Robots manipulateurs à articulations flexibles – modélisation et commande

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Résumé

Le développement actuel de robots manipulateurs dédiés à l’interaction avec l’homme permet d’envisager des scénarios d’assistance pour lesquels l’homme et le robot partagent un même espace de travail, aussi bien dans le contexte industriel de production que dans les domaines d’aide à la personne. Les flexibilités des structures mécaniques, innovantes et légères, conçues à cet effet, peuvent constituer une source de limitations dynamiques pour la commande en position de tels robots, tout comme des robots industriels sous charge importante, en particulier lorsque les informations provenant de capteurs moteur sont seules disponibles.
La problématique traitée dans cette thèse concerne la commande de mouvement de robots ma-nipulateurs à articulations flexibles à partir des seules mesures moteur, devant être performante malgré la présence des flexibilités, et compatible avec un scénario de fonctionnement interactif.
Le premier objectif de performance est atteint grâce à l’identification expérimentale d’un modèle flexible représentatif du système, et l’usage de ce modèle pour la synthèse de lois de commande prédictives et robustes. La procédure d’identification expérimentale mise en œuvre résulte en une caractérisation du système flexible dans le domaine fréquentiel adaptée à la synthèse de lois de commandes robustes. Afin de satisfaire à la fois les spécifications de performance en suivi de trajectoire, d’amortissement et de robustesse en stabilité, une structure de commande cascade est ensuite envisagée, composée d’une boucle interne amortissante, et d’une boucle externe mettant en œuvre des stratégies de commande prédictive et robuste. Les aspects prédictifs et robustes sont abordés à travers deux approches complémentaires fondées sur la commande prédictive de type GPC (Generalized Predictive Control) et la commande H∞. Des méthodes permettant d’une part de tenir compte de gabarits fréquentiels pour la robustification dans le cadre de la synthèse GPC, et d’autre part d’introduire un comportement anticipatif dans la synthèse H∞ sont présentées. Les performances de ces deux stratégies sont analysées à travers une évaluation expérimentale des lois de commande ainsi synthétisées.
Le deuxième objectif de sécurité est abordé à travers un algorithme de détection de collisions du robot avec son environnement sans capteur d’effort et en présence d’incertitudes de modélisation. Afin de séparer efficacement les effets dynamiques des collisions de ceux des erreurs de modélisa-tion, une stratégie de filtrage et de décision tenant compte de l’état du système est proposée. Afin de rendre la méthode proposée robuste aux variations paramétriques du système et de s’affran-chir d’un nombre élevé d’expérimentations, une procédure d’adaptation en ligne des paramètres des filtres est mise en place. La validation expérimentale montre une très bonne sensibilité de détection, compatible avec les normes et les recommandations de sécurité relatives à la robotique collaborative.

Contexte de l’étude

Les nombreuses applications potentielles dans les domaines industriel, spatial, médical ou de service placent aujourd’hui l’interaction homme-robot (Human Robot Interaction, HRI) au cœur de la recherche robotique (Goodrich et Schultz, 2007). Au croisement de domaines d’ingénierie, d’informatique, des sciences sociales et cognitives, ce champ de recherche pluri-disciplinaire a pour objectif la conception de systèmes robotiques dédiés à un fonctionnement interactif, ainsi que l’étude et l’évaluation de ces systèmes dans leur usage par l’homme.
La notion d’interaction est indissociable d’une communication entre l’homme et le robot, qui peut prendre différentes formes selon le contexte et s’établir notamment par le biais de signaux visuels ou auditifs, interfaces haptiques (à retour d’effort ou tactiles) ou neuronales. La proximité spatiale entre l’humain et le robot est l’un des critères fondamentaux définissant les modalités de cette communication. Ainsi, on parle de télé-opération ou télé-manipulation en cas d’interaction à distance, tandis que le partage d’un même espace par l’homme et le robot pose le problème de l’interaction physique (De Santis et al., 2008).
Cette dernière forme d’interaction présente un fort potentiel d’application dans le milieu industriel pour la réalisation collaborative de tâches complexes (EUROP, 2009). En effet, tandis que les machine-outils et les robots traditionnels sont utilisés pour effectuer des tâches spécialisées pré-programmées de façon autonome et dans un environnement isolé,
procédés ne sont que partiellement automatisables. Ils requièrent par exemple des reconfigurations
ou interventions fréquentes de la part de l’opérateur humain, et dépendent de ses
capacités de perception, d’interprétation, de décision et d’apprentissage qui constituent son
savoir-faire. Sont concernées en particulier les productions de faible ou moyen volume qui ne
justifient pas le développement d’un robot spécialisé (Fig. 1.1) ou des tâches présentant une
forte variabilité intrinsèque (Hägele et al., 2002).
Les applications visées par la robotique interactive dans le milieu industriel sont donc fondamentalement
différentes de celles qui ont motivé la conception des robots industriels traditionnels.
Les besoins spécifiques de l’interaction, vis-à-vis notamment de la sécurité, ont
conduit au développement d’une catégorie particulière de robots manipulateurs. Ces robots
se distinguent par leurs caractéristiques mécaniques et posent également des problèmes de
commande spécifiques.

Assistant robotique en milieu industriel

Afin d’étudier plus en détail les fonctionnalités attendues des robots manipulateurs dans le contexte d’assistance dans le milieu industriel, nous considérerons dans la suite un fonctionnement de type « troisième bras » sur un poste de travail, où le robot peut réaliser des tâches aussi bien en mode autonome qu’en collaboration directe avec l’opérateur (Fig. 1.2).
Tandis que les manipulateurs industriels sont traditionnellement conçus dans l’objectif principal de précision et de rapidité dans un environnement structuré et isolé de l’homme, les robots interactifs destinés à évoluer dans un environnement ouvert doivent avant tout être sûrs. Sont notamment recherchées des propriétés de sécurité intrinsèque du robot et une réactivité vis-à-vis de son environnement physique (Table 1.1). Ces spécifications ont à la fois des conséquences sur la conception mécanique de robots manipulateurs interactifs et leur commande.

Table des matières

1 Introduction
1.1 Contexte de l’étude
1.1.1 Assistant robotique en milieu industriel
1.1.2 Des robots légers et flexibles
1.2 Objectifs de la thèse
1.2.1 Dispositif expérimental – le robot ASSIST
1.2.2 Cahier des charges
1.2.2.1 Commande de mouvement
1.2.2.2 Interaction sûre
1.2.3 Problématiques de recherche
1.3 Organisation du document
2 Robots manipulateurs à articulations flexibles – modélisation et commande
2.1 Modèles de robots manipulateurs
2.1.1 Terminologie générale
2.1.2 Robots à corps et articulations rigides
2.1.2.1 Description géométrique
2.1.2.2 Modèle dynamique rigide
2.1.3 Robots à corps rigides et articulations flexibles
2.1.3.1 Origine des flexibilités
2.1.3.2 Modèles dynamiques à articulations flexibles
2.2 Commande de robots à articulations flexibles
2.2.1 Approche par perturbation singulière
2.2.2 Linéarisation et compensations
2.2.2.1 Linéarisation par bouclage
2.2.2.2 Commande autour d’une trajectoire
2.2.2.3 Compensation de gravité
2.2.3 Approches de commande particulières
2.2.3.1 Contrôle de vibrations
2.2.3.2 Commande adaptative
2.2.3.3 Commande robuste
2.2.3.4 Mesures réduites et observateurs
2.2.3.5 Autres approches de commande
2.3 Discussion
3 Identification pour la commande de robots à articulations flexibles
3.1 Méthodes d’identification de robots manipulateurs
3.1.1 Identification de robots rigides
3.1.2 Identification de robots à articulations flexibles
3.1.2.1 Identification à partir de mesures complémentaires
3.1.2.2 Identification à partir de mesures moteur seules
3.1.2.3 Discussion
3.2 Analyse du système expérimental
3.2.1 Principe d’actionnement
3.2.2 Evaluation de la linéarité des transmissions
3.3 Approche d’identification pour la commande
3.3.1 Objectifs et modélisation
3.3.1.1 Motivations et résumé de la méthode proposée
3.3.1.2 Pré-compensation rigide
3.3.2 Identification
3.3.2.1 Mise en place du protocole expérimental
3.3.2.2 Estimations de réponses fréquentielles multivariables
3.3.2.3 Identification des paramètres flexibles
3.3.3 Application au robot ASSIST
3.3.3.1 Protocole expérimental
3.3.3.2 Résultats expérimentaux
3.3.3.3 Caractérisation des incertitudes
3.4 Conclusion
4 Commande de mouvements prédictive robuste
4.1 Position du problème de commande
4.1.1 Exemple introductif
4.1.2 Structure générale de commande proposée
4.1.2.1 Approche de commande générale
4.1.2.2 Structure cascade pour l’amortissement de vibrations
4.1.3 Cahier des charges de la boucle de commande externe
4.1.3.1 Suivi de trajectoire articulaire
4.1.3.2 Fonctions de transferts d’intérêt
4.2 Commande prédictive robuste
4.2.1 Commande prédictive et robotique
4.2.1.1 Principe général
4.2.1.2 Applications en robotique
4.2.2 Commande prédictive de type GPC
4.2.2.1 Méthode de synthèse
4.2.2.2 Robustification de lois de commande GPC
4.2.3 Application au cas du robot ASSIST
4.2.3.1 Synthèse à partir du modèle double intégrateur
4.2.3.2 Application de lois de commande robustifiées
4.3 Commande H1 pour le suivi de trajectoire
4.3.1 Applications de la commande H1 en robotique
4.3.2 Commande H1 classique
4.3.2.1 Approche standard
4.3.2.2 Application au cas du robot ASSIST
4.3.3 Commande à deux degrés de liberté et anticipation
4.3.3.1 Principe général et exemples
4.3.3.2 Application au cas du robot ASSIST
4.4 Comparaison expérimentale
4.4.1 Suivi moteur
4.4.2 Rejet de perturbations au niveau de l’effecteur du robot
4.5 Conclusion
5 Vers une interaction sûre avec l’opérateur humain
5.1 Robots collaboratifs et sécurité
5.1.1 Evaluation des risques
5.1.2 Méthodes de détection de collision
5.2 Détection de collision sous incertitudes de modélisation
5.2.1 Nécessité de méthodes avancées de détection
5.2.1.1 Exemple introductif
5.2.1.2 Analyse de la génération de résidus
5.2.2 Méthode proposée
5.2.2.1 Modélisation du résidu
5.2.2.2 Evaluation du résidu – filtrage et seuil dynamique
5.2.2.3 Formulation récursive
5.2.3 Mise en oeuvre expérimentale
5.2.3.1 Réglages et analyse préliminaire
5.2.3.2 Caractérisation expérimentale de la sensibilité
5.3 Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie
Publications personnelles
Annexe A Dispositif expérimental et pré-déterminations
A.1 Dispositif expérimental
A.2 Paramètres des corps rigides
A.2.1 Description géométrique
A.2.2 Paramètres dynamiques du robot 2 axes
A.3 Dispositif expérimental de mesure externe
Annexe B Effets de pré-compensations – étude des systèmes linéarisés
B.1 Forme d’état en fonction de et q
B.1.1 Linéarisation
B.1.2 Evaluation d’une pré-compensations fondée sur le modèle rigide
B.2 Forme d’état en fonction de
Annexe C Outils mathématiques
Annexe D Paramétrisation de Youla
Annexe E Critères de sécurité

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