Interface pour le pilotage et l'analyse des robots basée sur un générateur de cinématiques

In robotics we depend on software tools during design, modeling, programming and testing. These tools are essentials, often indispensable aids for developing and operating sophisticated robotic systems. At the same time, these tools are complex and usually too difficult to be used by non specialists. For example tools used for simulation or off-line programming require significant knowledge and skill. The goal of this thesis is to provide novice users with an intuitive tool (CINEGEN) for designing, studying and controlling robot manipulators without programming. In particular the tool addresses two main problems: 1) modeling a new robot requires an significant amount of time; 2) robot tasks (motion, actions, etc.) are generally difficult for novice users to specify. CINEGEN is a novel tool for kinematic simulation of robot manipulators in a virtual environment. It is easy to use and is capable of handling generic kinematic structures. With CINEGEN the description of robots is easy to perform and enables rapid prototyping. Additionally, CINEGEN's capability for real-time interactive simulation allows novice users to quickly specify and evaluate robot tasks. A new simulation can be created very rapidly by describing the robot in a simple text based configuration file. In this file, robots are defined by the properties of each link and their relationships. Robots are defined as a tree structure from the base to the end-effector. For robots with kinematic loops, each loop is represented with two open sub-chains which are closed using a simple constraint. This same type of constraint is used to define which part of the robot must follow movements generated by input devices to the simulation. Once defined, this file is parsed by CINEGEN which automatically constructs the robot structure and its numerical kinematic model to satisfy all the constraints. Then the kinematic solver computes the robot movements regarding the user inputs and the internal constraints. This allows the user to interactively control the robot in two modes: direct kinematics (independent control of each joint) or inverse kinematics (control of the end effector). This constraint solver scheme provides the user with a unified interface to control robots without requiring thought about direct or inverse kinematics. The user interacts with the model of the robot using a virtual reality based interface. This interface gives the user a direct and intuitive means to study a robot's behavior. The virtual reality based interface implies three fundamentals needs: a visualization of 3-dimensional world, appropriate input devices and real-time simulation. The visualization of the robot in a three dimensional space allows the user to understand the robot and the world in which it moves without any symbolic representation. The design of a new haptic input device extends the use of commercial devices employed, making it easier to generate control inputs as well as to "feel" the robot response. Real-time performance (refresh at more than 25Hz) of the complete simulation (graphics as well as kinematics) is obtained via efficient numerical tools and a constraint solver dedicated to robot kinematics. In short, the project developed in this thesis answer to two principal needs: rapid prototyping and analysis of robot manipulators with general kinematic structure, an intuitive interface for teleoperation (task definition) of new robots without programming

Formulation des éléments à champs de déformation pour l’analyse statique et dynamique des structures courbes

Ce présent travail concerne la formulation et l’évaluation d’éléments finis triangulaires de type coque, pour l’analyse des structures. Ces éléments sont basés sur l’approche en déformation et ne possèdent que des degrés de liberté essentiels. La première partie de la thèse concerne le développement d’un élément de coque cylindrique triangulaire à trois noeuds pour analyser les structures courbes, en utilisant l'approche en déformation et la théorie des coques profondes. Ainsi, seuls cinq degrés de liberté par noeud (U, V, W, θx,et θy) ont été utilisés pour l'élément développé qui est appelé SBTDS (Strain Based Triangular Deep Shell). Cet élément est basé sur des déformations supposées, qui satisfont aux équations de compatibilité, ainsi que sur les modes de déplacements de corps rigides. La deuxième partie consiste à l’amélioration de la performance de l’élément SBTDS par la rotation supplémentaire afin d’éviter le problème rencontré lors de la modélisation de structures complexes (le besoin de compatibilité entre les degrés de liberté des différents éléments). L’élément développé nommé SBTDSR (Strain Based Triangular Deep Shell with Rotation) à trois noeuds possède 6ddl par noeud (U, V, W, θx,, θy et θz). Dans la dernière partie, trois éléments sont formulés afin d’étudier l’effet des transformations effectuées sur le champ de déformation de l’élément SBTDS. Les éléments résultants SBTDS1, SBTDS2 et SBTDS3 sont simples dans leurs formulations, contiennent à chaque noeud pour chaque variante cinq degrés de liberté externes principaux. Ainsi que le champ de déplacement de chaque élément est enrichi par des termes d'ordre élevé sans qu'il soit nécessaire d'inclure des noeuds intermédiaires ou des degrés de liberté supplémentaires non essentiels. Les performances et la précision des éléments développés ont été vérifiées avec des exemples numériques en statique et en vibration libre de structures courbes. Les résultats numériques obtenus à l'aide des éléments formulés généralement concordent bien avec ceux d'autres investigations et résultats théoriques. De plus, la forme triangulaire des éléments développés est plus avantageuse que la forme quadrilatère lorsque le domaine géométrique de la structure est déformé ou compliqué

Automates cellulaires non-uniformes

This thesis introduces a new dynamical system which generalizes the cellular automata (CA) : non-uniform cellular automata (nuCA). The nuCAs are obtained by relaxing the spatial uniformity of the local rule of CAs. The global rule is now given by a distribution of local rules. Several classes of nuCAs are defined with respect to restrictions on the distributions. Firstly, nuCAs are used to modelize structural perturbations on CAs. This allows to study the resiliency of CAs in this field. Secondly, the new model is studied for itself. In particular, a characterization of rules distributions inducing some properties (number conserving, surjectivity, injectivity, equicontinuity, ...) are given.Cette thèse introduit un nouveau système dynamique qui généralise les automates cellulaires classiques (CA) : les automates cellulaires non-uniformes (nuCA). Les nuCA sont obtenus en relaxant l'uniformité spatiale de la règle local d'un automate cellulaire, la règle globale est alors obtenu par une distribution de règles locales. Plusieurs classes de nuCA sont identifiées en fonction de restrictions sur les distributions. Dans un premier temps, les nuCA sont utilisés pour modéliser des perturbations structurelles d'un CA. Cette approche permet d'étudier la résilience des CA dans ce cadre. Dans un deuxième temps, le nouveau modèle est étudié pour lui-même. En particulier, des caractérisations sont données sur les distributions de règles qui engendrent certaines propriétés (conservation du nombre, surjectivité, injectivité, équicontinuité, ...)

Etude du tissage hybride multicouche : réalisation d’une machine par une approche multiaxes synchronisés

Woven fabric is basically produced by interlacing two set of threads, warp yarns, or ends, which run lengthwise in the fabric and the filling yarns (weft), or picks, which run from side to side. The traditional system of ends and picks interlacing is identified as a two dimensional weave or pattern. Involving woven fabrics into technical applications require the evolution of advanced patterns in which ends and picks can be interlaced to build a 3D woven fabric. Moreover, these advanced patterns can allow the integration of new elements other than textile yarns such as sensors, liquid-feeding tubes, electric wires, etc. The goal of this study is to develop a new concept of weaving machine that fill these requirements by moving the various mechanisms of weaving machine independently and replacing the mechanical synchronization by an electronic one. Such a new synchronization will take the timing diagram apart and thus to bring new functions. The new concept of the weaving machine lies on two parts; a mechanical part and an electronic part. The developed automation for this new concept is based on an advanced automation structure. This structure is composed of motion controller, IHM, a distance PLC connected to a CANmotion bus to meet the user's needs, this new concept of weaving machine based on electronic cams which is one of the strongest point. This new machine electronically synchronized allows a great flexibility and gives a great opportunity to develop a wide range of new woven fabric structuresUn tissu classique est réalisé par l’entrecroisement de 2 réseaux de fils (appelé armure), un longitudinal, la chaîne et un transversal, la trame. L’introduction des tissus dans les applications techniques a nécessité le développement de réseaux de fils beaucoup plus complexes permettant la réalisation d’entrecroisement en 3D. Toutefois, ces tissus complexes ne sont constitués que de fils textiles de même nature. Dans un futur proche, il sera nécessaire d’entrecroiser d’une part des fils textiles, mais aussi d’autres éléments tels que des capteurs, des tubes d’alimentation liquide, des fils électriques ou tout autre objet. Le but de notre travail est de développer un nouveau concept de machine pouvant répondre à ces nouvelles exigences. Dans le cadre du développement d’un nouveau concept de tissage, nous souhaitons mettre en mouvement les divers mécanismes de la machine à tisser de manière indépendante et remplacer la synchronisation mécanique de ces mécanismes, par une synchronisation électronique. Ce nouveau type de synchronisation permettra de « déstructurer » l’horloge de tissage et ainsi apporter de nouvelles fonctions. La réalisation de cette nouvelle machine a conduit à la conception d’une partie mécanique et d’une partie électronique.L'automatisation développée lors de la réalisation de cette machine est fondée sur la mise en place d'une structure avancée d'automatisation, constituée d’un contrôleur de mouvement, d’un IHM, d’une automate déporté, connectés sur un bus de terrain CANmotion, essayant de répondre au mieux aux besoins des utilisateurs. La flexibilité et la synchronisation électronique présente dans cette machine architecturée autour de cames électroniques, sont les points forts, et laisse la porte ouverte à l'utilisation de cette machine pour de nouvelles applications. En particulier la réalisation de tissus multicouches hybrides complexes

Conception et fabrication d’un tomographe optique et caractérisation d’un porte échantillon à répétabilité de positionnement submicronique

Ce mémoire de maîtrise présente le travail de conception du volet mécanique d’un équipement automatisée pour caractériser en trois dimensions la microstructure des interconnexions d’alliage étain-argent-cuivre, utilisé dans les procédés d’assemblage de puces électroniques par puce renversée. La technique de tomographie consiste à faire plusieurs cycles d’enlèvement de fine couche de matière par polissage et photographier cette surface ainsi obtenue, à l’aide d’un éclairage polarisé croisé. La lumière polarisée croisée permet la mise en évidence des différents domaines cristallographiques présent dans les interconnections. Le processus de développement de produit enseigné à l’Université de Sherbrooke a été employé pour définir les différents besoins, fonctions et critères de conception. Les concepts retenus sont présentés dans l’optique de bien comprendre la stratégie globale de l’équipement ainsi que le rôle spécifique de chaque sous-système. On peut diviser le tomographe en plusieurs sous- systèmes : Structure, manipulation, préparation de surface, nettoyage, caractérisation et contrôle. Une présentation générale des concepts retenus pour chaque sous-système est réalisée et une étude approfondie d’un système de positionnement isostatique, utilisé pour localiser le porte échantillon lorsqu’il est à la station de caractérisation, est présenté via un article scientifique. Tous les essais réalisés dans le cadre du travail de cette maîtrise démontrent la viabilité de l’équipement proposé pour réaliser une reconstruction tridimensionnelle d’interconnexions avec une précision meilleure que 1 micron dans toutes les directions. La qualité des images obtenues permet aussi de bien distinguer les différents domaines cristallographiques présents dans les alliages étain-argent-cuivre

SLAM temporel à contraintes multiples

This report describes my thesis work conducted within the ComSee (Computers That See) team related to the ISPR axis (ImageS, Perception Systems and Robotics) of Institut Pascal. It was financed by the Auvergne Région and the European Fund of Regional Development. The thesis was motivated by localization issues related to Augmented Reality and autonomous navigation. The framework developed during this thesis is a generic approach to implement SLAM algorithms : Simultaneous Localization And Mapping. The proposed approach use multiple constraints in the localization and mapping processes. Those constraints come from sensors data and also from knowledge given by the application context. Each constraint is used into one optimization algorithm in order to improve the estimation of the motion and the accuracy of the map. Three problems have been tackled. The first deals with constraints on the map to accurately estimate the pose of 3D objects partially known in the environment. The second problem is about merging multiple heterogeneous and asynchronous data coming from different sensors using an optimization algorithm. The last problem is to write an efficient and real-time implementation of the SLAM problem using multiple constraints. A generic approach is used to design the framework and to generate different configurations, according to the constraints, of each SLAM problem. A particular interest has been put in the low computational requirement (in term of memory and CPU) while offering a high portability. Moreover, meta-programming techniques have been used to automatically and specifically generate the more complex parts of the code according to the given problem. The optimization library LMA, developed during this thesis, is made available of the community in open-source. Several experiments were done on synthesis and real data. An exhaustive benchmark shows the performances of the LMA library compared to the most used alternatives of the state of the art. Moreover, the SLAM framework is used on different problems with an increasing difficulty and amount of constraints. Augmented Reality and autonomous navigation applications show the good performances and accuracies in multiple constraints context.Ce mémoire décrit mes travaux de thèse de doctorat menés au sein de l’équipe ComSee (Computers that See) rattachée à l’axe ISPR (Image, Systèmes de Perception et Robotique) de l’Institut Pascal. Celle-ci a été financée par la Région Auvergne et le Fonds Européen de Développement Régional. Les travaux présentés s’inscrivent dans le cadre d’applications de localisation pour la robotique mobile et la Réalité Augmentée. Le framework réalisé au cours de cette thèse est une approche générique pour l’implémentation d’applications de SLAM : Simultaneous Localization And Mapping (algorithme de localisation par rapport à un modèle simultanément reconstruit). L’approche intègre une multitude de contraintes dans les processus de localisation et de reconstruction. Ces contraintes proviennent de données capteurs mais également d’a priori liés au contexte applicatif. Chaque contrainte est utilisée au sein d’un même algorithme d’optimisation afin d’améliorer l’estimation du mouvement ainsi que la précision du modèle reconstruit. Trois problèmes ont été abordés au cours de ce travail. Le premier concerne l’utilisation de contraintes sur le modèle reconstruit pour l’estimation précise d’objets 3D partiellement connus et présents dans l’environnement. La seconde problématique traite de la fusion de données multi-capteurs, donc hétérogènes et asynchrones, en utilisant un unique algorithme d’optimisation. La dernière problématique concerne la génération automatique et efficace d’algorithmes d’optimisation à contraintes multiples. L’objectif est de proposer une solution temps réel 1 aux problèmes de SLAM à contraintes multiples. Une approche générique est utilisée pour concevoir le framework afin de gérer une multitude de configurations liées aux différentes contraintes des problèmes de SLAM. Un intérêt tout particulier a été porté à la faible consommation de ressources (mémoire et CPU) tout en conservant une grande portabilité. De plus, la méta-programmation est utilisée pour générer automatiquement et spécifiquement les parties les plus complexes du code en fonction du problème à résoudre. La bibliothèque d’optimisation LMA qui a été développée au cours de cette thèse est mise à disposition de la communauté en open-source. Des expérimentations sont présentées à la fois sur des données de synthèse et des données réelles. Un comparatif exhaustif met en évidence les performances de la bibliothèque LMA face aux alternatives les plus utilisées de l’état de l’art. De plus, le framework de SLAM est utilisé sur des problèmes impliquant une difficulté et une quantité de contraintes croissantes. Les applications de robotique mobile et de Réalité Augmentée mettent en évidence des performances temps réel et un niveau de précision qui croît avec le nombre de contraintes utilisées

Anesthésie robotique : insertion automatique d'un cathéter veineux guidée par ultrasons

RÉSUMÉ: But: L’automation est un concept qui a révolutionné plusieurs domaines, allant de l’industrie automobile aux télécommunications, en passant par la médecine. Cependant, ce concept est quasi-inexistant en anesthésie. Ce projet vise à développer un système automatique pour une insertion intraveineuse d’un cathéter, et donc à déclencher l’automatisme dans le domaine de l’anesthésie. Méthodologie: Un bras robotique effectue un balayage d’une sonde ultrasonique sur un bras fantôme (contenant une veine artificielle). Cette vidéo est transférée à un ordinateur et des images fixes en sont analysées par des algorithmes Matlab. La veine est détectée et ses coordonnées sont envoyées à un second bras robotique qui positionne une aiguille et un cathéter au-dessus du point d’insertion. Résultats: Deux bras robotiques sont construits: Le premier, guidé par 6 servomoteurs, effectue un balayage d’une sonde ultrasonique sur le site veineux; et le second, guidé par 7 servomoteurs, positionne le cathéter et l’aiguille au point d’insertion, puis y insère l’aiguille en premier et le cathéter en second. L’analyse vidéo et la détection de veine sont faites à travers une interface graphique Matlab, qui utilise la transformée de Hough.----------Abstract: Purpose: Automation is a common concept that revolutionized multiple domains, from automobile industry to telecommunications, passing by medicine. Little automation has been introduced to the anesthesia domain. The purpose of this project is to develop an automated system for intravenous catheter insertion, and thus trigger automation use in the anesthesia domain. Methods: A robotic arm performs ultrasound scans on the venous site (a phantom arm), real-time snapshots are analyzed by Matlab algorithms, the vein is detected, and corresponding coordinates are sent to a second robotic arm that will position the catheter and needle bundle at the correct insertion point. Results: Two robotic arms were built: the first one, guided by 6 servomotors, performs automatic ultrasound scans on the venous site, and the second one, guided by 7 servomotors, positions the catheter and needle at insertion point, then inserts the needle in the vein. Analysis is performed on a Matlab graphical user interface (GUI), using Hough transform

Aide au tolérancement tridimensionnel (modèle des domaines)

Face à la demande de plus en plus exigeante en terme de qualité et de coût de fabrication des produits manufacturés, la qualification et quantification optimal des défauts acceptables est primordial. Le tolérancement est le moyen de communication permettant de définir les variations géométriques autorisé entre les différents corps de métier intervenant au cours du cycle de fabrication du produit. Un tolérancement optimal est le juste compromis entre coût de fabrication et qualité du produit final. Le tolérancement repose sur 3 problématiques majeures: la spécification (normalisation d'un langage complet et univoque), la synthèse et l'analyse de tolérances. Nous proposons dans ce document de nouvelles méthodes d'analyse et de synthèse du tolérancement tridimensionnel. Ces méthodes se basent sur une modélisation de la géométrie à l'aide de l'outil domaine jeux et écarts développé au laboratoire. La première étape consiste à déterminer les différentes topologies composant un mécanisme tridimensionnel. Pour chacune de ces topologies est définie une méthode de résolution des problématiques de tolérancement. Au pire des cas, les conditions de respect des exigences fonctionnelles se traduisent par des conditions d'existence et d'inclusions sur les domaines. Ces équations de domaines peuvent ensuite être traduites sous forme de système d'inéquations scalaires. L'analyse statistique s'appuie sur des tirages de type Monte-Carlo. Les variables aléatoires sont les composantes de petits déplacements des torseur écarts défini à l'intérieur de leur zone de tolérance (modélisée par un domaine écarts) et les dimensions géométriques fixant l'étendue des jeux (taille du domaine jeux associé). A l'issue des simulations statistiques, il est possible d'estimer le risque de non-qualité et les jeux résiduels en fonction du tolérancement défini. Le développement d'une nouvelle représentation des domaines jeux et écarts plus adapté, permet de simplifier les calculs relatifs aux problématiques de tolérancement. Le traitement local de chaque topologie élémentaire de mécanisme permet d'effectuer le traitement global des mécanismes tridimensionnels complexes avec prise en compte des jeux.As far as the demand in quality and cost of manufacturing increase, the optimal qualification and quantification of acceptable defects is essential. Tolerancing is the means of communication between all actors of manufacturing. An optimal tolerancing is the right compromise between manufacturing cost and quality of the final product. Tolerancing is based on three major issues: The specification (standardization of a complete and unequivocal language), synthesis and analysis of the tolerancing. We suggest in this thesis some new analysis and synthesis of the three-dimensional tolerancing. These methods are based on a geometric model define by the deviations and clearances domains developed on the laboratory. The first step consists in determining the elementary topology that composes a three-dimensional mechanism. For each kind of these topologies one resolution method is defined. In worst case, the condition of functional requirement respect is traduced by existence and inclusions conditions on the domains. Then these domains equations can be translated in inequalities system of scalar. The statistical analysis uses the Monte-Carlo simulation. The random variables are the small displacements components of the deviation torsor which is defined inside its tolerance area (model by a deviations domain) and the geometrics dimensions which set the extent of clearance (size of the clearance domain). Thanks to statistical simulation, it is possible to estimate the non-quality rate in regards to the defined tolerancing. The development of a new representation of clearances and deviations domains most suitable, allows us to simplify the calculation for tolerancing problems. The local treatment of elementary topology makes enables the global treatment of complex three-dimensional mechanisms with take into account of clearances.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Conception préliminaire des actionneurs électromagnétiques basée sur les modèles (lois d'estimations et règles de conception pour la transmission de puissance mécanique.)

Dans la continuité des travaux de recherches sur les systèmes de transmission mécanique embarqués, l objectif de cette thèse est double : approfondir les modèles d estimations des pièces d un Actionneur Electromécanique (EMA) et étendre la vision transversale de la conception préliminaire aux aspects dynamiques. En effet, cette recherche permet, lors de la conception préliminaire basée sur les modèles, d adapter les choix d architectures et de technologies vis-à-vis des performances statiques et dynamiques à atteindre. Les modèles développés à partir des lois d échelles sont étendus et exploités afin de modéliser les pièces élémentaires de l EMA et de faire ressortir les règles de bonnes pratiques en conception préliminaire. On s intéresse en particulier au dimensionnement des EMAs dans le domaine aéronautique. Dans un premier temps, nous avons donc créé des modèles d estimation et des métamodèles des pièces de l EMA. A cet effet, il est décomposé en carter et pièces élémentaires qu il intègre.Dans un second temps, nous avons établis des règles de bonne conception et des pistes de dimensionnement de l actionneur asservi en position. Contrairement aux recherches antérieures, qui se centraient sur le dimensionnement en puissance, nous avons pris en compte la synthèse de la commande pour établir ces règles. A partir de modèles de simulations, nous qualifions et quantifions l influence des défauts (inertie et saturations, élasticité/jeu, frottement) sur les performances limites de l EMA. En effet, les structures de commande usuelles et le choix des éléments de contrôle-commande sont intimement liés aux performances dynamiques et à ces défauts. Enfin, afin de se doter de moyens d essais pour identifier finement un modèle de frottement dans des conditions aéronautiques de température, un banc d'essai sur le réducteur Harmonic Drive a été conçu et mis en œuvre. Il permet également d amorcer la validation des règles de bonne conceptionIn the continuity of work of research on embedded systems of mechanical transmission, this these has two objectives: to improve estimation models of Electromechanical Actuator (EMA) pieces and to extend the cross-cutting vision of preliminary design to the dynamic aspects. Indeed, in the preliminary design based on models, this research should allow to adapt the choice of architectures and technologies to static and dynamic performance to achieve. The models developed from the scaling laws will be extended and exploited to modelize elementary pieces of the EMA and to highlight rules of "good practices" in preliminary design. We focus in particular on the design of EMA in aeronautic field. In the first time, we developed estimations models and métamodèles of elementary components of EMA which was decomposed in housing and elementary pieces.In a second time, we established rules of good practices for actuator sizing in control position loop. Contrary to older researches, we take into account control synthesis to create these rules. From simulations models, we quantified the influence of technological defects of components (inertia and saturations, elasticity (backlash), friction) on EMA performances. Indeed, the usual command structures and the choice of the elements of control are intimately linked to the dynamic performance and these defects.Finally, to give test way to identify with accuracy a friction model in aeronautical conditions of temperature, a test bench of Harmonic Drive was create, integrated and implemented. It allows booting the validation of rules of good practices in preliminary design.TOULOUSE-INSA-Bib. electronique (315559905) / SudocSudocFranceF