Séparation des Solutions aux Modèles Géométriques Direct et Inverse pour les Manipulateurs Pleinement Parallèles

International audienceThis article provides a formalism making it possible to manage the solutions of the direct and inverse kinematic models of the fully parallel manipulators. We introduce the concept of working modes to separate the solutions from the opposite geometrical model. Then, we define, for each working mode, the aspects of these manipulators. To separate the solutions from the direct kinematics model, we introduce the concept of characteristic surfaces. Then, we define the uniqueness domains, as being the greatest domains of the workspace in which there is unicity of solutions. The principal applications of this work are the design, the trajectory planning

IRSBOT-2 : un nouveau robot parallèle à deux degrés de liberté pour des applications de manipulation rapide

Cet article présente un nouveau robot parallèle à deux degrés de liberté de translation pour des applications de manipulation rapide. Contrairement à la majorité des robots dédiés aux mouvements plans, ce robot possède deux chaînes cinématiques à architecture spatiale qui lui confère une très bonne raideur intrinsèque. Après une description de l'architecture du robot, une analyse des singularités d'actionnement et de contraintes est présentée. Enfin, l'étude du modèle élastostatique quantifie, en termes de masse et raideur, les avantages de ce robot par rapport à ses concurrents

Étude d’un système interactif sécuritaire dédié à l’interaction humain-robot appliqué à des mécanismes parallèles entraînés par des câbles

Depuis l'introduction des premiers robots interactifs en industrie, qui étaient à la base des systèmes collaboratifs supposés assister les humains dans les tâches pénibles et éprouvantes physiquement, le domaine de l’interaction humain-robot a fait des progrès considérables. Actuellement, les robots et les humains peuvent coexister conjointement dans un espace hybride afin de partager des tâches de production ou de partager le temps dans l’exécution d’une activité. Cependant, les nouveaux besoins industriels doivent conduire à des recherches pour adapter les chaînes de production et les rendre plus flexible et réactive à la modification des caractéristiques des produits. L’une des solutions consiste à adapter le manipulateur industriel présent dans les lignes de production à des fins d’interaction et de collaboration. Toutefois, la présence de l’humain dans l’espace de travail d’un manipulateur (cellule de travail hybride) représente un réel défi dans le domaine de l’interaction humain-robot puisque cela consiste à l’intégration d’une multitude de variétés de capteurs dits intelligents, surtout dans le cas de l’utilisation d’un mécanisme parallèle entraîné par des câbles. Pour cette raison, plusieurs problématiques ont été soulevées, pour lesquelles peu ou pas de recherches sont réalisées : cette nouvelle technologie est introduite sans entraînement de l’opérateur, l’évaluation de la sécurité a été très peu explorée lors de l’interaction et la performance de son utilisation demeure peu évaluée dans un contexte de réduction des troubles musculosquelettiques (TMS). Le projet de recherche vise l’étude et la conception d’un système interactif permettant d’améliorer la sécurité et l’intuitivité des personnes qui interagissent avec des mécanismes parallèles entraînés par des câbles. Deux modes d’interaction sont étudiés dans le système interactif, à savoir le partage des activités et l’interaction physique. En premier lieu, une méthode de génération de trajectoires avec évitement de collisions appliquée pour le mode de partage des activités est proposée. L’effecteur du manipulateur suit un chemin dans l’espace opérationnel à travers des points de passage. Ces derniers sont générés par un réseau de neurones rétropropagation (Back-propagation), et sont reliés par un polynôme quintique (de degré cinq). En outre, la géométrie déformable de l’obstacle et l’environnement dynamique sont pris en compte dans la méthode. En second lieu, une approche est abordée pour déterminer la distance minimale entre les câbles et identifier ceux qui sont en interférence. Le calcul de distance est exécuté en temps réel à travers un algorithme. En outre, les contraintes physiques des câbles ont été prises en compte dans la modélisation mathématique et formulées en un problème d’optimisation non linéaire. Ce dernier est résolu en utilisant l’approche de Karush-Kuhn-Tucker (KKT). Cette méthode de calcul de distance est intégrée à une loi de commande interactive permettant de gérer les câbles en interférence pendant l’interaction physique avec le mécanisme. Une force est calculée et introduite dans la boucle de la commande afin d’éviter le croisement et le relâchement des câbles en interférence. Par ce fait, la tâche est exécutée jusqu’aux limites des possibilités géométriques et cinématiques du mécanisme. Par ailleurs, cette stratégie est basée sur une commande en admittance pour permettre l’interaction physiquement avec un mécanisme parallèle entrainé par des câbles. Un algorithme permettant de sélectionner entre ces deux modes est proposé. Cette approche inclut un vêtement intelligent pour le changement de mode de manière intuitive simple et rapide. L’algorithme est exécuté en temps réel et basé sur une identification de gestes utilisant un polynôme d’interpolation trigonométrique. Les signaux analysés proviennent d’une semelle instrumentée qui est située au niveau du pied. Enfin, les différents algorithmes et stratégies sont validés en simulations et à travers des expérimentations sur un mécanisme parallèle entrainé par sept câbles. Ce projet de thèse apporte plusieurs contributions dans le domaine de l’interaction humain-robot notamment la capacité d’adaptation du système interactif pour des tâches industrielles. Since the introduction of the first interactive robots in industry, which was the collaborative robots (labelled as COBOT), the field of human robot interaction has made considerable progress. In its early version, those robots were used to increase muscle strength of the operator for moving heavy loads. Recently, robots and humans can share the same workspace, production activities or working time. However, new needs in industry require more flexibility and reactivity supporting fast changes in product characteristics. One solution consists in the adaptation of an industrial robot, that is already installed in the production line, for interaction and collaboration purposes such as kinetic learning assembly task, and adaptive third hand. However, the presence of the human in the manipulators’ workspace (hybrid work cell) represents a real challenge in the field of human-robot interaction. It consists in the integration of an intelligent sensor varieties, especially when the cables driven parallel mechanisms (CDPM) are used for an interaction task. For these reasons, several issues have been raised, for which few or no research has been done yet. This new technology is introduced without any operators training and the safety assessment has been very little explored during the interaction. Moreover, the performance of its use remains poorly evaluated in a context of reduction of musculoskeletal disorders (MSDs). The research project aims to study and design an interactive system in order to improve the safety and the intuitivity when the humans interact with cables driven parallel mechanisms. Two modes of cooperation are studied in the interactive system, namely the sharing of activities and the physical interaction. First, a trajectory generating method for an industrial manipulator in a shared workspace is proposed. A neural network using a supervised learning is applied to create the waypoints required for dynamic obstacles avoidance. These points are linked with a quintic polynomial function for smooth motion which is optimized using least-square to compute an optimal trajectory. Moreover, the evaluation of human motion forms has been taken into consideration in the proposed strategy. Second, a mathematical approach is presented to determine the minimum distance between cables and to identify which ones are interfering. To execute this approach in real time, an algorithm is also presented for calculating this distance. Furthermore, the physical constraints of the cables have been considered in mathematical modeling and formulated into a nonlinear optimization problem. The latter is solved using the Karush-Kuhn-Tucker (KKT) approach. This method of distance calculation is integrated with a new interactive control that eliminates the computation of the effect of a folding interfered cable. A control strategy is proposed, which allows to manage the cables in interference while the operator physically interacts with the mechanism. A repulsive force is generated and introduced to the controller to avoid the cables crossing and folding. Therefore, the task is executed within the limits of the kinematic possibilities. Moreover, this strategy is based on an admittance control for physically interacting with a CDPM. In order to allow a change of intuitive interaction mode, an algorithm for selecting between these two modes is proposed. This approach includes an instrumented insole placed into a shoe for intuitive mode change quick and easy. The algorithm is executed in real time and based on a gesture identification using a trigonometric interpolation polynomial. Finally, theses different strategies and algorithms are validated in simulations and through experiments on a parallel mechanism driven by seven cables. This thesis project brings several contributions in the field of human-robot interaction including the ability of the interactive system to adapt for industrial tasks

Uniqueness domains and non singular assembly mode changing trajectories

Parallel robots admit generally several solutions to the direct kinematics problem. The aspects are associated with the maximal singularity free domains without any singular configurations. Inside these regions, some trajectories are possible between two solutions of the direct kinematic problem without meeting any type of singularity: non-singular assembly mode trajectories. An established condition for such trajectories is to have cusp points inside the joint space that must be encircled. This paper presents an approach based on the notion of uniqueness domains to explain this behaviour

Augmentation de la taille de l’espace de travail opérationnel des robots parallèles en traversant les singularités de Type 2 :Génération de trajectoires optimales et commande avancée

In order to increase the size of the operational workspace of parallel robots (largely reduced by the presence of singularities), the approach proposed in this thesis consists of directly moving a mechanism through those singularities.To do so, the conditions of degeneracy of the dynamic model of parallel robots are first studied. From those conditions, it is possible to create criteria that ensure the non-degeneracy of the mechanism in a singular configuration. This allows the planning of trajectories that go from one aspect of the workspace to another through a singularity, and without anydegeneracy of the dynamic model. In order to track those trajectories, a multi-model computed torque control is presented, coupled with an optimal trajectory planning strategy.Every development presented have been validated in simulation and experimentally on a prototype of a five-bar mechanism designed and manufactured during the thesis.Afin d’augmenter la taille de l’espace de travail opérationnel des robots parallèles (largement réduit par la présence de singularités), cette thèse propose une approche consistant à traverser ces singularités.Pour permettre cette traversée, les conditions de dégénérescence du modèle dynamique des mécanismes parallèles sont d’abord étudiées. Cette étude permet de mettre en place des conditions de non dégénérescence sous forme de critères. En planifiant une trajectoire respectant ces critères, un mécanisme parallèle peut théoriquement traverserune singularité sans que les efforts ne divergent. Un contrôleur basé sur une commande en couples-calculés multi-modèle et dédié à la traversée de singularité, couplé avec une stratégie de planification de trajectoire optimale est par la suite proposé. L’ensemble des travaux présentés est validé en simulation puis expérimentalement sur un prototype de mécanismes à cinq barres développé et conçu durant la thèse

Simulation du Mouvement Pulmonaire pour un Traitement Oncologique - Application à la Radiothérapie et à l'Hadronthérapie

ISBN-13: 978-613-1-56604-2 ISBN-10:6131566046L'objectif de ces travaux est d'améliorer le traitement curatif du cancer du poumon par radiothérapie conformationnelle et hadronthérapie. Il s'agit de simuler, dans un cas concret, le mouvement et les déformations des poumons d'un patient. Grâce à plusieurs collaborations médicales, nous avons défini des conditions initiales et des conditions limites pour obtenir un modèle biomécanique suivant les lois de la mécanique des milieux continus et personnalisé à un patient. Le calcul mécanique est réalisé sur un poumon fixé au niveau du médiastin et soumis à une dépression homogène tout autour avec prise en compte des grandes déformations. Une contrainte supplémentaire de gestion du contact de la surface du poumon autorisant le glissement est ajoutée pour reproduire le comportement réel des organes et plus spécialement celui de l'enveloppe des poumons : la plèvre. Une étude a par ailleurs été menée sur la conversion des données prédites du modèle en scanner 4D afin de préparer la dosimétrie

Développement de systèmes pour la collaboration humain-robot : conception d'un robot sériel à 7 ddls partiellement équilibré statiquement

Cette thèse s'attarde sur plusieurs aspects de la collaboration humain-robot, dont le développement d'interfaces de contrôle, la conception de robots plus sécuritaires ainsi que le développement d'algorithmes de contrôle. Le tout est réparti sur 7 chapitres. Le premier chapitre présente une brève introduction ainsi que la méthodologie employée au cours de la thèse. Le deuxième chapitre présente une méthode d'équilibrage statique par contrepoids. Une transmission hydraulique permet de déporter facilement le contrepoids à l'extérieur de l'espace de travail du système équilibré. L'utilisation de cylindres à membrane permet une transmission fluide avec un minimum de friction. Dans le troisième chapitre, nous exploitons ce principe d'équilibrage pour développer un bras de robot sériel à 7 ddls. Deux mécanismes d'équilibrage sont proposés et testés d'abord sur des bancs d'essai puis sur le prototype final. Un banc d'équilibrage à deux plateaux permet d'ajuster la pression des cylindres avec une seule charge mobile pour s'adapter à la masse soulevée par le bras. Dans le quatrième chapitre, nous développons un algorithme de commande exploitant la redondance du bras développé précédemment. Puisque les critères courants d'exploitation de la redondance dépendent de la situation, nous laissons le soin à l'opérateur de gérer lui-même cette redondance. Notre algorithme implémente une commande standard en admittance qui combat les perturbations indésirables à l'effecteur. Cependant, elle permet aux perturbations qui n'affectent pas la position de l'effecteur de modifier la configuration du robot. Le cinquième chapitre présente le développement d'un capteur tactile à base de silicone et noir de carbone. Les propriétés du mélange de silicone et noir de carbone sont étudiées afin d'optimiser la sensibilité du matériau. Nous proposons ensuite un modèle mathématique de la piézorésistivité du matériau afin d'estimer la pression appliquée et nous présentons des méthodes de fabrication du capteur et d'acquisition des signaux. Dans le sixième chapitre, nous développons un système de freinage passif adapté aux systèmes de ponts roulants. Le système permet d'appliquer à la charge transportée une force de freinage proportionnelle à sa vitesse. Une interface de contrôle intuitive permet à l'opérateur d'activer le système au besoin. Le septième chapitre présente une brève conclusion de la thèse

Étude de contrôle des écoulements

Pour améliorer les performances aérodynamiques notamment dans le domaine des transports (aéronautique, automobile, ..), le contrôle des écoulements constitue une solution de rupture prometteuse. Il présente à la fois un enjeu majeur pour l'industrie et un défi pour les scientifiques. Les retombées visées par le contrôle (notamment actif) sont d'ordre à la fois économique (réduction de la consommation) et environnemental (diminution des gaz à effet de serre). L'efficacité du contrôle est intimement liée à l'actionneur utilisé. Les actionneurs fluidiques et tout particulièrement le jet synthétique, semblent être une technique prometteuse de progrès. L'objectif de ce travail est le développement, la validation et la mise en œuvre de ce type d'actionneur. Nous avons ainsi conçu un actionneur de type jet synthétique basé sur un haut parleur. Les performances de cet actionneur ont été évaluées dans un milieu au repos en utilisant à la fois l'anémométrie à fil chaud et la PIV. Les effets des différents paramètres ont été analysés (fréquence, amplitude de forçage, …). Une attention particulière a été consacrée à l'étude de l'inclinaison de la fente d'éjection. Trois inclinaisons ont été utilisées (30°, 45° et 90°). Dans chaque cas l'évolution du jet synthétique ainsi que celle des tourbillons ont été caractérisées. Par les mêmes techniques de mesure dans une soufflerie, nous avons étudiés l'interaction du jet synthétique avec un écoulement transverse. Des visualisations par fumée du contrôle du décollement par cet actionneur montrent ses capacités à pouvoir recoller l'écoulement. ABSTRACT : To improve the aerodynamic performance particularly in the field of transport (aerospace, automotive, ..), the flow control is a promising solution for rupture. It presents at the same time a major stake for industry and a challenge for the scientists. The fallout aimed by control (particularly active control) are of an at the same time economic (reduction of consumption) and environmental (decrease of greenhouse gases). The effectiveness of control is closely related to the actuator used. The fluidic actuators and particularly the synthetic jet appear to be a promising technique for progress. The objective of this work is the development, validation and implementation of this type of actuator. We thus designed an actuator of the synthetic jet type based on a loudspeaker. The performances of this actuator were estimated in a quiescent environment. Both hot wire anemometer and the Particle Image Velocimetry (PIV) are used. The effects of different parameters were analyzed (frequency, amplitude forcing, ...). Particular attention has been devoted to the study of the inclination of the ejection slot. Three angles were used (30 °, 45 ° and 90 °). In each case the development of synthetic jet and the vortices have been characterized. By the same techniques of measurement in a wind tunnel, we have studied the interaction of the synthetic jet with a transverse flow. Visualizations by smoke control detachment by the actuator to show his ability to pick up the flow

Commande référencée vision pour drones à décollages et atterrissages verticaux

La miniaturisation des calculateurs a permis le développement des drones, engins volants capable de se déplacer de façon autonome et de rendre des services, comme se rendre clans des lieux peu accessibles ou remplacer l'homme dans des missions pénibles. Un enjeu essentiel dans ce cadre est celui de l'information qu'ils doivent utiliser pour se déplacer, et donc des capteurs à exploiter pour obtenir cette information. Or nombre de ces capteurs présentent des inconvénients (risques de brouillage ou de masquage en particulier). L'utilisation d'une caméra vidéo dans ce contexte offre une perspective intéressante. L'objet de cette thèse était l'étude de l'utilisation d'une telle caméra dans un contexte capteur minimaliste: essentiellement l'utilisation des données visuelles et inertielles. Elle a porté sur le développement de lois de commande offrant au système ainsi bouclé des propriétés de stabilité et de robustesse. En particulier, une des difficultés majeures abordées vient de la connaissance très limitée de l'environnement dans lequel le drone évolue. La thèse a tout d'abord étudié le problème de stabilisation du drone sous l'hypothèse de petits déplacements (hypothèse de linéarité). Dans un second temps, on a montré comment relâcher l'hypothèse de petits déplacements via la synthèse de commandes non linéaires. Le cas du suivi de trajectoire a ensuite été considéré, en s'appuyant sur la définition d'un cadre générique de mesure d'erreur de position par rapport à un point de référence inconnu. Enfin, la validation expérimentale de ces résultats a été entamée pendant la thèse, et a permis de valider bon nombre d'étapes et de défis associés à leur mise en œuvre en conditions réelles. La thèse se conclut par des perspectives pour poursuivre les travaux.The computers miniaturization has paved the way for the conception of Unmanned Aerial vehicles - "UAVs"- that is: flying vehicles embedding computers to make them partially or fully automated for such missions as e.g. cluttered environments exploration or replacement of humanly piloted vehicles for hazardous or painful missions. A key challenge for the design of such vehicles is that of the information they need to find in order to move, and, thus, the sensors to be used in order to get such information. A number of such sensors have flaws (e.g. the risk of being jammed). In this context, the use of a videocamera offers interesting prospectives. The goal of this PhD work was to study the use of such a videocamera in a minimal sensors setting: essentially the use of visual and inertial data. The work has been focused on the development of control laws offering the closed loop system stability and robustness properties. In particular, one of the major difficulties we faced came from the limited knowledge of the UAV environment. First we have studied this question under a small displacements assumption (linearity assumption). A control law has been defined, which took performance criteria into account. Second, we have showed how the small displacements assumption could be given up through nonlinear control design. The case of a trajectory following has then been considered, with the use of a generic error vector modelling with respect to an unknown reference point. Finally, an experimental validation of this work has been started and helped validate a number of steps and challenges associated to real conditions experiments. The work was concluded with prospectives for future work.TOULOUSE-ISAE (315552318) / SudocSudocFranceF