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La réalisation de tâches de manipulation dextres requiert une complexité aussi bien dans la conception de préhenseur robotique que dans la synthèse de leurs lois de commande. Une optimisation de la mécatronique de ces systèmes permet de répondre aux contraintes d'intégration fonctionnelle en se passant de capteurs de force terminaux. L'utilisation de mécanismes réversibles rend alors possible la détermination du positionnement du système dans l'espace libre et la détection de son interaction avec les objets manipulés, grâce aux mesures proprioceptives inhérentes aux actionneurs électriques. L'objectif de cette thèse est de parvenir synthétiser, dans le contexte articulaire (un degré-de-liberté), une commande adaptée à la manipulation en tenant compte de ces particularités mécaniques. La méthode proposée est basée sur une commande robuste par rapport aux non-linéarités structurelles dues aux effets gravitationnels et aux frottements secs d'une part et par rapport aux rigidités variables des objets manipulés. L'approche choisie nécessite la connaissance précise de la configuration du système étudié à chaque instant. Une représentation dynamique de son comportement permet de synthétiser un capteur logiciel pour l'estimation des grandeurs indispensables à la commande. Ces différentes étapes sont validées par des essais expérimentaux pour justifier la démarche choisie menant à une commande adaptée à la manipulation d'objets.
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LA THESE EXPOSE UNE NOUVELLE APPROCHE DE MODELISATION DES MECANISMES DE CORPS ELASTIQUES BASEE SUR UNE GENERALISATION DES MODELES DE TYPE NEWTON-EULER ACTUELLEMENT RESTREINTS AU CAS DES ROBOTS RIGIDES. A PARTIR D'UN TEL MODELE ACCESSIBLE A LA MAIN MAIS INEXPLOITABLE POUR LA SIMULATION, ON PROCEDE A L'OPERATION D'ASSEMBLAGE, DONT DEUX VARIANTES SONT PROPOSEES: LA PREMIERE SYMBOLIQUE, NECESSITE L'AIDE D'UN LOGICIEL DE CALCUL FORMEL, LA SECONDE PUREMENT NUMERIQUE, CONSTITUE A NOTRE CONNAISSANCE UNE PREMIERE DANS LE DOMAINE DE LA SIMULATION DES MECANISMES DEFORMABLES ET EST ILLUSTREE PAR DES RESULTATS OBTENUS SUR DES CINEMATIQUES COMPRENANT JUSQU'A TROIS SEGMENTS. DANS UN SECOND TEMPS LE PROBLEME DE COMMANDE EST ABORDE. ON COMMENCE PAR UNE SYNTHESE DE RESULTATS D'AUTOMATIQUE NON LINEAIRE APPLIQUES NOTAMMENT AU CAS DES ROBOTS RIGIDES. PUIS ON ENVISAGE DE TESTER UNE LOI DE COMMANDE NON LINEAIRE, PRENANT EN CHARGE DE GUIDER LA DYNAMIQUE RIGIDE DU ROBOT, SUPERPOSEE A UNE COMMANDE LINEAIRE D'AMORTISSEMENT ACTIF AYANT POUR ROLE DE POMPER L'ENERGIE DU PREMIER MODE DE LA STRUCTURE. DES RESULTATS DE LA SIMULATION DE CETTE COMMANDE SUR DES CINEMATIQUES BISEGMENTS PLANES ET SPATIALES SONT RAPPORTES. FINALEMENT L'EXPOSE S'ACHEVE PAR UNE PROPOSITION DE COMMANDE D'UN ROBOT AVEC ARTICULATIONS ET SEGMENTS SOUPLES. ICI ENCORE LE SCHEMA EST TESTE EN SIMULATION
Author: João Mauricio Rosario Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages :
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La demande industrielle de robots plus légers, plus souples et économiquement compétitifs induit la recherche de solutions offrant des performances intéressantes tout en restant financièrement abordables pour les applications industrielles. Les travaux présentés dans cette thèse contribuent à cette approche et à leur application sur un robot 6R. Trois problèmes essentiels ont été traités dans ce travail: 1) la modélisation géométrique et dynamique du robot étudié, ce qui a permis la simulation dynamique du robot et de sa commande; 2) l'étude de la faisabilité d'un type d'asservissement de position par plus ou moins a seuil variable, utilisant de la logique pure supportée par un matériel performant (EPLD). Contrairement aux asservissements classiques qui utilisent des composants analogiques, les moteurs à courant continue du robot ainsi commandés par des impulsions logiques. De cette manière, nous nous affranchissons des convertisseurs numérique/analogique et analogique/numérique, ce qui permet une attaque directe au niveau actionneur; 3) l'évaluation des performances du robot (statiques et dynamiques), et l'identification des principaux paramètres du robot afin de permettre la validation de son modèle et la caractérisation du régulateur proposé
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Les robots industriels représentent un moyen de production sophistiqués pour l'industrie manufacturière d'aujourd'hui. Ces manipulateurs sont plus agiles, plus flexibles et moins coûteux que les machines-outils spécialisées. L'exploitation de ces avantages fait l'objet d'une demande croissante de l'industrie. La dynamique de ces manipulateurs est soumise à des nombreuses sources d'imprécision. En effet les défauts de la chaîne de transmission, ou encore les éléments de liaisons peuvent être le siège de déformations et de vibrations dégradant sensiblement leur précision. Ces phénomènes physiques sont d'autant plus difficiles à compenser que seul un sous ensemble des états du système est mesuré par les codeurs moteurs. La structure de commande industrielle actuelle d'un robot n'agit donc pas directement sur ces phénomènes. Il est nécessaire alors de progresser sur le front de l'amélioration de la précision par l'adaptation de la commande à ces nouvelles exigences. Un état de l'art met en évidence un manque de travaux qui traitent de l'élaboration d'anticipations adaptées aux axes d'un robot et intégrant les phénomènes de déformation. En outre, la planification de trajectoire n'est classiquement pas remise en cause et peu évoquée. Elle représente pourtant un moyen d'action éprouvé afin d'améliorer les performances dynamiques en suivi de profil. L'approche proposée dans ce mémoire se veut une alternative à ces méthodes. Elle est basée sur une exploitation d'un modèle dynamique représentatif et détaillé. Il intègre les principaux phénomènes physiques mis en évidence tels que les effets de la gravité, les systèmes mécaniques de compensation, les forces de frottement et la flexibilité articulaire. Cette modélisation associée à des méthodes d'identification expérimentale est exploitée afin de déduire une structure de commande. Elle permet la réduction des déformations élastiques et des vibrations par une action sur la précommande et sur la loi de mouvement adaptée. Ainsi, nous introduisons une méthode d'estimation non asymptotique appliquée en robotique, afin d'estimer rapidement les paramètres vibratoires de ce dernier et contribue à une réactualisation des modèles exploités. Des résultats expérimentaux montrent que cette méthodologie mène à une amélioration des performances de positionnement par rapport à la commande industrielle.
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Les problématiques de recherche abordées dans cette thèse concernent la conceptualisation, la modélisation et la commande générique des robots mobiles lors de leur évolution en milieux extérieurs et en présence de glissement pour des applications de suivi de précision. Ainsi, ce mémoire synthétise dans un premier temps les développements et résultats obtenus lors du suivi de trajectoire (localisation absolue), puis synthétise ensuite ceux obtenus lors de suivi de structure et de cible (localisation relative). Une dernière partie introduit un concept de plateforme robotique reconfigurable et sa commande associée pour adapter l'assiette et les dimensions du châssis en fonction de la topographie du terrain.Pour chaque application de suivi, ce mémoire présente un panel de lois de commande originales pour des robots différentiels, à un train et à deux trains directeurs. Chaque modalité de commande est présentée en quatre étapes : modélisation, estimation, commande et expérimentations. La première contribution majeure de la thèse concerne l'estimation du glissement. Cette dernière est adaptative et basée modèle. Elle intègre la modélisation cinématique étendue seule ou couplée à la modélisation dynamique du robot mobile pour assurer une estimation intègre quels que soient la vitesse, les phénomènes dynamiques rencontrés et la nature du sol. La seconde contribution majeure concerne le développement d'une stratégie de commande générique pour les robots mobiles. Cette stratégie est basée sur le principe de la commande en cascade (ou par backstepping) et est déclinée dans ce mémoire à travers un panel de lois de commande. Cette méthodologie de commande, lorsqu'elle est associée à l'observation du glissement précédent, permet d'obtenir des performances de suivi accrues quel que soit le contexte rencontré. L'ensemble des algorithmes ont été validés en simulation et/ou expérimentalement à l'aide de différentes plateformes robotiques en contextes réels.
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L'UTILISATION PRATIQUE DES RESULTATS OBTENUS DANS LES DOMAINES DE L'IDENTIFICATION ET DE LA COMMANDE DES ROBOTS SUPPOSE LA MESURE OU L'ESTIMATION PRECISE DES COUPLES ARTICULAIRES APPLIQUES A LA STRUCTURE, CE QUI NECESSITE UNE BONNE CONNAISSANCE DE LA CHAINE DE TRANSMISSION DE LA CONSIGNE DE COUPLE DU CONTROLEUR NUMERIQUE JUSQU'A L'ARTICULATION DU ROBOT. LES TRAVAUX DEVELOPPES DANS CETTE THESE CONCERNENT LA MODELISATION ET L'IDENTIFICATION DE L'ACTIONNEUR ELECTRIQUE (DYNAMIQUE, SATURATIONS DE L'ASSOCIATION CONVERTISSEUR MACHINE A COURANT CONTINU (MCC) ET MACHINE SYNCHRONE (MS), COMMANDE,) A TRAVERS TROIS THEMES PRINCIPAUX. -MODELISATION DE L'AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE QUI UTILISE LA TECHNIQUE DE LA MODULATION DE LARGEUR D'IMPULSION (MLI). DANS LE CAS D'UNE COMMANDE ANALOGIQUE UN MODELE GAIN PUR EST ETABLI AVEC UN CALCUL RIGOUREUX DES HARMONIQUES DE TENSION DEFINISSANT LES LIMITES DE VALIDITE DU MODELE. AVEC LA COMMANDE NUMERIQUE ON MONTRE QUE L'ECHANTILLONNEUR BLOQUEUR ASSOCIE A UNE MLI ANALOGIQUE CONSTITUE UNE BONNE APPROXIMATION DU MODELE PLUS FIN CALCULE AVEC L'APPROCHE FREQUENTIELLE. CES RESULTATS SONT ETENDUS A L'ETUDE DE L'ONDULEUR TRIPHASE PAR UN CALCUL DES HARMONIQUES DE LA TENSION DE LA MLI TRIPHASEE DANS LE REPERE D-Q EN REGIME EQUILIBRE ET DESEQUILIBRE ET LES HARMONIQUES DE COUPLE QUI EN DECOULENT. -IDENTIFICATION EXPERIMENTALE DES PARAMETRES DES MACHINES QUI UTILISE UNE METHODE ISSUE DE LA ROBOTIQUE BASEE SUR LE CALCUL ET LE SUIVI D'UN SIGNAL EXCITANT POUR AUGMENTER LA ROBUSTESSE DE L'IDENTIFICATION VIS A VIS DES PERTURBATIONS. DEUX APPROCHES SONT PROPOSEES: L'UNE PERMET D'IDENTIFIER GLOBALEMENT TOUS LES PARAMETRES ET L'AUTRE PROCEDE EN TROIS ETAPES, AVEC UNE AMELIORATION DE LA PRECISION DE L'ESTIMATION DES PARAMETRES. -MODELISATION SIMPLIFIEE DE L'ACTIONNEUR COMMANDE EN COURANT AVEC PRISE EN COMPTE DES SATURATIONS SIGNIFICATIVES SUR LES PERTES DE PERFORMANCES, CE QUI PERMET DE DIMINUER TRES NETTEMENT LE TEMPS DE SIMULATION. FINALEMENT, LES PARAMETRES IDENTIFIES SONT UTILISES POUR IMPLANTER UNE COMMANDE DYNAMIQUE EN TENSION DU ROBOT QUI S'AVERE PLUS PERFORMANTE QU'UNE COMMANDE DYNAMIQUE CLASSIQUE EN COUPLE
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La consommation énergétique des robots à pattes en régime dynamique rapide reste, de nos jours, un problème crucial. Dans bien des cas, en effet, l'augmentation des performances dynamiques d'un système détériore fortement ses performances énergétiques. L'approche ± roboticienneα couramment proposée pour tenter de résoudre ce dilemme consiste alors à élaborer des lois de commande - optimales ou non - nécessitant une formulation explicite du modèle dynamique du robot. De plus, le modèle de l'actionneur est souvent négligé car celui-ci est perçu comme un ± produit technologique α figé que l'on se procure sur étagère. C'est dans ce contexte que s'insère le travail présenté dans ce manuscrit. Après une mise en relief des aspects qui, de notre point de vue, limitent actuellement les performances dynamique et énergétique des robots à pattes en régime de fonctionnement rapide, le second chapitre mène à la proposition d'une ± approche actionneur α privilégiant d'une part, l'optimisation énergétique intrinsèque de la partie actionneur et, d'autre part, la modélisation numérique de l'ensemble de la partie mécanique de la structure. Cette approche numérique permet ainsi de s'affranchir de la détermination d'un modèle dynamique qui s'avère, dans bien des cas, éloigné de la réalité physique du système. Le troisième chapitre traite de la modélisation géométrique et des performances intrinsèques - i.e. sans commande - d'un actionneur quasi-résonant défini par l'association d'un mécanisme particulier et d'un moteur à courant continu. Après avoir mis en exergue les propriétés structurelles d'un tel actionneur au regard des autres familles d'actionneurs utilisés en robotique, le quatrième chapitre propose la mise en œuvre d'une commande dite symétrique exploitant la ± symétrie naturelle α du système et nécessitant uniquement la prise en compte du modèle géométrique de la partie mécanique de l'actionneur. Le phénomène de quasi-résonance est ainsi clairement mis en évidence et l'approche numérique est validée via un simulateur, défini au sein de notre travail, permettant d'interconnecter directement - avec la même syntaxe - la partie ± moteur / commande α et la partie mécanique de la structure de l'actionneur. L'intérêt de ce simulateur est double : il permet d'une part, de valider différentes commandes en prototypant le système dans son ensemble sans utiliser la modélisation dynamique du robot, et d'autre part, d'implémenter sans aucune modification ces commandes sur le prototype réel. Le cinquième chapitre exploite le principe de quasi-résonance défini et étudié dans ce manuscrit au travers des organes propulseurs d'un robot hybride. Suite à l'optimisation énergétique du mécanisme pantographique servant à la locomotion du robot, la commande symétrique est mise en œuvre sur la structure complète. Un ensemble de résultats obtenus avec l'approche actionneur et le simulateur numérique sont finalement donnés
Author: Maria Makarov Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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La problématique traitée dans cette thèse concerne la commande de robots manipulateurs à articulations flexibles. Les méthodes développées visent à satisfaire les spécifications de performance et de robustesse en suivi de trajectoire, ainsi qu'à assurer un niveau de sécurité compatible avec un scénario de fonctionnement interactif dans lequel l'homme et le robot partagent un même espace de travail. Seules les mesures moteur sont utilisées dans un contexte d'instrumentation réduite. Le premier objectif de performance de la commande de mouvement 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 avancées intégrées au sein d'une structure cascade. Deux approches complémentaires fondées d'une part sur la commande prédictive de type GPC (Generalized Predictive Control), et d'autre part sur la commande Hinfini, sont considérées pour la synthèse de lois de commande à deux degrés de liberté, prédictives et robustes. Les performances de ces deux approches sont analysées et évaluées expérimentalement. 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 modélisation, une stratégie adaptative de filtrage et de décision tenant compte de l'état du système est proposée. La validation expérimentale montre une très bonne sensibilité de détection, compatible avec les normes et les recommandations de sécurité relatives à la robotique collaborative.
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La robotique humanoïde pose des problèmes d'actionnement et de contrôle complexes tant ce domaine a des besoins spécifiques. Cela implique la conception de constructions mécatroniques avancées. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressé aux actionneurs de ces robots et avons porté une attention particulière aux systèmes présentant de bonnes capacités de compliance. Par compliance, on entend la faculté du système à s'adapter à son environnement en adoptant un comportement souple. Cette caractéristique est particulièrement recherchée pour les interactions homme-robot et pour rendre les contacts entre le robot et son environnement plus doux. Nous avons étudié deux systèmes en détails : le premier est un système à base de muscles artificiels pneumatiques de Mckibben et le second, un actionneur électrique à câble comportant une flexibilité. Nous avons développé et mis en oeuvre une architecture de contrôle pour la commande des deux systèmes. L'intérêt de cette architecture réside dans son caractère générique et dans son exploitation au sein d'un schéma de commande prédictive (Model predictive control). Nous avons ensuite étudié le comportement thermique d'un actionneur en vue d'exploiter le plein potentiel de ce système tout en garantissant son intégrité. Finalement, nous avons mené des développements afin d'améliorer le contrôle en couple articulaire du robot humanoïde Talos.
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LA LEGERETE ET LA SOUPLESSE DES ROBOTS MANIPULATEURS (CEUX UTILISANT DES ACTIONNEURS A MUSCLES ARTIFICIELS EN PARTICULIER) JUSTIFIENT LE RECOURS A DES ALGORITHMES DE COMMANDE ROBUSTES. LES CORRECTEURS A STRUCTURE VARIABLE TRAVAILLANT EN MODE DE GLISSEMENT SONT UNE SOLUTION AU PROBLEME DE LA COMMANDE DE SYSTEMES NON LINEAIRES. L'AUTEUR PRESENTE LE PRINCIPE D'UNE COMMANDE DISCONTINUE, ADAPTATIVE ET HIERARCHISEE. LA METHODOLOGIE EST DETAILLEE DANS LE CAS D'UN SYSTEME NON LINEAIRE A N AXES ET N ACTIONNEURS DANS UN ESPACE A 2N DIMENSIONS: SUR UNE HYPERSURFACE DE GLISSEMENT, LA DYNAMIQUE DU SYSTEME BOUCLE MULTIVARIABLE EST PLONGEE DANS CELLE D'UN SYSTEME REDUIT ET LIBRE. LES RESULTATS OBTENUS EN REGULATION ET EN POURSUITE SUR UN DEGRE DE LIBERTE PUIS SUR TROIS DEGRES DE LIBERTE MOTORISES PAR DES MUSCLES ARTIFICIELS PNEUMATIQUES SONT COMPARES A CEUX FOURNIS PAR UN ALGORITHME DE COMMANDE CLASSIQUE DE TYPE PID. LA VALIDITE DE CETTE TECHNIQUE DE COMMANDE EST CONFIRMEE PAR LES RESULTATS D'EXPERIMENTATION QUI MONTRENT SA ROBUSTESSE VIS-A-VIS DES INTERACTIONS ENTRE LES AXES, DE LA VARIATION DE LA CHARGE MANIPULEE, DE LA CONNAISSANCE INCERTAINE DE L'ORDRE DU SYSTEME ET DES PARAMETRES DYNAMIQUES. L'ANALYSE DE CETTE METHODOLOGIE EST REGROUPEE DANS DES TABLEAUX DE SYNTHESE QUI OFFRENT UN OUTIL DE BASE UTILE POUR LA COMMANDE DES SYSTEMES NON LINEAIRES
Author: Benoît Huard
Author: Frédéric Boyer
Author: João Mauricio Rosario
Author: Marouene Oueslati
Author: Mathieu Deremetz
Author: Pierre-Philippe Robet
Author: Jean-Pierre Louboutin
Author: Maria Makarov
Author: Florent Forget
Author: Mustapha Hamerlain