Control of a Hyper-Redundant Robot for Quality Inspection in Additive Manufacturing for Construction

International audienceAdditive manufacturing is an automated process for producing layer-by-layer material deposition. Recently this technology has been introduced in the industrial construction in order to print houses or smaller piece structures for on-site assembly, with complex geometry. In Additive manufacturing processes, the material deposition step is generally followed by a printing quality inspection step. However, the geometry of printed structures with minimal surfaces is sometimes complex, where rigid structure robots cannot reach certain zones to scan their surfaces. In this paper, a continuum-hyper-redundant manipulator equipped with a camera is attached to the end-effector of a mobile-manipulator robot for the quality inspection process. Indeed, Continuum manipulators can bend along structures with complex geometry; and this inherent flexibility makes them suitable for navigation and operation in congested environments. The number of controlled actuators being greater than the dimension of task space, this work is summarized in a trajectory tracking of hyper-redundant robots. This issue lies in the resolution of strongly nonlinear equations with a real-time computation. Thus, a hybrid methodology which combines the advantages of quantitative and qualitative approaches is used for modeling and resolution of the hyper-redundant robot kinematics. A kinematic controller was designed and a set of experiments was carried out to evaluate the level of efficiency of the proposed approach

Estimation of Abbreviated Cyclosporine A Area under the Concentration-Time Curve in Allogenic Stem Cell Transplantation after Oral Administration

Measurements of Cyclosporine (CsA) systemic exposure permit its dose adjustment in allogenic stem cell transplantation recipients to prevent graft-versus-host disease. CsA LSSs were developed and validated from 60 ASCT patients via multiple linear regressions. All whole-blood samples were analyzed by fluorescence polarization immunoassay (FPIA-Axym). The 10 models that have used CsA concentrations at a single time point did not have a good fit with AUC0–12 (R2 < 0.90). C2 and C4 were the time points that correlated best with AUC0–12 h, R2 were respectively 0.848, and 0.897. The LSS equation with the best predictive performance (bias, precision and number of samples) utilized three sampling concentrations was AUC0–12 h = 0.607 + 1.569 × C0.5 + 2.098 × C2 + 3.603 × C4 (R2 = 0.943). Optimal LSSs equations which limited to those utilizing three timed concentrations taken within 4 hours post-dose developed from ASCT recipient's patients yielded a low bias <5% ranged from 1.27% to 2.68% and good precision <15% ranged from 9.60% and 11.02%. We propose an LSS model with equation AUC0–12 h = 0.82 + 2.766 × C2 + 3.409 × C4 for a practical reason. Bias and precision for this model are respectively 2.68% and 11.02%

Contribution à la modélisation et à la commande des robots hyper-redondants : application à l'impression additive dans la construction

Additive manufacturing technology has been identified as one of the major digital innovations that has revolutionized not only industry, but also building. From a research point of view, additive manufacturing remains a very relevant topic. It is an automated process for depositing materials layer by layer to print houses or small structures for on-site assembly. In additive manufacturing processes, the deposition of materials is generally followed by a printing quality control step. However, the geometry of structures printed with funicular surfaces is sometimes complex, as robots with rigid structures cannot reach certain areas of the structure to be inspected. In this thesis, a flexible and highly redundant manipulator equipped with a camera is attached to the end-effector of a mobile manipulator robot for the quality inspection process of the printed structures. Indeed, soft manipulators can bend along their surrounded 3D objects; and this inherent flexibility makes them suitable for navigation in crowded environments. As the number of controlled actuators is greater than the dimension of the workspace, this thesis can be summarized as a trajectory tracking of hyper-redundant robots. In this thesis, a hybrid approach that combines the advantages of model-based approaches and learning-based approaches is developed to model and solve the kinematics of soft and hyper-redundant manipulators. The principle is to develop mathematical models with reasonable assumptions, and to improve their accuracy through learning processes. The performance of the proposed approach is validated by performing a series of simulations and experiments applied to the compact bionic handling arm (CBHA) robot.La technologie de fabrication additive a été identifiée comme l'une des innovations numériques majeures qui a révolutionné non seulement le domaine de l'industrie, mais aussi celui de la construction. D'un point de vue de recherche, la fabrication additive reste un sujet d’actualité. C’est un procédé automatisé de dépôt de matériaux couche par couche afin d'imprimer des maisons ou des structures de petites dimensions pour un montage sur site. Dans la fabrication additive, l'étape de dépôt des matériaux est généralement suivie d'une étape de contrôle de la qualité d'impression. Cependant, le contrôle de qualité des objets imprimés ayant des surfaces funiculaires est parfois complexe à réaliser avec des robots rigides, ne pouvant atteindre des zones mortes. Dans cette thèse, un manipulateur souple et hyper-redondant a été modélisé et commandé cinématiquement, placé comme un effecteur d'un manipulateur rigide et mobile, afin d'effectuer une inspection des structures imprimées par des techniques de la fabrication additive. En effet, les manipulateurs souples peuvent fléchir et du coup suivre la forme géométrique de surfaces funiculaires. Ainsi, une approche hybride a été proposée pour modéliser la cinématique du robot souple et hyper-redondant, combinant une approche analytique pour la génération des équations cinématiques et une méthode qualitative à base des réseaux de neurones pour la résolution de ces dernières. Les performances de l'approche proposée sont validées à travers des expériences réalisées sur le « compact bionic handling arm » (CBHA)

Contribution à la modélisation et à la commande des robots hyper-redondants : application à l'impression additive dans la construction

Additive manufacturing technology has been identified as one of the major digital innovations that has revolutionized not only industry, but also building. From a research point of view, additive manufacturing remains a very relevant topic. It is an automated process for depositing materials layer by layer to print houses or small structures for on-site assembly. In additive manufacturing processes, the deposition of materials is generally followed by a printing quality control step. However, the geometry of structures printed with funicular surfaces is sometimes complex, as robots with rigid structures cannot reach certain areas of the structure to be inspected. In this thesis, a flexible and highly redundant manipulator equipped with a camera is attached to the end-effector of a mobile manipulator robot for the quality inspection process of the printed structures. Indeed, soft manipulators can bend along their surrounded 3D objects; and this inherent flexibility makes them suitable for navigation in crowded environments. As the number of controlled actuators is greater than the dimension of the workspace, this thesis can be summarized as a trajectory tracking of hyper-redundant robots. In this thesis, a hybrid approach that combines the advantages of model-based approaches and learning-based approaches is developed to model and solve the kinematics of soft and hyper-redundant manipulators. The principle is to develop mathematical models with reasonable assumptions, and to improve their accuracy through learning processes. The performance of the proposed approach is validated by performing a series of simulations and experiments applied to the compact bionic handling arm (CBHA) robot.La technologie de fabrication additive a été identifiée comme l'une des innovations numériques majeures qui a révolutionné non seulement le domaine de l'industrie, mais aussi celui de la construction. D'un point de vue de recherche, la fabrication additive reste un sujet d’actualité. C’est un procédé automatisé de dépôt de matériaux couche par couche afin d'imprimer des maisons ou des structures de petites dimensions pour un montage sur site. Dans la fabrication additive, l'étape de dépôt des matériaux est généralement suivie d'une étape de contrôle de la qualité d'impression. Cependant, le contrôle de qualité des objets imprimés ayant des surfaces funiculaires est parfois complexe à réaliser avec des robots rigides, ne pouvant atteindre des zones mortes. Dans cette thèse, un manipulateur souple et hyper-redondant a été modélisé et commandé cinématiquement, placé comme un effecteur d'un manipulateur rigide et mobile, afin d'effectuer une inspection des structures imprimées par des techniques de la fabrication additive. En effet, les manipulateurs souples peuvent fléchir et du coup suivre la forme géométrique de surfaces funiculaires. Ainsi, une approche hybride a été proposée pour modéliser la cinématique du robot souple et hyper-redondant, combinant une approche analytique pour la génération des équations cinématiques et une méthode qualitative à base des réseaux de neurones pour la résolution de ces dernières. Les performances de l'approche proposée sont validées à travers des expériences réalisées sur le « compact bionic handling arm » (CBHA)

Hybrid Approach for Modeling and Solving of Kinematics of a Compact Bionic Handling Assistant Manipulator

International audience—This paper deals with a methodology for a real-time solving of a complex kinematics of a class of continuum manipu-lators, namely the Compact Bionic Handling Assistant (CBHA). First, a quantitative approach is used to model kinematically the CBHA inspired from the modeling of parallel rigid manipulators. For this case, the CBHA is modeled as a series of vertebrae, where each vertebra is connected to the next one through a flexible link. The latter named an inter-vertebra is modeled by a 3UPS-1UP (Universal-Prismatic-Spherical) joints. The kinematic models of the CBHA are derived from the Inverse Kinematic Equations (IKE) of each inter-vertebra. A qualitative approach based on neural networks is used to provide approximated solutions of the IKE for real-time implementation. Thus, the combination of the advantages of quantitative and qualitative approaches allows proposing a hybrid methodology for accurate modeling and solving the kinematics of this class of continuum robots. A set of experiments are conducted using a CBHA in order evaluate the level of efficiency of the proposed hybrid approach

Vers des robots redondants pour l'impression additive dans le bâtiment

International audienceL'idée principale de la fabrication additive est de gérer l'extrusion des matériaux et le dépôt additif de manière à convertir tout ce qui est conçu dans un environnement virtuel en une pièce existante dans un environnement réel. Une machine dédiée à la fabrication additive dans le domaine de la construction a été conçue pour répondre à un besoin très spécifique. En effet, l'objectif vise à automatiser la fabrication additive dans le but d'imprimer des formes géométriques architecturales complexes avec des formes funiculaires avec des courbures complexes. Le prototype proposé pour la fabrication additive se compose d'une plate-forme mobile omnidirectionnelle pour couvrir une grande surface d'impression et d'un manipulateur industriel pour le dépôt de matériaux. Dans ce contexte, la machine doit être capable de reproduire par impression la géométrie de la forme imaginée par les architectes. Un processus de conversion de trajectoire est nécessaire pour calculer les positions effectives des articulations. Cette approche est basée sur une modélisation géométrique inverse (MGI). Ce processus est assez difficile en termes de calcul pour les systèmes redondants. Cet article décrit la modélisation géométrique d'un robot hyper-redondant destiné à la fabrication additive dans le domaine de la construction, en vue de contrôler la trajectoire du dépôt de la matière. Pour cela, une méthode d'optimisation basée sur la programmation quadratique est utilisée. Cette dernière est combinée avec la méthode de Paul pour résoudre la redondance du manipulateur mobile tout en satisfaisant les contraintes de l'environnement d'impression. Le modèle est validé par des simulations et par des expériences

Towards Extending Forward Kinematic Models on Hyper-Redundant Manipulator to Cooperative Bionic Arms

International audienceForward Kinematics is a stepping stone towards finding an inverse solution and subsequently a dynamic model of a robot. Hence a study and comparison of various Forward Kinematic Models (FKMs) is necessary for robot design. This paper deals with comparison of three FKMs on the same hyper-redundant Compact Bionic Handling Assistant (CBHA) manipulator under same conditions. The aim of this study is to project on modeling cooperative bionic manipulators.Two of these methods are quantitative methods, Arc Geometry HTM (Homogeneous Transformation Matrix) Method and Dual Quaternion Method, while the other one is Hybrid Method which uses both quantitative as well as qualitative approach. The methods are compared theoretically and experimental results are discussed to add further insight to the comparison. HTM is the widely used and accepted technique, is taken as reference and trajectory deviation in other techniques are compared with respect to HTM. Which method allows obtaining an accurate kinematic behavior of the CBHA, controlled in the real-time

Vers des robots redondants pour l'impression additive dans le bâtiment

International audienceL'idée principale de la fabrication additive est de gérer l'extrusion des matériaux et le dépôt additif de manière à convertir tout ce qui est conçu dans un environnement virtuel en une pièce existante dans un environnement réel. Une machine dédiée à la fabrication additive dans le domaine de la construction a été conçue pour répondre à un besoin très spécifique. En effet, l'objectif vise à automatiser la fabrication additive dans le but d'imprimer des formes géométriques architecturales complexes avec des formes funiculaires avec des courbures complexes. Le prototype proposé pour la fabrication additive se compose d'une plate-forme mobile omnidirectionnelle pour couvrir une grande surface d'impression et d'un manipulateur industriel pour le dépôt de matériaux. Dans ce contexte, la machine doit être capable de reproduire par impression la géométrie de la forme imaginée par les architectes. Un processus de conversion de trajectoire est nécessaire pour calculer les positions effectives des articulations. Cette approche est basée sur une modélisation géométrique inverse (MGI). Ce processus est assez difficile en termes de calcul pour les systèmes redondants. Cet article décrit la modélisation géométrique d'un robot hyper-redondant destiné à la fabrication additive dans le domaine de la construction, en vue de contrôler la trajectoire du dépôt de la matière. Pour cela, une méthode d'optimisation basée sur la programmation quadratique est utilisée. Cette dernière est combinée avec la méthode de Paul pour résoudre la redondance du manipulateur mobile tout en satisfaisant les contraintes de l'environnement d'impression. Le modèle est validé par des simulations et par des expériences

Bond Graph Modeling of a Holonomic Mobile Platform with Four Mecanum Wheels

International audienc

Reconfiguration Strategy for a Heavy Mobile Robot with Multiple Steering Configurations

International audienc