 48 Broche 13 Broche 47 Broche 45

Nous avons confirmé que le moteur est suivre les couleurs des fils, comme montré :
Rouge : VCC (24V) ; Noir : GND.
III.3.2.2. Identifications des signaux provenant des encodeurs

Comme nous avons déjà mentionné ci-dessus, les signaux provenant des encodeurs sont
mis en forme par une interface, la figure III.10. montre le signal généré par l’encodeur lorsque
le moteur de la base est en marche (signal mesuré par l’oscilloscope).
Figure III. 10. Signal de l’encodeur mesuré par l’oscilloscope.
En utilisant l’oscilloscope et le multimètre nous avons arrivé a identifié les couleurs des
fils de connections entre les encodeurs et le connecteur DB50, montré sur la figure III.11. et le
tableau III. 2:
Figure III. 11. La connexion entre l’encodeur de moteur de coude et connecteur DB50.

Tableau III. 2. L’identification des fils de chaque encodeur.
principale Bleu Vert Jaune Marron Rouge Noir

secondaire
Blue Broche 39 Broche 38 Broche 37 Broche 35 Broche 36 Broche 34
Jaune Broche 10 Broche 26 Broche 40 Broche 42 Broche 41 Broche 43
Blanc Broche 9 Broche 22 Broche 5 Broche 7 Broche 21 Broche 20
Vert Broche 6 Broche 25 Broche 8 Broche 4 Broche 24 Broche 23
Le tableau III. 3. montre la couleur et la fonction de chaque fils de l’encodeur.

Tableau III. 3. La couleur et la fonction de chaque fils de l’encodeur.
Couleur Fonction
Blue VCC (5V)
Jaune GND
Blanc voie des données (voie A)
vert voie des données (voie B)
Après avoir identifié la fonction de chaque fils de l’encodeur, nous avons besoin de réaliser
une carte imprimée par laquelle nous pouvons polariser les capteurs inclus dans les encodeurs.
III.3.2.3. Identifications du bloc d’alimentation

L’étage de l’alimentation est composé d’un transformateur 220v/24v, un pont de
redressement et un étage de filtrage est de régulation comme le montre la figure III.12. cet
étage fourni au robot les tensions 5 et 24volts avec un courant max de 3A.
Figure III. 12. Bloc d’alimentation.

III.3.2.4. Identifications des capteurs de fins de course

Chaque capteur de fin de cours contient deux fils (VCC, GND), où le fil « GND » est
connecté en commun avec le fil « GND » de l’encodeur, il est illustré dans le tableau III. 2.
La figure III.13. et le tableau III. 4. représente la connexion « VCC » de ces capteurs avec le
connecteur DB50.
Figure III. 13. Connections des fils des fins de course avec connecteur DB50.
Tableau III. 4. L’identification des fils de chaque capteur de fin cours.
secondaire Blue Jaune Noir Rouge Marron

principale
Gris Broche 3 Broche 1 Broche 2 Broche 18 Broche 19

III.3.3. Description de l’architecture proposée
III.3.3.1. Schéma synoptique
Ordinateur La commande par arduino
Bloc des pilots L298N

24V
5V
Alimentation
Bloc de polarisation
des encodeurs
Le bras manipulateur
Figure III. 14. Schéma synoptique.
Plusieurs plateformes peuvent être utilisés pour remplacer la carte de commande du robot,
nous avons choisi une architecture basée sur Arduino vu sa simplicité. Le schéma synoptique
de la figure III.14. montre les liaisons entre les différents étages de notre système de
commande. Sur cette figure nous pouvant voir les étages suivants :
 Bloc d’alimentation (source d’alimentations 24V et 5V) ; la tension du

moteur « 24V » est fournie par une source externe qui est connectée sur les ports de la
carte tandis que les tensions logiques TTL « 5V » sont fournies par la carte Arduino.
 Bloc de polarisation (polarisation de circuit de l’encodeur).
 Bloc de puissance (les quatre pilotes L298N).

Deux carte Arduino méga sont nécessaires pour couvrir l’ensemble des entrées/sorties de
notre système.
Les deux cartes Arduino Méga, contrôlent la position des moteurs. Chaque carte acquiert
les données de position des moteurs et les communique à un ordinateur personnel via une
connexion USB. Les signaux PWM sont transmis aux modules de commande à double pont
en H L298N a partir de la carte Arduino.
La figure III.15. montre l’architecture proposée pour remplacer l’ancienne carte de

commande.
Capteur fin de Capteur fin de Capteur fin de

course poignet course poignet course coude
« rouleau » « terrain »
Ordinateur Capteur fin de

Capteur fin de
course corps
course l’épaule
Arduino Méga Arduino Méga
Encodeur
Encodeur
Encodeur Encodeur
Pilote de pont Encodeur Encodeur Pilote de pont

en H L298N en H L298N
Pilote de pont Pilote de pont

en H L298N en H L298N
Moteur de Moteur du
l’épaule coude Moteur du
Moteur du
poignet poignet
« rouleau » Moteur de la Moteur du « terrain »
pince corps
Acquisition et traitement des données

Les capteurs
Les pilotes
Les actionneurs
Figure III. 15. Architecture proposée de robot.

III.4. Réhabilitation de la partie Software

Pour la réhabilitation de la partie software, nous allons proposer deux mode de
fonctionnement du robot, le mode réglage/configuration et le mode programmation.
 Le mode réglage/configuration permet à l’utilisateur de commander les différents

moteurs du robot ainsi que leurs positions en utilisant (les joysticks et les boutons
poussoir) de la manette.
 Le mode programmation permet la programmation d’une tâche séquentielle sous
l’environnement MATLAB. Ce mode nécessite la gestion de la communication entre
les cartes Arduino et MATLAB.
III.4.1. Mode réglage/configuration

La figure III.16. montre l'organigramme de commande par joystick avec récupération des
positions par le biais des encodeurs. Cette commande est basée sur l’utilisation d’un joystick
qui contient des potentiomètres (placées verticalement et horizontalement), le déplacement de
joystick permet de contrôler la vitesse de mouvement des articulations.
Et la figure III.17. montre l'organigramme de commande par des boutons poussoir du
joystick avec récupération des positions par le biais des encodeurs. Les moteurs sont
connectés aux boutons poussoir de la manette, de telle sorte que chaque bouton commande le
sens de rotation d’un seul moteur à la fois.

Début
Déclaration des variables
Configuration des pins
Si Joystick NON
commande
avance
OUI
Moteur marche avec vitesse fixe et Moteur arrêt
lecture de position de l’encodeur
Si Joystick NON
varié la
position
OUI
Moteur marche avec vitesse variable
Si le sens NON
de rotation
avant
OUI
Afficher la position de Afficher la position de l’encodeur
l’encodeur avec ordre croissant avec ordre décroissant
Fin
Figure III. 16. L'organigramme de commande par joystick de la manette.

Début
Si boutons NON
L1 ou R1
appuies
OUI
Si bouton NON Si bouton NON

L1est R1est
appuie appuie
OUI OUI
Moteur marche avant Moteur marche arrière Moteur arrêt
Lecture de position de l’encodeur Lecture de position de l’encodeur
Afficher la position de l’encodeur Afficher la position de l’encodeur

avec ordre croissant avec ordre décroissant
Fin
Figure III. 17. L'organigramme de commande par des boutons poussoir de la manette.

III.4.2. Mode programmation

L'une des limitations des encodeurs en quadrature présents sur l'ED-7220C est qu'il s'agit
d'encodeurs incrémentaux, ce qui signifie qu'ils fournissent simplement un retour sur le
mouvement du robot, que le microcontrôleur ensuite convertir en position.
Le programme est constitué de deux fonctions qui permettent de mettre tous les
articulations de bras manipulateur en position initiale. La figure III.18. montre l'organigramme
de mode programmation avec récupération des positions par le biais des encodeurs.
Début
Si bouton NON
Marche/arrêt
est appuie
Moteur arrêt
OUI
Moteur marche au point initial et

initialiser la valeur de l’encodeur
Entrer la valeur de déplacement désiré

«X»
1 2

1 2
Envoi les données d’Arduino vers

MATLB
Moteur marche avec lecture de

position de l’encodeur
Si la valeur de NON
l’encodeur =X
OUI
Moteur arrêt
Fin
Figure III. 18. L'organigramme de mode programmation.
III.4.2.1. Interfaçage (Arduino /MATLAB)

L’interfaçage software entre la carte de commande proposée est MATLAB est assuré par
l’installation du package ArduinoIO. Ce package nous permet d’établir une communication
entre la carte de commande et le PC via un câble USB.
III.4.2.1.1. Package « Arduino IO »

Cette solution (serial communication) consiste à utiliser la carte Arduino comme une
interface d’entrées (analogiques/numériques) et de sorties (numériques) en permettant de
communiquer Matlab/Workspace. Cette interface consiste à pré-charger le programme dans la
carte Arduino afin que celle-ci fonctionne comme serveur. Ce programme consiste à recevoir
les requêtes envoyées via la liaison série (USB) et de répondre à ces requêtes en renvoyant
l’état d’une entrée ou en modifiant l’état d’une sortie. Ces (entrées/sortie) sont considérer par

MATLAB comme des entrées logiques ou analogiques ou des sorties analogiques (mode
PWM).
La communication entre la carte de commande et MATLAB est établie en suivant les deux
étapes suivantes :
1. Télécharger et installer le package ArduinoIO, (voir figure III.19).
Figure III. 19. Téléchargement de package d’ArduinoIO sous MATLAB.
2. Aller vers Command Window de MATLAB et recherche du port serial d’Arduino, comme
illustré sur la figure.III.20.
Figure III. 20. L’affichage des informations de port d’Arduino.

III.4.3. Schéma électronique de projet sur Proteus ISIS

Le schéma de la figure III.21. représente le circuit électronique de la carte de commande
proposée sous Proteus ISIS. Ce schéma montre comment connecté les cartes Arduino avec les
ponts en H (les pilotes L298N) et avec les moteurs. La broche enable du pont en H est
connectée à une broche Arduino PWM et utilisée pour contrôler la vitesse, tandis que les deux
autres entrées sont connectées aux broches de sortie numérique de l'Arduino et contrôlent la
direction. La simulation de cette carte nous a permet de vérifier et de configurer les différents
éléments de notre montage. Le circuit a été ensuite implémenté et testé sur le robot et il a
fonctionné parfaitement.
Chaque élément de ce circuit à une tâche spécifique, le tableau III.5. montre les différentes
bronches et leurs tâches associes :
Figure III. 21. Circuit de projet sur Proteus ISIS.

Tableau III. 5. Les différentes bronches de connexions de schéma général.
Module Port du Port Arduino1 Port Arduino2 Moteur

module
Pilote L298N N°1 ENA 11 Output A :
IN1 10 Shoulder
IN2 9
ENB 12 Output B :
IN3 7 Base
IN4 8
Pilote L298N N°2 ENB 13 Output B :
IN2 6 Pitch
IN3 5
Pilote L298N N°3 ENA 11 Output A :
IN1 10 Grriper
IN2 9
ENB 12 Output B :
IN3 7 Elbow
IN4 8
Pilote L298N N°4 ENB 13 Output A :
IN2 6 Roll
IN3 5
Encodeur de moteur Voie A 2
du terrain (Pitch)
Voie B 3
de l’épaule
Voie B 19
(Shoulder)
de la pince (Grriper)
Voie B 20
du coude (Elbow) Voie B 3
du corps (Base) Voie B 19
du rouleau (Roll)
Voie B 20
Manette A0
A1
22
23
A0
A1
22
23
Les Bouton 1 53
(Base)

capteurs Bouton 1 52
(Shoulder)
de fins Bouton 1 53
(Roll)
de Bouton 1 52
(Elbow)
cours Bouton 1 51
(Pitch)
III.4.4. Réalisation du l’interface de mise en forme des signaux d’encodeurs
III.4.4.1. La réalisation du montage sous ISIS PORTEUS

Avant de passer à la réalisation pratique, nous avons utilisé le logiciel ISIS PORTEUS
pour simuler le fonctionnement du circuit de polarisation le montre la figure III.22.
Figure III. 22. La carte réalisée sous ISIS-PORTEUS.
III.4.4.2. Réalisation du circuit imprimé

Le logiciel ARES nous permet de dessiner des schémas de haute qualité avec la possibilité
de contrôler parfaitement l'apparence du dessin tout au long du processus d’édition : largeurs
de lignes, styles de remplissage, couleurs et polices, etc.

Les figures (Figure III.23. et Figure III.24.) nous montre le circuit imprimé et le schéma
électrique imprimés sur une feuille glacée.
Figure III. 23. Circuit imprimé sur ARES PROTEUS (double faces).
Figure III. 24. Schéma électrique imprimés sur une feuille glacée (double faces).
III.4.4.3. Les composants utilisés

 18 résistances (12 de 10K ohms et 6 de 50 ohms).
 37 connecteurs bornés.

La carte imprimée est représentée sur les figures ( figure III.25. et figure III.26.).
Figure III. 25. La carte imprimée (côté composants).
1) VCC (5V) des encodeurs.

2) GND des encodeurs.
3) Les voies (voie A, B) des encodeurs.
4) VCC (24V) et GND des moteurs.
5) Les capteurs fins de cours.

Figure III. 26. La carte imprimée (côté pistes).
III.4.4.4. Résultats et interprétation

La figure III.27. montre le signal généré par l’un des encodeurs visualisé sur un
oscilloscope digital.
Figure III. 27. L’allure des signaux obtenus et visualisé sur oscilloscope.
Sur cette figure, on remarque très clairement les deux signaux carrés générés par
l’encodeur (voie A et voie B), il y a aussi le décalage entre les deux signaux. Ce dernier nous
donne le sens de rotation de moteur.

III.5. La partie de commande finale

La figure III.28. montre la nouvelle carte de commande du robot, celle-ci est composée de
deux parties, la première partie comporte les cartes Arduino méga et les pilotes des moteurs.
La deuxième partie, comporte le circuit qui permet la polarisation des encodeurs.
Figure III. 28. La partie commande finale.

La figure III.29. ci-dessous représentée Ancien commande et opposé nouveau commande :
Figure III. 29. Ancienne commande vs nouvelle commande.
III.5.1. Test de la commande proposé (mode réglage/configuration)

Dans cette partie, nous allons tester notre bras manipulateur final avec la commande
manuelle qui nous permet de déplacer un objet d’une position A vers une position B. Vu la
difficulté pour l’obtention d’informations démonstratives décrivant l’exécution du
programme, on a opté pour une séquence d’images afin de mieux illustrer les résultats sur la
figure III.30. ci-dessous :




10
11
Figure III. 30. Test du bras manipulateur pour déplacement d'objet.
III.6. Conclusion
Ce chapitre est consacré à la partie pratique de notre projet de fin d’étude, ce projet vise la
réhabilitation du bras manipulateur ED-7220Cet le rendre opérationnelle pour réaliser les
travaux pratiques de la robotique. La première partie de ce chapitre est destiné à description
du cahier de charges de notre robot. Dans la deuxième partie, nous avons donné en détaille les
étapes que nous avons suivie pour arriver à la réhabilitation Software et Hardware de la partie
commande du robot. La partie Hardware de la commande proposée est basée sur deux cartes
Arduino méga. La réhabilitation software du robot nous a permis de proposer deux mode de
fonctionnement, le mode réglage/configuration et le mode programmation.

Conclusion
général
Conclusion général
Dans ce projet, nous avons présenté une nouvelle carte de commande du bras manipulateur
ED-7220C, cette carte de commande nous a permet la réhabilitation du robot et le rendu
opérationnel pour réaliser les travaux pratiques de la robotique ; cette réhabilitation touche la
partie hardware et la partie software du robot.
La partie Hardware de la commande proposée est basée sur l’utilisation de deux cartes
Arduino méga, de quatre pilotes moteurs (L298N) et la réalisation d’une carte de polarisation
des encodeurs incrémentaux.
La réhabilitation software du robot nous a permis de proposer deux modes de

fonctionnement, le mode réglage/configuration et le mode programmation. Dans sa version
finale, la commande permettra le développement des programmes de commande du robot
sous MATLAB.
La carte de commande proposée permet un contrôle complet du robot avec des

performances satisfaisantes, et constitue une grande amélioration par rapport à la carte de
commande originale, car elle est moins encombrante, a un processeur plus puissant, facile à
connecter via USB et open-source.
Les résultats du projet sont très prometteurs, les travaux futurs consistent à ajouter des
fonctionnalités plus interactives comme l’utilisation de la vision artificielle, la commande à
distance du robot, ou l’intégration de commande PID avancée pour améliorer les
performances du robot.

Bibliographie
Bibliographie
[1] Alain LIÉGEOIS, Modélisation et commande des robots manipulateurs,
Techniques de l’Ingénieur, traité Informatique industrielle,2000.
[2] S. Zeghloul, J. P. Lallemand, Robotique, aspect fondamentaux, Masson 1994,
312 pages.
[3] Abdelkader Kerraci, Synthèse des commandes robustes des robots
manipulateurs rigides, Thèse de magistère, Université d'Oran, 2004.
[4] K. Becir, Cours de modélisation des robots industriels, Université Badji
Mokhtar, Annaba, 2016.
[5] Fadhila Djouggane, Etude et conception d’un robot manipulateur pour
L'ENMTP, Université Hadj–Lakhdar Batna, 2012.
[6] Site Web : Arduino. www.arduino.cc/, consulté le, 10 Juin 2021.
[7] Site Web : https://www.redohm.fr/2014/12/arduino/, consulté le, 18 Juillet
2021.
[8] Site Web :
http://www.handsontec.com/dataspecs/L298N%20Motor%20Driver.pdf,
consulter le, 20 Juillet 2021.
[9] Site Web : http://eskimon.fr/285-arduino-601-le-moteur-courant-continu,
consulté le, 1 Août 2021.
[10] Abdessalam Immoune, Djounadi Mohand, Commande numérique du massicot
avec la carte Arduino MEGA 2560, Université Mouloud Mammeride, Tizi-
Ouzou, 2015.
[11] Site Web : https://fr.wikipedia.org/wiki/Codeur_optique, consulté le, 20 Juin
2021.
[12] Site Web : https://www.generationrobots.com/blog/fr/encodeurs-robotique-
mobile/, consulté le, 25 Juin 2021.

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MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE

Étude de la partie commande d’un bras de robot

Par la commission d’évaluation composée de :

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Dr. Talbi Mohamed Lamine

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Chapitre I : Généralité sur les robots manipulateurs

Chapitre II : Matérielles et modélisation des bras manipulateurs

II.1. Introduction ........................................................................................................ 11

Année Universitaire 2020/2021

Chapitre III : Conception et réalisation de partie commande

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Liste des figures

Figure I. 1. Schéma synoptique d’un processus robotisé. ............................................. 2

Chapitre II : Matérielles et modélisation des bras manipulateurs

Figure II. 1. Modèle cinématique direct. .................................................................... 11

Chapitre III : Conception et réalisation de partie commande

Figure III. 1. Bras manipulateur ED-7220C. .............................................................. 22

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Liste des tableaux

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Mots-clés : bras manipulateur ED-7220C, réhabilitation, architecture, identification,

Keywords: ED-7220C manipulator arm, rehabilitation, architecture, identification,

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Liste des abréviations

UART Universal Asynchronous Receiver-Transmitter

ICSP In Circuit Serial Programming

SRAM Static Random Access Memory

EEPROM Electrical-Erasable Programmable Read-Only Memory

AREF Analog REFerence

RPM Revolutions Per Minute

LED Light Emmeting Diode

VCC Voltage Common Collector

TTL Transistor-Transistor Logic

USB Universal Serial Bus

PWM Pulse-Width Modulation

ArduinoIO Arduino Input-Output

ISIS Intelligent Schematic Input System

ARES Advance Routing and Editing Software

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Un robot manipulateur est constitué par l’assemblage de corps (segments) rigides en

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La réhabilitation du robot doit permettre des nouvelles fonctionnalités notamment la

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I.2. Notions générales sur la robotique

Figure I. 1. Schéma synoptique d’un processus robotisé.

Année Universitaire 2020/2021 Page 2

I.3. Définitions des robots manipulateurs

I.4. Catégories des robots manipulateurs

I.4.1. Les manipulateurs

I.4.2. Les télémanipulateurs

Année Universitaire 2020/2021 Page 3

I.5. Structure générale du robot manipulateur