Soutenance mémoire
COMMANDE PAR MODE DE GLISSEMENT
Moteurs synchrones
Comme mentionnés précédemment, sept moteurs électriques permettent de déplacer les articulations de l’exosquelette. Le choix des moteurs a été porté sur des machines synchrones du fabricant Maxon, car ceux-ci sont compacts, légers et facilement contrôlables lorsqu’ils sont autopilotés. Deux calibres de moteurs sont nécessaires afin de bouger les articulations du robot soit des machines de 90 W (EC 90 flat) contenant 12 paires de pôles et des machines de 30 W (EC 45 Flat) contenant 8 paires de pôles. Deux moteurs EC 90 permettent de faire bouger l’épaule; un moteur EC 90 fait fléchir le coude tandis qu’un EC 45 le fait pivoter; et, trois autres moteurs EC 45 actionnent le poignet. De plus, on retrouve installés sur le stator des moteurs trois capteurs à effet de Hall qui permettent l’autopilotage des moteurs. Ils ont pour but d’indiquer au microcontrôleur du servoamplificateur le moment où il faut commuter les bobines afin de créer une rotation au niveau du rotor. Or, en mesurant les signaux produits par ces capteurs, il sera possible de déterminer la position du rotor et ainsi s’en servir comme capteur de position
CompactRio
Le CompactRIO (cRIO) 9074 est un châssis embarqué reconfigurable de la compagnie National Instrument. On retrouve sur celui-ci huit fentes pouvant comporter des modules interchangeables d’entrées et de sorties. De plus, on y retrouve un processeur à temps réel cadencé à 400 MHz avec un FPGA 2M, deux ports Ethernet (10/100 Mb/s) et un port de communication RS232. Les modules d’entrées/sorties utilisés pour le bras exosquelette sont les suivants :
– 2 NI 9205 : Module d’entrées analogiques, 16 bits, 32 canaux, ±10 Volts,
– 1 NI 9264 : Module de sorties analogiques, 16 bits, 16 canaux, ±10 Volts,
– 2 NI 9403 : Module d’entrées/sorties digitales, 32 canaux.
Les modules NI 9205 permettent de convertir les données analogiques recueillies provenant des différents capteurs en données numériques. Contrairement, le module NI 9264 convertit les données de la commande numérique à envoyer au servoamplificateur en donnée analogique. Les modules NI 9403 interagissent avec les signaux digitaux nécessaires au robot et mesurant les états acquis par les capteurs à effet de Hall.
Cartes pilotes des moteurs
Le robot comporte sur la carte-mère sept cartes pilotes où l’on retrouve des servoamplificateurs (ZB12A8). Ceux-ci produisent un signal de type MLI à une fréquence de commutation élevée (33 kHz) et permettent d’autopiloter toutes les machines synchrones installées sur l’exosquelette. Le servoamplificateur utilisé peut recevoir comme référence une tension allant de ± 15 Volts. Une tension positive fait bouger les moteurs dans le sens horaire et le contraire se produit lors d’une tension négative.
On retrouve installé sur les cartes pilotes un régulateur de tension permettant de transformer une tension de 40 V à 5 V. Cette tension permettra d’alimenter les capteurs à effet de Hall continuellement dans le but de maintenir la position mesurée lorsque l’alimentation principale est coupée. De plus, on retrouve installés sur les cartes des filtres RC passifs de deuxième ordre permettant d’atténuer le bruit se trouvant sur les signaux digitaux des capteurs à effet de Hall. La valeur des résistances est de 1 kΩ tandis que la valeur des condensateurs est de 0.1 µF.
Capteurs de positions
Afin d’assurer le bon fonctionnement du système, plusieurs capteurs de positions sont placés sur l’exosquelette. Chaque articulation est équipée d’un potentiomètre de 10k Ω qui joue le rôle de capteurs de position. Ainsi, la tension varie aux bornes du potentiomètre en fonction du degré de rotation des articulations du robot. La précision de la mesure des potentiomètres est de 0.01 degré. De plus, l’utilisation des capteurs à effet de Hall installés sur les machines synchrones pourrait être employée comme capteurs de position.
Carte-mère
Le rôle de la carte-mère est d’acheminer les différents signaux analogiques et numériques provenant des différents systèmes de l’exosquelette. Afin de parvenir à ses fins, plusieurs éléments sont installés sur cette carte.
La carte-mère est alimentée par une source de tension transformant la tension alternative de 120 Volts, 60 Hz du réseau à une tension continue de 40 Volts (40V PWR). Afin de faire fonctionner les différentes composantes, un régulateur de tension est placé sur la carte pour maintenir celle-ci à 10 Volts. Par précaution, un fusible est fixé sur les cartes dans le souci de protéger les composantes d’un courant supérieur à 30 Ampères. De plus, deux relais sont installés pour alimenter les cartes lorsqu’ils sont enclenchés par l’utilisateur. Le premier relais est contrôlé par l’entrée digitale « CTRL Relai » et fournit l’alimentation au régulateur de tension installé sur les cartes pilotes. Le deuxième relais est contrôlé par l’entrée digitale « PWR Relai » et fournit l’alimentation au régulateur de tension installé sur la carte mère. Ce dernier peut se déclencher lorsque le bouton d’arrêt d’urgence est activé.
FPGA
Le FPGA ou « Field Programmable Gate Array » est un circuit intégré pouvant être programmé après sa fabrication. Il contient des composantes logiques programmables, appelées blocs logiques, qui peuvent être connectées entre elles pour obtenir différentes configurations. Or, la connexion de ces blocs entre eux permet de créer des fonctions combinatoires complexes ou tout simplement des portes logiques comme des ET ou des OU.
Le rôle du FPGA dans le présent projet consiste, dans un premier temps, à transmettre au contrôleur temps réel du cRIO les données de la position et de la vitesse de chaque articulation. Pour ce faire, une lecture de la tension des capteurs de position, provenant du module d’entrée analogique, est effectuée afin de transformer ces données en position angulaire. Par la suite, celle-ci sera traitée par un filtre de deuxième ordre pour obtenir un résultat plus lisse et pour obtenir la vitesse angulaire des articulations.
Dans un deuxième temps, le FPGA a pour but d’asservir le courant des moteurs synchrones afin de s’assurer que le couple calculé par le système de commande soit vraiment celui utilisé par les moteurs. Pour ce faire, un correcteur PI asservit le signal du courant préalablement traité avec l’aide d’un filtre de deuxième ordre. Cette boucle interne est calculée 25 fois plus rapidement que celle du système de commande.
Ordinateur Real-Time
L’ordinateur Real-Time (RT) est le système qui met en œuvre les opérations nécessaires au fonctionnement du robot. Cette tâche aurait pu être appliquée au niveau du processeur temps réel du cRIO, mais celui-ci n’est pas assez puissant pour calculer les systèmes de commande dans un délai inférieur à 2 ms. Avec un temps plus élevé, le système ne serait pas assez rapide pour utiliser les systèmes de commande étudiés adéquatement. Or, l’ordinateur RT est programmé afin de traiter ces opérations. Pour parvenir à ses fins, le programme lit la position et la vitesse de MARSE transmises préalablement par le cRIO. Par la suite, il calcule les prochaines données de la trajectoire désirée ainsi que le couple selon la méthode de contrôle choisie préalablement. Finalement, il convertit le couple en courant de référence avant de transmettre cette valeur au cRIO. Cette manipulation est accomplie à toutes les 1.25 ms pour toute la durée de l’exercice programmé. Voici les spécifications de l’ordinateur utilisé lors des expérimentations
Limite de l’architecture électronique
L’architecture électronique proposée comporte plusieurs limites qui seraient intéressantes d’identifier. De la sorte, les dommages au robot ou des blessures à son utilisateur pourront être prévenus. Dans un premier temps, comme mentionné précédemment, l’ordinateur RT effectue ses opérations à toutes les 1.25 ms. Or, ce temps pourrait être raccourci s’il n’y aurait pas un délai de communication ente le cRIO et l’ordinateur RT. Ce délai représente un temps d’environ 450 µs. Toutefois, cet inconvénient est nécessaire compte tenu du fait que le cRIO n’est pas en mesure d’intégrer la boucle de contrôle des systèmes de commande étudiés dans un temps inférieur à 2 ms.
Dans un deuxième temps, en supposant que le délai discuté précédemment soit retiré, la fréquence limite que prendrait le système pour effectuer ces opérations serait égale à celle du FPGA. Or, avec la configuration et la programmation actuelle, le FPGA pourrait effectuer ces itérations à une fréquence de 2 kHz. Finalement, la tension de référence disponible des servoamplificateurs est limitée par la tension maximale distribuée par le module de sortie analogique NI-9264. En effet, la tension de référence des servoamplificateurs peut aller jusqu’à ±15 volts tandis que celle du module NI-9264 peut aller jusqu’à ±10 volts. Ceci signifie que l’exosquelette pourrait manquer de puissance advenant le cas où un mouvement nécessiterait une tension de référence supérieure à 10 volts. Toutefois, nous avons remarqué que la puissance des moteurs était suffisante pour exécuter les mouvements et nous avons dû saturer la tension de référence afin de limiter le couple disponible.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
CHAPITRE 2 MODÉLISATION DE MARSE
2.1 Cinématique directe
2.2 Modèle dynamique
2.3 Modification apportée au modèle
2.4 Espaces de travail
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 COMMANDE PAR COUPLE PRÉCALCULÉ
3.1 Loi de commande partitionnée
3.2 Correcteur PID
3.3 Conclusion
CHAPITRE 4 COMMANDE PAR MODE DE GLISSEMENT
4.1 Surface de glissement
4.2 Loi de convergence
4.3 Loi de commande
4.4 Conclusion
CHAPITRE 5 ARCHITECTURE ÉLECTRONIQUE
5.1 Moteurs synchrones
5.2 CompactRio
5.3 Cartes pilotes des moteurs
5.4 Capteurs de positions
5.5 Carte-mère
5.6 FPGA
5.7 Ordinateur Real-Time
5.8 Limite de l’architecture électronique
5.9 Conclusion
CHAPITRE 6 ARCHITECTURE DE CONTRÔLE DE MARSE
6.1 Modes de fonctionnement
6.1.1 Mode manuel
6.1.2 Mode passif
6.2 Architecture du FPGA
6.2.1 Boucle d’acquisition de la position et de la vitesse
6.2.2 Boucle interne du courant
6.3 Architecture module RT du Compact Rio
6.4 Architecture de l’ordinateur Real-Time
6.4.1 Mode manuel
6.4.2 Mode passif
6.4.3 Boucles de contrôle
6.4.3.1 Génération de la trajectoire
6.4.3.2 Friction de Coulomb
6.4.3.3 Conversion couple à courant
6.5 Interface usager
6.6 Conclusion
CHAPITRE 7 CAPTEURS À EFFET DE HALL COMME CAPTEURS DE POSITION
7.1 Capteur à effet de Hall sur MARSE
7.2 Implantation dans le FPGA
7.3 Conclusion
CHAPITRE 8 RÉSULTATS ET ANALYSE
8.1 Résultats des comparaisons entre les méthodes de commande
8.1.1 Résultats pour des exercices à un degré de liberté
8.1.2 Résultats pour des exercices à deux degrés de liberté séparément
8.1.3 Résultats pour des exercices de 2 degrés de liberté et plus simultanément
8.2 Résultats des comparaisons entre les méthodes de mesure de la position
8.3 Analyse des résultats
8.3.1 Analyses de performances des systèmes de commande
8.3.2 Analyses de la méthode de mesure des différents capteurs de positions
CONCLUSION
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