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  • Rapport de Stage de Master 2 Recherche EEASpcialit : " Automatique et Robotique"

    Prpar au Laboratoire dInformatique de Robotique et de Microelectronics de Montpellier

    Thme

    Analyse et modlisation : du pendule invers sur

    deux roues au fauteuil roulant automatis

    FreeMove

    par

    Khaoula BRAHIM

    Encadrant : Ahmed CHEMORI

    LIRMM UMR CNRS-UM2 5506161 rue Ada

    34392 Montpellier

  • Remerciements

    Je tiens remercier, dans un premier temps, toute lquipe pdagogique et professionnelle duLaboratoire dInformatique, de Robotique et de Microlctronique pour leur acceuil chaleu-reux pendant toute la dure de mon stage.Jadresse mes remerciements particuliers mon matre de stage pour les conseils quil maprodigu et son prcieux soutien. Sa passion pour partager son savoir ma t utile et mabeaucoup apport.Je remercie aussi les ingnieurs et les doctorants du LIRMM pour leurs conseils. Plus parti-culirement lingnieur David Galdeano et la doctorante Divine Maalouf pour leur prsence,leur soutien et les moments de partage que lon a eu ensemble.Je remercie ma famille pour ses encouragements.Enfin, je remercie tous ceux qui, par leurs penses et leur prsence, ont permis que ce stage sedroule dans des meilleures conditions.

  • Table des matires

    1 Contexte et problmatique 1

    1.1 Introduction la robotique pour le handicap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

    1.2 Lentreprise EVOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

    1.2.1 Prsentation et objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

    1.2.2 Les exigences dun fauteuil roulant adquat . . . . . . . . . . . . . . . 2

    1.2.3 Ide de FreeMove . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

    1.3 Problmatique et objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    1.4 Organisation du rapport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

    2 Etat de lart 7

    2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    2.2 Fauteuils roulants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    2.2.1 Historique et origine des fauteuils roulants . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    2.2.2 Classification des fauteuils roulants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

    a) Fauteuils roulants manuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

    b) Fauteuils roulants lectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

    c) Fauteuils roulants automatiss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    2.3 Les pendules inverss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    2.3.1 Dfinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    2.3.2 Le pendule invers classique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    2.3.3 Le double pendule invers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

    a) En cascade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

    b) En parallle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

    2.3.4 Le pendule invers de Furuta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

    2.3.5 Le pendule invers stabilis par volant dinertie . . . . . . . . . . . . . 16

    2.3.6 Le pendule invers sur deux roues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

    2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

    ii

  • Table des matires

    3 Le fauteuil roulant FreeMove 19

    3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

    3.2 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

    3.2.1 Aspect mcanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

    a) Le sige biomcanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    b) La base mobile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    3.2.2 Fonctionnalits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    3.3 Modlisation gomtrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

    3.3.1 Principe de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

    3.3.2 Calcul du centre de masse (COM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

    3.4 Modlisation dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

    3.4.1 Principe gnrale de Lagrange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

    3.4.2 Application au fauteuil FreeMove . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

    3.5 Modle simplifi du systme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

    3.5.1 Du fauteuil FreeMove au pendule invers sur deux roues . . . . . . . . 26

    3.5.2 Dynamique du pendule invers sur deux roues . . . . . . . . . . . . . . 26

    3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

    4 Solutions proposes en terme de commande 30

    4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

    4.2 Commande du systme simplifi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

    4.2.1 La commande optimale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

    4.2.2 La commande prdictive non linaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

    4.3 Commande du fauteuil complet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

    4.3.1 Principe de la dcomposition de la commande . . . . . . . . . . . . . . 34

    Commande 1 : stabilisation du centre de masse . . . . . . . . . . . . . 34

    Commande 2 : stabilisation de toute larchitecture . . . . . . . . . . . . 34

    4.3.2 Combinaison des deux commandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

    4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

    5 Rsultats des simulations 36

    5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

    5.2 Commande du systme simplifi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

    5.2.1 Le simulateur dvelopp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

    Description de linterface graphique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

    Les principales fonctionnalits du simulateur . . . . . . . . . . . . . . . 37

    Analyse et modlisation: du pendule invers sur deux roues au fauteuil roulant automatis FreeMove iii

  • Table des matires

    5.2.2 Rsultats de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Scnario 1 : comportement en boucle ouverte . . . . . . . . . . . . . . . 38Scnario 2 : La commande optimale LQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Scnario 3 : La commande prdictive non linaire . . . . . . . . . . . . 41

    5.3 Commande du fauteuil complet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425.3.1 Le simulateur dvelopp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425.3.2 Rsultats de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

    Scnario 1 : Gestion de lquilibre du fauteuil . . . . . . . . . . . . . . 43Scnario 2 : Gestion de lquilibre du fauteuil avec rotation de lessieu . 45Scnario 3 : Changement de configuration . . . . . . . . . . . . . . . . 47

    6 Conclusions et perspectives 49

    6.1 Conclusion gnrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

    7 Annexe 52

    iv Khaoula Brahim

  • Chapitre 1

    Contexte et problmatique

    1.1 Introduction la robotique pour le handicap

    Comme lindique son nom, la robotique pour le handicap incarne toutes les applications tech-nologiques dans le domaine de la robotique qui cherchent amliorer le critre dautonomiepour chaque type dhandicap : le handicap moteur, visuel, mental, auditif...Dans le cadre de ce travail on sintresse lhandicap moteur : Ce sont les personnes qui, la suite dun accident se retrouvent brusquement paralyses, soit des membres infrieurs(paraplgie) ou des quatres membres (ttraplgie).Parmi les techniques dveloppes pour ce genre dhandicap, on distingue deux :La premire est en relation indirecte avec lutilisateur et son environnement. Elle est base surlimplantation des systmes prcis pour la restauration de la marche comme les stimulateurs,les interfaces entre le cerveau et les prothses articulaires.La deuxime est plus classique, elle est utilise directement par la personne dans son espacepersonnel comme les orthses et les fauteuils roulants.Dans la population des handicaps, 10% ncessite un fauteuil roulant, soit prs de 65 millionsde personnes travers le monde [28], ce qui explique limportance du nombre de socits sur-tout amricaines et canadiennes qui essaient de maximiser les performances de cet appareildans le but de rduire la dpendance de lutilisateur autrui et lui offrir une meilleure qualitde vie.Parmi les compagnies Franaises qui investissent dans ce domaine, on note la naissance dunejeune entreprise nomme EVOM qui est en phase dtude de la possibilit de cration dunnouveau fauteuil roulant automatis qui peut, grce sa nouvelle technologie, assurer lhan-dicap un meilleur confort dans sa vie quotidienne.

    1

  • 1.2. Lentreprise EVOM

    1.2 Lentreprise EVOM

    Afin de dcouvrir la nouvelle technologie au niveau des fauteuils roulants propose par EVOMpour la population de personnes mobilit rduite (PMR), il serait judicieux de commencerpar la prsentation de lentreprise et de ses objectifs.

    1.2.1 Prsentation et objectifs

    EVOM est une toute jeune entreprise fonde par Monsieur Christopher Desvaux de Marigny(diplm de lUM2 en Master 2 Robotique et Automati