Dissertations / Theses on the topic 'Robots – Dynamique'

Ce travail résulte d'une collaboration entre l'IRCCyN et l'ONERA sur l'identification dynamique des robots à flexibilités articulaires, utilisés par exemple dans les applications de la robotique collaborative. La technique d'identification usuelle en robotique nécessite la mesure des positions moteurs et la mesure des déformations élastiques, non disponibles sur les robots industriels. Récemment, une nouvelle technique nommée DIDIM (Direct and Inverse Dynamic Identification Models), qui utilise uniquement la mesure des efforts moteurs, a été proposée et validée sur les robots rigides. Cette thèse propose une extension de DIDIM, qui n'utilise aucune mesure de position, aux cas des robots à flexibilités articulaires. On réalise d'abord une étude comparative sur un robot rigide 6 axes avec 61 paramètres, qui démontre la supériorité de DIDIM sur une méthode usuelle en boucle fermée à erreur de sortie en position (CLOE) : DIDIM converge 100 fois plus vite et est largement plus robuste vis à vis des erreurs sur les conditions initiales. Ensuite DIDIM est étendue aux robots à flexibilités articulaires avec une procédure en trois étapes : une identification du modèle rigide en basses fréquences, une identification du mode flexible et des inerties de part et d'autre de la flexibilité et enfin une identification globale précise du modèle dynamique flexible complet. Une validation expérimentale est réalisée sur un banc d'essai de robot un axe avec une flexibilité. Ensuite, une validation en simulation sur le robot 7 axes Kuka Light Weight Robot montre l'efficacité de la méthode DIDIM appliquée aux robots à flexibilités articulaires industriels, dans le cas où la commande est connue
This work is the result of collaboration between IRCCyN and ONERA on dynamic identification of robots with joint flexibilities, used for example in new applications for collaborative robotics. The usual identification technique in robotics requires the actual data of motor positions and the actual data of elastic deformations, which are usually not available in industrial robots. Recently, a new technique called DIDIM (Direct and Inverse Dynamic Identification Models), which uses only the data of motor torques, has been proposed and validated on rigid robots. This thesis proposes an extension of DIDIM, which uses no actual position data at all, to the case of robots with joint flexibilities. First, a comparative study on a rigid 6-axis robot with 61 parameters, shows the superiority of DIDIM over a conventional method CLOE (Closed- Loop Output Error) in position: DIDIM converges 100 times faster and is strongly more robust with respect to errors in the initial conditions. Second, DIDIM is extended to robots with joint flexibilities in a three steps procedure: a rigid model identification at low frequencies, an approximated identification of the flexible mode and of the inertia of each side of the flexibility, and finally the overall accurate identification of the full flexible dynamic model. A first experimental validation is performed on a test bench robot with one joint and one flexibility. A second validation in simulation on the 7 axes Kuka Light Weight Robot shows the effectiveness of DIDIM applied to industrial robots with joint flexibilities, in the case where the actual control law is known

Cette thèse se place dans le cadre du projet Robot-Anguille, qui regroupe six laboratoires français. L'objectif du projet est de concevoir, étudier et réaliser un robot "anguille" ou "serpent-nageur" capable de se déplacer dans un espace à 3 dimensions.

A travers cet objectif, la thèse se porte dans un premier temps sur la modélisation dynamique du robot sous la forme d'un mécanisme hybride (structures de robots parallèles montées en série) permettant ainsi d'être le plus proche possible du prototype construit. Pour cela nous avons utilisé les algorithmes récursifs de Newton-Euler pour les modèles dynamiques inverse et direct en les généralisant au cas des robots à base mobile. Nous avons également proposé un modèle de contact fluide-structure pour simuler le comportement du robot dans l'eau. Pour tester ces algorithmes, nous avons simulé le comportement du robot lors de différents types de nage et en avons tiré des conclusions qui nous ont guidées dans la conception du prototype.

Dans un deuxième temps, à partir d'un générateur de mouvements à base de CPGs (ou réseau de neurones), nous avons étudié des lois de commande pour réaliser des simulations de nage en boucle fermée. Ainsi, nous avons abordé les problèmes de la nage vers des points cible et l'évitement d'obstacles pour la nage en milieu confiné.

La synthèse numérique de pas de marche est réalisée par la résolution d’un problème d’optimisation dynamique. Le système locomoteur, de type anthropomorphe, comporte 12 mobilités internes. Les modélisations réalisées sont dictées par le déterminant fondamental de la marche que constitue la manière dont le bipède enchaîne ses appuis au sol au cours d’un pas. Le mode choisi comprend une phase de simple appui et deux sous-phases de double appui. Beaucoup d’attention est accordée à la localisation des centres d’appui pieds-sol qui jouent un rôle essentiel dans la gestion des équilibres du bipède pendant la marche. La synthèse du mouvement par optimisation dynamique consiste alors à extraire du modèle dynamique une solution admissible qui minimise un critère de performance qui est l’intégrale des couples actionneurs quadratiques. Le problème formulé est converti en un problème d’optimisation paramétrique sur la base d’une représentation des variables de configuration par des splines de classe C3, et des efforts de fermeture de boucle par des splines Ci, 0 ≤ i ≤ 2. Les variables d’optimisation discrètes sont alors les valeurs en des instants équirépartis sur la durée du mouvement des fonctions approximées. Il s’y ajoute la longueur de pas et les durées relatives des trois phases du pas à engendrer. Dans sa forme finale, le problème est résolu par l’implémentation d’algorithmes PQS. Les données d’entrée caractéristiques du pas à engendrer peuvent être réduites à la seule vitesse de marche
Numerical synthesis of gait is carried out by solving a dynamic optimisation problem. The human-like locomotion system considered is made up of 12 internal degrees of freedom. Kinematic and dynamic models are stated according to fundamental determinant of gait which is the way the biped links up its ground-foot supports when walking. The support sequence adopted consists of a single support phase and two double support sub-phases. Special attention is devoted to the localisation of the centre of pressure under each foot, which are key indicators of the equilibrium state of the biped. Movement synthesis carried out using dynamic optimisation consists of extracting a feasible solution from dynamics equation by minimizing a performance criterion which is the time-integral of quadratic actuating torques. The problem stated is recast into a parametric optimisation problem using C3-spline approximations for the joint coordinates, and Ci-spline (0 ≤ i ≤ 2) for closure forces at front foot. The new optimisation variables are discrete values of these splines functions at times equally distributed along the motion time. Further global optimisation variables are accounted for: the step length and the relative length of the three step phases. In its final form, the problem is solved using SQP algorithms. Input data characterising the step to be generated can be limited to the only walking speed

Les travaux de recherche de ce manuscrit se concentrent sur l’analyse des fréquences de vibrations des robots. Nos applications concernent plus particulièrement les architectures à cinématique parallèle. Dans un premier temps nous avons considéré les robots parallèles redondants en actionnement pour lesquels nous envisageons d’augmenter la fréquence de leurs oscillations en utilisant les efforts internes intrinsèques à ce type de structure. L’objectif est d’utiliser leur actionnement pour mettre en tension leur structure, et par conséquent, par analogie avec une corde vibrante, augmenter la fréquence de leurs oscillations. Nous avons étudié plusieurs robots plans redondants et nous montrons que dans le cadre de robots typiquement conçus pour être rigides,l’influence des efforts internes rajoutés n’a que peu d’importance. La suite de nos travaux soutient la proposition suivante : "les trajectoires très dynamiques influencent les fréquences des oscillations de la plateforme mobile". En effet, les robots parallèles quand ils sont conçus pour être légers, peuvent atteindre de grandes accélérations. Nous avons choisi de nous intéresser à l’étude de l’impact que peut avoir les effets dynamiques sur la fréquence des oscillations de la plateforme mobile de ces robots. Les robots considérés pour nos développements sont des robots parallèles plans, redondants en actionnement ou non. Nous proposons d’étudier cette influence en nous basant sur un développement au premier ordre du modèle dynamique. Cette linéarisation du modèle dynamique se veut plus complète que celles proposées dans la littérature. Nous expliquons et vérifions la validité de notre approche par une étude sur le lien entre accélération et vitesse et la fréquence d’oscillation pour les robots série PR (pendule sur glissière verticale) et RR (double pendule en rotation horizontale). Ensuite, nous généralisons notre modélisation au premier ordre et l’appliquons aux quatre robots PRR-2 PRR-3, PRR-4 et Dual-V pour voir si nous sommes capable d’en dégager une tendance concernant l’évolution des fréquences d’oscillation. Nous constatons que, en fonction des trajectoires, la dynamique a une influence faible mais visible, souvent positive sur l’augmentation des fréquences d’oscillation de la plateforme mobile. Cependant, les trajectoires et les lois horaires étant imposées, nous ne pouvons que subir cette influence
The research work of this thesis manuscript focus on the analysis of the frequency of robots’ vibrations. Our applications mainly revolve around architectures with parallel kinematics. First we examined parallel robots which are redundant in actuation and for which we are considering an increase of their oscillations’ frequency using the internal forces inherent to this type of structure. The aim is to use their actuation is the tensioning of their structure, and consequently, by analogy with a vibrating-wire, to enhance theiroscillation frequency. We have studied several redundancy planar robots and we demonstrate that in the case of robots which are typically designed to be stiff, the impact of added internal forces is of low relevance. The continuation of our research supports the following proposal: “High dynamics trajectories have an impact on the oscillation frequency of the mobile platform.” Indeed parallel robots, when designed to be light, can reach greater accelerations. We chose to concentrate on the study of the impact that dynamic effects canhave on the oscillation frequency of those robots’ mobile platform. The robots examined for our developments are planar parallel robots whether they have redundant actuation or not. We offer to study this impact based on a prime order development of the dynamic model. This linearisation of the dynamic model is intended to be more complete than those suggested by literature. We explain and verify the validity of our approach with a study on the link between speed and oscillation frequency on PR robots (pendulum on a vertical sliding guide) and RR robots ( double pendulum rotating horizontally). Then we will generalize our first order model and apply it to the four robots ( PRR-2 PRR-3, PRR-4, and Dual-V) to see if we are able to identify a pattern regarding the evolution ofoscillation frequencies. We observe that, depending on the trajectories, the dynamics have a low but noticeable, and often positive, impact on the increase of oscillation frequency of the mobile platform. However, since the trajectories and speed input laws are imposed, we have no choice but to be subjected to this impact

Dans cette thèse, nous proposons des nouvelles méthodes de modélisation dynamique pour les robots parallèles et les robots hybrides. Ces méthodes sont essentiellement basées sur les algorithmes types Newton-Euler récursifs, faciles à programmer et efficaces lors de l’exécution en temps réel. Pour la modélisation dynamique des robots parallèles, la méthode proposée prend en compte la dynamique des jambes et de la plate-forme du robot ce qui procure des modèles complets de ces structures pouvant être exploités dans des algorithmes de commande et de simulation. La dynamique de la plate-forme est calculée en fonction des variables cartésiennes de la plate-forme, tandis que les modèles dynamiques des jambes sont calculés en fonction des variables articulaires, ce choix permet d’obtenir des relations moins compliquées que le calcul des deux dynamiques dans l’espace articulaire. Afin d’illustrer les différentes étapes de la méthode nous l’avons appliquée sur six robots parallèles à structures et mobilités différentes, chacun de ces robots présente des particularités qui nous ont guidés dans la mise au point de la méthode. Ensuite, nous avons étudié la modélisation des robots hybrides constitués de modules parallèles montés en série. La méthode proposée est une méthode récursive basée sur le calcul des efforts appliqués sur les différents modules de la structures les uns par rapport aux autres et par rapport à l’environnement. Le modèle dynamique inverse généralise, pour les robots hybrides, la formulation de Newton-Euler de Luh développé pour les robots série, tandis que le modèle dynamique direct généralise l’algorithme de Featherstone. En dernier lieu, la modélisation des robots hybrides a été étendue au cas où la base du robot est mobile, pour lequel nous avons exploité le principe d’un module généralisé composé des modules qui le succèdent, l’utilisation de ce principe nous a permis de calculer l’accélération de la base mobile du robot, afin d'illustrer la faisabilité de cette méthode nous l’avons appliqué sur deux modules du robot anguille
In this thesis, we propose novel methods for the dynamic modeling of parallel robots and hybrid robots. These methods are essentially based on the recursive Newton-Euler algorithm, which is easy to program and efficient during the real-time execution. For the dynamic modeling of the parallel robots, the proposed method takes into account all the dynamics of these robots what gets complete models of these structures that can be exploitable in advanced control algorithms and in simulation. The dynamics of the platform is calculated as a function of the Cartesian variables of the platform, whereas the dynamic models of legs are calculated as a function of the joint variables, This choice allows to obtain relation less complicated than the calculation of both dynamics in the joint space. To illustrate the various steps of the method we applied it to six parallel robots with different structures and mobilities, each of them presents particularities that guided us in the clarification of the method. Then, we studied the modeling of the hybrid robots composed of series of parallel modules. The proposed method is a recursive method based on calculation of the efforts applied to the various modules of the structure the ones with respect to the others and with respect to the environment. The inverse dynamic model generalizes, for the hybrid robots, the formulation of Newton-Euler of Luh developed for serial robots, whereas the direct dynamic model generalizes the algorithm of Featherstone. Then finally, the modeling of hybrid robots was extended to robots with a mobile base, for which we exploited the principle of a generalized module composed of the succeeding modules, the use of this principle allowed us to calculate the acceleration of the mobile base of the robot. To illustrate the feasibility of this method we applied it to two modules of the robot Anguille

L'objectif de cette these est d'apporter des elements de reponse aux problemes poses par la realisation d'une commande dynamique realiste, sous la contrainte temps reel, de robots a architecture parallele. La notion de calcul en temps reel est abordee dans la premiere partie de ce memoire. Cette contrainte implique une optimisation de la complexite des calculs des modeles cinematique et dynamique. L'approche proposee dans ce memoire est basee sur un formalisme global. En considerant le robot parallele comme une entite composee de plusieurs robots seriels transportant une charge commune, une expression factorisee de la matrice jacobienne cinematique et de la matrice inertielle exprimee dans l'espace articulaire et operationnel, sont determinees. Ces factorisations representent les bases pour le developpement d'algorithmes paralleles, en vue d'une implantation sur une architecture informatique de type multiprocesseurs. La notion de modele realiste est traitee dans la deuxieme partie de ce memoire, par le calibrage des modeles geometrique et dynamique. Dans un premier temps, les differentes phases du calibrage sont presentees, a savoir : la mesure, l'identification et la correction. La premiere etape a necessite la conception et la mise en oeuvre d'un capteur tactile tridimensionnel, destine au calibrage en mode statique des robots paralleles. A partir des mesures fournies par le capteur, les parametres geometriques sont determines par un algorithme d'identification non lineaire. Cette methodologie est testee experimentalement sur un robot parallele a six degres de liberte. L'identification des parametres dynamiques de ce robot est egalement effectuee. Des resultats de simulation sont presentes.

Cette thèse présente des nouvelles approches de modélisation, de tracking et de commande des robots parallèles en utilisant des droites. Un robot parallèle est composé de plusieurs chaînes cinématiques fermées. Par conséquent, un fort couplage de comportement apparait durant le mouvement du robot. La géométrie (squelette) d'un robot parallèle peut être définie en considérant les jambes de ce robot comme des droites 3D. C'est ainsi que la modélisation, le suivi visuel et la commande d'un robot parallèle devient plus simple et que sa représentation géométrique et physique est plus intuitive. Le point commun des méthodes proposées est l'observation des orientations 3D des jambes avec précision et à des grandes vitesses. Cela permet de commander les robots parallèles rapides avec précision. Pour la modélisation cinématique et dynamique des robots parallèles, nous avons développé une représentation basée sur les éléments cinématiques. Cette représentation rend la modélisation simple et immédiate. Les modèles obtenus sont basés sur les mesures des orientations des jambes et leurs vitesses. Par conséquent, nous avons ainsi proposé un observateur d'état dynamique à haute vitesse qui peut fournir les orientations des jambes et leurs vitesses. Cette procédure consiste à observer d'une manière séquentielle une portion de chaque jambe. Nous avons utilisé ces contours pour construire une consigne spatio-temporelle. Par conséquent, nous avons pu écrire des contraintes géométriques minimisées en une seule itération d'une tâche d'asservissement visuel virtuel. Ensuite, nous avons proposé une commande dynamique pour contrôler un robot parallèle dans différents espaces de commande. Ce qui nous a permis de mener des analyses pour identifier l'espace le plus adéquat pour réaliser une tâche spécifique. Ces nouvelles approches sont validées en simulation et, partiellement, en expérimentation. Les résultats obtenus sont satisfaisants et ouvrent des perspectives dans le domaine de la modélisation, du suivi visuel et de la commande des robots parallèles basé sur l'observation des jambes.

Les humains virtuels contribuent à l'évolution des techniques d'ingénierie concourante. Ils doivent permettre de tester les réactions de l'humain face à une maquette virtuelle du produit en cours de développement. Nous développons une architecture d'animation qui permet l'interaction des humains virtuels avec la maquette numérique. Après un état de l'art des techniques d'animation des humains virtuels, nous soulevons des problèmes de perte de passivité qui peuvent se poser lors de l'interaction si l'on n'y prend pas garde, et proposons des éléments de réponse. Dans un second temps nous nous attachons à résoudre les contraintes liées à l'évolution de l'humain virtuel dans son environnement. Nous retenons la non pénétration de l'environnement, les limites articulaires, et surtout l'équilibre. Nous commençons par développer un contrôleur d'équilibre simple, qui ne prend en compte que les cas où les contacts avec l'environnement sont coplanaires (c'est le cas des mouvements de marche par exemple), puis nous étendons ce premier contrôleur à un cas plus général autorisant tout type de contacts. Nous avons mis en œuvre plusieurs types de modes de commande (libre, contraint, automatique…). Dans une dernière partie nous traitons de la problématique de leur ordonnancement, et de la continuité entre modes de commande. Nous exposons alors les résultats obtenus grâce à notre plateforme
Virtual humans contribute to the evolution of techniques related to concurrent engineering. They allow to test the behaviour of humans towards a digital mock-up of the product being designed. We develop an animation architecture that enables the interaction of virtual humans with the digital mock-up. After describing a state of the art of techniques linked to virtual humans' animation, we deal with passivity loss problems that can arise during interaction. We propose solutions to the problem. In a second step we tackle with constraints linked to the evolution of the virtual human in its environment: non penetration of the environment, joint limits, and above all balance. We develop a simple balance controller that only regard coplanar contacts (this is the case of walk movements), then we extend this controller to a more generic case allowing non coplanar contacts. We developed several types of control modes (free, constrained, automatic…). In the last section we try to schedule them, being careful to continuity between each mode. We then describe the results obtained thanks to our animation platform

Les robots pouvant évoluer dans un environnement adapté à l'homme et devant interagir avec lui sont amenés à prendre une place importante dans le cadre du développement de notre société. Pour cela, la maîtrise de la conception et du contrôle de robots bipèdes, et en particulier de robots humanoïdes, est indispensable. Cependant, en l'état actuel des connaissances, les capacités des robots bipèdes existants sont encore loin d'égaler les capacités de l'être humain, et ce, à tous les niveaux. Ainsi, l'un des enjeux du développement de robots humanoïdes performants passe par la maîtrise de la locomotion, c'est-à-dire leur conférer la capacité de marcher et de courir à différentes allures tout en s'adaptant à leur environnement. Le travail de recherche mené dans le cadre de cette thèse s'intègre dans le cadre d'un programme de recherche regroupant plusieurs laboratoires français et portant sur la conception, la modélisation et la commande d'un robot bipède sous-actionné : Rabbit. Après une revue, non exhaustive, des travaux de recherche menés sur la génération d'allures de marche et de course pour des systèmes marcheurs bipèdes, nous présentons les premières notions permettant de caractériser la propulsion dynamique d'un système : la propulsion dynamique stable, le potentiel de propulsion et le potentiel de propulsion dynamique stable. Pour chacune de ces notions, nous présentons un critère analytique la représentant. Ainsi, la caractérisation de cette propulsion dynamique via des critères analytiques permet d'envisager la mise au point d'une stratégie de contrôle unifiée pour la génération d'allures de marche et de course dynamique pour des robots bipèdes. Dans l'objectif de déterminer la viabilité de cette approche, nous utilisons les premiers critères analytiques caractérisant la propulsion dynamique d'un système pour initier une allure de marche pour le robot Rabbit. Dans ce cadre, nous intégrons les spécificités des allures de marche ainsi que celle du robot.

Nous presentons une structure hierarchique multiprocesseur associee a l'utilisation d'un noyau temps-reel psos destinee a la commande dynamique des robots manipulateurs. Nous traitons les aspects de modelisation geometrique, cinematique et dynamique direct et inverse des robots a poste fixe et ayant une chaine cinematique simple. Dans la seconde partie nous etudions l'identification parametrique des robots manipulateurs. Les structures multiprocesseur de commande des robots sont etudiees dans le troisieme chapitre dans leurs aspects materiels et logiciels. Ensuite, nous presentons notre structure multiprocesseur, les caracteristiques du noyau temps-reel psos, notre politique de repartition et d'ordonnancement des taches, les apports du temps reel dans une commande dynamique multiprocesseur des robots et la mise en uvre d'une application sous systeme temps-reel. Des algorithmes de commandes dynamiques sont mis en uvre et leurs resultats discutes. La structure proposee constitue une base materielle pour la recherche et l'experimentation des commandes des robots

Les travaux menés dans ce mémoire concernent essentiellement la commande des robots redondants dans l'espace opérationnel. Pour suivre une trajectoire opérationnelle désirée, nous avons utilise la loi de commande par découplage non linéaire qui permet d'améliorer les performances dynamiques du robot. Dans le cas des robots redondants nous avons proposé une nouvelle loi de commande appelée loi de commande mixte fondée sur une correction dans l'espace opérationnel (tache principale) et dans l'espace articulaire (tache secondaire). Nous avons proposé un algorithme complet pour résoudre le modèle géométrique inverse. Différentes méthodes ont été proposées pour résoudre les modèles cinématiques inverses du premier et du second ordres. Ces méthodes sont basées sur l'optimisation d'un critère (évitement des butées articulaires, augmentation de la manipulabilité). L’exploitation des résultats de ces méthodes pour calculer le couple a appliquer aux actionneurs a été également présentée. Pour l'évitement des obstacles, nous avons proposé de transformer le robot redondant avec ses butées et l'environnement avec ses obstacles en un robot avec des butées variables. Nous avons présenté un algorithme complet de traitement de carte de faisabilité qui permet de déterminer un seul profil articulaire. Les vitesses maximales admissibles par le robot ont été également prises en compte dans ce traitement. Sur une configuration singulière, nous avons développé une analyse complète pour déterminer si une trajectoire opérationnelle est faisable ou non selon les directions dégénérées. Dans le cas d'une trajectoire faisable, nous avons proposé une commande avec asservissement dans l'espace opérationnel qui permet au robot de quitter la singularité avec des commandes finies

Le travail comporte deux parties: le developpement d'un systeme de cao robotique, les methodes de calibrage des robots. Premierement, nous nous sommes concentres sur le developpement d'un systeme de cao robotique et a l'integration dans ce systeme d'un module de simulation dynamique, qui forme un couplage entre la representation geometrique des taches robotisees et les couples necessaires pour la realisation de ces taches dans un site complexe. De telles informations permettent d'apprecier l'adequation des robots choisis a la tache projetee et de deduire un coefficient qui traduit la zone de fonctionnement des moteurs, combien de temps les moteurs sont-ils utilises dans leur plage normale de fonctionnement, combien de temps de cycle reel et donc sa difference avec le temps de cycle projete. Cela est tres pertinent pour une bonne conception des postes robotises. Deuxiemement, nous avons etudie les erreurs de positionnement et des methodes de calibrage des robots. Pour objet de calibrer les robots a partir d'un systeme cao, nous avons propose une nouvelle methode de calibrage inverse des robots en utilisant une combinaison des polynomes de tchebychev et de fourier pour approximer les fonctions d'erreur de positionnement. L'essentiel de cette methode consiste a determiner les fonctions d'approximation qui correspondent parfaitement aux fonctions d'erreur reelles de positionnement. Non seulement cette methode ne requiert que la mesure des differences de variables articulaires correspondant a certains points nominaux et reels, mais encore elle n'inclut aucune source d'erreur dans le modele du robot. Elle calcule une correction des variables articulaires pour chaque instruction de mouvement et evite de reparcourir les taches predefinies et de travaux de mesure delicats. Les simulations sur le robot mac indiquent une reduction d'erreurs de positionnement de 1. 4 mm a 0. 1 mm en moyenne

Cette thèse s’intéresse à la modélisation et à la commande de robots déformables, c’est à dire de robots dont le mouvement se fait par déformation. Nous nous intéressons à la conception de lois de contrôle en boucle fermée répondant aux besoins spécifiques du contrôle dynamique de robots déformables, sans restrictions fortes sur leur géométrie. La résolution de ce défi soulève des questions théoriques qui nous amènent au deuxième objectif de cette thèse: développer de nouvelles stratégies pour étudier les systèmes de grandes dimensions. Ce manuscrit couvre l’ensemble du développement des lois de commandes, de l’étape de modélisation à la validation expérimentale. Outre les études théoriques, différentes plateformes expérimentales sont utilisées pour valider les résultats. Des robots déformables actionnés par câble et par pression sont utilisés pour tester les algorithmes de contrôle. A travers ces différentes plateformes, nous montrons que la méthode peut gérer différents types d’actionnement, différentes géométries et propriétés mécaniques. Cela souligne l’un des intérêts de la méthode, sa généricité. D’un point de vue théorique, les systèmes dynamiques à grande dimensions ainsi que les algorithmes de réduction de modèle sont étudiés. En effet, modéliser des structures déformables implique de résoudre des équations issues de la mécanique des milieux continus, qui sont résolues à l’aide de la méthode des éléments finis (FEM). Ceci fournit un modèle précis des robots mais nécessite de discrétiser la structure en un maillage composé de milliers d’éléments, donnant lieu à des systèmes dynamiques de grandes dimensions. Cela conduit à travailler avec des modèles de grandes dimensions, qui ne conviennent pas à la conception d’algorithmes de contrôle. Une première partie est consacrée à l’étude du modèle dynamique à grande dimension et de son contrôle, sans recourir à la réduction de modèle. Nous présentons un moyen de contrôler le système à grande dimension en utilisant la connaissance d’une fonction de Lyapunov en boucle ouverte. Ensuite, nous présentons des algorithmes de réduction de modèle afin de concevoir des contrôleurs de dimension réduite et des observateurs capables de piloter ces robots déformables. Les lois de contrôle validées sont basées sur des modèles linéaires, il s’agit d’une limitation connue de ce travail car elle contraint l’espace de travail du robot. Ce manuscrit se termine par une discussion qui offre un moyen d’étendre les résultats aux modèles non linéaires. L’idée est de linéariser le modèle non linéaire à grande échelle autour de plusieurs points de fonctionnement et d’interpoler ces points pour couvrir un espace de travail plus large
This thesis focuses on the design of closed-loop control laws for the specific needs of dynamic control of soft robots, without being too restrictive regarding the robots geometry. It covers the entire development of the controller, from the modeling step to the practical experimental validation. In addition to the theoretical studies, different experimental setups are used to illustrate the results. A cable-driven soft robot and a pressurized soft arm are used to test the control algorithms. Through these different setups, we show that the method can handle different types of actuation, different geometries and mechanical properties. This emphasizes one of the interests of the method, its genericity. From a theoretical point a view, large-scale dynamical systems along with model reduction algorithms are studied. Indeed, modeling soft structures implies solving equations coming from continuum mechanics using the Finite Element Method (FEM). This provides an accurate model of the robots but it requires to discretize the structure into a mesh composed of thousands of elements, yielding to large-scale dynamical systems. This leads to work with models of large dimensions, that are not suitable to design control algorithms. A first part is dedicated to the study of the large-scale dynamic model and its control, without using model reduction. We present a way to control the large-scale system using the knowledge of an open-loop Lyapunov function. Then, this work investigates model reduction algorithms to design low order controllers and observers to drive soft robots. The validated control laws are based on linear models. This is a known limitation of this work as it constrains the guaranteed domain of the controller. This manuscript ends with a discussion that offers a way to extend the results towards nonlinear models. The idea is to linearize the large-scale nonlinear model around several operating points and interpolate between these points to cover a wider workspace

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2019-2020
Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2019-2020
Les robots collaboratifs prennent de plus en plus de place sur les lignes de production au sein des entreprises manufacturières. Leur facilité d'installation et d'utilisation ainsi que leur caractère sécuritaire constituent des avantages liés à leur utilisation. Les robots collaboratifs sériels sont les plus populaires dans l'industrie. Le principal avantage de ceux-ci est leur grand espace de travail. Cependant, l'inertie des architectures sérielles est généralement élevée, limitant ainsi les performances dynamiques du robot. Les robots parallèles sont plus avantageux sur ce point. Un principal avantage des robots parallèles collaboratifs est que les actionneurs sont situés près de la base, diminuant ainsi l'inertie, comparativement aux robot sériels. Cependant il existe peu de robots parallèles collaboratifs sur le marché. Dans ce mémoire est présenté un concept de robot hybride cinématiquement redondant utilisé pour des applications de coopération humain-robot à faible impédance. Ce robot d'architecture 3-[R(RR-RRR)SR] possède (6+3) degrés de liberté (ddl). La redondance du robot permet d'augmenter l'espace du travail notamment en rotation (comparativement à celui d'un robot non redondant d'architecture semblable) en diminuant le nombre de configurations singulières de type II dans l'espace de travail. Le robot est composé de trois jambes d'architecture hybride ayant chacune trois ddl et trois actionneurs ainsi qu'une plateforme composée d'un mécanisme parallèle plan à trois ddl. Les trois degrés de liberté redondants sont utilisés à la plateforme, afin d'y opérer une pince à partir des actionneurs aux jambes. Ce robot possède de grandes capacités en rotation, soient +-90° en inclinaison et en torsion. Ce robot est conçu de manière à ce qu'il soit rétrocommandable et qu'il ait une faible impédance et une faible inertie. Il ne possède aucun réducteur aux actionneurs. Le concept du robot présenté dans ce document est modulaire. En effet, l'architecture des jambes et de la plateforme peuvent différer légèrement afin d'adapter le robot à une application spécifique. Dans le cas présent, des jambes hybrides et une plateforme plane sont choisies pour des fins de simplicité et de maximisation de l'espace de travail. Dans ce document, les modèles cinématiques et dynamiques du robot, de la plateforme et des jambes sont présentés. Les étapes de conception mécanique ainsi qu'une étude de la sensibilité cinématique du robot sont également détaillés.
Les robots collaboratifs prennent de plus en plus de place sur les lignes de production au sein des entreprises manufacturières. Leur facilité d'installation et d'utilisation ainsi que leur caractère sécuritaire constituent des avantages liés à leur utilisation. Les robots collaboratifs sériels sont les plus populaires dans l'industrie. Le principal avantage de ceux-ci est leur grand espace de travail. Cependant, l'inertie des architectures sérielles est généralement élevée, limitant ainsi les performances dynamiques du robot. Les robots parallèles sont plus avantageux sur ce point. Un principal avantage des robots parallèles collaboratifs est que les actionneurs sont situés près de la base, diminuant ainsi l'inertie, comparativement aux robot sériels. Cependant il existe peu de robots parallèles collaboratifs sur le marché. Dans ce mémoire est présenté un concept de robot hybride cinématiquement redondant utilisé pour des applications de coopération humain-robot à faible impédance. Ce robot d'architecture 3-[R(RR-RRR)SR] possède (6+3) degrés de liberté (ddl). La redondance du robot permet d'augmenter l'espace du travail notamment en rotation (comparativement à celui d'un robot non redondant d'architecture semblable) en diminuant le nombre de configurations singulières de type II dans l'espace de travail. Le robot est composé de trois jambes d'architecture hybride ayant chacune trois ddl et trois actionneurs ainsi qu'une plateforme composée d'un mécanisme parallèle plan à trois ddl. Les trois degrés de liberté redondants sont utilisés à la plateforme, afin d'y opérer une pince à partir des actionneurs aux jambes. Ce robot possède de grandes capacités en rotation, soient +-90° en inclinaison et en torsion. Ce robot est conçu de manière à ce qu'il soit rétrocommandable et qu'il ait une faible impédance et une faible inertie. Il ne possède aucun réducteur aux actionneurs. Le concept du robot présenté dans ce document est modulaire. En effet, l'architecture des jambes et de la plateforme peuvent différer légèrement afin d'adapter le robot à une application spécifique. Dans le cas présent, des jambes hybrides et une plateforme plane sont choisies pour des fins de simplicité et de maximisation de l'espace de travail. Dans ce document, les modèles cinématiques et dynamiques du robot, de la plateforme et des jambes sont présentés. Les étapes de conception mécanique ainsi qu'une étude de la sensibilité cinématique du robot sont également détaillés.
Collaborative robots become present on production lines in factories. Their easiness of installation and use and their safety features make them more attractive. Serial collaborative robots are the most popular in the industry. Their main advantage is their large workspace. However, the inertia of the members of serial robots is the main limitation of the dynamic performances. Parallel robots are more attractive on this aspect. The main advantage of parallel robots is that their actuators are located near the base, decreasing the inertia compared to serial robots. However, there are few parallel collaborative robots on the market. In this Master's thesis, a novel concept of a redundant hybrid robot used for low impedance physical human-robot interaction (pHRI) applications is presented. This robot has a 3-[R(RRRRR) SR] architecture and (6+3) degrees of freedom (dof). Redundancy allows to get a larger workspace especially in rotation (compared to a non-redundant robot with the same architecture) by avoiding some type II singularity configurations in the workspace. The robot has three 3-dof hybrid legs having three actuators, and the platform, which is a 3-dof parallel planar mechanism. The three redundant degrees of freedom are used at the platform to actuate a gripper from the leg actuators. The robot has a large rotational workspace, namely > +-90° in tilt and torsion. This robot is designed to be backdrivable, with a low impedance and a low inertia. The actuators have no gearbox. The robot presented in this document is modular. Indeed, the leg architecture and the platform may differ depending on the application. In the present case, hybrid legs and planar platform are chosen for simplicity and workspace maximisation purposes. In this document, kinematic and dynamic models of the robot are presented. The main mechanical design steps and a study of the kinetic sensitivity are also detailed.
Collaborative robots become present on production lines in factories. Their easiness of installation and use and their safety features make them more attractive. Serial collaborative robots are the most popular in the industry. Their main advantage is their large workspace. However, the inertia of the members of serial robots is the main limitation of the dynamic performances. Parallel robots are more attractive on this aspect. The main advantage of parallel robots is that their actuators are located near the base, decreasing the inertia compared to serial robots. However, there are few parallel collaborative robots on the market. In this Master's thesis, a novel concept of a redundant hybrid robot used for low impedance physical human-robot interaction (pHRI) applications is presented. This robot has a 3-[R(RRRRR) SR] architecture and (6+3) degrees of freedom (dof). Redundancy allows to get a larger workspace especially in rotation (compared to a non-redundant robot with the same architecture) by avoiding some type II singularity configurations in the workspace. The robot has three 3-dof hybrid legs having three actuators, and the platform, which is a 3-dof parallel planar mechanism. The three redundant degrees of freedom are used at the platform to actuate a gripper from the leg actuators. The robot has a large rotational workspace, namely > +-90° in tilt and torsion. This robot is designed to be backdrivable, with a low impedance and a low inertia. The actuators have no gearbox. The robot presented in this document is modular. Indeed, the leg architecture and the platform may differ depending on the application. In the present case, hybrid legs and planar platform are chosen for simplicity and workspace maximisation purposes. In this document, kinematic and dynamic models of the robot are presented. The main mechanical design steps and a study of the kinetic sensitivity are also detailed.

: Les travaux présentés dans cette thèse, concernent la modélisation et l'identification dynamique des robots parallèles. Dans un premier temps nous avons appliqué notre méthode à la plate-forme de Gough-Stewart, considérée comme une bonne représentation des différentes classes de robots parallèles et généralement l'une des plus compliquées. Ensuite, nous montrons la généralisation de notre méthode en l'appliquant au robot Orthoglide, un robot à 3 degrés de liberté en translation développé à l'IRCCyN. Notre démarche a consisté à considérer la particularité de la structure parallèle pour proposer des méthodes originales dédiées à leur modélisation dynamique. La modélisation que nous avons retenue est originale et prend en compte toute la dynamique de la machine sans simplification. De plus, sa forme est intéressante car elle permet de déduire une interprétation physique du modèle développé. En effet, le robot parallèle peut être représenté par un corps unique ayant les mêmes paramètres inertiels que la plate-forme, sur laquelle on applique des forces extérieures à chacun de ses points de connection avec les chaînes. Ces forces sont obtenues en exprimant le modèle dynamique inverse de chaque chaîne dans l'espace cartésien. Cette modélisation est d'autant plus intéressante qu'elle permet d'appliquer les techniques développées pour les robots série aux calculs de ces modèles. Le modèle s'adapte bien pour un calcul par multiprocesseur, puisque les modèles des chaînes peuvent être calculés en parallèle. Afin, de préparer le modèle à l'identification de ses paramètres dynamiques, nous avons présenté une méthode pour le calcul des paramètres inertiels de base du robot, qui sont les seuls paramètres identifiables. Nous avons déterminé, dans un premier temps, les paramètres de base des chaînes, en isolant la plate-forme. Ensuite, nous avons pris en compte la plate-forme, ce qui a permis de regrouper certains paramètres inertiels de la structure arborescente avec ceux de la plate-forme. Cette étape originale a réduit le nombre de paramètres de base et simplifié ainsi le modèle. La suite des travaux a permis de valider expérimentalement ces modèles sur le robot Orthoglide. Nous avons utilisé, pour cela, les démarches habituelles appliquées par l'équipe robotique de l'IRCCyN, pour l'identification dynamique et la commande des robots. Nous avons développé deux modèles d'identification dynamique : le premier considère tous les paramètres dynamiques de base du robot et le deuxième diminue la complexité du modèle d'identification dynamique, en considérant les chaînes cinématiques similaires. Les valeurs estimées pour les paramètres dynamiques expérimentalement identifiables ont ensuite été validées par différents tests. Ces paramètres ont finalement été utilisés dans l'implémentation d'une commande de type dynamique sur le robot Orthoglide. Nous avons montré que cette commande permet d'obtenir de bonnes performances dynamiques et présente un coût de calcul relativement intéressant.

Le transstockeur TGD50, robot manipulateur industriel développé par les sociétés SYDEL et SEDEP, est utilisé dans le domaine du stockage automatisé. L’objectif premier de cette thèse est d’étudier le comportement élastodynamique de ce manipulateur, afin de définir les modifications à lui apporter pour améliorer ses performances. Dans un premier temps, un diagnostic expérimental de ce transstockeur a été réalisé : celui-ci a permis d’identifier les limites de ce manipulateur et de valider les hypothèses de modélisation. Une méthodologie de modélisation capable de décrire le comportement élasto-dynamique du transstockeur TGD50 est ensuite développée, permettant d’intégrer les différentes hypothèses retenues lors de la phase de diagnostic. Cette méthodologie est validée expérimentalement, puis mise en oeuvre dans une démarche de conception, conduisant à l’élaboration d’une nouvelle structure dont le volume de travail est accru pour un encombrement au sol inchangé. Enfin, la démarche de diagnostic expérimental ainsi que la méthodologie de modélisation sont appliquées avec succès sur un manipulateur à structure parallèle de type Delta à des fins d’identification. Les résultats alors obtenus montrent la pertinence et la généricité des procédures proposées dans cette thèse. Celles-ci constituent des outils adaptés aussi bien à la conception mécanique qu’à l’identification en vue de la commande
The stacker crane tgd50 is a robot manipulator developed by industrial companies sydel and sedep and used in automated warehouses. The main objective of this phd is the study of the elastodynamic behavior of this manipulator. It aims to define how to modify the structure to improve its performance. Initially, an experimental diagnosis of this stacker crane has been achieved, in order to bring out limitations of this manipulator, and to validate modeling assumptions. A modeling methodology that can describe elastodynamic behavior of the tgd50 stacker crane is then developed, integrating the various assumptions made during the diagnosis phase. This methodology is experimentally validated, and implemented in a design process, leading to the development of a new structure whose workspace is augmented for a footprint equal to the former one. Finally, the experimental approach of diagnosis and modeling methodology are successfully implemented for identification on a 3d delta-like parallel structure. Results show both relevance and genericity of procedures suggested in this thesis. These tools are adapted to mechanical as well as identification for control

La problématique de la thèse consiste à produire, sur un mannequin virtuel anthropomorphe, une allure de marche dynamique, basée sur un ensemble de fonctions élémentaires de coordination dans les plans sagittal et frontal, dans l'environnement de simulation ADAMS. L'étude commence par la mise en place des fonctions de coordinations pour générer une oscillation frontale harmonieuse du mannequin. Une analyse de certains facteurs essentiels de la marche humaine a permis de déterminer avec précision les mouvements indispensables à intégrer dans le générateur d'allure pour une marche dynamique. Une levée de jambe et une rotation du bassin ont été ajoutées pour réaliser un premier type de marche. L'augmentation de la longueur du pas a été réalisée par une nouvelle configuration avec des jambes en dehors du plan médian du bassin et via les flexions de ces jambes en double et simple support. Le travail se termine par une approche énergétique pour améliorer l'équilibre du système lors de la marche
In this thesis, a 3d dynamic walking gait of a mockup is proposed. The walking strategy is based on elementary coordination functions in the sagittal and frontal planes, in the simulation environment "ADAMS". The study starts by establishing coordination functions to generate the oscillation movement of the mockup in the frontal plane. The determination of some essential factors of the walk movement is obtained from human walking analysis. A leg lifting and a pelvis rotation are added to the oscillation movement to realize a first walking type. Increasing the step length has been done by a new configuration with legs being outside the pelvis plane and via the flexions of those legs. Finally, an energetic approach is proposed to enhance the walking stability of the biped system

Cette thèse présente deux méthodes de navigation permettant à un robot terrestre de se déplacer à grande vitesse dans un espace peuplé d'obstacles mobiles et connu de manière imparfaite. Elles s'appuient sur un formalisme inspiré du concept de v-obstacle et qui permet d'estimer rapidement le risque de collision future associé à chaque déplacement possible du robot. La première méthode privilégie la réactivité du robot en ne calculant que son prochain déplacement. Elle est particulièrement adaptée aux environnements très changeants, mais peut conduire le robot à des situations de blocage. La seconde méthode vise à construire une trajectoire complète jusqu'au but. Elle peut être suspendue à tout instant pour fournir un résultat intermédiaire et prendre en compte les changements dans l 'environnement. Les trajectoires calculées restent cohérentes entre deux décisions successives du robot, s'écartent des obstacles trop imprévisibles et limitent les blocages qui empêchent le robot d'atteindre le but. Notre approche est comparée avec d'autres méthodes existantes et son intérêt pour des situations courantes est montré sur simulateur. Des adaptations en vue d'une utilisation sur robot réel sont présentées. Nous proposons notamment d'améliorer l'exécution du déplacement à l'aide de réseaux de neurones artificiels. Les résultats expérimentaux sont présentés et commentés
This thesis proposes two methods of navigation that allows a robot to move at high speeds in a partially unknown environment amidst moving obstacles. Both methods are based on a novel formalism inspired by the v-obstacle concept, allowing a fast estimation of the risk of collision associated with any feasible movement of the robot. The first method makes the robot react faster by computing only its next move. It is more suitable for fast changing environments, but may cause the robot to be blocked. The second method aims to build a complete trajectory to the goal. It can be suspended at any time in order to return an intermediate result and takes into account changes in the environment. The computed trajectories remain coherent between two successive decisions of the robot, they stay away from unpredictable obstacles and limit the cases that prevent the robot from reaching its goal. Our approach is compared to other existing methods. Its use in practical applications is shown in simulation. Several adaptations of our methods for implementation on real robots are presented. One of these adaptations leads to improved motion execution with artificial neural networks. Experimental results are given and analysed

La robotisation des procédés d’usinage suscite l’intérêt des industriels en raison du grand espace de travail et le faible coût des robots par rapport aux machines-outils conventionnelles et la possibilité d’usiner des pièces de formes complexes. Cependant, la faible rigidité de la structure robotique favorise le déclenchement de phénomènes dynamiques liés à l’usinage sollicitant le robot en bout de l’outil qui dégradent la qualité de surface de la pièce usinée. L’objectif de ces travaux de thèse est de caractériser le comportement dynamique des robots en usinage. Ces travaux ont suivi une démarche en trois étapes : La modélisation d’un premier modèle considéré de référence où le robot est au repos. Ensuite l’identification du comportement dynamique du robot en service. Enfin, l’exploitation des modèles dynamiques du robot en vue de prédire la stabilité de coupe. L’originalité de ces travaux porte sur le développement des méthodes d’identification modale opérationnelles. Elles permettent d’intégrer les conditions réelles d’usinage et d’élaborer des modèles plus précis que le premier modèle de connaissance sans être biaisés par l’effet des harmoniques de rotation de l’outil. Enfin, des préconisations sur le choix de configurations du robot et sur la direction des forces d’excitation sont proposées pour assurer la stabilité de la coupe lors de l’usinage robotisé
Machining robots have major advantages over cartesian machine tools because of their flexibility, their ability to reach inaccessible areas on a complex part, and their important workspace. However, their lack of rigidity and precision is still a limit for precision tasks. The stresses generated by the cutting forces and inertia are important and cause static and dynamic deformations of the structure which result in problems of workpiece surface. The aim of the thesis work is to characterize the dynamic behavior of robots during machining operation. This work followed a three-step approach : Modeling a first model considered as a reference where the robot is at rest. Then the identification of the dynamic behavior in service. Finally, the prediction of the cutting stability using the robot dynamic model. The originality of this work is the development of new operational modal identification methods. They integrate the machining conditions and result into a more accurate model than the first model of reference without being biased by harmonics. Finally, guidlines of robot’s configurations and excitation forces’ direction are proposed to ensure the robotic machining stability

Dans une stratégie de commande de robot manipulateur tenant compte de son comportement dynamique, l' utilisation du modèle mathématique exprimant les forces généralisées ( ou toutes autres grandeurs directement liées ) en fonction des position, vitesse et accélération de chaque axe nécessite la connaissance de ses paramètres. Le travail présenté est consacré aux différents aspects liés à la mise en œuvre expérimentale de l'identification de ces paramètres, dans le cas d'un robot manipulateur en chaîne complexe. Nous proposons une méthodologie globale pour cette identification basée sur une démarche en trois étapes : modélisation, - simulation, - expérimentation. Nous posons pour chacune de ces trois étapes les problèmes liés à leur mise en œuvre. Les solutions proposée s nous permettent de définir la structure des outils logiciels et matériels nécessaires à la réalisation expérimentale de cette identification. Une grande importance est donnée aux performances du système d'instrumentation multi-processeurs hiérarchisé que nous proposons , et notamment en ce qui concerne sa partie acquisition.

Les robots humanoïdes, bien adaptés pour évoluer dans le milieux humains, peuventavecleursbrasetmainseffectuerdes tâches complexes. Ils peuvent être considérés comme l’un des robots ultimes. Cependant, la marchebipèderesteunphénomènecomplexe qui n’a pas été entièrement compris. La thèse est consacrée à trouver quelques caractéristiques physiques qui peuvent expliquer la stabilité de la marche périodique sur le sol horizontal. Dans la marche humaine, la démarche est généralement exprimée en fonction d’une variable de phase fondée sur l’état interne au lieu du temps. Les variables commandées (trajectoires du pied libre, oscillation verticale du centre de masse (CdM), mouvement du haut du corps, etc.) des robotsont une évolution désirée exprimée en fonction d’une variable de phase via l’utilisation de contraintes virtuelles et la durée des pas n’est pas explicitement imposée mais implicitement adaptée en présence de perturbations. Dans la première partie, deux modèles simplifiés du robot : le modèle du pendule inversé linéaire (LIP) et le modèle du pendule inversé de longueurvariable(VLIP)sontutiliséspourétudier les stratégies de commande. La stratégie de commande proposée pour les modèles LIP et VLIPestétendueàtraverslemodèleessentiel pour commander un modèle humanoïde complet. L’algorithme de marche proposé ci-dessus est appliqué sur les robots humanoïdes Roméo et TALOS
Humanoid robot, which can walk by two legs and perform skillful tasks using both arms with hands, could be considered as one of the ultimate robots. However, bipedal walking remains a complex phenomenon that has not been fully understood. The thesis is dedicated to find some physical insights that can explain the stability of periodic walking on horizontal floor. In human walking, the gait is usually expressed as a function of a phasing variable based on the internal state instead of time. The controlled variables (swing foot trajectories, vertical oscillation of center of mass, upper body motion,etc.)oftherobotsarebasedonaphasingvariable via the use of virtual constraints and the step timing is not explicitly imposed but implicitly adapted under disturbances. Firstly, simplified models of the robot: the linear inverted pendulum (LIP) model and variable length inverted pendulum (VLIP) model are used to study control strategies. The proposed control strategy for the LIP and VLIP models is extended through the proposed essential model to control a complete humanoid model. The walking algorithm proposed above is applied on the humanoid robots Romeo and TALOS

L'objectif est de réaliser l'optimisation dynamique de mouvements de systèmes à cinématique ouverte ou fermée. La méthode choisie est l'optimisation paramétrique. La technique utilisée consiste à approximer les paramètres du mouvement par des fonctions splines de classe C3 constituées de polynômes de degré 4 raccordés en des points de jonction équirépartis sur le temps. Les couples actionneurs, et les efforts de liaison associés aux conditions de fermetures, s'expriment ainsi, par l'intermédiaire des équations du mouvement, comme des fonctions du temps et des paramètres d'optimisation. Ces couples et efforts quadratiques intégrés sur le temps fournissent la fonction objectif à minimiser. Le problème d'optimisation dynamique est alors transformé en un problème d'optimisation paramétrique, résolu par des codes de calcul existants. Cette technique est appliquée à la synthèse de pas de marche sagittale. La seule donnée d'une vitesse de marche permet d'engendrer un pas optimal
This work is aimed at optimizing motions of constrained dynamics systems. A parametric optimisation method is developed. It consists in approximating joint motion coordinates using spline functions of class C3, made up of 4-order polynomials linked at uniformly distributed knots, in order to avoid jerks at connecting points. Joint actuating torques as well as interaction forces associated with closure constraints of closed kinematic chains, are expressed, through dynamics equations, as functions depending on both the time and the optimisation parameters. The objective function to be minimized is obtained by integrating quadratic torques and interaction forces along the motion time. The initial dynamic optimisation problem is then recast as a parametric optimisation problem, which is solved using existing computing codes. This technique is used to carry out optimal synthesis of sagittal gait. The walking velocity is the only data required for generating an optimal step

Les travaux presentes dans cette these concernent la modelisation geometrique et dynamique des robots paralleles. Tout d'abord, nous etudions les chaines cinematiques du point de vue topologique et geometrique pour determiner leur degre de mobilite. Puis nous traitons de la description geometrique de ces chaines en proposant de nouveaux parametres geometriques. La methode que nous proposons permet de n'utiliser, dans tous les cas, qu'un seul repere par corps et au maximum cinq parametres pour definir la situation d'un corps par rapport a son voisin. Ce nombre est d'ailleurs ramene a quatre dans le cas d'une chaine simple. Nous presentons, ensuite, les robots paralleles les plus utilises dans la litterature, pour lesquels nous exposons les differentes methodes de modelisation utilisees. Nous traitons, egalement, de la modelisation geometrique directe d'un robot pleinement parallele en proposant deux methodes. La premiere est iterative; elle se base sur le calcul d'une jacobienne. La seconde est analytique; elle se ramene au calcul des racines d'une equation polynomiale. Enfin, nous proposons une methode originale pour le calcul du modele dynamique des mecanismes a structures de chaines complexes fermees (mscf). Le modele dynamique du mscf est calcule en fonction de celui de son mecanisme arborescent equivalent minimal (maem), et en tenant compte d'equations de contraintes dues a des fermetures des boucles mecaniques

L'optimisation des mouvements de robots manipulateurs est realisee sur la base, d'une part, d'un critere de performance a minimiser qui associe duree de transfert et efforts actionneurs, et, d'autre part, de contraintes diverses formulees sur les efforts actifs et passifs, sur les puissances motrices et sur les variables de phase. Dans la premiere partie du memoire sont developpees les formulations relatives a la dynamique du systeme equations d'etat et efforts de liaison dont il faut souligner qu'elles sont realisees en variables hamiltoniennes et specialement adaptees a la mise en uvre du principe du maximum de pontriaguine. L'optimisation dynamique traitee dans la seconde partie est centree sur un critere mixte qui permet de concilier vitesse de transfert et qualite de fonctionnement. La prise en charge de contraintes sur les puissances motrices et sur les efforts de liaison permet d'affiner le controle dynamique du systeme. L'association de la formulation hamiltonienne et d'un critere mixte commande duree de transfert a permis de developper une algorithmique souple et robuste, bien adaptee au traitement numerique des problemes poses

Ce travail traite les problemes de commande de robots polyarticules rapides dans le cas simple ou les articulations sont rigides, et dans le cas ou les articulations subissent des deformations dues aux deplacements a grandes vitesses. La premiere partie de ce travail est consacree aux commandes dynamiques de robots rapides supposes rigides. Un panorama sur la commande dynamique appartenant a la phase de parametrisation lineaire nous a permis de degager une classification des lois existantes en deux classes, suivant leurs objectifs: linearisation et passivite. Nous proposons en second lieu une approche adaptative qui exploite les avantages des commandes passives et robustes tout en evitant les inconvenients des methodes linearisantes. Les performances de chacune de ces dernieres sont exposees dans le chapitre qui presente les resultats d'une etude comparative en simulation. Dans la seconde partie de ce travail, nous supprimons l'hypothese de rigidite du robot en prenant en compte les flexibilites dans les articulations. Ces flexibilites sont introduites sous forme de couples de raideur dans le modele dynamique. Apres la presentation d'un etat de l'art sur la commande de robots avec articulations flexibles, nous abordons la synthese de lois de commande qui exploitent les resultats de la commande de robots rigides en introduisant la notion de commande a deux etages. Une seconde loi de compensation a deux etages a ete proposee. Basee sur la passivite, elle est simple a mettre en uvre et a analyser. Elle utilise les resultats de commande de robots rigides, de l'approche par les varietes integrales et de celle a deux etages. Une etude comparative des lois adaptatives a deux etages proposees et une loi adaptative proposee dans la litterature, est presente dans le chapitre des resultats de simulation de la seconde partie

Ces travaux de recherche concernent la prédiction et l'amélioration de la précision des machines à structure parallèle. Ces travaux s'intéressent principalement aux machines utilisées pour des tâches complexes comme la manipulation rapide d'objets ou l'usinage à grande vitesse. Ces travaux s'intéressent à la cohérence du triptyque modélisation - identification - commande. L'originalité de ces travaux est la prise en compte au niveau de la commande, et au moyen d'une perception adaptée, des spécificités de la machine et de la dynamique de la tâche. L'apport principal de ces travaux de thèse est de proposer une commande dynamique dans l'espace Cartésien tout en utilisant une mesure extéroceptive de la pose de l'effecteur. Cette stratégie de commande permet notamment une précision plus importante que les stratégies classiques. En effet, le nombre d'estimations utilisées est plus faible, principalement au niveau de l'estimation du comportement dynamique. De plus, la régulation dans l'espace Cartésien permet la maîtrise complète du mouvement de l'effecteur, notamment au niveau des singularités de la machine. Ces améliorations sont validées en simulation. Le développement d'un capteur visuel rapide à 1 kHz a également permis une validation expérimentale de ces travaux

Ces travaux de recherche concernent la prédiction et l'amélioration de la précision des machines à structure parallèle. Ces travaux s'intéressent principalement aux machines utilisées pour des tâches complexes comme la manipulation rapide d'objets ou l'usinage à grande vitesse. Ces travaux s'intéressent à la cohérence du triptyque modélisation - identification - commande. L'originalité de ces travaux est la prise en compte au niveau de la commande, et au moyen d'une perception adaptée, des spécificités de la machine et de la dynamique de la tâche. L'apport principal de ces travaux de thèse est de proposer une commande dynamique dans l'espace Cartésien tout en utilisant une mesure extéroceptive de la pose de l'effecteur. Cette stratégie de commande permet notamment une précision plus importante que les stratégies classiques. En effet, le nombre d'estimations utilisées est plus faible, principalement au niveau de l'estimation du comportement dynamique. De plus, la régulation dans l'espace Cartésien permet la maîtrise complète du mouvement de l'effecteur, notamment au niveau des singularités de la machine. Ces améliorations sont validées en simulation. Le développement d'un capteur visuel rapide à 1 kHz a également permis une validation expérimentale de ces travaux.

L’humain et les animaux sont capables d'effectuer des mouvements gracieux et agiles. L'un des ingrédients clés pour ces comportements complexes est la coordination motrice pour exploiter leur dynamique naturelle qui résulte en un mouvement synergique qui dépasse leurs limites physiques. Malgré l'existence d'outils puissants tels que l'optimisation de trajectoire non linéaire, ils sont généralement traités comme une boîte noire. Cette thèse introduit la DCM (Dynamical Coupling Map), une nouvelle technique d'analyse de trajectoire, permettant de mieux comprendre et d'analyser les capacités des robots sous-actionnés tout en tenant compte des contraintes de sous-actionnement et des limites de couple. L'analyse DCM ainsi que les trois nouvelles mesures de performances dénommées Natural Dynamics Index (NDI) démontrent le rôle central de l'exploitation de la dynamique naturelle pour dépasser la capacité physique du robot qui est dictée par les limites des couples d'entrée. De plus, les mérites de l'analyse DCM sont démontrés sur plusieurs manœuvres dynamiques telles que le mouvement de balancement d'un modèle simplifié d'un gymnaste à la barre fixe et le saut en hauteur pour un robot humanoïde de haute dimension. En outre, le DCM est étendu d'un outil d'analyse a posteriori à une heuristique fondamentale pour générer des mouvements dynamiques. On introduit donc le Natural Dynamics based Tree (NDT), un nouvel algorithme de planification kinodynamique qui planifie un mouvement dynamique basé sur la dynamique naturelle du système résultant en une planification de mouvement plus efficace de point de vue computationnel et avec une solution de mouvement de haute qualité
Humans and animals are capable of performing graceful and agile movements. One of the key ingredients for such complex behaviors is motor coordination to exploit their natural dynamics which results in a synergistic motion that surpasses their physical limits. Despite the existence of powerful tools such as nonlinear trajectory optimization, they are usually treated as a black box. This thesis introduces the Dynamical Coupling Map (DCM), a novel graphical analysis technique, to help gain insight into the resulting trajectory of the optimization and analyze the capability of underactuated robots while taking into consideration underactuation constraints and torque limits. The DCM analysis technique along with the three novel performance measures aptly named Natural Dynamics Indexes (NDI) demonstrate the pivotal role of exploiting the natural dynamics to exceed the robot's physical capability which is dictated by the input torques limits. Furthermore, the merits of the DCM analysis are demonstrated on several dynamic maneuvers such as the swing-up motion of a simplified model of a gymnast on high bar and standing high jump for a high-dimensional humanoid robot with arm swing. In addition, the DCM is extended from a posteriori analysis tool to a fundamental heuristic for generating dynamic motions by leveraging the probabilistic motion planning approach with a new natural dynamic based heuristic. Thus, introducing the Natural Dynamics based Tree (NDT), a novel sampling-based kinodynamic planning algorithm which plans a dynamic motion based on the natural dynamics of the system resulting in a more computational efficient motion planning and with high-quality motion solution

La conception et le contrôle de robots humanoïdes sont depuis de nombreuses années des domaines de recherche très étudiés. Cependant, à l'heure actuelle, les capacités des robots bipèdes sont encore loin d'égaler l'être humain et l'un des enjeux du développement de robots humanoïdes performants reste le contrôle de la locomotion. Notre travail fait partie intégrante d'un programme de recherche de plusieurs laboratoires français ayant pour but de faire marcher et courir un robot bipède sans pied: RABBIT. La stratégie de contrôle que nous proposons se fonde sur l’utilisation de règles pragmatiques et de réseaux de neurones CMAC. L'apprentissage des réseaux de neurones est réalisé à l'aide d'une marche de référence de notre robot virtuel générée par notre stratégie de contrôle intuitive. La validation expérimentale de cette approche a été réalisée sur le robot RABBIT.

Avant de pouvoir interagir avec l'homme, les robots humanoïdes doivent encore être largement améliorés, tant au niveau de leur modélisation, de leur commande que de leur conception. Contrairement aux robots manipulateurs la notion de centre de masse est prédominante chez les robots humanoïdes et sera au centre de la gestion de leur équilibre. C'est donc dans ce cadre que s'inscrit cette thèse dont le but est de proposer une modélisation précise du centre de masse des robots humanoïdes dont la complexité ne cesse d'augmenter. En effet les modèles utilisés aujourd'hui pour définir la trajectoire du centre de masse sont des modèles simplifiés des robots humanoïdes. Les travaux de cette thèse s'articulent autour de trois contributions majeures : la modélisation cinématique et dynamique ainsi que l'estimation du centre de masse de robots humanoïdes. La première contribution propose une transformation de la structure arborescente de l'humanoïde en une chaîne virtuelle série localisant son centre de masse et permettant une commande cinématique adaptée de ce dernier. La dynamique du robot est ensuite exprimée en son centre de masse permettant ainsi une description exacte de ses accélérations. À ce titre, le concept de manipulabilité dynamique du centre de masse est introduit. Enfin grâce à la modélisation sous forme de chaîne virtuelle, une méthodologie qui s'impose aujourd'hui comme référence dans le domaine de l'estimation du centre de masse chez l'humain est proposée. De nombreuses expérimentations illustrent tout au long de cette thèse l'application et l'utilité de ces travaux
Before they can interact with men, humanoid robots must be strongly enhanced in their modeling, their control and their design. Contrary to manipulator robots, the notion of center of mass is predominant in humanoid robots and will be central to the management of their balance. In this context, this thesis aims to provide accurate modeling of the center of mass of humanoid robots, whose complexity is increasing. Indeed, the models used today to determine the trajectory of center of mass are simplified models of humanoid robots. The works of this thesis revolve around three major contributions : kinematics and dynamics modeling as well as the estimation of the center of mass of humanoid robots. The first part proposes a transformation of the tree structure of the humanoid in a virtual serial chain locating its center of mass and allowing an adapted control of the latter. The dynamics of the robot is then expressed in the center of mass space allowing an accurate description of its acceleration. As such, the concept of dynamic manipulability of the center of mass is introduced. Finally, through the modeling in a virtual chain, a methodology that is today a reference in the field of center of mass estimation in humans is proposed. Many experiments show throughout this thesis the application and usefulness of this work

Cette thèse présente une étude sur la réalisation d'allures dynamiques ou quasi-dynamiques avec un robot quadrupède. Elle s'inscrit dans le cadre du projet Ralphy (robot autonome à liaisons pneumatiques hybrides) développé au laboratoire de robotique de Paris. La détermination des couples articulaires qu'il faut appliquer sur les pattes pour garantir l'équilibre de la plate-forme lors d'une allure non-statique nécessite de résoudre le modèle dynamique inverse (m. D. I. ) du robot. Aussi, pour répondre à la contrainte de temps réel et aux contraintes matérielles des systèmes embarqués, une approche basée sur une distribution hiérarchisée de l'ensemble des taches à réaliser est exposée (chapitre 2). Les quatre problèmes suivants sont alors traités: résolution du m. D. I. Des pattes (chapitre 3), coordination du mouvement des pattes et détermination du profil de la trajectoire suivie par leur extrémité (chapitre 4), contrôle de la stabilité de la plate-forme (chapitre 5). Enfin, la dernière partie de ce mémoire est consacrée à la présentation du nouveau projet Reality (robot d'étude autonome à locomotion intermédiaire typique)

Les travaux présentés dans ce mémoire concernent les aspects modélisation de l'environnement et planification de trajectoire du projet V. A. H. M. (véhicule autonome pour handicapé moteur). Nous proposons d'exploiter les informations provenant d'une représentation incertaine de l'environnement. L’originalité de cette représentation provient du fait qu'elle est issue d'un dessin a vue effectue par un opérateur humain. Nous résolvons le problème de l'interprétation et de l'évaluation des incertitudes par une modélisation simple du comportement humain qui consiste à utiliser des relations de proximité entre les primitives géométriques du dessin originel. À partir de la modélisation par nombres multivaleurs de l'environnement à priori, nous effectuons des planifications de trajectoires. L’utilisation des caractéristiques incertaines du modèle permet alors la mise en évidence des régions ou la navigation du robot présente de hauts risques de collision avec les obstacles. Le fauteuil est équipé de capteurs extéroceptifs (capteurs à ultrasons) et proprioceptifs (odomètre) qui autorisent respectivement l'observation de l'environnement et l'estimation de la localisation. Lors de la navigation du robot dans l'environnement, la mise en correspondance du modèle et des données issues des moyens de perception permet d'effectuer une modification de la configuration des objets modélisés. Après plusieurs déplacements dans le milieu d'évolution, on observe une convergence de la configuration relative des objets vers leur configuration réelle

La complexité des architectures des robots parallèles rend souvent les modèles établis inadaptés à une commande dynamique sous la contrainte temps réel. Cette contrainte implique une optimisation de la complexité des calculs des modèles cinématique et dynamique, d´où l´intérêt de paralléliser les calculs pour les effectuer sur un système multi-processeurs. Cette parallélisation a été rendue possible par le développement d´une nouvelle approche. L´approche proposée est basée sur un formalisme global. L´extension de ce formalisme a été réalisée sur des robots parallèles. En considérant le robot parallèle comme une entité composée de plusieurs robots sériels transportant une charge commune, cette approche fait ressortir une expression factorisée de la matrice Jacobienne cinématique ainsi que de la matrice inertielle exprimée dans l´espace articulaire et opérationnel. Elle permet en outre une interprétation physique de la cinématique du manipulateur, en exprimant la matrice Jacobienne du robot parallèle comme la somme de la Jacobienne d´un segment considéré comme ouvert, avec un terme correctif traduisant la fermeture de la chaîne cinématique. Ces factorisations représentent les bases pour le développement d´algorithmes parallèles, en vue d´une implantation sur une architecture informatique de type multi-processeurs
Architecture of parallel robots is so complex that it often makes the established models inapplicable to real time dynamic control. The real time constraint implies an optimization of the computational complexity of the kinematic and dynamic models. Therefore the interest is to parallelise calculations in order to implement them on a multi-processor system. This parallelization is made possible by introducing a new approach. The proposed approach is based on a global formalism. The extension of this formalism is performed for parallel robots. Considering the parallel robot as an entity composed of several serial robots moving a common load, the factorized expressions of the kinematic Jacobian and inertia matrices expressed in joint and operational space, are determined. This approach allows moreover a physical interpretation of the kinematics of the manipulator, by expressing the Jacobian matrix of the parallel robot as the sum of the Jacobian of a segment considered as opened, with a corrective term representing the closing of the kinematic chain. These factorizations present the base for developing parallel algorithms with the aim of future implementation on multi-processors architecture

Malgré le grand nombre de robots humanoïdes actuels existants, trois verrous scientifiques majeurs subsistent: l'autonomie décisionnelle, l'autonomie énergétique et la marche dynamique agile. La présente thèse se focalise sur ce dernier point. Premièrement, une marche statique tridimensionnelle par une commande avec des modèles géométriques inverses analytiques et avec orteils actifs a été générée. Deuxièmement, dans l’objectif de générer une marche dynamique tridimensionnelle, les mouvements la composant ont été étudiés séparément dans le plan frontal et dans le plan sagittal avec des robots à contact ponctuels. Dans le plan frontal, des oscillations stables ont été générées en adaptant énergétiquement le placement du pied et la force de poussée. Dans le plan sagittal, un contrôle énergétique de la force de propulsion par la jambe arrière a été testé et validé successivement grâce à différents modèles numériques: avec un robot avec deux articulations rotoïdes dans les hanches et des vérins dans les genoux, puis avec un robot avec des articulations rotoïdes dans les genoux. Troisièmement, afin de généraliser les principes étudiés, un système composé de dix corps et neufs articulations incluant des orteils actifs et muni de pieds à contact discret a abouti à des simulations de franchissement dynamique d'obstacles jusqu'à vingt centimètres de hauteur. Nos techniques de commande géométrique et de contrôle énergétique ont alors été implémentées dans le cas de la marche dynamique tridimensionnelle. Finalement, des expérimentations de marches ont été réalisées sur le prototype de robot bipède ROBIAN, et ont permis d’identifier la frontière entre marche statique et dynamique
Despite the large number of existing humanoid robots, three main scientific issues remain: the decision-making autonomy, the autonomy in energy and the agile dynamic walking. This thesis focuses on this last issue. Firstly, a three-dimensional static walking generated by analytical geometrical inverse kinematics using active toes has been generated. Secondly, in order to generate a three-dimensional dynamic walking, the motions were studied separately in the frontal plane and in the sagittal one, with numerical models of robots with point-contacts feet. In the frontal plane, stable oscillations were generated by adapting energetically the foot placement and the push force. In the sagittal plane, a high level energy control of the propulsion force with the rear leg was successively tested and validated thanks to different numerical bipeds: with a robot with two rotational hip joints and two translational knee joints, and then with a robot with two rotational knee joints. Thirdly, in order to generalize the studied principles, a robot with ten bodies and nine rotational joints including active toes and discretized-contact feet allowed the dynamic crossing of an obstacle up to twenty centimetres high. Then, our geometrical techniques of walk pattern generation and our energy control of the propulsion have been implemented in the case of a three-dimensional dynamic walking. Finally, walking experimentations were realized with the ROBIAN biped robot prototype, and allowed to identify the transition between static and dynamic walking

Ce manuscrit met en avant la capacité d’un robot humanoïde à effectuer une tâche difficilement réalisable par d’autres types de robots. On s'intéresse ici à la manipulation d'objets dits encombrants. De telles tâches de manipulation s'effectuent avec beaucoup de difficultés et font appel à plusieurs aptitudes, telles la prise en compte du mouvement du corps dans son ensemble (ou mouvement corps complet) et une parfaite synchronisation entre les différents membres, bras et jambes. Nous introduisons ici un planificateur de mouvements corps complet qui donne à un robot humanoïde la capacité de mettre en place, automatiquement, une stratégie de déplacement d'objets encombrants par pivotement, tout en prenant en compte un certain nombre de contraintes : évitement de collisions, coordination des membres, bras et jambes, et contrôle de la stabilité pendant tout le déplacement. Basé sur des résultats formels, définis en amont, prouvant la contrôlabilité en temps petit d'un système se déplaçant par pivotement. Le planificateur hérite aussi de la complétude probabiliste des méthodes d'échantillonnage aléatoire de planification sur lesquelles il est construit. Les capacités géométriques et cinématiques du planificateur proposé sont aussi démontrées à travers des simulations et des expérimentations réelles. Nous nous intéressons ensuite à résoudre des problèmes plus complexes, en offrant au robot la possibilité de lâcher et de reprendre l'objet à manipuler si celui-ci est bloqué dans un passage étroit
This manuscript highlights the ability of a humanoid robot to perform a task hard to achieve by other types of robots. Here we are interested in manipulation of bulky objects. Such manipulation tasks are performed with great difficulty and involve several skills, such as taking into account motion of the body as one whole system (or whole-body motion) and perfect synchronization between the different limbs, arms and legs. We introduce here a whole-body motion planner that gives a humanoid robot the ability to automatically find a strategy for moving bulky objects by pivoting, taking into account a number of constraints : collision avoidance, limbs coordination, arms and legs, and stability control throughout the motion. Based on formal controllability results, defined upstream, the planner also inherits completeness of the probabilistic random sampling methods on which it is built. The geometric and kinematic capabilities of the planner proposed are also demonstrated through simulations and real experiments. Then we focus on solving more complex problems, giving the robot the ability to release and regrasp the object to manipulate if it is stuck in a narrow passage

Le travail presente s'inscrit dans le cadre du projet bip concernant la realisation d'un robot bipede anthropomorphe. Ce robot a ete concu de maniere a reproduire des allures de marche humaine. La phase unipodale represente en moyenne 80% de la duree d'un pas et sa dynamique est complexe. Le premier chapitre est consacre a l'etude de cette phase lorsqu'elle est consideree comme passive. D'abord, sur la base d'un modele a 3 ddl, nous cherchons a engendrer des allures de marche au cours desquelles le bipede se comporte comme un pendule compose. Cette recherche est repetee pour trois types de repartition de masse comprenant une repartition anthropomorphe. Les resultats obtenus montrent que l'idee d'un transfert pendulaire durant la phase unipodale n'est pas satisfaisante. Puis, en utilisant le principe du maximum de pontriaguine, nous cherchons a determiner un mouvement optimal pendant la phase unipodale, pour differents modeles a 4, 5 et 6 ddl. Les mouvements optimaux sont engendres par minimisation de l'integrale des couples actionneurs quadratiques. D'autres criteres de performance sont definis en ajoutant au precedent, la duree de transfert ou les puissances des couples articulaires. L'allure des mouvements obtenus depend du critere introduit, mais depend surtout des conditions initiales et finales fixees. Un bon choix de ces conditions conduit a des mouvements dont l'allure evoque la marche humaine. Le respect de contraintes cinematiques articulaires et l'evitement d'obstacles sont realises par l'emploi de techniques de penalite. Le mouvement optimal pour la montee d'une marche d'escalier est simule avec un modele a 6 ddl. Le troisieme chapitre est consacre a des tests de validation d'un membre locomoteur prototype equipe de ses quatre moteurs. Le comportement du systeme est analyse en flexion-extension, sous differentes charges. Un aspect essentiel de cette analyse est l'estimation des couples de frottement articulaires.

Cette thèse vise à améliorer la compréhension de la locomotion bipède en se basant sur les connaissances acquises en robotique et biomécanique. L'étude conduite est essentiellement centrée autour du problème de la course bipède, ceci dans le but de mieux comprendre une partie de la locomotion bipède qui reste encore non maîtrisée concernant la stratégie de commande employée par les robots bipèdes. Fondée sur une approche intuitive, telle que celle utilisée pour le robot marcheur M2 par J. E. Pratt et G. Pratt, une stratégie de commande pour réaliser des courses à haute vitesse avec un robot bipède 3D est proposée et évaluée en simulation. En considérant des observations biomécaniques, le robot bipède simulé est capable de courir à des vitesses comprises entre 2. 7m/s et 7m/s, de faire face à de fortes perturbations externes, i. E. Terrain variable et poussées externes, tout en manifestant un comportement très semblable à celui de l'homme
This thesis aims to improve insight into bipedal locomotion based on the robotics and biomechanics advances. The research conducted in this thesis is mainly centered on the running motion to gain insight in a gait that remains not fully understood in the control of bipedal robots. Based on an intuitive approach, such as the one used for walking with the robot M2 by J. E. Pratt and G. Pratt, a control strategy for high-speed running with a 3D complex bipedal robot is suggested and evaluated in simulation. Taking into account biomechanics observations, such as the spring-mass model, the simulated bipedal robot is able to run from 2. 7m/s up to 7m/s, to deal with external perturbations such as strongly uneven terrains and substantial external pushes, and to exhibit a very human-like gait

Cette thèse comporte trois parties. La premiere partie est consacrée au développement des équations dynamiques des systèmes multicorps flexibles. En vue d'établir les équations d'un tel système, deux approches principales sont mises en oeuvre. Ces approches peuvent être appelées approche en coordonnées cartesiennes et approche en coordonnées articulaires. La seconde partie concerne la linéarisation du système équations dynamiques non linéaire ainsi établi. Nous proposons une procédure simple pour réaliser recursivement cette linéarisation en utilisant l'approche en coordonnées articulaires. L'avantage de cette procédure tient à la possibilité d'un traitement systématique des variables de mouvement rigides et flexibles dans une notation unifiée qui permet le développement d'opérateurs formels dérivation conçus spécifiquement pour cette tâche. La méthode simplifié à la fois la formulation théorique et la programmation et permet un calcul plus rapide. La troisieme partie traite de l'utilisation des résultats précédents en vue du contrôle dynamique. En ce qui concerne le contrôle en position. Quelques resultats préliminaires sur le contrôle de la trajectoire de l'effecteur d'un robot multibras sont présentes, mettant en oeuvre une loi généralisée de contrôle découpe. Les performances du contrôleur sont évaluées. Les résultats de la simulation présentent une bonne convergence vers la trajectoire présente. En ce qui concerne le contrôle en force. Le problème du contrôle simultané en force et position pour un robot, avec contact entre l'effecteur et l'environnement rigide est analyse. Des contrôleurs en position et en force peuvent être definis

Les électrobroches UGV sont des éléments très influents sur la durée de vie des moyens de production car elles font partie des sous-systèmes les plus complexes et les plus sollicités d'une machine-outil. L'insuffisance de maîtrise du comportement dynamique en usinage de ces systèmes induit des coûts d'exploitation et de maintenance très importants et constitue un frein à l'essor de cette technologie. Les travaux de thèse ont permis d'élaborer un modèle éléments finis de prédiction du comportement dynamique d'électrobroches en rotation. La simulation du modèle permet d'observer une forte dépendance du comportement dynamique avec la fréquence de rotation de la broche. Les propriétés du modèle sont ensuite exploitées pour prédire les conditions de stabilité d'une opération d'usinage. Les résultats numériques présentés dans la thèse ont fait l'objet de validations expérimentales. Un logiciel industriel d'analyse d'électrobroches BrochePro a été élaboré

Les electrobroches UGV sont des éléments très influents sur la durée de vie des moyens de production car elles font partie des sous-systèmes les plus complexes et les plus sollicités d'une machine-outil. L'insufissance de maîtrise du comportement dynamique en usinage de ces systèmes induit des coûts d'exploitation et de maintenance très importants et constitue un frein à l'essor de cette technologie. Les travaux de thèse ont permis d'élaborer un modèle éléments finis de prédiction du comportement dynamique d'électrobroches en rotation. La simulation du modèle permet d'observer une forte dépendance du comportement dynamique avec la fréquence de rotation de la broche.Les propriétés du modèle sont ensuite exploitées pour prédire les conditions de stabilité d'une opération d'usinage. Les résultats numériques présentés dans la thése ont fait l'objet de validations expérimentales. Un logiciel industriel d'analyse d'electrobroches BrochePro a été élaboré

Les tendances actuelles de la robotique requièrent une opération de plus en plus rapide dans un grand espace de travail. Afin d’adresser ces exigences, la conception de trajectoires dynamiques pour des robots parallèles suspendus entraînés par des câbles (RPSC) qui peuvent s’étendre à l’extérieur de l’espace de travail statique des robots est présentée. Des stratégies sont présentées pour explorer des trajectoires pendant lesquelles les tensions de tous les câbles est garantie d’être positive afin de respecter la propriété unilatérale des câbles. Tout d’abord, la planification et la synthèse des trajectoires dynamiques périodiques sont investiguées pour des robots à trois degrés de liberté (DDL) de masse ponctuelle, des robots à trois DDL plans et des RPSC à six DDL. Sur la base d’une approche analytique, des trajectoires de translation pure et un mouvement plus complexe qui inclut des changements de position et d’orientation sont produits. Un système mécanique passif qui équivaut à un RPSC est présenté pour donner un aperçu et faciliter la conception de ces trajectoires. Il est démontré que les équations différentielles dynamiques qui gouvernent la partie de translation du mouvement pendant une trajectoire sont linéaires pour certaines conditions. Les fréquences naturelles du système linéaire équivalent sont obtenues et une généralisation des trajectoires périodiques est développée en intégrant ce système d’équations différentielles linéaires. Des trajectoires naturelles découlant d’un système à ressorts ayant une raideur constante et dont l’amplitude n’est pas restreinte sont obtenues. En utilisant cette formulation, la partie de rotation des RPSC à trois DDL plans devient un ressort non-linéaire dont la trajectoire peut être trouvée dans la littérature, ce qui réduit largement la complexité de la planification de la trajectoire. Pour les RPSC à six DDL, les angles d’inclinaison et de torsion sont utilisés pour définir les composantes de rotation des trajectoires et les conditions mathématiques correspondant aux trajectoires linéaires sont obtenues. Les trajectoires périodiques ci-dessus donnent un aperçu des propriétés fondamentales du mécanisme et peuvent être utilisées dans certaines applications spécifiques. Cependant, la plupart des situations pratiques exigent que le robot passe d’un point cible à un autre. Une technique de planification de trajectoire dynamique point à point pour obtenir une série de points pour une masse ponctuelle de trois DDL est donc proposée. Chaque segment de trajectoire est conçu pour avoir une vitesse nulle à ses points d’extrémité. Cette formulation permet des trajectoires qui s’étendent au-delà de l’espace de travail statique du robot. Un mouvement de base est introduit, qui est une fonction mathématique qui peut être adaptée pour chaque direction de coordonnées le long de chaque segment de trajectoire. Les contraintes cinématiques sont satisfaites grâce à la sélection des coefficients pour cette fonction. Les contraintes dynamiques sont imposées en définissant des régions réalisables à l’intérieur de l’espace de travail pour chaque point d’extrémité du segment, en fonction du point final précédent. Cette procédure est étendue à la planification de la trajectoire des RPSC à six DDL. Chaque segment de trajectoire est conçu pour avoir une vitesse de translation et de rotation nulle à ses points d’extrémité ; Les transitions entre chaque segment ont une accélération de translation et de rotation. En outre, une interpolation lisse et un évitement des singularités sont obtenus en utilisant une quaternion unitaire pour représenter la composante de rotation des trajectoires. Ensuite, une technique de planification de la trajectoire de transition dynamique pour les RPSC de masse ponctuelle à trois DDL est proposée pour satisfaire une application réelle où le robot doit passer d’une trajectoire à une autre. Cette trajectoire est conçue pour faire la transition automatiquement entre plusieurs trajectoires pré-générées au-delà de l’espace de travail statique en séquence avec différents points de départ, ainsi que pour offrir la capacité de démarrer à partir de, et de terminer par, une position de repos tout en assurant un mouvement continu jusqu’au niveau de l’accélération. Deux trajectoires consécutives sont impliquées dans la transition, une trajectoire source et une trajectoire cible. En utilisant des fonctions de temps appropriées, la trajectoire cible est progressivement atteinte en approchant les paramètres d’amplitude et les fréquences de ceux de la trajectoire source. En outre, pour chaque transition, le point de départ de la trajectoire source, le point d’arrivée sur la trajectoire cible et le temps de transition est optimisé pour minimiser le temps de transition tout en respectant les contraintes du robot. Un exemple est fourni pour démontrer la nouvelle technique de planification de la trajectoire dans lequel le robot doit commencer à partir d’un état de repos, exécuter deux différentes ellipses consécutives, une ligne droite et un cercle en séquence, puis revenir à l’état de repos. Enfin, une validation expérimentale des trajectoires périodiques et point-à-point est implémentée sur le prototype d’un RPSC à masse ponctuelle à trois DDL et d’un RPSC à six DDL. Des fichiers vidéo supplémentaires sont inclus pour démontrer les résultats.
In the trend that robots are required to operate at increasingly high speeds and in large workspaces, dynamic trajectories of fully actuated cable-suspended parallel robots (CSPRs) that can extend beyond the robots’ static workspace are designed. Due to the unilateral property of cables, strategies to explore trajectories during which cable tensions can be guaranteed to remain positive are proposed. The planning and synthesis of dynamic periodic trajectories are first investigated for three-DOF point-mass, three-DOF planar, and six-DOF CSPRs. Based on an analytical approach, pure translation trajectories and more complex motion that includes changes in position and orientation are produced. A passive mechanical system that is equivalent to a CSPR is introduced to provide insight and facilitate the design of such trajectories. The dynamic differential equations that govern the translational component of the trajectories are shown to become linear under some conditions. Natural frequencies of the equivalent linear system are obtained and a generalization of periodic trajectories is accomplished by the integration of the linear system of differential equations. Natural trajectories associated with equivalent springs of constant stiffness and without any restriction of the amplitude are obtained. Using this formulation, the rotational component of three-DOF planar CSPRs becomes a nonlinear spring whose trajectories can be found in literature, which largely reduces the complexity of its trajectory planning. For six-DOF CSPRs, tilt and torsion angles are used to define the rotational component of the trajectories and the mathematical conditions corresponding to the linear trajectories are obtained. The above periodic trajectories provide insight into the fundamental properties of the mechanism and can be used in some specific applications. However, most practical situations require that the robot moves from one target point to another. Thus, a point-to-point dynamic trajectory planning technique for reaching a series of points for a point-mass three-DOF CSPR is proposed. Each trajectory segment is designed to have zero velocity at its endpoints. This formulation allows for trajectories that extend beyond the static workspace of the robot. A basis motion is introduced, which is a mathematical function that can be adapted for each coordinate direction along each trajectory segment. Kinematic constraints are satisfied through the selection of the coefficients for this function. Dynamic constraints are imposed by defining feasible regions within the workspace for each segment endpoint, based on the previous endpoint. This scheme is expanded to the trajectory planning of a six-DOF CSPR. Each trajectory segment is designed to have zero translational and rotational velocity at its endpoints; transitions between segments have translational and rotational acceleration. Additionally, smooth interpolation and singularity avoidance is achieved by using a unit quaternion to represent the rotational component of the trajectories. Then, a dynamic transition trajectory planning technique for three-DOF point-mass CSPRs is proposed to satisfy a real application where the robot is required to move from one trajectory to the next. This trajectory is designed to automatically chain multiple pre-generated trajectories beyond the static workspace in sequence with different starting points, as well as have the ability of starting from/ending with a resting position, while ensuring continuity up to the acceleration level. Two consecutive target trajectories are involved in the transition trajectory by using proper time functions, such that a goal trajectory is gradually reached by approaching the amplitude parameters and frequencies from those of a source trajectory. Additionally, each transition is based on the optimization of the departure point from its source trajectory and a minimum time for the transition to its goal trajectory. An example is provided to demonstrate the novel trajectory-planning technique. The robot is requested to start from the state of rest, merge into two consecutive ellipses, a straight line and a circle in sequence and then go back to the state of rest. Finally, experimental validation of the periodic and point-to-point trajectories is implemented on the prototype of a three-DOF point-mass CSPR and a six-DOF CSPR. Supplementary video files are included to demonstrate the results.