Comparaison de la répétabilité des robots manipulateurs sériels et parallèles à l'aide des ellipsoïdes stochastiques

Les robots parallèles sont-ils plus précis que les robots sériels ? Dans cet article, les auteurs donnent des éléments de réponse en ce qui concerne la répétabilité. La répartition spatiale des écarts de position est prise en compte grâce à la modélisation de la répétabilité par les ellipsoïdes stochastiques développée au GREAH. Pour que la comparaison soit équitable, nous choisissons le même type d'actionneur (linéaire ou rotatif), la même matrice de covariance et le même espace de travail et étudions plusieurs critères de comparaison

Développement d'une approche couplée matériau / structure machine (application au formage incrémental robotisé)

Le formage incrémental consiste à utiliser un poinçon de forme simple dont le mouvement va progressivement mettre en forme une tôle. Il ouvre de nouvelles perspectives quant au potentiel des procédés de mise en forme des tôles métalliques. La mise en oeuvre du formage incrémental par des systèmes mécaniques ayant des capacités dynamiques accrues et des volumes accessibles importants tels que les robots manipulateurs sériels ou parallèles est un moyen efficace d améliorer, d une part la productivité mais aussi la complexité des pièces formées. L objectif scientifique de ce travail est de contribuer au développement d une approche globale du problème, en se plaçant à la fois à l échelle mésoscopique du procédé et à l échelle macroscopique du système de fabrication. C est dans ce contexte qu est proposée une approche couplée matériau/structure combinant d une part l analyse éléments finis du procédé et d autre part un modèle élastique de la structure du robot.Tout d abord, les efforts requis au niveau de l outil pour former la pièce sont calculés sous l hypothèse d une structure de machine parfaitement rigide. Afin de minimiser l erreur entre la prédiction et la mesure des efforts de formage, trois facteurs identifiés comme influents sur le niveau d effort sont étudiés. Il est alors démontré, qu à partir d un choix de paramètres adapté, il est possible de s affranchir de la mesure des efforts de formage, ce qui n est actuellement pas le cas dans la littérature.Les efforts prédits sont ensuite définis comme une donnée d entrée du modèle élastique de la structure robot afin de calculer les erreurs de poses du centre outil. Pour prendre en compte le comportement élastique de la structure, la modélisation des structures robotisées par des éléments de type poutre est retenue puis appliquée à un robot industriel Fanuc S420if. Elle permet de prédire ce comportement avec une précision maximale de +- 0,35 mm, quelque soit le chargement en bout d outil supportable par le robot.Afin de valider l approche, deux pièces sont formées par le robot : un cône tronqué et une pyramide vrillée. La géométrie de ces deux pièces permet de valider à la fois les hypothèses de la simulation ainsi que l approche globale. Ces deux expérimentations entraînent une amélioration de 80 % de l exactitude de pose du robot, rapprochant ainsi celui-ci des performances d une machine à commande numérique à structure cartésienne.Finalement, dans la dernière partie, une boucle d optimisation permet de prendre en compte, dès le calcul de la trajectoire, l effet du retour élastique de la tôle avant le débridage de la pièce afin de minimiser l écart entre le profil nominal et le profil formé. L application de l approche couplée à cette trajectoire se traduit par une précision géométrique de +- 0,15 mm du profil formé avant desserrage de la tôle, ouvrant ainsi des perspectives intéressantes quant à l application de la méthodologie.The incremental forming is an innovative process which consists in forming a sheet by the progressive movements of a punch. A solution to improve the productivity of the process and the complexity of the parts shapes is to use robots (serial or parallel). The scientific aim of this work is to define a global approach of the problem by studying the mesoscopic scale of the process and the macroscopic scale of the machine. In this context, a process/machine coupling approach which combines a Finite Element Analysis (FEA) of the process and an elastic modeling of the robot structure is presented.First, the punch forces necessary to form the part are computed assuming a machine structure perfectly stiff. To minimize the error between the predicted forming forces and the measured ones, the weight of three numerical and material parameters of the FEA is investigated. This study shows that an appropriate choice of parameters avoids the force measurement step, unlike the available approaches in the literature.Then, the predicted forces are defined as input data of the elastic model of the robot structure to compute the Tool Center Point (TCP) pose errors. To consider the behavior of the elastic structure, the modeling of robotized structures by beam elements is chosen and applied to an industrial robot Fanuc S420if. The identified elastic model permits to predict the TCP displacements induced by the elastic behavior of the robot structure over the workspace whatever the load applied on the tool. The prediction maximum error of +-0.35 mm remains compatible with the process requirements.To validate the approach, two parts are formed by the robot: a truncated cone and a twisted pyramid. The geometry of these two parts confirms the hypothesis of the simulation and the global approach. These two tests give very interesting results since an improvement of 80 % of the TCP poseaccuracy is identified.Finally, an optimization loop based on a parametric trajectory and on a FEA anticipates the springback effects before the unclamping of the sheet, and then minimizes the error between the nominal shape and the formed one. The application of the process/machine coupling approach for this trajectory leads to a geometric accuracy of the part before unclamping of +- 0.15 mm. These results open interesting perspectives for the methodology application.RENNES-INSA (352382210) / SudocSudocFranceF

Potentiel de la robotique pour l'inspection thermographique par chauffage inductif

La thermographie par courants de Foucault (ECT) est une méthode de thermographie active. L’excitation inductive génère des courants de Foucault dans les spécimens conducteurs. En présence de défauts, la circulation des courants est affectée par ces discontinuités produisant un changement dans la distribution de la température autour des défauts. Ces changements sont observés avec une caméra infrarouge. Dans ce travail, on présente une application robotique de la thermographie par courants de Foucault. Une interface robotique a été développée et tous les capteurs utilisés ont été intégrés à la plateforme. Des simulations ont été achevées avec COMSOL Multiphysics en variant différents paramètres. Des expériences ont été menées sur plusieurs spécimens (de différents matériaux) avec des défauts de différents types et tailles. La linescan thermographie est principalement étudiée et d’autres modes d’inspections ont été explorés. Les images résultantes sont reconstruites avec un algorithme dédié. Finalement, les résultats de la méthode sont comparés à ceux de la thermographie optique (par halogène) pour montrer les capacités de la méthode.Eddy current thermography (ECT) is an active thermography method. The inductive excitation generates Eddy currents in electrically-conductive specimen. In a presence of defects, the eddy current flow is affected by these discontinuities leading to changes in the temperature distribution in the specimen around the defects. These changes are observed by an infrared camera. In this work, we present a robotic application of the method. A robotic interface is developed and all the sensors needed are integrated to the platform. Simulations are performed using COMSOL Multiphysics by varying different parameters. Experiments are realised on different specimens (made of different materials) with defects of different sizes. The linescan Eddy current thermography is studied and other modes are explored. The resulting images are reconstructed with a dedicated algorithm. Finally, the method’s results are compared to optical thermography to show the capability of the method

Séquencement de primitives pour la synthèse de mouvements naturels en robotique

Résumé : Générer des mouvements complexes d’apparence naturelle est désirable dans de nombreuses applications homme-robot, mais reste une tâche difficile à réaliser en temps réel. Dans ce mémoire, nous proposons un système génératif pour le séquencement interactif de mouvements naturels pour un bras manipulateur. Basé sur l’enchaînement de mouvements élémentaires, le système a été développé afin de séquencer des trajectoires d’apparence naturelle tout en minimisant les temps de calcul, permettant la reproduction de tels mouvements dans un environnement avec contraintes de temps.Nous séquençons des mouvements élémentaires, exprimés comme des trajectoires à minimum de jerk, dérivée troisième de la position, afin de réexprimer les multiples problèmes d’optimisation originaux en un nouveau problème unique et simplifié. Le système permet de générer une nouvelle trajectoire plus complexe dont l’apparence reste naturelle tout le long. Le problème d’optimisation complet est résolu en un temps relativement court, et peut être résolu en temps réel selon le cas. La naturalité des mouvements obtenus est étudiée et comparée à d’autres techniques.Les primitives de mouvement utilisées ne sont pas reproduites exactement dans la solution finale; elles sont influencées par les mouvements antérieurs et postérieurs, ce qui correspond à l’observation qu’un être humain ne répète jamais deux fois le même mouvement parfaitement. L’implémentation d’un contrôle pour ces trajectoires est décrite pour deux robots manipulateurs industriels différents à six degrés de liberté. Le contrôle a dû être adapté par rapport au mode de contrôle idéal pour une trajectoire naturelle afin de satisfaire aux modes de contrôle disponibles pour ces robots.Trois applications sont présentées : la première permet de reproduire l’écriture humaine avec un bras manipulateur; la seconde permet d’enchaîner des mouvements enregistrés au préalable à l’aide d’un dispositif de capture de mouvements. Enfin, une preuve de concept montre un robot manipulateur réalisant une chorégraphie synchronisée sur le rythme d’une musique.----------Abstract Generating complex natural-looking movements is desirable in a variety of human-robot interaction scenarios, but remains a task that is challenging to perform in real-time. In this presentation, we describe a generative system for sequencing natural movements for robotic manipulators. Based on the sequencing of movement primitives, the system is developed to generate natural-looking trajectories while minimizing computational time. This allows for the reproduction of natural movements in an environment with time constraints.We sequence movement primitives, expressed using the minimum jerk model, so as to express the various optimization problems into a unique and simpler optimization problem. The system thus allows for the generation of a new, more complex trajectory with a natural looking appearance. The optimization problem is solved in a relatively short amount of time and can be solved in real time in some cases. The natural appearance of the resulting trajectories is studied and compared to other techniques. The final motion does not exactly reproduce the primitives that it is made of; it depends on the movements that occur before and after it. This mimics the natural behaviour of a human that never reproduces the exact same movement twice. The control has been adapted to two different industrial robots so that it can suit the available control mode of such robots.Three applications are presented: the first reproducing human writing with a robotic manipulator. The second allowing to sequence motion recorded using a motion capture device. The last application consists of a choreography of a robot waving a flag in synchronisation with the beat of a music

Acte productif dans la société des savoirs et de l\u27immatériel (l\u27)

Avis du Conseil économique et social sur le rapport présenté par M. Hubert Bouchet au nom de la section des activités productives, de la recherche et de la technologie sur la relation nouvelle au travail et à la production. (Question dont le Conseil économique et social a été saisi par décision de son bureau en date du 5 octobre 1999 en application de l\u27article 3 de l\u27ordonnance n° 58-1360 du 29 décembre 1958 modifiée portant loi organique relative au Conseil économique et social

Contrôle par vecteurs d'influence pour les robots à actionneurs cellulaires binaires

La robotique actuelle est principalement limitée à des tâches de positionnement rapide d'outils. En effet, malgré beaucoup d'efforts de recherche et développement, les robots classiques ont peu de succès pour les tâches d'interaction avec des environnements incertains. De plus, la faible densité massique de puissance des systèmes d'actionnement classique (moteur électrique, réducteur et joint) est contraignante pour les robots mobiles et les mécanismes des véhicules où la masse est critique. Le laboratoire CAMUS explore une nouvelle architecture robotique qui consiste à remplacer les composants complexes (joints, roulements, engrenages, moteurs, etc.) par une structure flexible incluant plusieurs éléments actifs (muscles artificiels). Les avantages d'une telle architecture sont la légèreté, la redondance des actionneurs et la faible impédance passive, des atouts particulièrement intéressants pour la robotique et les mécanismes en aérospatiale. Cette approche est étudiée dans un premier temps en développant des robots constitués d'un corps flexible en polymère incluant plusieurs petits muscles pneumatiques intégrés. Ce mémoire documente le développement d'une méthode de contrôle adaptée à cette nouvelle architecture, car les méthodes classiques ne sont pas applicables. La méthode de contrôle proposée, le contrôle par vecteur d'influence, permet de contrôler une sortie vectorielle (multivariable), comme une position où une force, en recrutant des actionneurs selon leurs vecteurs d'influence sur cette sortie. La méthode ne nécessite pas de modèle analytique car les vecteurs d'influence sont identifiés expérimentalement, ce qui s'avère un atout majeur puisque qu'il est très difficile d'obtenir des modèles précis de systèmes cellulaires. Pour le contrôle en position, le contrôleur proposé utilise une approche probabiliste et un algorithme génétique pour déterminer la combinaison optimale d'actionneurs à recruter. Pour le contrôle de mouvements continus, le contrôleur utilise une approche par surface de glissement et une loi de contrôle indépendante pour chacun des actionneurs. La méthode de contrôle proposée est validée expérimentalement sur un robot prototype utilisant vingt muscles pneumatiques binaires intégrés dans une structure souple en polymère. Les résultats expérimentaux confirment 1'efficacité de la méthode et son habileté à tolérer des perturbations massives et des pannes d'actionneurs

Conception de structures neuronales pour le contrôle de robots mobiles autonomes

There is a large number of possible applications in the field of mobile robotics: Mail delivery robots, domestic or industrial vacuum cleaners, surveillance robots, demining robots and many others could be very interesting products. Despite this potential market and the actual technology, only few simple systems are commercially available. This proves that there are several important and problematic issues in this field, mainly at the intelligence level. As a reaction to the failure of the classical artificial intelligence applied to the field of mobile robotics, several new approaches have been proposed. Artificial neural networks are one of these, and genetic algorithms, supported by the Artificial Life trend, are also getting more and more consideration. These two techniques have already been applied to mobile robotics, but mainly in simulation, and without a final test on a real mobile robot. The use of physical robots for this research seems to be still problematic due to the lack of efficient tools. Several neural structures for the control of mobile robots have been analysed in this work. All experiences have been carried out on physical robots. To reach this goal, an important effort has been made in order to design new efficient robotic tools. Together with Edo Franzi, André Guignard and Yves Cheneval, we have developed and built hardware and software tools that make an efficient research work possible. Along with several analysis software tools, the mobile robot Khepera has been a result of this development. Using this equipment, six experiences have been carried out, covering a large spectrum of the possible ways neural networks can be used for the control of mobile robots. These experiments have nevertheless been restricted to simple behaviours and small neural networks. The first two experiments show, with a very simple and manually adjusted behaviour, the important role of the interaction of the robot with its environment. The first experiment is based on a collective behaviour, the second on a collaborative one. The adaptation of the robot to the environment is introduced in the third experiment, in which a learning technique is applied. The result is a robot able to learn how to use visual stimuli to avoid particular obstacles. Despite its interesting results, this approach has turned out to be very limited, due to the rigid structure needed. The last three experiments demonstrate the possibilities of the use of genetic algorithms, which proved to be a very flexible adaptation mechanism. The first of these three experiments tests the feasibility of this approach. The second one takes advantage of the characteristics of genetic algorithms to achieve more complex behaviours. Finally, genetic algorithms and learning techniques are associated in the last experiment, showing a high adaptive structure. An important effort has been made to show both advantages and disadvantages of each technique, in order to provide the necessary elements for the continuation of this research activity

Modélisation et identification élastodynamiques des robots manipulateurs (application à l'étude d'une nouvelle structure de transstockeur)

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.RENNES-INSA (352382210) / SudocSudocFranceF

On the control of industrial robots for robotic comanipulation tasks

Durant ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à la commande d'un robot manipulateur industriel, configuré pour une co-manipulation avec un opérateur humain, en vue de la manutention de charges lourdes. Dans un premier temps, nous avons présenté une vue d'ensemble des études qui ont été menées dans ce cadre. Ensuite, nous avons abordé la modélisation et l'identification des paramètres dynamiques du robot Denso VP-6242G. Nous avons utilisé le logiciel OpenSYMORO pour calculer son modèle dynamique. Après une présentation détaillée de la méthode d'identification des paramètres de robots manipulateurs, nous l'avons appliqué au cas de notre robot. Cela nous a permis d'obtenir un vecteur des paramètres qui garantit une matrice d'inertie définie positive pour n'importe quelle configuration articulaire du robot, tout en assurant une bonne qualité de reconstruction des couples pour des vitesses articulaires constantes, ou variables au cours du temps. Par la suite, nous avons détaillé les nouvelles fonctionnalités proposées pour le générateur de trajectoire en temps réel, sur lequel repose notre schéma de commande. Nous avons présenté une méthode d'estimation de la force de l'opérateur à partir des mesures de la force d'interaction entre le robot et l'opérateur, tout en tenant compte de la pénalisation de la force de l'opérateur afin d'avoir une image de cette dernière permettant de générer une trajectoire qui respecte les limites de l'espace de travail. Des tests du générateur de trajectoire simulant différents cas de figure possibles nous ont permis de vérifier l'efficacité des nouvelles fonctionnalités proposées. Le générateur permet de produire une trajectoire dans l'espace de travail tridimensionnel selon la direction de l'effort appliqué par l'opérateur, ce qui contribue à l'exigence de transparence recherchée en co-manipulation robotique. Dans la dernière partie, nous avons présenté et validé en simulation une commande en impédance dont les trajectoires de référence sont issues du générateur développé. Les résultats obtenus ont donné lieu à une bonne qualité de poursuite des trajectoires désirées. D'autre part, le respect des limites virtuelles de l'espace de travail a également été pris en compte. Cependant, les trajectoires articulaires correspondantes peuvent franchir les limites définies pour préserver l'intégrité du robot.In this thesis, we were interested in the control of industrial manipulators in co-manipulation mode with a human operator for the handling of heavy loads. First, we have presented an overview of existing studies in this framework. Then, we have addressed the modeling and the identification of dynamic parameters for the Denso VP-6242G robot. We have used the OpenSYMORO software to calculate its dynamical model. After a detailed presentation of the method for identifying the robot's parameters, we have applied it to the case of our robot. This allowed us to obtain a vector of the parameters which guarantees a positive definite inertia matrix for any configuration of the robot, as well as a good quality of reconstruction of the torques in the case of constant joint velocities or in the case of variable ones over time. To continue, we have detailed the new features that have been proposed for the online trajectory generator, for which the control scheme is based on. We have presented a method for estimating the operator's force from the measurements of the interaction force between the robot and the operator, while taking into account for the penalization of the operator's force in order to have an information of this last which allows to generate a trajectory that respects the limits of workspace. Some tests of the trajectory generator simulating different possible scenarios have allowed us to check the effectiveness of the new proposed features. The generator makes it possible to produce a trajectory in the three-dimensional workspace according to the direction of the force applied by the operator, which contributes to fulfill the requirement of transparency that is sought in a co-manipulation. In the last part, we have presented and validated, in simulation, an impedance control whose reference trajectories are delivered by the proposed generator. The obtained results have shown a good trajectory tracking. On the other hand, the satisfaction of the virtual bounds of the workspace has also been nicely taken into account. However, the corresponding articular trajectories can cross the bounds defined to preserve the integrity of the robot