Etude et commande floue d'actionneurs à muscles artificiels de McKibben appliqués à la motorisation de robots manipulateurs PDF Download
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Book Description
Les bras manipulateurs sont généralement des machines très rigides destinées à des taches de grande précision. Cette rigidité structurelle, souhaitée par le concepteur et obtenue par la conjonction d'une grande rigidité des corps du robot et de leurs actionneurs, restreint cependant l'utilisation du robot à un cadre industriel. Or, il existe de nombreuses applications potentielles de la robotique qui exigent un partage de la tache entre le robot lui-même et un ou des opérateurs humains. Cette robotique qualifiée de robotique de service ne peut pas admettre la grande rigidité des robots industriels classiques qui devient, dans un environnement ouvert à l'homme, un facteur de grande dangerosité. Cette thèse s'inscrit dans ce thème. Le groupe d'automatique et de robotique industrielle (GARI/LESIA) développe depuis plusieurs années des bras manipulateurs actionnés par des systèmes pneumatiques contractiles : les muscles artificiels de Mckibben. Ces bras manipulateurs sont constitués de plusieurs actionneurs assurant chacun un degré de liberté en rotation par la mise en antagonisme de deux muscles artificiels sur le modèle biceps/triceps de l'articulation du coude. Dans ce mémoire l'analogie entre le muscle biologique et le muscle de Mckibben permet de préciser la notion de muscle artificiel. Ainsi, une version mécanochimique du muscle de Mckibben qui utilise une énergie similaire à celle du muscle biologique est développée. Cette analogie est ensuite étendue à l'articulation du coude et à l'actionneur rotoide afin de transposer les stratégies de commande de l'articulation du coude à l'actionneur rotoide. Des algorithmes de commande utilisant les principes de la logique floue sont étudiés afin de contrôler l'actionneur. Enfin, ces algorithmes sont valides expérimentalement lors de la commande d'un robot de type SCARA à deux degrés de liberté et leurs performances sont comparées à celles d'une loi de commande non-linéaire en régime glissant.
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Les bras manipulateurs sont généralement des machines très rigides destinées à des taches de grande précision. Cette rigidité structurelle, souhaitée par le concepteur et obtenue par la conjonction d'une grande rigidité des corps du robot et de leurs actionneurs, restreint cependant l'utilisation du robot à un cadre industriel. Or, il existe de nombreuses applications potentielles de la robotique qui exigent un partage de la tache entre le robot lui-même et un ou des opérateurs humains. Cette robotique qualifiée de robotique de service ne peut pas admettre la grande rigidité des robots industriels classiques qui devient, dans un environnement ouvert à l'homme, un facteur de grande dangerosité. Cette thèse s'inscrit dans ce thème. Le groupe d'automatique et de robotique industrielle (GARI/LESIA) développe depuis plusieurs années des bras manipulateurs actionnés par des systèmes pneumatiques contractiles : les muscles artificiels de Mckibben. Ces bras manipulateurs sont constitués de plusieurs actionneurs assurant chacun un degré de liberté en rotation par la mise en antagonisme de deux muscles artificiels sur le modèle biceps/triceps de l'articulation du coude. Dans ce mémoire l'analogie entre le muscle biologique et le muscle de Mckibben permet de préciser la notion de muscle artificiel. Ainsi, une version mécanochimique du muscle de Mckibben qui utilise une énergie similaire à celle du muscle biologique est développée. Cette analogie est ensuite étendue à l'articulation du coude et à l'actionneur rotoide afin de transposer les stratégies de commande de l'articulation du coude à l'actionneur rotoide. Des algorithmes de commande utilisant les principes de la logique floue sont étudiés afin de contrôler l'actionneur. Enfin, ces algorithmes sont valides expérimentalement lors de la commande d'un robot de type SCARA à deux degrés de liberté et leurs performances sont comparées à celles d'une loi de commande non-linéaire en régime glissant.
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L’expérience du laboratoire en matière de muscles artificiels pneumatiques pour la robotique est appliquée au développement de mini-actionneurs à muscles artificiels destinés à des systèmes robotiques miniatures. Le domaine de la robotique médicale est tout particulièrement visé. Le but de ce travail est de mettre au point et développer des actionneurs dont les caractéristiques et les performances correspondent à ceux présentés par les muscles naturels. Ces actionneurs seront utilisés dans le domaine de la robotique et dans le domaine médical. Ainsi, dans un premier temps on s’est intéressé au développement et à l’étude du muscle artificiel pneumatique de McKibben. Il s’agit d’un type d’actionneur très performant, présentant des propriétés satisfaisantes, se rapprochant énormément de celles des muscles naturels. De ce fait, leur utilisation dans le domaine de la robotique est très avantageuse. Cependant, la source énergétique qu’ils utilisent - l’air comprimé – présente un sérieux frein vis-à-vis d’une utilisation flexible ou médicale. De ce fait, dans un deuxième temps, on a adapté ces muscles de McKibben au domaine biomédical en remplaçant l’air comprimé par des résines échangeuses d’ions ou des hydrogels. On a ainsi développé et étudié des muscles mécanochimiques basés sur des muscles de McKibben
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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
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CETTE THESE TRAITE DE LA REALISATION D'UN BRAS DE ROBOT ORIGINAL A 7 DEGRES DE LIBERTE ENTIEREMENT ACTIONNE PAR DES MUSCLES ARTIFICIELS PNEUMATIQUES DE MCKIBBEN. LE BRAS ROBOT ANTHROPOMORPHE A ETE REALISE A PARTIR D'UNE ANALYSE PHYSIOLOGIQUE DES ARTICULATIONS DU BRAS HUMAIN. SON MODELE SE LIMITE A UNE CHAINE DE 7 DEGRES DE LIBERTE BASEE SUR UNE ANALYSE GLOBALE DES MOUVEMENTS DE L'ENSEMBLE EPAULE-COUDE-POIGNET. L'ORIGINALITE DE NOTRE TRAVAIL CONSISTE DANS LA NECESSITE D'ADAPTER LES ACTIONNEURS A DEUX MUSCLES ANTAGONISTES A UNE SRTUCTURE DE BRAS DE ROBOT. CONTRAIREMENT AUX MOTEURS A COURANT CONTINU ACTIONNANT HABITUELLEMENT LES ARTICULATIONS DES ROBOTS, LES MUSCLES ARTIFICIELS IMPLIQUENT UNE COMMANDE A ENTRAINEMENT DIRECTE DES ARTICULATIONS ET DES DEBATTEMENTS ARTICULAIRES LIMITES. CES LIMITATIONS ARTICULAIRES SONT PARTICULIEREMENT SEVERES AU POIGNET. PAR CONSEQUENT, ET D'UNE FACON PROCHE, LA STRUCTURE REDONDANTE A 7 DEGRES DE LIBERTE EST UTILISEE POUR DEPASSER LES LIMITATIONS IMPOSEES PAR LE CHOIX DES ACTIONNEURS. UN EFFORT PARTICULIER A ETE FAIT POUR TROUVER LA MEILLEUR TECHNIQUE DE RESOLUTION DE LA REDONDANCE ET DEPASSER LES LIMITES ARTICULAIRES SEVERES DU POIGNET. LA REDONDANCE DU BRAS PEUT ETRE PHYSIQUEMENT INTERPRETEE PAR UN MOUVEMENT PROPRE QUI EST UN MOUVEMENT CONTINU DES ARTICULATIONS QUI LAISSE L'EFFECTEUR DU ROBOT DANS LA MEME POSITION ET ORIENTATION. CE MOUVEMENT DEFINIT LA SPECIFICITE DU BRAS ANTHROPOMORPHE A 7 DEGRES DE LIBERTE PAR RAPPORT AUX ROBOTS INDUSTRIELS NON REDONDANTS A 6 DEGRES DE LIBERTE. LA COMMANDE DU ROBOT EST BASEE SUR UNE APPROCHE DE LA RESOLUTION DE LA REDONDANCE A TRAVERS L'AUGMENTATION DU MODELE CINEMATIQUE DIRECTE PAR UN ENSEMBLE DE FONCTIONS CINEMATIQUES DEFINIES PAR EXEMPLE PAR L'ANGLE DE POSTURE OU LE CONTROLE DES LIMITES ARTICULAIRES.
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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.
Author: Dominique Vial
Author: Dominique Vial
Author: Dominique Vial
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Author: Mustapha Hamerlain
Author: MIREILLE.. CONSCIENCE
Author: Florent Forget