Commande de bras manipulateurs de robot sous-marin pour la manipulation à grande profondeur d'échantillons biologiques déformables

par François Leborne

Projet de thèse en SYAM - Systèmes Automatiques et Micro-Électroniques

Sous la direction de François Pierrot et de Vincent Creuze.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de École Doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015) , en partenariat avec Laboratoire d'Informatique, Robotique et Micro-électronique de Montpellier (laboratoire) et de Département Robotique (equipe de recherche) depuis le 01-10-2015 .


  • Résumé

    Dans le cadre de la collecte d'échantillons sous-marins biologiques et minéraux pour la recherche scientifique par un sous-marin équipé de deux bras manipulateurs, ce projet de thèse a pour but principal le développement de nouvelles techniques de manipulation des échantillons, plus fiables, permettant d'en assurer l'intégrité physique et leur exploitabilité par les chercheurs. Les nouvelles techniques de manipulation exploiteront les propriétés de chaque bras individuellement pour, par exemple, minimiser l'impact du courant sur la trajectoire des bras et augmenter la précision de positionnement des outils embarqués par le manipulateur. Les améliorations apportées tiendront aussi compte de l'hétérogénéité des bras manipulateurs utilisés sur le sous-marin, afin de permettre la manipulation d'échantillons volumineux avec les deux manipulateurs. Deux approches principales sont donc étudiées : premièrement, le déplacement de chaque bras individuellement pour optimiser la précision de leur positionnement, et deuxièmement, la coopération des deux bras pour la réalisation d'une tâche de manipulation complexe. L'engin sous-marin hybride HROV Ariane, équipé de deux bras électriques hétérogènes, offrira la plateforme opérationnelle pour la validation expérimentale des solutions proposées. La première approche, dans laquelle on considère les manipulateurs individuellement, requiert une bonne connaissance du comportement dynamique de chaque manipulateur dans l'eau : le modèle dynamique d'un manipulateur classique, dans l'air, doit donc être dérivé pour chaque bras, puis complété pour refléter l'influence des forces hydrodynamiques lors des mouvements du manipulateur. Cela nécessite aussi la modélisation dynamique de l'actionnement des bras, c'est-à-dire de l'ensemble moteur électrique, réducteur, vis à billes. Ce modèle doit ensuite être utilisé pour déterminer des trajectoires minimisant l'énergie consommée par les moteurs, mais aussi dans une loi de commande robuste assurant une bonne précision de positionnement, à tout instant, des outils pour les tâches de manipulation. L'élaboration d'un modèle riche du comportement dynamique des manipulateurs permettra, en utilisant ce modèle pour la simulation, d'accélerer les tests des solutions proposées. La seconde approche, pour laquelle les deux bras travaillent ensemble, repose sur la génération de trajectoires permettant d'amener l'objet manipulé à la pose désirée, en évitant les obstacles lors de la manipulation et cela malgré les limites mécaniques des manipulateurs. La modélisation cinématique précise des manipulateurs permettra de proposer une solution à ce problème, tout en s'appuyant sur le travail réalisé pour le pilotage d'un bras, afin de conserver les bénéfices de l'utilisation de trajectoires minimisant la consommation énergétique et la sensibilité des bras aux perturbations extérieures. Plusieurs scénarii de manipulation, correspondant à des cas de manipulation classique dans le cadre de l'exploitation habituelle de l'engin, permettront de valider les solutions proposées, d'une part en simulation et d'autre part lors d'essais à terre, puis en mer. Tous les développements s'effectueront en considérant une application des travaux au HROV Ariane et à ses deux bras manipulateurs électriques.

  • Titre traduit

    Coordinated Control of Two Robotic Arms for Underwater Manipulation of Deformable Biological Specimens


  • Résumé

    As part of the collection of biological and mineral underwater samples for scientific research by a submarine equipped with two manipulator arms, this PhD project aims to develop reliable samples handling techniques, allowing us to ensure the physical integrity of the samples and their usability for researchers. The handling techniques will take advantage of the properties of each arm individually, for example to minimize the influence of current on the arm and to increase positioning accuracy for the embedded tools. The improvements should also take into account the heterogeneity of the arms to allow the manipulation of large samples with two manipulators. Two main approaches are considered: first, increasing the precision of positioning of each arm individually, and then, managing a complex handling task with both arms at the same time. Ifremer's hybrid ROV Ariane and its two heterogeneous electric arms will provide the operating platform for the experimental validation of the proposed solutions. The first approach, in which we consider the manipulators individually, requires a good knowledge of the dynamic behavior of each manipulator under water: the dynamic model of an ordinary manipulator, in the air, must be derived for each arm, then completed to reflect the influence of hydrodynamic forces during movement of the manipulator. This also requires dynamic modeling of the actuators of the arm, namely all electric motors, gears and ball screw. This model will then be used to determine the trajectories minimizing the energy used by the motors, but also in a robust control law ensuring good positioning accuracy of the tools at every moment. The development of a rich model of the dynamic behavior of the manipulators and the use of this model for simulation will accelerate the validation of proposed solutions. The second approach, in which both arms work together, is based on the generation of trajectories taking the manipulated object to the desired pose despite the mechanical limits of the manipulators, while avoiding collisions with the environment. The precise modeling of the manipulators kinematic will help to find a solution to this problem. At the same time, the proposed solution should take advantage of the work done for the single arm management, in order to keep the benefits of using trajectories minimizing energy consumption and robustness to external disturbances. Several scenarios of manipulation matching classic cases of handling will validate the proposed solutions, firstly in simulation and then during sea trials. All developments will be carried out considering an application to HROV Ariane and its electric manipulators.