Système à 4 barres : Mécanisme plan constitué de quatre solides liés par des articulations pivot.
- Identifier les solides et les liaisons
- Écrire la fermeture de boucle cinématique
- Projeter sur les axes du repère
- Résoudre le système d'équations
- Calculer les vitesses et accélérations
En projection sur les axes (x,y) :
- \(L_1\cos\theta_1 + L_2\cos\theta_2 + L_3\cos\theta_3 + L_4\cos\theta_4 = 0\)
- \(L_1\sin\theta_1 + L_2\sin\theta_2 + L_3\sin\theta_3 + L_4\sin\theta_4 = 0\)
On connaît θ₁, il faut trouver θ₂ et θ₃ :
- Utilisation de substitutions trigonométriques
- Résolution du système non-linéaire
- Obtention des deux solutions possibles
Dérivation temporelle de l'équation de fermeture :
- \(-L_1\dot{\theta}_1\sin\theta_1 - L_2\dot{\theta}_2\sin\theta_2 - L_3\dot{\theta}_3\sin\theta_3 = 0\)
- \(L_1\dot{\theta}_1\cos\theta_1 + L_2\dot{\theta}_2\cos\theta_2 + L_3\dot{\theta}_3\cos\theta_3 = 0\)
Système linéaire de deux équations à deux inconnues :
- \(\begin{pmatrix} -L_2\sin\theta_2 & -L_3\sin\theta_3 \\ L_2\cos\theta_2 & L_3\cos\theta_3 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \dot{\theta}_2 \\ \dot{\theta}_3 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} L_1\dot{\theta}_1\sin\theta_1 \\ -L_1\dot{\theta}_1\cos\theta_1 \end{pmatrix}\)
Le système à 4 barres est résolu par fermeture cinématique et méthode matricielle.
• Fermeture : Somme des vecteurs de position dans une boucle vaut zéro
• Linéarisation : Dérivation temporelle pour obtenir les vitesses
• Matrice jacobienne : Permet de relier les vitesses articulaires aux vitesses opérationnelles
Mécanisme de direction : Ensemble de pièces permettant de diriger les roues avant d'un véhicule.
Le triangle de Ackermann impose des contraintes :
- Le point de croisement des axes de pivot des roues doit être sur l'axe arrière
- Angle de braquage différent pour chaque roue
- \(\cot\delta_d = \cot\delta_g + \frac{W}{L}\)
Pour chaque côté du mécanisme :
- \(\vec{r}_{P_1} + \vec{r}_{P_2/P_1} + \vec{r}_{P_3/P_2} + \vec{r}_{P_4/P_3} = \vec{r}_{P_4}\)
- Où P₁ est le pivot de direction et P₄ la roue
Appliquer la loi de composition des vitesses :
- \(\vec{v}_{P_2} = \vec{v}_{P_1} + \vec{\Omega}_1 \wedge \vec{P_1P_2}\)
- \(\vec{v}_{P_3} = \vec{v}_{P_2} + \vec{\Omega}_2 \wedge \vec{P_2P_3}\)
Vérifier la condition d'alignement des centres de rotation :
- Les axes des pivots doivent se croiser au centre de virage
- Les angles doivent satisfaire la loi d'Ackermann
Le mécanisme de direction assure un guidage optimal en respectant la loi d'Ackermann.
• Loi d'Ackermann : Condition géométrique pour un guidage sans glissement
• Fermeture : Chaque boucle cinématique doit être fermée
• Contraintes : Les mouvements doivent respecter les liaisons imposées
Train épicycloïdal : Mécanisme avec un satellite tournant autour d'un pignon central.
Notation des vitesses angulaires :
- \(\omega_c\) : pignon central
- \(\omega_s\) : satellites
- \(\omega_p\) : porte-satellite
- \(\omega_{cr}\) : couronne (si présente)
Imposer un mouvement de blocage au porte-satellite :
- \(\frac{\omega_c - \omega_p}{\omega_{cr} - \omega_p} = \pm \frac{Z_{cr}}{Z_c}\)
- Où Z représente les nombres de dents
Entre les vitesses des différents éléments :
- \(\omega_s = \frac{R_c\omega_c + R_p\omega_p}{R_c + R_s}\)
- Avec R les rayons primitifs
En fonctionnement normal (couronne fixe) :
- \(r = \frac{\omega_s}{\omega_e} = \frac{Z_c}{Z_c + Z_{cr}}\)
- Où \(\omega_e\) est la vitesse d'entrée
Considérer les forces transmises :
- \(\vec{F}_{contact} = \mu \cdot \vec{N}\)
- \(\vec{M}_{résistant} = \vec{r} \wedge \vec{F}_{contact}\)
Le train épicycloïdal permet des rapports de transmission compacts et variés.
• Méthode de Willis : Technique pour analyser les trains épicycloïdaux
• Rayons primitifs : Proportionnels aux nombres de dents
• Transmission : Conservation de la puissance mécanique
Système de suspension : Ensemble de composants reliant la roue au châssis pour absorber les vibrations.
Simplification du système à des articulations pivot :
- Bras triangulaires avec articulations sphériques
- Tige de suspension avec liaison pivot-glissant
- Barre de stabilisation avec liaison pivot
Calcul de la mobilité du système :
- \(m = 6(n-1) - \sum_{i=1}^{L} c_i + h\)
- \(n\) : nombre de solides, \(c_i\) : degrés de liaison
- \(h\) : hyperstatisme
Calcul des paramètres articulaires à partir de la position souhaitée :
- \(\vec{P}_{roue} = f(\theta_1, \theta_2, ..., \theta_n)\)
- Résolution du système non-linéaire
Les bras doivent respecter les longueurs constantes :
- \(||\vec{AB}|| = L_{constante}\)
- \(||\vec{BC}|| = L_{constante}\)
Appliquer la loi de composition des vitesses :
- \(\vec{v}_{roue} = \vec{v}_{pivot} + \vec{\Omega}_{bras} \wedge \vec{pivot-roue}\)
La suspension contrôle précisément la position de la roue par rapport au véhicule.
• Modélisation : Remplacer les composants réels par des modèles cinématiques
• Contraintes : Respecter les liaisons géométriques
• Inversion : Utiliser des méthodes numériques pour résoudre les systèmes non linéaires
Robot manipulateur : Bras articulé avec plusieurs degrés de liberté pour effectuer des tâches précises.
Attribution systématique des repères :
- L'axe \(z_i\) suit l'axe de l'articulation i
- L'axe \(x_i\) perpendiculaire à \(z_{i-1}\) et \(z_i\)
- Origine au point d'intersection des perpendiculaires
Pour chaque articulation i :
- \(T_i^{i-1} = \begin{bmatrix} \cos\theta_i & -\sin\theta_i\cos\alpha_i & \sin\theta_i\sin\alpha_i & a_i\cos\theta_i \\ \sin\theta_i & \cos\theta_i\cos\alpha_i & -\cos\theta_i\sin\alpha_i & a_i\sin\theta_i \\ 0 & \sin\alpha_i & \cos\alpha_i & d_i \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}\)
Calcul de la position de l'effecteur :
- \(T_6^0 = T_1^0 \cdot T_2^1 \cdot T_3^2 \cdot T_4^3 \cdot T_5^4 \cdot T_6^5\)
- \(\vec{P}_{effecteur} = f(\theta_1, \theta_2, ..., \theta_6)\)
Calcul des angles à partir de la position souhaitée :
- \(\vec{\theta} = f^{-1}(\vec{P}_{souhaité})\)
- Résolution analytique ou numérique
Relation entre vitesses articulaires et vitesses opérationnelles :
- \(\begin{bmatrix} \vec{v} \\ \vec{\omega} \end{bmatrix} = J(\vec{\theta}) \cdot \dot{\vec{\theta}}\)
- \(J = \frac{\partial f}{\partial \vec{\theta}}\)
Le robot est contrôlé par son modèle cinématique direct et inverse.
• Convention DH : Méthode systématique pour modéliser les chaînes cinématiques
• directe : Calcul de la position de l'effecteur à partir des angles
• inverse : Calcul des angles à partir de la position souhaitée
- Fermeture de boucle : Équations basées sur la géométrie du mécanisme
- Approche matricielle : Utilisation de matrices de transformation
- Méthode graphique : Construction géométrique des vitesses
- Approche analytique : Dérivation des équations de position
- Méthodes numériques : Résolution par algorithmes itératifs
- Chaque boucle cinématique fournit 3 équations (2 en position, 1 en orientation)
- Le nombre d'équations doit égaliser le nombre d'inconnues
- Les solutions peuvent être multiples (configurations différentes)
- Les singularités correspondent à des configurations où le mécanisme perd un degré de liberté
- La validation est cruciale pour garantir la fiabilité des résultats