Contrôle sûre de robots manipulateurs dans des environnements dynamiques

The intended goal of this thesis is to bring new insights for developing robotic systems capable of safely sharing their workspace with human-operators. Within this context, the presented work focuses on the control problem. The following questions are tackled:-for reactive control laws, i.e., control problems where the task to be performed is not known in advance but discovered on-line, how is it possible to guarantee for every time-step the existence of a solution to the control problem? This solution should allow the robot to accomplish at best its prescribed task and at the same time to strictly comply with existing constraints, among which, constraints related to the physical limitations of its actuators and joints.-How to integrate the human-operator in the control loop of the robot so that physical contact can safely be engaged and de-engaged? Regarding the first point, our work arises as the continuity of previous results developed by Sébastien Rubrecht during his PhD thesis. Sébastien Rubrecht introduced the concept of constraints incompatibility for robots reactively controlled at the kinematic-level. The problem of constraints incompatibility appears for example when the formulation of the constraint on an articular position of a robot does not account for the amount of deceleration producible by its actuator. In such case, if the articular position constraint is activated tardively, the system may not have sufficient time to cope with the imposed joint position limit considering its bounded dynamic capabilities.L'objectif de cette thèse est d'explorer de nouvelles approches pour le développement de systèmes robotiques capables de partager en toute sécurité leur espace de travail avec des opérateurs humains. Dans ce contexte, le travail présenté est axé principalement sur la problématique de commande. Les questions suivantes sont abordées:- pour des lois de contrôle réactives, c'est-à-dire des problèmes de commande où la tâche à exécuter n'est pas connue à l'avance mais découverte en temps réel, comment est-il possible de garantir à chaque pâs de temps l'existence d'une solution au problème de contrôle? Cette solution devrait permettre au robot d'accomplir au mieux sa tâche préscrite et en même temps de strictement respecter les contraintes existantes, parmi lesquelles, les contraintes liées aux limitations physiques des actionneurs de ses articulations.- Comment intégrer l'opérateur humain dans la boucle de contrôle du robot de manière à ce que le contact physique puisse être engagé et désengagé en toute sécurité? Concernant le premier point, notre travail se présente comme la continuité de résultats antérieurs développés par Sébastien Rubrecht lors de sa thèse de doctorat. Sébastien Rubrecht a introduit le concept d'incompatibilité des contraintes pour des robots contrôlés de manière réactive au niveau cinématique. Le problème de l'incompatibilité des contraintes apparaît par exemple lorsque la formulation de la contrainte sur une position articulaire d'un robot ne tient pas compte de la quantité de décélération produite par son actionneur. Dans ce cas, si la contrainte de position articulaire est activée tardivement, le système peut se retrouver dans une situation où il n'a pas suffisamment de temps pour faire face à la limite de position articulaire imposée considérant ses capacités dynamiques limités..

Active camera stabilization to enhance the vision of agile legged robots

SUMMARYLegged robots have the potential to navigate in more challenging terrains than wheeled robots. Unfortunately, their control is more demanding, because they have to deal with the common tasks of mapping and path planning as well as more specific issues of legged locomotion, like balancing and foothold planning. In this paper, we present the integration and the development of a stabilized vision system on the fully torque-controlled hydraulically actuated quadruped robot (HyQ). The active head added onto the robot is composed of a fast pan and tilt unit (PTU) and a high-resolution wide angle stereo camera. The PTU enables camera gaze shifting to a specific area in the environment (both to extend and refine the map) or to track an object while navigating. Moreover, as the quadruped locomotion induces strong regular vibrations, impacts or slippages on rough terrain, we took advantage of the PTU to mechanically compensate for the robot's motions. In this paper, we demonstrate the influence of legged locomotion on the quality of the visual data stream by providing a detailed study of HyQ's motions, which are compared against a rough terrain wheeled robot of the same size. Our proposed Inertial Measurement Unit (IMU)-based controller allows us to decouple the camera from the robot motions. We show through experiments that, by stabilizing the image feedback, we can improve the onboard vision-based processes of tracking and mapping. In particular, during the outdoor tests on the quadruped robot, the use of our camera stabilization system improved the accuracy on the 3D maps by 25%, with a decrease of 50% of mapping failures.</jats:p