Дисертації з теми "Conception de robots"

Cette these traite de la conception, de la realisation et de la commande d'un robot mobile omnidirectionnel. Dans un premier temps, nous presentons les solutions existantes, nous en degageons les limites. Nous choisissons une structure originale de robot a 3 roues decentrees orientables. Nous decrivons le modele cinematique et le modele dynamique qui regissent la plate-forme et nous effectuons son dimensionnement et sa conception a partir des resultats de simulation. L'analyse des performances de la plate-forme est realisee avec un asservissement de type proportionnel integral en vitesse. Les limites de cet asservissement nous conduisent au developpement et a l'implantation d'une commande dynamique. Les resultats montrent la complexite de la commande due aux choix technologiques realises. Nous proposons des solutions en vue d'ameliorer les performances de cette commande. Enfin, nous proposons et implantons deux methodes de commande cartesienne. Les resultats obtenus montrent une tres nette amelioration des performances en suivi de trajectoire. Enfin, nous proposons des perspectives d'utilisation de ce type de plate-forme dans l'industrie.

La manipulation aérienne est l’un des défis de la robotique au cours de cette dernière décennie. L’un des freins au développement des manipulateurs aériens est l’autonomie limitée des drones, réduite par la charge et la consommation électrique du manipulateur embarqué. Une solution pour dépasser cette limite passe par la collaboration de plusieurs drones dans une tâche de manipulation. Cette thèse porte sur la conception et la commande d’un nouveau type de véhicule autonome aérien destiné à la manipulation. Le concept consiste à faire collaborer plusieurs drones, en particulier des quadricoptères, au travers d’une architecture passive polyarticulée. Le robot ainsi obtenu est une fusion entre l’architecture passive d’un robot parallèle et plusieurs drones. L’étude du modèle dynamique de cette classe de robots met en avant un découplage dans le modèle dynamique. Ce découplage permet la conception d’une commande en cascade qui assure la stabilisation et le suivi de trajectoire pour ces robots. Deux cas d’étude sont ensuite déclinés dans cette thèse : un robot parallèle volant à deux drones et un robot parallèle volant à trois drones. Pour ces deux robots, une simulation numérique est effectuée afin de valider le fonctionnement de la commande. Ces simulations ont également permis de valider la possibilité de changer la configuration de l’architecture passive en vol. Les travaux ont été portés avec succès jusqu’au stade expérimental pour le robot volant à deux drones
Aerial manipulation is one of the challenges of robotics over the last decade. One of the constraints on the development of aerial manipulators is the limited autonomy of drones, reduced by the load and energy consumption of the on-board manipulator. One way to overcome this limit is to have several drones collaborate on a manipulation task. This thesis deals with the design and control of a new type of autonomous aerial vehicle for manipulation tasks. The concept consists in the collaboration of several drones, in particular quadrotors, through a polyarticulated passive architecture. The robot thus obtained is a fusion between the passive architecture of a parallel robot and several drones. The study of the dynamic model of this robot class highlights a decoupling in the dynamic model. This decoupling allows the design of a cascade control law. This controller provides stabilization and trajectory tracking for these robots. Two study cases are then presented in this thesis: a flying parallel robot with two drones and a flying parallel robot with three drones. For these two robots, a numerical simulation is performed to validate the controller performances. These simulations also allowed to validate the reconfiguration abilities of passive architecture in flight. The work was successfully carried to the experimental stage for the flying robot with two drones

Dans le contexte industriel actuel, il existe encore un grand nombre de tâches pénibles qui ne peuvent pas être automatisées, et où le geste humain reste indispensable. L'introduction d'une assistance robotique peut alors être envisagée pour réduire les efforts que l'opérateur doit fournir, et ainsi éviter l'occurrence de troubles musculosquelettiques. En permettant à l'opérateur de manipuler conjointement un outil (ou objet) porté par le robot, il est possible envisager une collaboration sous forme de compensation de gravité, d'augmentation d'effort ou de réalisation de guides virtuels. Les robots industriels peuvent être des candidats pertinents pour ce type de collaboration, car leurs qualités mécaniques sont particulièrement complémentaires à celles de l'homme : ils sont notamment optimisés pour avoir une grande force, rigidité et précision absolue. Cependant les frottements dans les articulations et l'inertie importante de ces robots s'opposent à une interaction physique avec l'opérateur fluide et légère. L'utilisation d'un capteur d'effort au niveau de l'effecteur et d'une boucle d'effort est donc incontournable. On montre que la stabilité d'un système ainsi asservi dépend alors fortement de l'impédance mécanique qu'oppose la main de l'opérateur lorsqu'il manipule l'effecteur du robot. Nous appuierons notre étude sur une modélisation du robot capable de prendre en compte une flexibilité structurelle entre l'actionneur et la mesure d'effort, qui est à l'origine des limites de stabilité. Afin de résoudre le compromis performance/stabilité très contraignant qui en découle, nous proposons une loi de commande en impédance prenant en compte les caractéristiques de la prise de main sur une poignée d'interaction spécialement conçue. Pour caractériser la prise de main, il nous a été nécessaire de développer un capteur capable de cartographier la pression appliquée sur la surface arrondie de la poignée. Nous détaillons l'architecture et le fonctionnement d'un tel capteur, et montrons qu'il peut aussi être employé pour recouvrir le corps du robot. Nous proposons ainsi une solution pour assurer la sécurité de l'utilisateur vis-à-vis des autres parties mobiles du robot, peu sensibles aux interactions physiques avec l'opérateur ou avec son environnement. Nous complétons notre étude en considérant une interaction tripartite où le robot amplifie les efforts que l'opérateur applique sur l'outil. En adaptant les outils théoriques communément employés dans le domaine de la téléopération, nous menons une étude approfondie sur les limites de stabilité et de performances de ce dispositif. L'ensemble de ces travaux reposent sur des développements théoriques appuyés par des expérimentations sur un robot industriel réel.

A partir de la conception d’un robot pour une application médicale particulière de télé-échographie, une démarche de conception générique de robots médicaux est proposée. L’étude se décompose en deux phases : la synthèse topologique et la synthèse dimensionnelle. La première est effectuée pour toutes applications médicales à partir de connaissances capitalisées dans un catalogue de robots médicaux réalisé au préalable. La synthèse dimensionnelle est établie pour un robot de télé-échographie. Une nouvelle structure cinématique de poignet sphérique série permettant de rejeter la singularité aux frontières de l’espace de travail est proposée. Après avoir réalisé une analyse cinématique validant le concept, plusieurs optimisations multi-critères sont effectuées selon des critères de performances cinématiques (manipulabilité, dextérité) et d’encombrement (compacité). Une comparaison de l’influence des indices de performance sur l’optimisation est réalisée. Le concept pour l’application de télé-échographie choisi et dimensionné, une démarche de conception préliminaire à l’aide de l’outil CAO est présentée. Une phase de conception collaborative avec des designers est menée afin d’améliorer l’ergonomie, la compacité et l’esthétique du robot. L’association des étapes de synthèses et de conception préliminaire a conduit à la proposition d’une démarche de conception de robots médicaux
From the design of a tele-echography robot for a specific medical application, a generic methodology for medical robots design is proposed. The study is presented in two parts: a topological synthesis and a dimensional one. The first is made for all medical applications, from a medical robots catalogue built beforehand. The second synthesis is established for a tele-echography robot. A new spherical kinematic structure permitting to reject singularities to the boundaries of the workspace is proposed. After having validated this concept from a kinematic point of view, several multi-criteria optimisations are realised according to kinematic indices (manipulability, dexterity) and bulkiness (compactness). A comparison of indices influence on optimisations is carried out. The concept for teleechography robot chosen and dimensioned, a process of embodiment design with CAD tool is presented. A collaborative design phase with designers is led to improve ergonomics, compactness and aesthetic of the robot. The association of synthesis steps and embodiment design lead to propose a process of medical robots design

Ce mémoire présente la conception et la validation expérimentale d'un système mécatronique visant à faciliter la manipulation de composantes lourdes dans des situations industrielles d'assemblage, par exemple l'assemblage de panneaux de fuselage d'avion. Le principe de la redondance sous-actionnée est utilisé pour que l'interaction entre l'opérateur humain et le robot soit sécuritaire, intuitive et réactive, tout en permettant une charge utile relativement élevée. Ce principe consiste à utiliser un mécanisme passif à basse impédance couplé à un système actif avec la charge utile à manipuler directement attachée à l'effecteur du mécanisme passif. Lors du fonctionnement du dispositif, l'opérateur humain manipule directement la charge utile et induit ainsi des mouvements dans le mécanisme passif. Les variations mesurées dans les articulations passives sont ensuite utilisées pour contrôler les articulations actives à haute impédance du robot. Dans les travaux réalisés antérieurement, le principe a été appliqué aux mouvements translationnels. Le but de ce mémoire est donc d'appliquer le principe de la redondance sous-actionnée aux mouvements rotatifs a n d'orienter une charge utile dans l'espace tridimensionnel. Tout d'abord, le principe est appliqué à un manipulateur plan à un degré de liberté pour évaluer la validité du concept pour les mouvements rotatifs. Ensuite, il est appliqué à un manipulateur spatial à deux degrés de liberté. Des contrepoids actifs sont utilisés pour équilibrer statiquement les deux manipulateurs. Il est à noter que le dernier mouvement rotatif n'est pas étudié puisqu'il est facile à implémenter ; l'équilibrage statique n'étant pas requis pour la rotation autour de l'axe vertical. Finalement, le système rotatif obtenu précédemment est combiné avec un système translationnel existant dans le but de manipuler librement une charge utile dans l'espace à six dimensions. Les validations expérimentales sont présentées pour montrer que le manipulateur est intuitif, réactif et sécuritaire pour l'opérateur humain.
This Master's thesis presents the design and experimental validation of a mechatronic system aimed at facilitating the handling of heavy components in industrial assembly situations, for example the assembly of aircraft fuselage panels. The principle of underactuated redundancy is used to make the interaction between the human operator and the robot safe, intuitive and responsive, while allowing a relatively high payload. This principle consists in using a low-impedance passive mechanism paired with an active system with a payload directly attached to the passive mechanism's end e ector. In the operation of the device, the human operator directly manipulates the payload and thereby induces movements in the passive mechanism. The measured joint variables in the passive mechanism are then used to control the high-impedance active joints of the robot. In previous works, the principle of underactuated redundancy has been applied to translational movements. The aim of this Master's thesis is therefore to apply the principle of underactuated redundancy to rotations in order to rotate a payload in three-dimensional space. First, the principle is applied to a one-degree-of-freedom planar manipulator in order to evaluate the validity of the concept for rotational motions. Then, it is applied to a two-degree-of-freedom spatial manipulator. Active counterweights are used to statically balance the two manipulators. It should be noted that the last rotational motion is not studied since it is easy to implement; static balancing is not required for the rotation around the vertical axis. Subsequently, the rotational system obtained previously is combined with an existing translational system with the objective of freely manipulating a payload in six-dimensional space. The experimental validations are presented to show that the manipulator is safe, intuitive and responsive for the human operator.

Dans un premier temps, une synthese critique de l'etat de l'art est presentee. Les robots pleinement paralleles legers etant definis, leurs modelisations geometriques puis dynamique sont developpees. La methodologie utilisee conduit a une faible complexite des calculs, compatibles avec la commande en temps reel a haute vitesse. Des experimentations sur un site reel (robot delta) sont ensuite decrites. Enfin, de nouvelles architectures de robots, adaptees aux mouvements rapides, sont proposees

Les robots à câbles (CDPRs) se présentent comme une nouvelle classe de robots parallèles. Ces robots, décrits par l'architecture RRPS des hexapodes, utilisent des câbles enroulés pour leurs jambes plutôt que les chaînes d'éléments rigides des robots parallèles classiques. Cette technologie est dépendante des câbles, donc sujette à l'unilatéralité des efforts exercés par les câbles sur la plate-forme, l'élasticité, ou bien l'affaissement dû à la flexibilité et à la masse. Dans un premier temps nous revisitons la modélisation de ce type de robot, en particulier pour le comportement de type chaînette élastique, approprié pour les robots de grandes dimensions. Dans un second temps nous traitons de la détection de collision, et ce aussi bien entre les câbles, qu'avec et entre les objets que sont la plate-forme et d'éventuels obstacles. S'agissant d'une problématique de sûreté, la détection se doit d'être garantie face aux incertitudes et face à la forme complexe des câbles. Elle est déclinée pour le modèle RRPS et le modèle chaînette élastique. L'analyse par intervalles est utilisée pour traiter les incertitudes, et les objets sont munis de définitions hiérarchiques. Enfin, nous aborderons un processus de conception, qui a pour objectif de répondre au besoin exprimé par une application. À cette fin, il cherche l'ensemble des valeurs des paramètres d'un modèle générique de CDPR, permettant de satisfaire un ensemble de contraintes. Ces paramètres sont toutefois soumis à leurs propres incertitudes. Aussi, on assure la faisabilité de la conception en garantissant et la validité de tous les robots possibles donnés par les intervalles de solutions, et la largeur minimale
Cable-Driven Parallel Robots form a new class of parallel robots. Those robots, described by the RRPS architecture of hexapods, use coiled cables for their legs instead of rigid element chains of classical parallel robots. This technology is subject to the specifics of cables, particularly the unilateral aspect of the forces exerted by the cables on the platform, the elasticity, the sagging caused by the flexibility and the mass of the cables. We start by revisiting the model of those robots. We do so by considering the elastic catenary behavior of the cables, suitable for large dimension robots. Then we handle interference detection of such a robot, which concern just as much interference between cables, than with and between objects. Said objects are the platform and arbitrary obstacles. Being a safety matter, interference detection must be guaranteed in front of uncertainties and of the complex shapes of the cables. The detection scheme is issued for the RRPS model and the elastic catenary one. Interval analysis methods are used to deal with uncertainties; hierarchic definitions are used for objects. Lastly, we deal with a design process for those robots. This process aims at fitting a robot that satisfy the expressed needs of a given application. To this end, the process looks for the set of values of parameters of a CDPR generic model. Those values allow the resulting robot to satisfy a set of constraints. Those parameters are subject to their own uncertainties. We guarantee the practical usability of the design both by guaranteeing the suitability of all possible robots given by the intervals of the solutions for the parameters, and with minimal widths

La présente thèse concerne la conception mécanique et la commande de l’appareil locomoteur d’un robot bipède de petite taille. En collaboration avec l’entreprise Aldébaran Robotics, une étude complète de la mécatronique des jambes du robot est présentée. En s’appuyant sur un cahier des charges, le choix de la cinématique ainsi que le choix des actionneurs est décrit. De plus, un protocole expérimental complet permettant de dimensionner ces actionneurs est précisément étudié. Cette phase se termine par la réalisation de différents prototypes en partenariat avec Aldébaran Robotics. Enfin, une étude et une implémentation d’un premier algorithme de contrôle de locomotion bipèdique est présenté. Ce manuscrit se termine par la présentation de divers résultats de marche omnidirectionnelle obtenus sur le dernier prototype de la société
This work deals with the mechanical design and the control of the legs of a small humanoid robot. In collaboration with Aldebaran Robotics, a complete study of the mechatronics of the biped’s legs is presented. Based on the specifications of the product, the choice of kinematics and actuators is described. Then, an experimental process allowing the sizing of the leg motors is studied, and some biped prototypes are produced in partnership with Aldebaran Robotics. Finally, we look at the results of experimentations with a first implementation of an omni-directional walk control algorithm on the latest prototype

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2019-2020
Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2019-2020
Les robots collaboratifs prennent de plus en plus de place sur les lignes de production au sein des entreprises manufacturières. Leur facilité d'installation et d'utilisation ainsi que leur caractère sécuritaire constituent des avantages liés à leur utilisation. Les robots collaboratifs sériels sont les plus populaires dans l'industrie. Le principal avantage de ceux-ci est leur grand espace de travail. Cependant, l'inertie des architectures sérielles est généralement élevée, limitant ainsi les performances dynamiques du robot. Les robots parallèles sont plus avantageux sur ce point. Un principal avantage des robots parallèles collaboratifs est que les actionneurs sont situés près de la base, diminuant ainsi l'inertie, comparativement aux robot sériels. Cependant il existe peu de robots parallèles collaboratifs sur le marché. Dans ce mémoire est présenté un concept de robot hybride cinématiquement redondant utilisé pour des applications de coopération humain-robot à faible impédance. Ce robot d'architecture 3-[R(RR-RRR)SR] possède (6+3) degrés de liberté (ddl). La redondance du robot permet d'augmenter l'espace du travail notamment en rotation (comparativement à celui d'un robot non redondant d'architecture semblable) en diminuant le nombre de configurations singulières de type II dans l'espace de travail. Le robot est composé de trois jambes d'architecture hybride ayant chacune trois ddl et trois actionneurs ainsi qu'une plateforme composée d'un mécanisme parallèle plan à trois ddl. Les trois degrés de liberté redondants sont utilisés à la plateforme, afin d'y opérer une pince à partir des actionneurs aux jambes. Ce robot possède de grandes capacités en rotation, soient +-90° en inclinaison et en torsion. Ce robot est conçu de manière à ce qu'il soit rétrocommandable et qu'il ait une faible impédance et une faible inertie. Il ne possède aucun réducteur aux actionneurs. Le concept du robot présenté dans ce document est modulaire. En effet, l'architecture des jambes et de la plateforme peuvent différer légèrement afin d'adapter le robot à une application spécifique. Dans le cas présent, des jambes hybrides et une plateforme plane sont choisies pour des fins de simplicité et de maximisation de l'espace de travail. Dans ce document, les modèles cinématiques et dynamiques du robot, de la plateforme et des jambes sont présentés. Les étapes de conception mécanique ainsi qu'une étude de la sensibilité cinématique du robot sont également détaillés.
Les robots collaboratifs prennent de plus en plus de place sur les lignes de production au sein des entreprises manufacturières. Leur facilité d'installation et d'utilisation ainsi que leur caractère sécuritaire constituent des avantages liés à leur utilisation. Les robots collaboratifs sériels sont les plus populaires dans l'industrie. Le principal avantage de ceux-ci est leur grand espace de travail. Cependant, l'inertie des architectures sérielles est généralement élevée, limitant ainsi les performances dynamiques du robot. Les robots parallèles sont plus avantageux sur ce point. Un principal avantage des robots parallèles collaboratifs est que les actionneurs sont situés près de la base, diminuant ainsi l'inertie, comparativement aux robot sériels. Cependant il existe peu de robots parallèles collaboratifs sur le marché. Dans ce mémoire est présenté un concept de robot hybride cinématiquement redondant utilisé pour des applications de coopération humain-robot à faible impédance. Ce robot d'architecture 3-[R(RR-RRR)SR] possède (6+3) degrés de liberté (ddl). La redondance du robot permet d'augmenter l'espace du travail notamment en rotation (comparativement à celui d'un robot non redondant d'architecture semblable) en diminuant le nombre de configurations singulières de type II dans l'espace de travail. Le robot est composé de trois jambes d'architecture hybride ayant chacune trois ddl et trois actionneurs ainsi qu'une plateforme composée d'un mécanisme parallèle plan à trois ddl. Les trois degrés de liberté redondants sont utilisés à la plateforme, afin d'y opérer une pince à partir des actionneurs aux jambes. Ce robot possède de grandes capacités en rotation, soient +-90° en inclinaison et en torsion. Ce robot est conçu de manière à ce qu'il soit rétrocommandable et qu'il ait une faible impédance et une faible inertie. Il ne possède aucun réducteur aux actionneurs. Le concept du robot présenté dans ce document est modulaire. En effet, l'architecture des jambes et de la plateforme peuvent différer légèrement afin d'adapter le robot à une application spécifique. Dans le cas présent, des jambes hybrides et une plateforme plane sont choisies pour des fins de simplicité et de maximisation de l'espace de travail. Dans ce document, les modèles cinématiques et dynamiques du robot, de la plateforme et des jambes sont présentés. Les étapes de conception mécanique ainsi qu'une étude de la sensibilité cinématique du robot sont également détaillés.
Collaborative robots become present on production lines in factories. Their easiness of installation and use and their safety features make them more attractive. Serial collaborative robots are the most popular in the industry. Their main advantage is their large workspace. However, the inertia of the members of serial robots is the main limitation of the dynamic performances. Parallel robots are more attractive on this aspect. The main advantage of parallel robots is that their actuators are located near the base, decreasing the inertia compared to serial robots. However, there are few parallel collaborative robots on the market. In this Master's thesis, a novel concept of a redundant hybrid robot used for low impedance physical human-robot interaction (pHRI) applications is presented. This robot has a 3-[R(RRRRR) SR] architecture and (6+3) degrees of freedom (dof). Redundancy allows to get a larger workspace especially in rotation (compared to a non-redundant robot with the same architecture) by avoiding some type II singularity configurations in the workspace. The robot has three 3-dof hybrid legs having three actuators, and the platform, which is a 3-dof parallel planar mechanism. The three redundant degrees of freedom are used at the platform to actuate a gripper from the leg actuators. The robot has a large rotational workspace, namely > +-90° in tilt and torsion. This robot is designed to be backdrivable, with a low impedance and a low inertia. The actuators have no gearbox. The robot presented in this document is modular. Indeed, the leg architecture and the platform may differ depending on the application. In the present case, hybrid legs and planar platform are chosen for simplicity and workspace maximisation purposes. In this document, kinematic and dynamic models of the robot are presented. The main mechanical design steps and a study of the kinetic sensitivity are also detailed.
Collaborative robots become present on production lines in factories. Their easiness of installation and use and their safety features make them more attractive. Serial collaborative robots are the most popular in the industry. Their main advantage is their large workspace. However, the inertia of the members of serial robots is the main limitation of the dynamic performances. Parallel robots are more attractive on this aspect. The main advantage of parallel robots is that their actuators are located near the base, decreasing the inertia compared to serial robots. However, there are few parallel collaborative robots on the market. In this Master's thesis, a novel concept of a redundant hybrid robot used for low impedance physical human-robot interaction (pHRI) applications is presented. This robot has a 3-[R(RRRRR) SR] architecture and (6+3) degrees of freedom (dof). Redundancy allows to get a larger workspace especially in rotation (compared to a non-redundant robot with the same architecture) by avoiding some type II singularity configurations in the workspace. The robot has three 3-dof hybrid legs having three actuators, and the platform, which is a 3-dof parallel planar mechanism. The three redundant degrees of freedom are used at the platform to actuate a gripper from the leg actuators. The robot has a large rotational workspace, namely > +-90° in tilt and torsion. This robot is designed to be backdrivable, with a low impedance and a low inertia. The actuators have no gearbox. The robot presented in this document is modular. Indeed, the leg architecture and the platform may differ depending on the application. In the present case, hybrid legs and planar platform are chosen for simplicity and workspace maximisation purposes. In this document, kinematic and dynamic models of the robot are presented. The main mechanical design steps and a study of the kinetic sensitivity are also detailed.

On présente dans cette thèse une méthode de programmation des robots d'assemblage par l'utilisation de moyens graphiques. Cette méthode consiste à simuler, dans un premier temps, l'espace de travail du robot sur l'écran d'un ordinateur. Chaque élément de l'univers est présentée sur les quatre quadrants de l'écran, par ses trois vues du dessin industriel et par une quatrième vue perspective globale. Ensuite, on procède au montage automatique de l'assemblage sans tenir compte des contraintes physiques dues aux collisions: les graphes représentant les composants sont assemblés sur l'écran et l'assemblage final est totalement défini. Dans une troisième étape, on procède à une phase d'apprentissage graphique par démontage interactif des composants dans l'ordre inverse de leur montage, et cela en tenant compte des contraintes physiques. L'opérateur lance des commandes de déplacements élémentaires. Le calculateur interprète ces commandes en calculant les effets de collisions. Il valide et exécute uniquement les commandes qui sont physiquement réalisables. Ce cycle interactif est répété jusqu'au démontage complet de tous les composants de l'assemblage. Finalement, une simple inversion du cycle et des trajectoires de parcours trouvées lors de la phase d'apprentissage, permet à un générateur de plan de programmer les tâches d'assemblage (trajectoires de parcours, points et modes de préhension des composants, leurs positions finales et initiales. . . ). Une application portant sur une gamme d'assemblage de moteurs électriques est présentée en dernière partie de cette thèse

Les robots parallèles entraînés par câbles (RPEC) permettent d'augmenter grandement l'espace de travail. Cependant, il est possible d'améliorer le ratio entre le volume de travail utile d'un RPEC et son volume replié en concevant un système capable de se rétracter pour laisser la place à d'autres types d'activités. L'objectif de ce mémoire consiste à concevoir un actionneur prismatique rétractable maximisant le volume de travail et résistant au ambage. Notre système est composé de deux chaînes de maillons qui s'emboîtent l'une dans l'autre à l'aide d'un guide convergent a n de former une poutre rigide. A l'extrémité de cette poutre, trois câbles sont implantés a n de la maintenir en compression et un e ecteur pourrait être installé. Dans un premier temps, nous avons présenté le système dans son ensemble, déterminé le volume de travail à maximiser ainsi que les contraintes à respecter. Nous avons sélectionné et dimensionné le système d'emboitement des maillons : les snap- ts. Ensuite, nous avons conçu une crémaillère intégrée aux maillons et les engrenages permettant de translater et assembler ces deux chaînes. Nous avons alors paramétrisé notre système a n de l'optimiser pour obtenir un volume de travail maximal. En n, nous avons conçu les réservoirs accueillant les deux chaînes et réalisé le prototype. Cela nous a permis de mesurer le rapport du volume de travail sur le volume rétracté égal à 11,58, ce qui signi e que nous avons atteint notre objectif. Nous avons testé la résistance au ambage du système qui pourrait être améliorée en corrigeant les jeux entre les maillons.

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.

Ce projet s’inscrit dans l’effort développé par l’Agence Spatiale Européenne (ESA)pour robotiser les activités extravéhiculaires à bord de la Station Spatiale Internationale et lors des futures missions d’exploration planétaire. Un aspect important de ces projets concerne le retour de force et la capacité, pour la personne qui commande les mouvements du robot, à ressentir les efforts qui lui sont appliqués. Le but est d’améliorer la qualité et l’immersion de la téléopération.

L’objectif de cette thèse est la conception d’une interface haptique de type exosquelette pour le bras, pour ces missions de téléopération à retour de force. Ce système doit permettre une commande intuitive du robot téléopéré tout en reproduisant

le plus fidèlement possible les efforts.

Les chapitres 2 et 3 présentent les études réalisées sur un banc de test à 1 degré de liberté, destinées à comprendre le contrôle haptique ainsi qu’à évaluer différentes technologies d’actionnements et de capteurs. Les principales méthodes de contrôle sont décrites théoriquement et comparées en pratique sur le banc de test. Les

chapitres 4 et 5 décrivent le développement de l’exosquelette SAM destiné aux futures applications de téléopération spatiale. La conception cinématique, le choix des actionneurs et des capteurs sont décrits. Différentes méthodes de contrôle sont également comparées avec des expériences de réalité virtuelle (sans robot esclave) et de téléopération. Pour finir, le chapitre 6 présente le projet EXOSTATION, un démonstrateur de téléopération haptique spatiale, dans lequel SAM est utilisé comme interface maître.
Doctorat en Sciences de l'ingénieur
info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans ce travail, l’optimisation de la propulsion et de la commande des AUV (Autonomous Underwater Vehicles en anglais) est développée. Le modèle hydrodynamique de l’AUV est examiné. Egalement, son système de propulsion est étudié et des modèles pour des solutions de propulsion différentes (fixe et vectorielle) sont développés dans le cadre de la mobilité autonome.Le modèle et l’identification de la technologie de propulsion dite fixe sont basés sur un propulseur disponible commercialement. Le système de propulsion vectoriel est basé sur un prototype de propulseur magneto-couplé reconfigurable (PMCR) développé à l’IRDL-ENIB.Une méthode de commande non linéaire utilisant le modèle hydrodynamique de l’AUV est développée et son adaptation à deux systèmes de propulsion est présentée. Des analyses portant sur la commandabilité du robot et l’application de cette commande à différents systèmes sont proposées. L’optimisation globale est utilisée pour trouver des topologies propulsives et des paramètres de commande adaptés à la réalisation de tâches robotiques spécifiques. L’optimisation réalisée permet de trouver des solutions capables d’assurer le suivi de trajectoire et de minimiser la consommation énergétique du robot. L’optimisation utilise un algorithme génétique (algorithme évolutionnaire), une méthode d’optimisation stochastique appliquée ici à la conception orientée tâche de l’AUV. Les résultats de cette optimisation peuvent être utilisés comme une étape préliminaire dans la conception des AUVs, afin de donner des pistes pour améliorer les capacités de la propulsion.La technique d’optimisation est également appliquée au robot RSM (fabriqué au sein de l’IRDL-ENIB) en modifiant seulement quelques paramètres de sa topologie propulsive. Cela afin d’obtenir des configurations de propulsion adaptées au cours d’une seule et même mission aux spécificités locomotrices des tâches rencontrées : reconfiguration dynamique de la propulsion de l’AUV
In this PhD thesis, the optimization of the propulsion and control of AUVs is developed. The hydrodynamic model of the AUVs is examined. Additionally, AUV propulsion topologies are studied and models for fixed and vectorial technology are developed. The fixed technology model is based on an off the shelf device, while the modeled vectorial propulsive system is based on a magnetic coupling thruster prototype developed in IRDL (Institut de Recherche Dupuy de Lôme) at ENI Brest. A control method using the hydrodynamic model is studied, its adaptation to two AUV topologies is presented and considerations about its applicability will be discussed. The optimization is used to find suitable propulsive topologies and control parameters in order to execute given robotic tasks, speeding up the convergence and minimizing the energy consumption. This is done using a genetic algorithm, which is a stochastic optimization method used for task-based design.The results of the optimization can be used as a preliminary stage in the design process of an AUV, giving ideas for enhanced propulsive configurations. The optimization technique is also applied to an IRDL existing robot, modifying only some of the propulsive topology parameters in order to readily adapt it to different tasks, making the AUV dynamically reconfigurable

Il est bien connu qu'un des plus importants défis de la robotique industrielle est d'augmenter l'efficacité énergétique des robots manipulateurs. Dans les applications industrielles, telles que les opérations de prise et dépose à grande vitesse, la précision est généralement le critère le plus important pour mesurer les performances du robot. Cependant, les méthodes de conception des robots rapides ont évolué vers la conception des robots, pas seulement précis, mais également performants sur le plan énergétique. Cette thèse propose un principe d'actionnement pour réduire la consommation d'énergie des robots à grande vitesse en plaçant des ressorts à raideur variable en parallèle des actionneurs d'un robot rapide. L'idée est de régler la raideur de ces ressorts à l'aide d'autres actionneurs afin de mettre le robot à proximité de modes de résonance lors de son déplacement (les trajectoires de prise et dépose étant pseudo-oscillantes). En ajoutant un ressort à raideur variable en parallèle des liaisons actionnées par le robot, deux performances sont obtenues: i) la connexion directe entre les liaisons du moteur et du robot, garantissant ainsi la précision à grande vitesse, et ii) le contrôle de l'énergie potentielle stockée à libérer par cycle du mouvement de prise et dépose, exploitant ainsi la dynamique naturelle du robot à hautes vitesses et réduisant la consommation d'énergie. Les résultats expérimentaux de l'approche suggérée sur un prototype de taille industrielle montrent la réduction drastique de la consommation d’énergie pour des mouvements rapides pseudo-oscillants
It is well-known that one of the most representative future challenges in industrial robotics, is to increase the energy efficiency of robot manipulators. In industrial applications, such as high-speed pick-and-place operations, the accuracy is typically the most important criteria to measure the robot performance. Nevertheless, the design trends to operate at high speeds are shifting to the design of robots, which are not only accurate, but also they can perform in an energy-efficient way. This thesis proposes an actuation principle for reducing the energy consumption of high-speed robots by placing variable stiffness springs (VSS) in parallel to the motors that actuate the links of a high-speed robot. The main idea is to smartly tune online the force/displacement relation of the VSS, associated to the VSS stiffness, so that the robot is put in near a resonance mode, thus considerably decreasing the energy consumption during fast pseudoperiodic pick-and-place motions. By adding a spring with controllable stiffness in parallel to the robot actuated links, two performances are achieved: i) direct power connection between the motor and the robot links, thus ensuring accuracy at high-speeds; ii) control of the stored potential energy to be released per cycle of the pick-and-place motion, thus exploiting the robot natural dynamics at highspeeds, and therefore reducing the energy consumption. The experimental results of the suggested approach on an industrial-sized prototype show the drastic reduction of energy consumption for fast quasi-periodic pick-and-place-like motions

Autrefois seulement objets de laboratoire, les robots sociaux commencent à arriver dans les foyers, les écoles, les hôpitaux et les maisons de retraite, et deviennent les compagnons de notre éducation, de notre santé et de notre bien-être. Ces premières commercialisations de robots sociaux confirment l'importance de l'interaction homme-robot anticipée par les chercheurs. En effet, la communication non verbale formant une part majeure de la communication chez l'Homme, celui-ci ne peut s’empêcher d'interpréter les mouvements et les comportements des robots comme l'expression d'états mentaux. Cet impact de l'expressivité des robots sociaux implique que leur conception se doit d’être soignée pour ne pas perturber l’interaction.Les domaines du jeu vidéo et des films d'animation se sont intéressés depuis longtemps à la création de tels mouvements expressifs. De nombreux outils et méthodes ont ainsi été développées afin de faciliter la création de mouvements de personnages virtuels. Ces outils ont permis de combiner les avancées technologiques aux talents d'artistes animateurs passés maîtres dans l'art de donner vie à des personnages. Partant de ce constat, l'objet de cette thèse est la conception d'outils et de méthodes permettant d'intégrer des artistes animateurs dans le processus de conception des robots sociaux. Nous explorons en particulier les adaptations minimales du processus créatif des artistes animateurs rendues nécessaires par les spécificités du medium robotique.Les contributions de cette thèse sont les suivantes :- Un framework pour le prototypage de robots sociaux animés, fondé sur la mise en correspondance et la synchronisation du robot physique avec un robot virtuel animé dans un outil d'animation de personnage 3D.- Un second outil d'animation robotique intégrant la manipulation directe dans le processus d'animation par poses clés.- Une méthodologie pour la création d'animation paramétrique au travers de la collaboration d'un artiste animateur et d'un développeur, ainsi que les outils et interface logiciel facilitant cette collaboration.- L'évaluation par des artistes animateurs de l'outil d'animation de robot par manipulation directe et de la méthode de généralisation d'une animation à des nouvelles contraintes géométriques
Once only experimental devices, social robots are beginning to arrive in homes, schools, hospitals and nursing homes. They are becoming companions of our education, health and well-being. These first commercial launches of social robots confirm the importance of the human-robot interaction anticipated by researchers. Indeed, since non-verbal communication forms a major part of communication in humans, we cannot help but interpret the movements and behaviours of robots as the expression of mental states. This effect of the expressiveness of social robots implies that they must be carefully designed to avoid disrupting the interaction.The fields of video games and animated movies have long been interested in the design of such expressive movements. Many tools and methods have been developed to support the creation of virtual character movements. They have made possible the combination of the latest technological advances with the talents of animation artists who are masters in the art of bringing life into characters. From this observation, the focus of this thesis is the design of tools and methods to integrate animation artists into the design process of social robots. In particular, we investigate the minimal adaptations of the creative process of animation artists made necessary by the specific characteristics of the robotic medium.The contributions of this thesis are as follows:- A framework for prototyping animated social robots, based on mapping and synchronizing the physical robot with an animated virtual robot in a 3D character animation tool.- A second robotic animation tool integrating direct manipulation into the keyframing animation process.- A methodology for designing parametric animation through the collaboration of an animation artist and a developer, as well as the tools and software interface to support this collaboration.- The evaluation by animation artists of the robotic animation tool by direct manipulation and of the method of generalization of an animation to new geometric constraints

Une méthode de synthèse systématique d'architectures de mécanismes parallèles sphériques, reposant sur l'utilisation des propriétés algébriques du groupe de Lie des déplacements, a été développée. Elle a permis la synthèse de tous les mécanismes parallèles sphériques. Une étude architecturale a été présentée et une classification des mécanismes a été établie. La recherche des singularités de ces mécanismes s'appuie sur une analyse des sous-ensembles de déplacements finis. En déterminant les singularités par bras ensuite les singularités par l'assemblage des trois bras, toutes les configurations singulières ont été mises en évidence. Les singularités finies permanentes induisent des mobilités additionnelles conduisant ainsi à des nouveaux mécanismes à 4-ddl et à 5-ddl hyperstatiques. Enfin, une énumération systématique de ces nouveaux mécanismes parallèles à 4-ddl et à 5-ddl a été obtenue
A method for systematic synthesis of spherical parallel mechanisms architectures, based on algebraic proprieties of the Lie group of displacements, was developed. Then structural types of spherical parallel mechanisms were enumerated and classification of the mechanisms was presented. An approach based on the analysis of finite displacements sets proprieties was employed to identify singular configurations of mechanisms. Permanent finite singularities induce additional motilities and then new 4-dof and 5-dof over-constrained mechanisms were deduced. Finally, an enumeration of these novel 4-dof and 5-dof parallel mechanisms was obtained

En robotique humanoïde, la marche bipède est encore un sujet de recherche riche : développement de loi de commande, génération de trajectoires de marche, conception d’architectures originales, etc. Les robots bipèdes utilisent classiquement des moteurs rotatifs. Ces actionneurs sont couplés à un système de réduction afin de fournir les couples requis. Cette combinaison impose de trouver un compromis entre le couple de sortie et la réversibilité du système d’actionnement, limitant l’absorption des impacts. Une alternative possible est l’utilisation de moteurs linéaires à entraînement direct, mécaniquement réversibles. Seulement, les moteurs linéaires sont peu utilisés, avec un ensemble moteur rotatif-vis-mère ayant une réversibilité limitée. Ce type de moteur générant des translations, la production d’un couple se fait par bras de levier. Cette spécificité demande un placement optimal des moteurs, afin d’assurer la faisabilité des couple requis. Afin d’étudier l’intérêt des moteurs linéaires réversibles, une évaluation de l’utilisation de cette technologie pour concevoir un robot bipède planaire est proposée. Plusieurs architectures de robot bipède planaire utilisant des moteurs linéaires pour l’actionnement sont simulées et comparées sur différents mouvements. En parallèle, une géométrie maximisant la faisabilité est obtenue par optimisation pour chacune des architectures. À partir de ces résultats, un prototype de robot bipède planaire actionné exclusivement par des moteurs linéaires a été conçu pour valider les résultats de simulation
In the field of humanoïd robotic, bipedal walking is still an open research fiel, such as the development of control laws, trajectory generation or original architecture designs. Bipedal robots classicaly use rotative motors for their actuation system. These motors are usually coupled with a reduction system in order to achieve sufficient torques. This combination impose to compromise between the output torque and the mecanical reversibility of the system, which limits impact absorption. An alternative is the use of direct-drive linear actuators, inherently reversible. However, linear motors are scarcely used with a rotative actuator linked to a ball-screw, with a limited reversibility. As linear motors produce a translational force, a torque is generated through a lever arm. This specificity requires an optimal placement of the actuators to en sure the feasability of the required torques. To improve our knowledge of this technology and evaluate its use in the robotic field, multiple bipedal planar robot architectures are simulated along different trajectories and compared. In parallel, an optimal geometry is computed for each architecture to maximize motion feasability. From these results, a prototype using solely direct-drive linear actuators is designed and built in order to verify simulation data

La synthèse de manipulateurs à structure parallèle se décompose en deux étapes complémentaires. La première porte sur la conception même de la structure. Après des rappels sur les notions utilisées en robotique et les outils mathématiques nécessaires, deux conditions sur les torseurs cinématiques des liaisons sont établies de manière infinitésimale. La méthode de conception développée conduit à spécifier la nature et l'agencement géométrique des articulations dans les chaînes cinématiques série qui composeront le mécanisme, en fonction du mouvement désiré de l'organe terminal. Les contraintes imposées par la mise en parallèle de plusieurs chaînes permettent alors de décider de leur positionnement entre une base fixe et la plate-forme mobile. Cette méthode est appliquée à la conception de deux mécanismes basés sur la chaîne cinématique cardan-glissière-cardan. La seconde étape concerne l'optimisation des paramètres géométriques pour une utilisation donnée. Un état de l'art des mesures de performance existantes est présenté ; optimiser nécessite de définir des critères mesurant par exemple la dextérité, l'inertie ou le volume de l'espace de travail. Ces mesures sont calculées localement en chaque point de l'espace de travail ou globalement pour un prototype particulier ; ceci a conduit à montrer l'intérêt de l'utilisation des quaternions dans le cas du mouvement de rotation sphérique. Les différents modèles et l'optimisation globale de plusieurs manipulateurs parallèles existants ou en cours de réalisation sont ensuite présentés.

Lorsque des changements inattendus de la surface du sol se produisent lors de la marche, le système nerveux central humain doit appliquer des mesures de contrôle appropriées pour assurer une stabilité dynamique. De nombreuses études dans le domaine de la commande moteur ont étudié les mécanismes d'un tel contrôle postural et ont largement décrit comment les trajectoires du centre de masse (COM), le placement des pas et l'activité musculaire s'adaptent pour éviter une perte d'équilibre. Les mesures que nous avons effectuées montrent qu'en arrivant sur un sol mou, les participants ont modulé de façon active les forces de réaction au sol (GRF) sous le pied de support afin d'exploiter les propriétés élastiques et déformables de la surface pour amortir l'impact et probablement dissiper l'énergie mécanique accumulée pendant la ‘chute’ sur la nouvelle surface déformable. Afin de contrôler plus efficacement l'interaction pieds-sol des robots humanoïdes pendant la marche, nous proposons d'ajouter des semelles extérieures souples (c'est-à-dire déformables) aux pieds. Elles absorbent les impacts et limitent les effets des irrégularités du sol pendant le mouvement sur des terrains accidentés. Cependant, ils introduisent des degrés de liberté passifs (déformations sous les pieds) qui complexifient les tâches d'estimation de l'état du robot et ainsi que sa stabilisation globale. Pour résoudre ce problème, nous avons conçu un nouveau générateur de modèle de marche (WPG) basé sur une minimisation de la consommation d'énergie qui génère les paramètres nécessaires pour utiliser conjointement un estimateur de déformation basé sur un modèle éléments finis (FEM) de la semelle souple pour prendre en compte sa déformation lors du mouvement. Un tel modèle FEM est coûteux en temps de calcul et empêche la réactivité en ligne. Par conséquent, nous avons développé une boucle de contrôle qui stabilise les robots humanoïdes lors de la marche avec des semelles souples sur terrain plat et irrégulier. Notre contrôleur en boucle fermée minimise les erreurs sur le centre de masse (COM) et le point de moment nul (ZMP) avec un contrôle en admittance des pieds basé sur un estimateur de déformation simplifié. Nous démontrons son efficacité expérimentalement en faisant marcher le robot humanoïde HRP-4 sur des graviers
When unexpected changes of the ground surface occur while walking, the human central nervous system needs to apply appropriate control actions to assure dynamic stability. Many studies in the motor control field have investigated the mechanisms of such a postural control and have widely described how center of mass (COM) trajectories, step patterns and muscle activity adapt to avoid loss of balance. Measurements we conducted show that when stepping over a soft ground, participants actively modulated the ground reaction forces (GRF) under the supporting foot in order to exploit the elastic and compliant properties of the surface to dampen the impact and to likely dissipate the mechanical energy accumulated during the ‘fall’ onto the new compliant surface.In order to control more efficiently the feet-ground interaction of humanoid robots during walking, we propose adding outer soft (i.e. compliant) soles to the feet. They absorb impacts and cast ground unevenness during locomotion on rough terrains. However, they introduce passive degrees of freedom (deformations under the feet) that complexify the tasks of state estimation and overall robot stabilization. To address this problem, we devised a new walking pattern generator (WPG) based on a minimization of the energy consumption that offers the necessary parameters to be used jointly with a sole deformation estimator based on finite element model (FEM) of the soft sole to take into account the sole deformation during the motion. Such FEM computation is time costly and inhibit online reactivity. Hence, we developed a control loop that stabilizes humanoid robots when walking with soft soles on flat and uneven terrain. Our closed-loop controller minimizes the errors on the center of mass (COM) and the zero-moment point (ZMP) with an admittance control of the feet based on a simple deformation estimator. We demonstrate its effectiveness in real experiments on the HRP-4 humanoid walking on gravels

Dans cette thèse, un stabilisateur actif est conçu pour être embarqué sur la plate-forme d'un Robot Parallèle à Câbles (RPC) et compenser les vibrations de la plate-forme en produisant un torseur d’effort sur celle-ci. Tout d’abord, une modélisation mécanique de divers dispositifs de stabilisation actifs permet de choisir une solution appropriée à la compensation des vibrations. La solution sélectionnée consiste en un stabilisateur composé de bras en rotation. Ensuite, ce modèle est utilisé pour optimiser la structure du stabilisateur en recherchant quelle disposition de ses bras permet de maximiser la puissance fournie par le stabilisateur à la plate-forme mobile du RPC.Une stratégie de commande est alors proposée pour contrôler le système composé de la plate-forme mobile du RPC et du stabilisateur actif embarqué. Ce système étant constitué de deux parties fonctionnant à des échelles de temps différentes, la théorie de la perturbation singulière est utilisée pour prouver la stabilité de la commande proposée.Enfin, des expériences en simulation permettent de valider l’utilisation d’un stabilisateur actif embarqué pour la compensation des vibrations de la plate-forme mobile d’un RPC et commandé avec la loi de commande proposée dans cette thèse
In this thesis, an active stabilizer is designed to be embedded on the platform of a Cable-Driven Parallel Robot (CDPR) and to damp vibrations affecting the platform by producing a wrench on it.First, a mechanical modeling of various active stabilization devices allows the choice of an appropriate solution for vibration damping. The selected solution consists of a stabilizer composed of rotating arms. Then, this model is used to optimize the stabilizer structure by looking at which arm arrangement maximizes the power delivered by the stabilizer to the CDPR mobile platform.A control strategy is then proposed for the system consisting of the CDPR mobile platform and the embedded active stabilizer. As this system consists of two parts operating at different time scales, the singular perturbation theory is used to prove the stability of the proposed control.Finally, simulation experiments make it possible to validate the use of an on-board active stabilizer to damp the vibrations of the mobile platform of a CDPR, and controlled with the control law proposed in this thesis

Concevoir des robots avec des Matériaux Bio-Sourcés (MBS) dans le but d'écoconception n'a presque jamais été exploré dans le passé. L’objectif de cette thèse est de montrer qu’il est possible de réduire considérablement l’impact environnemental des robots industriels en remplaçant la grande majorité des matériaux métalliques / composites de carbone utilisés dans leur conception par des matériaux bio-sourcés à faible impact écologique. Le bois est l'un des meilleurs candidats en raison de ses propriétés mécaniques intéressantes. Cependant, les performances / dimensions du bois varient en fonction des conditions atmosphériques / sollicitations externes. Ainsi, cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet RobEcolo dont le défi est de concevoir un robot industriel parallèle en bois rigide et précis. Afin d'assurer une performance optimale de robots en bois (en particulier la précision) et de minimiser l'incertitude des modèles MBS et les erreurs dues aux variations dimensionnelles en fonction des conditions atmosphériques, des capteurs extéroceptifs peuvent être utilisés pour commander le robot. Cependant, toute observation externe a un impact sur les performances du robot. Il est donc nécessaire d'optimiser la conception du robot par rapport aux critères de performance mécanique usuels mais aussi par rapport aux indices de performance issus de la définition de la commande par capteurs extéroceptifs. Ainsi, l'un des objectifs de ce manuscrit est de décrire une nouvelle approche de conception orientée commande. Cette approche permet de prendre en compte les performances du contrôleur dès la phase de conception du robot ce qui amènera à satisfaire la performance de précision lors de la commande de celui-ci, par la définition des paramètres géométriques primaires optimaux du robot. En effet, des modèles élastiques sont nécessaires aux étapes de conception et de contrôle et doivent être suffisamment précis pour fournir une estimation correcte des déformations et des fréquences propres du robot. De plus, ils doivent également être efficaces sur le plan de temps de calcul, car ils seront calculés des milliers de fois au cours du processus de la conception optimale, ou en temps réel dans la boucle de commande. Afin de répondre à ces exigences, nous proposons dans ce manuscrit une modification basée sur la théorie poutre d'Euler-Bernoulli qui est utilisée pour développer des modèles élastiques en bois simples et rapides capables de prédire un comportement réaliste des robots en bois en statique et en dynamique. Enfin, les développements théoriques proposés dans cette thèse ont permis le prototypage d'un mécanisme à cinq barres en bois et les performances du robot en termes de rigidité et de précision ont été validées expérimentalement sur le prototype
Designing robots with bio-sourced materials (BSM) for eco-design purpose has almost never been explored in the past. This thesis investigates the potential of using bio-sourced materials, which have almost no environmental impact, instead of metals for robot design. Wood is one of the best candidates because of its interesting mechanical properties. However, wood performance / dimensions vary with the atmospheric conditions / external solicitations. Thus, this thesis is in the framework of the RobEcolo project whose challenging to design a stiff and accurate wooden industrial parallel robot. To ensure optimal performance of the wooden robot (specifically the accuracy) and in order to minimize the uncertainty of the BSM models and the errors due to the dimensional variations due to atmospheric conditions, exteroceptive sensors can be used to control the robot. In order to satisfy these requirements, we propose in this manuscript a modification of the Euler-Bernoulli beam theory which is used to develop accurate and fast wood elastic models able to predict the realistic robot static and dynamic behaviors. Finally, theoretical developments proposed in this thesis allowed the prototyping of an industrial wooden five-bar mechanism and the robot performance in term of safeness and accuracy has been validated experimentally on the prototype

Ce travail s'inscrit dans le cadre des recherches effectuees a l'inria pour l'amelioration de la commande des manipulateurs rigides. L'objectif de cette etude est de mettre au point une commande robuste et performante pour des modules de translation et de rotation, constitues de composants hydrauliques. Ces modules de motricite sont concus pour construire un manipulateur d'assemblage en micro-mecanique dont un prototype est en cours de realisation. Les contraintes essentielles que doit respecter un robot utilisable dans un atelier flexible d'assemblage automatique, sont la rapidite, la precision, la robustesse et la modularite. Ces differents aspects sont pris en compte pour le choix de la structure geometrique, des actionneurs du manipulateur et aussi dans la realisation de la commande. Ainsi, a partir d'un modele de connaissance etablit grace a une modelisation precise des modules de motricite, un regulateur issu des techniques de commande lineaire et de commande optimale est developpe. La validation de l'algorithme de controle est faite par simulation en tenant compte des caracteristiques des actionneurs hydrauliques, mais aussi des couplages et des variations d'inertie dans le cas ou les modules de motricite sont associes en une configuration rpp. L'etude comprend l'implantation des algorithmes de controle dans un ensemble multiprocesseurs

Les robots dits à fort élancement, utilisés pour des opérations d'inspection et de maintenance en environnement hostile à l'homme, encombré, et accessible uniquement par des orifices de très faible diamètre, sont caractérisés par leur très grand ratio longueur sur diamètre. Aujourd'hui, malgré l'emploi de composants et de matériaux sophistiqués, ces robots ont atteint leur limite de performances. Franchir significativement cette limite nécessite un changement de paradigme. La TRIZ (théorie de résolution des problèmes inventifs), qui construit un processus systématique de résolution de problème technique, conduit naturellement à identifier l'origine de la contradiction : le poids propre des robots, et par conséquent leur masse en présence de gravité. Elle propose notamment de postuler l'existence d'un robot sans masse. L'analyse des propriétés d'un tel robot conduit à l'élaboration du concept breveté de robot ultraléger gonflé, ayant un volume constant unique et des articulations préservant le diamètre de la section. Ce nouvel objet aurait de nombreux autres avantages tels que la facilité de mise en œuvre, l'innocuité par rapport à l'environnement et donc des contacts sans dommages avec celui-ci. Son grand son rayon d'action et son coût prévisionnel très réduit peuvent lui donner accès à de nombreuses applications nouvelles. L'objet de ce travail de thèse est donc l'élaboration des concepts techniques et des méthodes de dimensionnement adaptés à ce robot ultraléger gonflé. Ainsi, les performances du robot gonflable en termes de capacité de charge et de portée sont validées analytiquement. Des expérimentations et une modélisation par éléments finis permettent d'effectuer un pré-dimensionnement des articulations. Différents modes de réalisation ont été prototypé en partenariat avec une entreprise spécialiste du textile technique. Ces articulations font aussi l'objet d'un modèle simplifié de type masse-ressort pour la simulation rapide des déformations d'un robot à degrés de liberté. Les actionneurs et capteurs font l'objet d'une préconception et une transmission originale à base de câble et adaptée à la cinématique particulière des articulations est développée. Enfin des modèles géométriques et cinématiques sont définis et le problème de la commande d'un tel robot est posé en vue des travaux à venir
One of the major challenges in robotics is the improvement of inspections operations in confined and hazardous area using unmanned remote handling systems. Articulated arm are used in this case to carry some diagnostic tools for the inspection tasks. These long reach multi-link carriers should be characterized by a large workspace and reduced mass. Today, with about ten degrees of freedom and ten meters long they have reached their performance limit. Indeed, for long reach ,the arm should have enough torque to carry its own weight plus the payload in cantilever mode and enough stiffness to minimize the deflection caused by the gravity. Despite the use of best materials and components, this kind of robot has reach its performance limit. Overcoming this limit needs a change in paradigms. Therefore a problem-solving, analysis and forecasting tool TRIZ (theory of inventive problem solving) is used. It leads naturally to identify the origin of the dilemma: the proper weight of the arm and so its mass under gravity. In particular, it proposes to postulate that a no-mass robot exists. An analysis of the properties of such a robot leads to the patented concept of an ultra light inflatable robot with unique and constant volume and constant diameter joints. This new object would benefit from advantages such as easy implementation, harmlessness toward its environment and so the ability to lean on it without damage. Therefore it could easily increase its range and its foreseen low-cost building would open a wide field of new applications. This thesis work, elaborates appropriate technical concepts and dimensioning methods for ultra light inflatable robots. The payload and length performances of an inflatable robot are analytically validated. Experimentations and a finite-element modeling are used for a pre-dimensioning of the joints and different modes of construction are prototyped in partnership with, specialized company in thigh-tech textile. The joints are also modeled with a simple mass-spring system for time efficient simulations of deflections under load of a DOF inflatable robot. Actuators and sensors are pre-designed and an original cable transmission is developed. Finally, the geometric and kinematic models are built and we set the control problem of such a robot for future works

Thèse (M. Ing.)--École de technologie supérieure, Montréal, 2002.
"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie de la production automatisée". Bibliogr.: f. [110]-114. Également disponible en version électronique.

Ce mémoire présente une approche pratique pour aider à la conception mécanique de robot marcheur utilisant des modèles cinématiques et dynamiques et des tâches à effectuer. Cela permet d'améliorer la conception mécanique du robot marcheur et de valider en partie la faisabilité des composantes. Le logiciel se compose de trois modules de calcul: le terrain, la mécaniques et la démarche. Ces modules permettent de faire l'optimisation du dimensionnement en tenant compte des contraintes physiques du robot et de la tâche à effectuer. Le logiciel a été appliqué au design d'un prototype de robot marcheur. Les résultats ont été comparé avec d'autres outils de conception tels que Working Model. L'utilisation d'un plan d'expérience a fait ressortir quelques règles générales de conception. Ces travaux démontrent que, pour la plupart des paramètres de conception, les critères de performance n'évoluent pas de façon uniforme sur l'ensemble du plan d'expérience. L'analyse reste tout de même essentiels.

L'acte médical réalisable à distance est un enjeu important qui s'inscrit dans le contexte de l'accroissement des réseaux et technologies de télémédecine. Nous exposons ici le travail effectué sur deux chaînes robotisées de téléopération, Teresa et Otelo I, pour l'échographie de patients distants. Ces systèmes de télé-échographie sont constitués de trois composantes principales sur lesquelles a porté ce travail de thèse. - Un site ± expert α : où nous avons développé pour l’expert médical des interfaces mécaniques et graphiques ergonomiques pour le contrôle du robot distant. Le médecin dispose d'une sonde fictive peudo-haptique dédiée et instrumentée pour piloter le robot. - Le média de communication : pour s'adapter facilement aux différents supports de communication disponibles (ISDN, ADSL, LAN, Satellite, etc. ), un code logiciel permettant une communication sur protocoles IP a été développé. - Un site ± patient α : où se situe le robot et son dispositif de contrôle. Nous avons réalisé le contrôle du robot et proposé en particulier une gestion originale des singularités et la prise en compte de la gigue du retard de communication pour la génération des trajectoires articulaires.

Ce travail de thèse porte sur la conception de robots souples pneumatiques, pour lesquels la mise en mouvement par déformation est produite via des chambres pneumatiques. Nous contribuons à l'obtention d'un robot depuis la formulation du besoin jusqu'à la fabrication du robot. Ainsi, nous abordons les problématiques associées à la conception et la fabrication de ces robots. Pour la conception, nous proposons un algorithme génétique dont le fonctionnement est accéléré par l'usage d'un modèle d'IA permettant l'estimation rapide des comportements de nouvelles géométries et la recherche de solution. Pour la fabrication, nous proposons une plateforme instrumentée de fabrication additive de silicone permettant l'acquisition de nuages de points sur la couche produite. Des indicateurs sont alors proposés pour suivre la production en cours et l'intégrité de robots souples, et ces indicateurs sont évalués expérimentalement
This thesis covers the design of pneumatic soft robots, which move thanks to deformation using pneumatic chambers. We contribute to the design of a robot from the formulation of the need to the manufacturing of the robot. We address the problems associated with the design and manufacture of these robots. For design, we propose a genetic algorithm accelerated by the use of an AI model enabling rapid estimation of the behavior of new geometries and the search for solutions. For manufacturing, we propose an instrumented silicone additive manufacturing platform enabling the acquisition of point clouds on each produced layer. Indicators are then proposed to monitor ongoing production and the integrity of soft robots, and these indicators are evaluated experimentally

Il est bien connu que les robots parallèles ont de nombreuses applications dans l ’industrie. Cependant, en raison de leur structure complexe, leur contrôle peut être difficile. Lorsqu'une précision élevée est nécessaire , un modèle complet du robot détaillé est nécessaire . Les approches de contrôle référencées capteurs se sont avérées plus efficaces , en termes de précision que les contrôleurs basés modèles puisqu'elles s’affranchissent des modèles de robots complexes et des erreurs de modélisation associées. Néanmoins, lors de l'application de d’un asservissement visuel , il y a toujours des problèmes dans le processus de contrôle , tels que les singularités du contrôleur . Cette thèse propose une méthodologie de conception orientée commande qui prend en compte les performances de précision du contrôleur dans le processus de conception du robot pour obtenir les paramètres géométriques optimaux de ce dernier Trois contrôleurs ont été sélectionnés dans le processus de conception du robot : les commandes basées sur l’observation des directions des jambes, les commandes basées sur l’observation des lignes et les commandes basées sur des moments dans l'image .Pour vérifier les performances en terme de précision des robots optimisés, nous avons effectué des co-simulations des robots optimisés avec les contrôleurs correspondants . En terme d’expérimentation, deux prototypes de robots DELTA ont été conçus et expérimentés afin de valider la précision du contrôleur
It is well -known that parallel robots have a lot of applications in industry for their high stiffness , high payload , can reach higher acceleration and speed . However , because of their complex structure , their control may be troublesome. When high accuracy is needed, the detailed robot model is necessary . However , even detailed models still suffer from the problem of inaccuracy in reality because of robot assembly and manufacturing errors . Sensor - based control approaches have been proven to be more efficient than model-based controllers in terms of accuracy since they overcome the complex robot models and inconsistency errors. Nevertheless, when applying the visual servoing, there are always some problems in the control process , such as the controller singularities . Thus , this thesis proposes proposes a control based design metodology which takes into account the accuracy performance of the controller in the design process to get the geometric parameters of the robot. This thesis applied the control-based design methodology to the optimal design of three types of parallel robots: Five-bar mechanisms , DELTA robots , Gough -Stewart platforms . Three types of controllers are selected in the design process : leg -direction -based visual servoing, line-baesd visual servoing and image moment visual servoing . Design optimization problems are formulated to find the geometric parameters of the robot . Co-simulations are performed to check the accuracy performance of the robots obtained from the optimization. Experiments are performed with two DELTA robot prototypes in order to validate the controller accuracy

Les robots d'inspection de canalisations jouent un rôle important dans des industries telles que le nucléaire, la chimie et les eaux usées. Ils peuvent opérer avec précision dans un environnement irradié ou pollué, réduisant ainsi les risques pour les humains. Cette thèse porte sur la conception d'un robot bio-inspiré pour l'inspection des canalisations. La thèse commence par l'étude du cas d'un robot d'inspection bio-inspiré rigide qui a été développé au LS2N, France pour AREVA. Des modèles statiques et dynamiques sont développés pour comprendre les forces de serrage et les couples des actionneurs du robot. Des validations expérimentales sont également effectuées sur le prototype pour interpréter les forces d’actionnement en temps réel. Pour améliorer sa mobilité, l'architecture du robot est rendue flexible par l'ajout d'un mécanisme de tenségrité. Deux types de mécanismes de tenségrité sont proposés et analysés avec des méthodes algébriques pour comprendre leurs limites d'inclinaison et pour connaître l’influence des paramètres de conception. Des expériences sont réalisées sur l'un des prototypes des mécanismes de tenségrité développés au LS2N avec deux types de trajectoire en positions horizontale et verticale. Ensuite, une optimisation est réalisée pour identifier les moteurs qui peuvent permettre du robot d'inspection de canalisation flexible de passer les coudes et les jonctions pour une plage donnée de diamètres de tuyaux. Une maquette numérique du robot flexible est réalisée dans un logiciel de CAO
Piping inspection robots play an important role in industries such as nuclear, chemical and sewage. They can perform the assigned task with better accuracy and at the same time, they can operate within an irradiated or a polluted environment thereby reducing the risks for humans. This doctoral thesis focuses on the design of a bio-inspired robot for the inspection of pipelines. The thesis begins with the case study of a rigid bio-inspired piping inspection robot which was developed at LS2N, France for a project with AREVA. Static and dynamic force models are developed to understand the clamping forces and the torques on the actuators of the robot. Experimental validations are then done on the prototype to interpret the real-time actuator forces. In order to improve mobility, the robot architecture is made flexible by the addition of a Tensegrity mechanism. Two types of Tensegrity mechanisms are proposed and analyzed using algebraic methods to understand their tilt limits and to identify the influences on the design parameters. Experiments are performed on one of the prototypes of the Tensegrity mechanism developed at LS2N for two types of trajectories in the vertical and horizontal orientations. An optimization approach is then being implemented to identify the sizes of motors that can permit the flexible piping inspection robot to overcome bends and junctions for a given range of pipeline diameters. A digital model of the flexible robot is then realized in CAD software

Cette thèse est le fruit des réflexions effectuées sur le thème de la réalisation d'un poste de programmation de robots. Son but est de prouver la faisabilité d'un système intégrant la modélisation des robots, l'aide à l'écriture de programmes et la simulation et la validation des programmes écrits. Cette recherche nous a conduits à réaliser un système de type CAO spécialisé dans la modélisation des systèmes articulés que sont les manipulateurs. Les données recueillies par ce système sont exploitées dans le cadre d'une base de données pour permettre la visualisation des mouvements programmés du robot sous forme de dessins animés (fonction du simulateur). Ces données sont aussi utilisées pour générer automatiquement les modèles géométriques direct et inverse d'une large gamme de manipulateurs. La réalisation des principaux modules d'un poste "type" de programmation de robots a permis de faire disparaître les points d'achoppement d'un tel système et de prouver sa faisabilité
This thesis is the result of reflections on the theme of the realisation of a workstation for robot programming. Its aim is to prove the feasibility of a system which integrates the modelling of robots, the assistance on program writing and the simulation and validation of written programs. This lead us to make a CAD type system dedicated to the modelling of articulated systems as the manipulators are. The data collected by the system are exploited within the context of a data base to enable the visualization of the robot computerized movements in the form of an animated image (by means of a simulator). These data are also used to generate automatically the direct and inverse kinematic models of a large range of manipulators. The realisation of the main modulus of a typical robot computer programming workstation enabled us to suppress the stumbling points of such a system

L'analyse de la marche et la mesure du déplacements des articulations humaines ont été largement étudiées. Les artefacts de tissus "mous" sont une source fréquente d'erreur pour la plupart des méthodes de mesure utilisées. La procédure standard en analyse de la marche consiste à utiliser une combinaison de mesures pour l'estimation efficace des angles articulaires et de la position des segments du corps humain. Ce travail propose le développement d'un système d'analyse de la marche reposant sur un robot parallèle à câbles équipé de plusieurs capteurs mesurant spécifiquement les déplacements du genou. Nous considérons le cas général pour lequel les articulations humaines se comportent comme des joints à 6 degrés de liberté reliant deux segments du corps. Afin de déterminer la position et l'orientation de ces segments, 14 câbles y sont attachés, ce qui permet de considérer ces segments comme les organes effecteurs de robots parallèles. Leur position peut alors être calculée à partir de la mesure de la longueur des câbles. Cependant, ces mesures sont entachées de bruit à cause des artefacts de tissus "mous". Afin d'améliorer la précision des résultats, le système propose aussi l'utilisation d'autres capteurs de nature différente : plusieurs capteurs inertiels (avec accéléromètres et gyroscopes), un système de motion capture, des capteurs de pression plantaire, des capteurs de distance (IR et résistance variable) et des capteurs de force pour mesurer la contraction musculaire. Plusieurs approches globales sont disponibles pour l'analyse du genou lors de la marche. Les choix technologiques effectués impactent directement sur la conception de notre système et imposent le développement de matériel spécifique pour mener à bien les mesures, tel que le collier flexible utilisé d'une part pour permettre l'attache des câbles sur les segments du patient et d'autres part pour supporter les capteurs supplémentaires. Nous traitons le collier comme une chaîne cinématique sérielle et nous proposons une méthode d'étalonnage qui ne nécessite pas d'utiliser les mesures angulaires des articulations contrairement aux méthodes existantes. Nous décrivons le protocole expérimental ainsi que les méthodes utilisées pour synchroniser les données issues de plusieurs ordinateurs. Les données sont ensuite fusionnées pour obtenir la pose du collier et donc celle des segments du patient. Enfin, ce travail permet d'identifier les modifications à apporter au système pour une meilleure analyse de la marche, ce qui pourra servir de base à un système de rééducation complet.

Le projet robian a comme objectif la realisation d'une plateforme experimentale bipede dediee a la comprehension du phenomene complexe de la locomotion chez l'homme. Une marche dynamique est recherchee dans le cadre de ce projet. Le travail presente concerne l'analyse et la conception d'un torse biofidele du robot robian. Apres presentation du projet robian donnee au debut de ce manuscrit, une etude bibliographique a l'echelle internationale des travaux de recherche dans ce domaine est ensuite developpee. L'approche novatrice utilisee pour la conception du torse de robian est basee sur la notion d'equivalence dynamique entre deux systemes mecaniques. En effet, nous recherchons un mecanisme simple capable de reproduire le comportement dynamique d'un modele du torse humain qui est dans notre cas la partie superieure d'un mannequin virtuel effectuant une marche tridimensionnelle issue d'enregistrements sur un sujet sain. Cette approche est detaillee et appliquee a une serie de mecanismes ayant 2, 3 et 4 ddl pour arriver au resultat suivant : un mecanisme ayant 4 ddl est necessaire et suffisant afin d'assurer l'equivalence dynamique avec le modele utilise du torse humain pendant une allure de marche. Une analyse structurelle a abouti au choix d'un mecanisme de type r3p pour le torse de robian. Deux procedures d'optimisation ont permis l'elaboration du cahier des charges de la conception de ce mecanisme. La validation experimentale du prototype du torse realisee a ete ensuite effectuee en verifiant l'apport dynamique du prototype sur l'appareil locomoteur de robian. Ces premiers resultats ont permis d'initier les essais sur des allures de marche dynamique du robot
The objective of the robian project started in 2000 is the realization of a biped experimental platform dedicated to the comprehension of the human being locomotion complex phenomena. A dynamic walk of this robot is required within the framework of this project. The work presented in this manuscript relates to the analysis and the design of a biologically inspired torso for robian robot. The robian project is presented at the beginning of this manuscript. A bibliographical study on an international scale of the research tasks in this field is then carried out. The innovative approach used for the design of the robian torso is based on dynamic equivalence between two mechanical systems. Indeed, we look for a simple mechanism able to reproduce the dynamic behavior of a model of the human torso, which is in our case the upper part of a virtual mannequin carrying out a three-dimensional walk resulting from motion recordings on a healthy subject. This approach is detailed and applied to a set of mechanisms having 2, 3 and 4 dofs leading to the following result: a mechanism having 4 dofs is necessary and sufficient in order to ensure dynamic equivalence with the model used of the human torso during a walking gait. A structural analysis allowed the choice of an r3p mechanism for the torso of robian. Two optimization procedures allowed the development of the design schedule of this mechanism. The experimental validation of the constructed torso prototype was then carried out by checking the dynamic contribution of the prototype on the locomotor apparatus of robian. These experimental results made it possible to initiate the tests on dynamic walking patterns

Dans cette thèse, nous apportons la contribution à la conception de robots médicaux, en proposant une démarche de conception simultanée de la structure mécanique du robot. Par opposition à une vision séquentielle naturelle de la conception, la formalisation du processus créatif permet une simultanéité, ouvrant la voie à des structures innovantes dédiées : en robotique médicale, faible masse et faible compacité de la structure mécanique sont souvent recherchées. A partir d'un descriptif de démarches existantes, nous effectuons la conception d'un robot de télé-échographie et d'un robot de chirurgie mini-invasive. Pour les deux applications, de fortes contraintes sont présentes. En télé-échographie, la portabilité est très recherchée, requérant une faible compacité. Pour la chirurgie mini-invasive, les moto-réducteurs du robot in vivo doivent être dimensionnés au plus juste. Ici, nous avons formalisé l'amélioration de la compacité d'une structure parallèle pour la télé-échographie. Les résultats montrent une amélioration de la compacité de l'ordre de 5%. Dans le même esprit, nous avons formalisé la synthèse dimensionnelle de deux robots 2R-R-R de chirurgie mini-invasive in vivo. Nous réalisons l'optimisation simultanée entre le dimensionnement des moto-réducteurs et des longueurs des corps pour tendre vers une simultanéité totale du processus créatif, ce qui nous permet d'améliorer les performances en termes de force et vitesse à l'effecteur. Ces expériences de conception montrent les limites à une simultanéité stricte. Nous indiquons le besoin d'adapter outils et méthodes de conception mécatronique pour une simultanéité en conception robotique tenant compte de l'aspect imparfait du processus créatif.

Un robot mobile autonome doit realiser des taches non repetitives dans un environnement imparfaitement connu et non-cooperatif, voire hostile. Dans ce contexte les missions attribuees au robot ne peuvent etre definies de facon precise, et le robot doit etre dote de moyens pour les interpreter, analyser l'environnement, decider des actions adequates et reagir aux evenements asynchrones. Pour concilier decision et reaction, l'architecture de controle proposee comporte deux niveaux hierarchiques: les niveaux decisionnel et fonctionnel. Ce second niveau, objet principal de la these, fournit l'ensemble des capacites operatoires du systeme (perception, modelisation, mouvements, etc. ). La premiere partie du memoire presente l'architecture globale et fournit un etat de l'art et une analyse critique focalisee sur l'organisation des systemes reactifs. La seconde partie explicite les conditions requises au niveau de la couche fonctionnelle pour satisfaire l'autonomie, la reactivite et la programmabilite du robot. Ces caracteristiques, associees a la grande diversite et aux contraintes temporelles des fonctions operatoires, ont conduit a une structuration en modules. La formalisation structurelle, comportementale et fonctionnelle des modules a permis de concevoir des methodes generales d'integration de fonctions. Les fonctions ainsi encapsulees dans les modules composent un ensemble de services homogenes, reactifs et observables a la disposition du niveau decisionnel qui accomplit les taches du robot en les combinant dynamiquement en un arbre d'activites. Les modules sont decrits et produits au moyen d'un langage de specification associe a un generateur automatique de modules (g#e#nom). La derniere partie presente trois integrations completes. La premiere concerne hilare, un robot experimental d'interieur equipe de nombreux capteurs et fonctionnalites. Des methodes originales de localisation et de controle de deplacement pour vehicule non-holonome sont detaillees. La seconde porte sur la navigation en milieu naturel du robot tout terrain adam. La derniere, relative a la cooperation multi-robots, a conduit a une simulation realiste d'une quinzaine de robots (sous unix) et a une experimentation reelle avec trois robots hilare (sous vxworks)

Les problemes souleves par la robotique dite de 3eme generation peuvent etre qualifies de complexes: au sein d'un meme systeme doivent cohabiter des modules logiciels et materiels dont les interactions permettent le bon fonctionnement de l'ensemble. Les developpements technologiques poussent les concepteurs de tels systemes temps-reel vers des solutions distribuees, qui favorisent la modularite mais necessitent la mise en place de communications efficaces entre ces differents modules. Notre contribution est de proposer des outils d'aide a la conception, essentiellement orientes vers le developpement de logiciels et d'architectures informatiques complexes pour la robotique. En premiere partie, nous etablissons un etat de l'art des outils disponibles pour le concepteur, que ce soit au niveau materiel, algorithmique ou methodologique. Apres avoir propose des criteres permettant d'effectuer les choix de l'architecture materielle, nous introduisons ensuite une approche synchrone des systemes temps-reel, conduisant a un nouveau style de programmation des algorithmes de controle/commande, associes a de nouveaux outils d'aide a la specification et a la mise au point. Enfin, la derniere partie est consacree a l'application de l'abstraction et des types abstraits a la programmation de haut niveau des applications en robotique. Plusieurs annexes techniques thematiques de synthese completent l'ensemble en resumant un point donne, comme les algorithmes de commande ou les architectures materielles des controleurs de robots

L'objectif de cette thèse s'inscrit dans la cadre général du développement d'une stratégie de contrôle intelligent distribué en robotique collective. En effet, dans un avenir proche, de nombreux robots vont progressivement intégrer notre environnent aussi bien dans les milieux industriel que domestique. L'objectif de ces robots sera de fournir, de manière autonome, des services aux êtres humains afin de leurs faciliter la vie quotidienne comme par exemple dans le cas de robots compagnons. Ces services pourront être le résultat du travail d'un robot ou bien la conséquence de la coopération de plusieurs robots homogènes et/ou hétérogènes regroupés au sein d'un réseau. Dans ce contexte, si les progrès technologiques permettent sans problème de communiquer et d'échanger des données entre deux agents artificiels distants, la conception de stratégies de contrôle permettant l'auto-organisation de plusieurs robots dans le but de réaliser une tâche précise est encore aujourd'hui un verrou scientifique important. Cette thèse a donc pour but de proposer des pistes pour élaborer des stratégies de contrôle intelligent pour des systèmes multi-robots dans le cadre plus particulier de la logistique industrielle. En effet, le domaine de logistique industrielle nécessite l'utilisation de nombreux robots mobiles comme par exemple des AGV (Automatic Guided Vehicles) pour transporter et stoker des marchandises. Dans ce contexte, nous pensons que le domaine de la logistique peut tirer bénéfice de l'utilisation de systèmes multi-robots. Dans un premier temps, cette thèse aborde donc la problématique de transport d'objet volumineux et encombrant par une formation de robot. Effectivement, il semble que la solution qui consiste à utiliser un ensemble de robots identiques pour transporter des charges de grandes envergures soit, d'une part, très intéressante d'un point de vue économique et, d'autre part, plus robuste et flexible d'un point vue technologique. Dans un deuxième temps, cette thèse aborde l'utilisation d'un réseau de robots hétérogènes qui sont capables de s'organiser afin de réaliser une tâche précise dans un milieu dynamique. Les travaux effectués dans le cadre de la présente thèse doctorale ont donc abouti à la proposition des stratégies viables de contrôle intelligent pour des systèmes multi-robots. Une étude d'application des concepts étudiés a été réalisée, implantée et validée dans le cadre plus particulier de la logistique industrielle. Elle a concerné d'abord le contexte d'un groupe multi-robots homogène, puis a été étendue au contexte d'un système multi-robots hétérogènes. Les points forts des travaux réalisés peuvent être résumés comme ceci :- Proposition, conception, réalisation et validation expérimentale d'une stratégie de contrôle adaptatif par l'apprentissage artificiel pour un robot non-holonomique. Quatre publications internationales ont valorisé cette partie des travaux.- Proposition, conception, réalisation et validation expérimentale d'une stratégie de contrôle hybridant la vision artificielle et l'apprentissage artificiel pour un groupe de robots homogènes. Deux publications internationales ont valorisé cette partie des travaux.- Proposition, conception, réalisation et validation expérimentale d'une stratégie de contrôle hybridant la vision artificielle et l'apprentissage artificiel pour un groupe de robots hétérogènes. Deux publications internationales ont valorisé cette partie des travaux. Il est pertinent de souligner que les travaux relatifs aux aspects précités ont été couronnés par le prix : ″Innovation Award 2011″ de Industrial Robot
In this thesis, it concentrated the multi robot team navigating in an unknown environment. In our multi robot team, there is a humanoid robot as a leader and a team of two-wheel nonholonomic robots which form a vertical formation. Besides, a top camera and a computer which is a supervisor are the auxiliary robots in the multi robot team. The main purpose of the thesis is to propose an online and an offline navigation strategy for the closed and open area respectively. The core of navigation strategies is the same and it included path planning part and control part. Both the two parts constructed on the virtual structure of the formation robot team. In the former part, it improved the path planning part by the reinforcement Q learning and the image processing to acknowledge the unknown environment. And it applied the Adaptive Neural Fuzzy Inference System (ANFIS) algorithm to control of both the single nonholonomic robot and formation robot team. Furthermore, the strategies are applied to the formation robot team and the multi robot team in both closed and open environment. Simulations and real experiments are provided in the detail in the thesis. The strong points of the contribution are :- Proposition, conception, realization and experimental validation of machine learning based adaptive control for a nonholonomic single robot (in a group of robots). Four international publications have valorized this part of the doctoral Works. - Proposition, conception, realization and experimental validation of an adaptive intelligent control strategy hybridizing Artificial vision and Machine Learning for a group of nonholonomic homogeneous robots. Two international publications have valorized this part of the doctoral Works.- Proposition, conception, realization and experimental validation of an adaptive intelligent control strategy hybridizing Artificial vision and Machine Learning for a group of heterogeneous robots. Two international publications have valorized this part of the doctoral Works. It is pertinent to emphasize the investigations relative to the above-mentioned works have been awarded by: ″Innovation Award 2011″ of Industrial Robot

Cette thèse introduit le robot R-Min, un concept de robot parallèle sous-actionné conçu pour réduire les efforts dus à un impact avec une personne. L’architecture est basée sur celle du mécanisme à cinq barres sur lequel des liaisons pivots sont ajoutées sur les avant-bras. Les modèles géométrico-statique et cinémato-statique sont déduits des conditions énergétiques nécessaires à l’équilibre du robot. Une étude discrète des solutions à ces modèles permet d’obtenir l’espace de travail du robot et le lieu de ces singularités. L’étude se concentre alors sur l’analyse de la sécurité. Un modèle réduit masse-ressort-masse, prenant en compte une raideur dynamiquement cohérente, est défini permettant d’obtenir une simplification du modèle dynamique au moment de l’impact et ainsi donne une nouvelle manière de caractériser la sécurité des robots souples. Une analyse expérimentale du robot R-Min permet en premier lieu de valider la faisabilité de modéliser et de contrôler ce type de structure tout en réduisant ses oscillations. Ensuite, l’effet sur la sécurité du sousactionnement, de la raideur, des vitesses, de l’objet impacté, est évalué lors d’un impact entre le robot R-Min et un dispositif de mesure dédié. Les résultats sont renforcés en simulation et permettent de conclure qu’une structure parallèle souple est une nouvelle solution permettant l’amélioration de la sécurité des robots de manière intrinsèque
This thesis introduces the R-Min robot, a concept of an underactuated parallel robot designed to reduce the efforts due to an impact with a person. The architecture is based on the five-bar mechanism on which revolute joints are added on the forearms. The geometrico-static and kinemato-static models are deduced from the robot energetic condition necessary for robot equilibrium. A discrete study of the solutions to these models allows to obtain the workspace of the robot and the locus of its singularities. The study then focuses on the safety analysis. A reduced massspring-mass model, taking into account a dynamically consistent stiffness, is defined allowing to obtain a simplification of the dynamic model at the time of the impact and thus gives a new way to characterize the safety of compliant robots. An experimental analysis of the RMin robot allows first to validate the feasibility of modeling and controlling this type of structure while reducing its oscillations. Then the respective effect on the safety of the underactuation, of the stiffness, of the velocities and of the impacted object is evaluated for the impact of the R-Min robot with a dedicated measurement device. Results are reinforced in simulation and leads to the conclusion that an underactuated parallel structure permits safety improvement of intrinsically safe robots

La micro robotique comme les micro systèmes en tout genre (micro capteur, micro électronique. . . ) se développent de plus en plus pour intégrer notre quotidien. Les domaines de pointe (médical, défense. . . ) ne sont plus les seuls concernés, car les micro systèmes atteignet la grande consommation (micro capteurs et actionneurs pour l'automobile). La création de nouveaux systèmes et en particulier de nouveaux micro actionneurs permet de conquérir de nouvelles applications. La maintenance nucléaire est entre autres un de ces domaines. En effet, par exemple l'inspection de tuyaux et conduites doit faire appel à des systèmes de petites dimensions. Notre étude s'est basée sur la conception d'un micro robot à actionneur électropneumatique pour l'inspection intratubulaire. L'environnement des générateurs de vapeur est hostile et impose au robot de se déplacer dans des tubes verticaux de 17 mm de diamètre. La conception originale du micro robot du type "inchworm" est axée sur un actionneur à soufflets métalliques qui présente l'avantage de posséder un très bon rapport puissance / volume. De plus, cet actionneur de par sa conception n'engendre que de très faibles frottements durant son fonctionnant, ce qui lui procure une bonne précision de positionnement. Le système développé au LAI a été modélisé et testé aux niveaux de ses modules de blocage aux parois et de son module d'allongement. La simulation confirme les performances escomptées lors de la conception. Le robot est capable de transporter une charge supérieure à 1 kilogramme à l'intérieur d'un tube réel de centrale nucléaire. Sa précision de positionnement sur une course de 90 mm est inférieure à 60 µm. La commande utilisée pour parvenir à ces réultats utilise un correcteur PID. En perspective afin d'élargir et d'améliorer ces performances, une commande par retour d'états sera sans doute à envisager
Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) integrate many current products and are not only the concern of military defense or medicine. Nowadays micro actuators are diversified by using different kind of energy, and creating different motions. Several applications require small systems to inspect confined and hostile places. Vapour generators in nuclear plants are composed with 3000 to 5000 vertical pipes of 17 mm diameter. These pipes endure high mechanical constraints and have to be inspected to detect eventual cracks. Our study is based on the design, modeling and implementation of a microrobot enable to move up and carry sensors in these pipes. It moves as an inchworm and then is cornposed by 2 blocking modules that brace the robot on the pipe sides, and one stretching module that creates a step. This actuator is pneumatic and composed by metal bellows. By this original design, the microrobot has a good power to volume ratio and thus it can carry a load higher than 1 kg. Its good positioning accuracy is proved with a 90 mm course where the error of positioning is less than 60 μm. A PID control law is used to control the robot but state feedback control law is planned

Méthodologie de Conception de Système Multi-robots : de la Simulation à la Démonstration. Les systèmes multi-robots sont des systèmes complexes mais prometteurs dans de nombreux domaines, les nombreux travaux académiques dans ce domaine attestent de l'importance qu'ils auront dans le futur. Cependant, si ces promesses sont réelles, elles ne sont pas encore réalisées comme en témoigne le faible nombre de systèmes multi-robots utilisés dans l'industrie. Pourtant des solutions existent afin de permettre aux industriels et académiques de travailler ensemble à cette problématique. Nous proposons un état de l'art et les défis associés à la conception des systèmes multi-robots d'un point de vue académique et industriel. Nous présentons ensuite trois contributions pour la conception de ces systèmes : une réalisation d'un essaim hétérogène en tant que cas d'étude pratique afin de mettre en évidence les obstacles de conception. La modification d'un autopilote et d'un simulateur pour les rendre compatibles aux développements des systèmes multi-robots. La démonstration d'un outil d'évaluation sur la base des deux contributions précédentes. Enfin, nous concluons sur la portée de ces travaux et des perspectives à venir sur la base de l'open source
Multi-robot System Design Methodology : from Simulation to Demonstration Multi-robot systems are complex but promising systems in many fields, the number of academic works in this field underlines the importance they will have in the future. However, while these promises are real, they have not yet been realized, as evidenced by the small number of multi-robot systems used in the industry. However, solutions exist to enable industrialists and academics to work together on this issue. We propose a state of the art and challenges associated with the design of multi-robot systems from an academic and industrial point of view. We then present three contributions for the design of these systems: a realization of a heterogeneous swarm as a practical case study in order to highlight the design obstacles. The modification of an autopilot and a simulator to make them compatible with the development of multi-robot systems. Demonstration of an evaluation tool based on the two previous contributions. Finally, we conclude on the scope of this work and future perspectives based on open source

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du projet ANR NEMRO, visant à étudier le lien entre déficience olfactive et maladies neurodégénératives. A cet effet, une biopsie optique de l’épithélium olfactif doit être réalisée. Son accès est cependant impossible, aujourd’hui, avec les outils conventionnels. Pour résoudre ce problème, nous proposons l’utilisation d’un robot à tubes concentriques (RTC). Sa synthèse est réalisée à partir d’images médicales. Elle prend en compte les critères de stabilité, la variabilité inter-sujet, et est associée à un déploiement ALFI (A La File Indienne). Le dispositif étant porté par le sujet, il doit être léger et compact. Une séquence de déploiement spécifique simplifie alors l’unité d’actionnement, et une implémentation est réalisée par fabrication additive multimatériaux. L’évaluation préliminaire d’un déploiement ALFI et des éléments de technologie clés a permis de valider l’approche retenue dans le projet NEMRO, ainsi que sa faisabilité
This PhD thesis is part of the ANR NEMRO project, whose goal is to study the hypothetical correlation between olfactory deficiency and neurodegenerative diseases. For this purpose, an optical biopsy of the olfactory epithelium must be performed. However, this area is not accessible today with conventional tools. To go beyond this limitation, we propose to investigate the use a concentric tube robot (CTR). Its synthesis is performed from medical images. It takes into account the stability criteria, inter-subject variability, and is associated to a FTL (Follow-The-Leader) deployment. As the device is mounted on the subject, it has to be compact and lightweight. Thus, a specific deployment sequence simplifies the actuation unit, and an implementation is proposed using multimaterial additive manufacturing. Preliminary evaluations of the FTL deployment capabilities and the key components of the device allowed to validate the approach chosen for the NEMRO project, and its feasibility

Les opérations de prise et dépose rapides, telles que l’insertion de produits dans des cartons, sont très importantes dans l’industrie agro-alimentaire. Ces opérations sont généralement réalisées par des robots Delta équipes de chaines UPU, reliant la base et l’effecteur du robot par des liaisons cardans. Cependant, l’utilisation de ces chaines généré une réduction de l’espace de travail du robot Delta, ainsi qu’une usure prématurée des cardans. Cette thèse CIFRE, réalisée avec l’entreprise MG-Tech, introduit plusieurs cinématiques de jambes Delta modifiées permettant de transmettre une rotation vers l’effecteur grâce a une succession de parallélogrammes (ou anti-parallélogrammes) intégrés a une jambe Delta. L’utilisation d’une ou plusieurs de ces jambes permet d’apporter jusqu’à trois rotations supplémentaires vers l’effecteur. Un processus d’optimisation a été mis en place afin de déterminer les paramètres géométriques d’un robot a cinq degrés de liberté, menant a la réalisation d’un prototype pré-industriel. Après un fonctionnement continu d’un million de cycles dans des conditions typiques des applications de MG-Tech, une étude comparative a été réalisée entre le prototype et le robot actuel de MG-Tech. Les résultats montrent des performances cinématostatiques équivalentes pour les deux robots : les principales sources de jeu proviennent de mécanismes embarques sur la plateforme
Fast pick and place operations, such as inserting products into boxes, are very important in the food industry. These operations are usually performed by Delta robots equipped with UPU chains, which connect the robot base and end effector via universal joints. However, the use of these chains generates a reduction of the working space of the Delta robot, as well as a premature wear of the cardan joints. This CIFRE thesis, carried out with the company MG-Tech, introduces several modified Delta leg kinematics allowing to transmit a rotation to the end effector thanks to a succession of parallelograms (or anti-parallelograms) integrated to a Delta leg. The use of one or more of these legs allows for up to three additional rotations to the end effector. An optimization process was implemented to determine the geometrical parameters of a five degrees of freedom robot, leading to the realization of a pre-industrial prototype. After a continuous operation of one million cycles under conditions typical of MG-Tech’s applications, a comparative study was conducted between the prototype and MG-Tech’s current robot. The results show equivalent kinematic performances for both robots: the main sources of backlash come from mechanisms embedded in the platform

Développement des problèmes liés à l'assemblage automatique et description des caractéristiques de la cellule. Définition du système de pilotage et proposition d'une modélisation de la cellule à partir de graphes d'état. Étude de l'ordonnancement dynamique permettant l'affectation de tâches aux robots en fonction de l'arrivée des pièces et de la disponibilité des ressources partageables. Présentation de la structure fonctionnelle avec les modules d'information et de décision ainsi que leurs interconnexions.