Intégration des informations tactiles et motrices. Contrôle du bras robotique par
admittance

Le bras robotique

Au cours de nos expérimentations, nous utilisons le bras robotique Jaco© conçu et développé par l’entreprise Kinova. Les sept degrés de liberté (DoF) se réfèrent à six mouvements dans l’espace en trois dimensions (de haut en bas, à gauche et à droite, avant-arrière – 3 DoF), six mouvements du poignet (abduction et adduction, flexion et extension, pronation et supination – 3 DoF) et l’ouverture et la fermeture des trois doigts (1 DoF) (Maheu et al. [2011]). Chaque axe est contrôlé indépendamment par un moteur à courant continu sans balais couplé à un système d’engrenages Harmonic Drive© (cf. la table 3.1). Le micrologiciel embarqué du bras Jaco© offre un contrôle de trajectoire en coordonnées cartésiennes ou polaires qui mesure les positions et qui calcule l’erreur de trajectoire tous les 10ms. Il apporte également une couche de sécurité supplémentaire sur chaque axe et sur chaque doigt. FIGURE 3.1 – Le bras Jaco© utilisé dans nos expériences. Dans nos travaux, nous utilisons uniquement les coordonnées polaires pour le contrôle de position. La vitesse de chaque moteur est commandée par un contrôleur de haut niveau du bras, par conséquent, celle-ci ne peut pas être contrôlée directement. Le micrologiciel du robot réalise un contrôle redondant des erreurs dans les articulations et dans le système de contrôle mais aussi l’évitement de singularités. En ce qui concerne les capteurs, chaque actionneur du bras et des doigts est équipé de capteurs de courant à effet Hall, de position absolue et de température.

Le capteur tactile « peau artificielle »

Afin de concevoir la peau artificielle pour notre robot, nous avons présenté un système à faible coût basé sur la méthode de Tomographie d’Impédance Electrique (TIE) pour l’acquisition de  données à partir du tissu conducteur (cf. le chapitre 1.3.2). Les propriétés du tissu conducteur Velostat ont été présenté dans le chapitre 2.2. Dans ces expériences, nous allons utiliser le tissu conducteur découpé selon une forme rectangulaire de dimensions 250 × 320mm. Seize électrodes sont fixées de manière uniforme le long du périmètre du matériau conducteur. Afin d’estimer la distribution de la conductivité et de la permittivité électrique dans un matériau conducteur, nous avons appliqué la méthode par voisinage présenté dans le chapitre 1.3.1. De la même façon que nous l’avons présenté dans les chapitres précédents, nous utilisons un circuit multiplexeur / démultiplexeur pour récupérer le champ électrique de la distribution de résistance à partir des électrodes appariées injectant un courant continu (200µA) et des électrodes mesurant la tension de sortie du tissu conducteur (cf. la figure 3.3 (a)). Un microcontrôleur contrôle l’injection de courant et la mesure des motifs de tensions de sortie. Il exécute une conversion analogique / numérique de 12 bits. Les motifs spatiaux du contact tactile sont acquis et localisés à la fréquence de 45Hz. 

Montage

Afin de mettre la peau artificielle sur le bras robotique, nous avons développé un modèle de la coque du bras qui a été imprimé, par la suite, sur une imprimante 3D. La figure 3.2 présente les étapes du montage incluant l’impression de pièces de la coque, l’assemblage et la connexion des fils électriques (les électrodes). Nous montrons sur la figure 3.3 (b) le bras Jaco dont une articulation est couverte par le capteur tactile développé. Cette articulation (l’avant-bras) a été choisie pour son utilisation pratique lors de l’interaction physique homme-robot. Par la suite, nous prévoyons de recouvrir l’ensemble du bras avec de la peau. FIGURE 3.2 – Les étapes préparatoires pour le montage de la peau artificielle sur le bras Jaco. (a) (b) FIGURE 3.3 – Installation expérimentale : (a) – le tissu conducteur à plat avec les électrodes et le stimulus de calibration ; (b) – une articulation du robot recouverte avec le tissu conducteur. 

Méthodes

Dans la théorie du contrôle, le contrôle de l’interaction est une approche générale utilisée pour reproduire le comportement dynamique du robot avec l’environnement (Hogan [1985]), dont les formes les plus courantes sont la commande par impédance et la commande par admittance. D’après Hogan and Buerger [2005], une impédance mécanique au niveau d’un port est un opérateur dynamique qui détermine une force de sortie (couple) à partir d’une vitesse d’entrée (vitesse angulaire) dans le même port. L’admittance mécanique à un port est un opérateur dynamique qui détermine une vitesse de sortie (vitesse angulaire) à partir d’une force (couple) sur le même port. Bien que nous soyons conditionnellement libres d’utiliser tout type de contrôle de l’interaction, il est souvent difficile de faire se déplacer un robot comme un ressort (ou impédance), alors qu’il est généralement plus facile de le faire bouger comme une masse (ou admittance), ce qui est un argument pour la commande par admittance (Newman [1992]). Du point de vue du système, le contrôleur d’impédance prend en entrée un déplacement et fournit en sortie une force. Les dispositifs commandés par impédance devraient idéalement avoir une faible inertie et une faible force de frottement ainsi qu’aucune imperfection matérielle puisque l’utilisateur va sentir ces forces si elles ne sont pas compensées de manière adéquate (Lecours et al. [2012]). Ceci conduit à privilégier un contrôleur d’admittance qui n’est pas soumis à ces contraintes. En effet, ce type de contrôleur prend en entrée une force et fournit en sortie un déplacement. La commande par admittance peut être combinée avec d’autres techniques pour améliorer le contrôle dans un environnement bruité (Gullapalli et al. [1992]). Dans cette section, nous présentons deux contrôleurs par admittance : (1) un contrôleur classique utilisant les couples articulaires mesurés et (2) un contrôleur neuronal utilisant un perceptron pour prédire les couples articulaires associés à l’information tactile de la peau artificielle.