Contrôle commande d'un robot ultra léger gonflable à actionneurs pneumatiques textiles

Control of an ultra lightweight inflatable robot with fabric pneumatic actuators

• Auteur / Autrice : Juan Miguel Alvarez-Palacio
• Direction : Etienne Balmès, Nazih Mechbal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique-traitement du signal (AM)
• Date : Soutenance le 10/03/2020
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire d'intégration des systèmes et des technologies (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Fethi Ben Ouezdou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Etienne Balmès, Nazih Mechbal, Faïz Ben Amar, Hélène Chanal, Eric Monteiro, Alain Riwan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Faïz Ben Amar, Hélène Chanal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robots autonomes

Interaction homme-robot

Commande non linéaire

Mots clés libres

Robotique souple

Actionneur pneumatique

Éléments finis

Centrale inertielle

Fusion de données

Modes glissants

Soft robotics

Soft iInflatable actuator

Finite element analysis

MARG sensor

Data fusion

Sliding mode control

Résumé

Ce travail de thèse concerne la modélisation et commande d’un bras ultra léger gonflable, actionné par des vérins pneumatiques textiles. Depuis quelques années, le Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Énergies Renouvelables (CEA), en partenariat avec l’entreprise Warein SAS, développent un concept innovant de bras robotisé gonflable pour l’inspection en milieu contraint, dont tous les composants de la structure, y compris les actionneurs, sont fait en tissu. La contrainte de légèreté impose des nouveaux défis qui ont des conséquences sur le contrôle commande : les actionneurs utilisés n’ont jamais été étudiés ni caractérisés, les capteurs articulaires utilisés traditionnellement en robotique ne sont pas adaptés à ce type de structure, les capteurs de pression sont éloignés des actionneurs, et le caractère non linéaire des circuits pneumatiques ainsi que les flexibilités de la structure complexifient la commande de la position de l’organe terminale du robot. La première contribution de cette thèse est liée à la modélisation et la caractérisation des actionneurs utilisés, en confrontant une approche analytique et numérique basée sur des simulations par éléments finis, avec des résultats expérimentaux. La deuxième contribution concerne la proposition d’un capteur articulaire, basée sur l’utilisation d’un réseau de centrales inertielles placées sur chaque segment du bras. Dans ce cadre, une méthode d’estimation d’orientation relative entre deux repères a été proposée en utilisant le formalisme des quaternions. Finalement, la commande d’une des articulations du robot est réalisée avec l’implémentation d’une commande par modes glissants. Ces résultats ouvrent des nouvelles perspectives dans l’instrumentation et le contrôle de robots intrinsèquement sûrs, qui pourront avoir un grand impact non seulement dans la robotique d’inspection mais aussi dans l’interaction avec l’humain.

This thesis work concerns the modeling and control of an ultra-light inflatable arm, powered by pneumatictextile cylinders. In recent years, the French Atomic Energy and Renewable Energy Commission (CEA), inpartnership with Warein SAS, has been developing an innovative concept of inflatable robotic arms forinspection in a restricted environment, with all the components of the structure, including the actuators, madeof fabric. The constraint of lightness imposes new challenges that have consequences on the control strategy:the actuators have never been studied nor characterized, the joint sensors traditionally used in robotics are notadapted to this type of structure, the pressure sensors are far from the actuators, and the non-linear nature ofthe pneumatic circuits, as well as the flexibility of the structure, make it more complex to control the positionof the robot's end-effector. The first contribution of this thesis is related to the modeling and characterizationof the actuators, by comparing an analytical model and numerical approach based on finite elementssimulations with experimental results. The second contribution concerns the proposal of a joint sensor, basedon the use of a network of Inertial Measurement Units (IMU) placed on each segment of the arm. In thiscontext, a method for estimating the relative orientation between two bodies was proposed using the quaternionformalism. Finally, the control of one of the robot joints is carried out with the implementation of a slidingmode control. These results open new perspectives in the instrumentation and control of intrinsically saferobots, which will have a significant impact not only on inspection robotics but also on close interaction withhumans.