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L'objectif de cette thèse de proposer un algorithme de commande adaptative permettant une adaptation efficace à la situation réelle de travail d'un robot manipulateur. Nous présentons d'abord le problème de la commande du système dynamique des robots et nous montrons la nécessité d'utiliser des algorithmes de commande auto-ajustable. Nous proposons dans le chapitre 3, un algorithme de commande à variance minimale généralisée étendue (VMGE). Il peut être utilisé pour la commande d'un robot sous certaines conditions. Pour s'adapter à la variation du retard pur et pour augmenter la robustesse, nous proposons dans le chapitre 4, les algorithmes de commande prédictive généralisée (CPG) et de commande prédictive généralisée étendue (CPGE). Enfin, les résultats de simulation présentés dans les chapitres 5 et 6 montrent que l'algorithme CPGE peut s'adapter aux situations de charges, de couplage, d'effet centrifuge et de gravité lors de la commande du robot manipulateur.
L'OBJECTIF DE CETTE THESE DE PROPOSER UN ALGORITHME DE COMMANDE ADAPTATIVE PERMETTANT UNE ADAPTATION EFFICACE A LA SITUATION REELLE DE TRAVAIL D'UN ROBOT MANIPULATEUR. NOUS PRESENTONS D'ABORD LE PROBLEME DE LA COMMANDE DU SYSTEME DYNAMIQUE DES ROBOTS ET NOUS MONTRONS LA NECESSITE D'UTILISER DES ALGORITHMES DE COMMANDE AUTO-AJUSTABLE. NOUS PROPOSONS DANS LE CHAPITRE 3, UN ALGORITHME DE COMMANDE A VARIANCE MINIMALE GENERALISEE ETENDUE (VMGE). IL PEUT ETRE UTILISE POUR LA COMMANDE D'UN ROBOT SOUS CERTAINES CONDITIONS. POUR S'ADAPTER A LA VARIATION DU RETARD PUR ET POUR AUGMENTER LA ROBUSTESSE, NOUS PROPOSONS DANS LE CHAPITRE 4, LES ALGORITHMES DE COMMANDE PREDICTIVE GENERALISEE (CPG) ET DE COMMANDE PREDICTIVE GENERALISEE ETENDUE (CPGE). ENFIN, LES RESULTATS DE SIMULATION PRESENTES DANS LES CHAPITRES 5 ET 6 MONTRENT QUE L'ALGORITHME CPGE PEUT S'ADAPTER AUX SITUATIONS DE CHARGES, DE COUPLAGE, D'EFFET CENTRIFUGE ET DE GRAVITE LORS DE LA COMMANDE DU ROBOT MANIPULATEUR.
La problématique traitée dans cette thèse concerne la commande de robots manipulateurs à articulations flexibles. Les méthodes développées visent à satisfaire les spécifications de performance et de robustesse en suivi de trajectoire, ainsi qu'à assurer un niveau de sécurité compatible avec un scénario de fonctionnement interactif dans lequel l'homme et le robot partagent un même espace de travail. Seules les mesures moteur sont utilisées dans un contexte d'instrumentation réduite. Le premier objectif de performance de la commande de mouvement est atteint grâce à l'identification expérimentale d'un modèle flexible représentatif du système, et l'usage de ce modèle pour la synthèse de lois de commande avancées intégrées au sein d'une structure cascade. Deux approches complémentaires fondées d'une part sur la commande prédictive de type GPC (Generalized Predictive Control), et d'autre part sur la commande Hinfini, sont considérées pour la synthèse de lois de commande à deux degrés de liberté, prédictives et robustes. Les performances de ces deux approches sont analysées et évaluées expérimentalement. Le deuxième objectif de sécurité est abordé à travers un algorithme de détection de collisions du robot avec son environnement, sans capteur d'effort et en présence d'incertitudes de modélisation. Afin de séparer efficacement les effets dynamiques des collisions de ceux des erreurs de modélisation, une stratégie adaptative de filtrage et de décision tenant compte de l'état du système est proposée. La validation expérimentale montre une très bonne sensibilité de détection, compatible avec les normes et les recommandations de sécurité relatives à la robotique collaborative.
LES RECHERCHES MENEES DANS LE CADRE DE CETTE THESE PORTENT SUR LA COMMANDE DYNAMIQUE ADAPTATIVE DES ROBOTS. ON SE PLACE ICI DANS LE CADRE DES LOIS DE COMMANDE DU TYPE ADAPTATIVE PAR DECOUPLAGE NON LINEAIRE OU A COMPENSATION PREDICTIVE DANS LESQUELLES LES PARAMETRES INERTIELS DU ROBOT SONT ESTIMES EN LIGNE. DANS UN PREMIER TEMPS, NOUS AVONS ETUDIE ET ANALYSE LES LOIS DE COMMANDE DIRECTES ET INDIRECTES DES ROBOTS PROPOSEES DANS LA LITTERATURE. CETTE ETUDE NOUS A PERMIS D'APPORTER DES AMELIORATIONS SUR LA LOI DE COMMANDE ADAPTATIVE DIRECTE PRESENTEE PAR SLOTINE. CETTE MODIFICATION REND POSSIBLE LE CALCUL EN LIGNE DE LA LOI DE COMMANDE ADAPTATIVE. NOUS NOUS AUSSI PRESENTE DES NOUVELLES DEMONSTRATIONS POUR LES METHODES PRESENTEES PAR CRAIG ET SPONG. NOUS AVONS EGALEMENT PROPOSE DEUX NOUVEAUX REGULATEURS ADAPTATIFS INDIRECTS. LA LOI DE COMMANDE DU PREMIER EST A COMPENSATION PREDICTIVE DES DYNAMIQUES DU ROBOT ASSOCIEE A UN REGULATEUR LOCAL PD. CELLE DU DEUXIEME REGULATEUR EST UNE COMBINAISON DE LA LOI DE COMMANDE PAR DECOUPLAGE NON LINEAIRE, POUR LA DYNAMIQUE DES CORPS DU ROBOT, ET DE LA LOI DE COMMANDE A COMPENSATION PREDICTIVE POUR LA DYNAMIQUE DE LA CHARGE. LES PARAMETRES INERTIELS SONT ESTIMES EN UTILISANT LA FONCTION D'ERREUR DE L'ENERGIE QUI DEPEND DES POSITIONS ET DES VITESSES ARTICULAIRES. EN UTILISANT LA LOI DE COMMANDE DE SLOTINE MODIFIEE ET LES DEUX LOIS DE COMMANDE ADAPTATIVES INDIRECTES, LES RESULTATS DE SIMULATION DES TROIS PREMIERES ARTICULATIONS DU ROBOT PUMA MONTRENT L'EFFICACITE DES METHODES PROPOSEES SUR LA REDUCTION DES ERREURS DE POSITION ET DE VITESSES ET VIS-A-VIS DE LA CONVERGENCE DES PARAMETRES INERTIELS. LE COUT DE CALCUL DE CES LOIS DE COMMANDE ADAPTATIVE POUR UN ROBOT PUMA A 6 DEGRES DE LIBERTE EST DONNE ET SEMBLE ETRE COMPATIBLE AVEC LA PERFORMANCE DES MICROPROCESSEURS EXISTANTS ET L'EXIGENCE DE LA PERIODE D'ECHANTILLONNAGE
CETTE THESE EST UNE CONTRIBUTION A LA COMMANDE DE ROBOTS MANIPULATEURS EN UTILISANT LA THEORIE DES ENSEMBLES FLOUS. QUATRE TYPES DE COMMANDE SONT ETUDIES, DONT DEUX NOUS FOURNISSENT DE BONS RESULTATS EXPERIMENTAUX: LA COMMANDE DANS L'ESPACE DES VARIABLES GENERALISEES ET LA COMMANDE DANS L'ESPACE DES VARIABLES OPERATIONNELLES. AU NIVEAU DE LA COMMANDE DYNAMIQUE, UNE METHODE FLOUE EST PROPOSEE ET TESTEE EN SIMULATION, MAIS LA COMPLEXITE DU MODELE DYNAMIQUE N'EST PAS TOTALEMENT RESOLUE. ENFIN, LA COMMANDE DE ROBOTS MECANIQUEMENT FLEXIBLES EST ABORDEE, UNE ETUDE PLUS PROFONDE EST AUSSI PREVUE
LE TRAVAIL PRESENTE ICI APPORTE UNE CONTRIBUTION AU PROBLEME DE LA COMMANDE AVEC RECONSTRUCTION D'ETAT DE ROBOTS MANIPULATEURS A ARTICULATIONS FLEXIBLES AVEC POUR OBJECTIF LA POURSUITE DE TRAJECTOIRES RAPIDES. DANS UNE PREMIERE PARTIE, NOUS PRESENTONS LES PRINCIPALES ETAPES QUI CONDUISENT A LA MODELISATION DE CES ROBOTS AINSI QUE CELLE DU PONT ROULANT. DEUX LOIS DE COMMANDE POUR ROBOTS MANIPULATEURS A ARTICULATIONS FLEXIBLES SONT ENSUITE ETUDIEES : - L'UNE BASEE SUR LA PASSIVITE QUI EXPLOITE LES PROPRIETES PHYSIQUES DES ROBOTS. - L'AUTRE EST UNE LOI DE COMMANDE LINEARISANTE PAR BOUCLAGE D'ETAT STATIQUE. PUIS NOUS ETUDIONS PLUSIEURS TYPES D'OBSERVATEURS NON-LINEAIRES. UTILISANT LES TECHNIQUES D'OBSERVATEUR A GRAND GAIN, NOUS PROPOSONS (APRES VERIFICATION DE PLUSIEURS CONDITIONS DE STRUCTURE) UN OBSERVATEUR POUR LES ROBOTS A ARTICULATIONS FLEXIBLES QUI NE NECESSITE QUE LES MESURES DE POSITION DES BRAS ET DES MOTEURS. ENFIN, S'INSPIRANT D'UNE STRUCTURE COMMANDE-OBSERVATEUR PASSIVE, NOUS PROPOSONS DANS LA DERNIERE PARTIE, UNE SYNTHESE DE LOI DE COMMANDE AVEC RECONSTRUCTION D'ETAT QUI COMBINE LA TECHNIQUE DE LA COMMANDE LINEARISANTE PAR BOUCLAGE STATIQUE ET LA TECHNIQUE DE CONSTRUCTION D'OBSERVATEUR A GRAND GAIN. CETTE COMMANDE PEUT PERMETTRE LA COMMANDE DE ROBOTS MANIPULATEURS A ARTICULATIONS FLEXIBLES AVEC POUR OBJECTIF LA POURSUITE DE TRAJECTOIRES RAPIDES SANS NECESSITER LES MESURES DES VITESSES, ACCELERATIONS OU JERKS (INFORMATIONS TRES BRUITEES OU NON DISPONIBLES).
CE TRAVAIL TRAITE LES PROBLEMES DE COMMANDE DE ROBOTS POLYARTICULES RAPIDES DANS LE CAS SIMPLE OU LES ARTICULATIONS SONT RIGIDES, ET DANS LE CAS OU LES ARTICULATIONS SUBISSENT DES DEFORMATIONS DUES AUX DEPLACEMENTS A GRANDES VITESSES. LA PREMIERE PARTIE DE CE TRAVAIL EST CONSACREE AUX COMMANDES DYNAMIQUES DE ROBOTS RAPIDES SUPPOSES RIGIDES. UN PANORAMA SUR LA COMMANDE DYNAMIQUE APPARTENANT A LA PHASE DE PARAMETRISATION LINEAIRE NOUS A PERMIS DE DEGAGER UNE CLASSIFICATION DES LOIS EXISTANTES EN DEUX CLASSES, SUIVANT LEURS OBJECTIFS: LINEARISATION ET PASSIVITE. NOUS PROPOSONS EN SECOND LIEU UNE APPROCHE ADAPTATIVE QUI EXPLOITE LES AVANTAGES DES COMMANDES PASSIVES ET ROBUSTES TOUT EN EVITANT LES INCONVENIENTS DES METHODES LINEARISANTES. LES PERFORMANCES DE CHACUNE DE CES DERNIERES SONT EXPOSEES DANS LE CHAPITRE QUI PRESENTE LES RESULTATS D'UNE ETUDE COMPARATIVE EN SIMULATION. DANS LA SECONDE PARTIE DE CE TRAVAIL, NOUS SUPPRIMONS L'HYPOTHESE DE RIGIDITE DU ROBOT EN PRENANT EN COMPTE LES FLEXIBILITES DANS LES ARTICULATIONS. CES FLEXIBILITES SONT INTRODUITES SOUS FORME DE COUPLES DE RAIDEUR DANS LE MODELE DYNAMIQUE. APRES LA PRESENTATION D'UN ETAT DE L'ART SUR LA COMMANDE DE ROBOTS AVEC ARTICULATIONS FLEXIBLES, NOUS ABORDONS LA SYNTHESE DE LOIS DE COMMANDE QUI EXPLOITENT LES RESULTATS DE LA COMMANDE DE ROBOTS RIGIDES EN INTRODUISANT LA NOTION DE COMMANDE A DEUX ETAGES. UNE SECONDE LOI DE COMPENSATION A DEUX ETAGES A ETE PROPOSEE. BASEE SUR LA PASSIVITE, ELLE EST SIMPLE A METTRE EN UVRE ET A ANALYSER. ELLE UTILISE LES RESULTATS DE COMMANDE DE ROBOTS RIGIDES, DE L'APPROCHE PAR LES VARIETES INTEGRALES ET DE CELLE A DEUX ETAGES. UNE ETUDE COMPARATIVE DES LOIS ADAPTATIVES A DEUX ETAGES PROPOSEES ET UNE LOI ADAPTATIVE PROPOSEE DANS LA LITTERATURE, EST PRESENTE DANS LE CHAPITRE DES RESULTATS DE SIMULATION DE LA SECONDE PARTIE