Contribution à la commande des robots bipèdes

par Sylvain Finet

Thèse de doctorat en Mathématique et automatique

Sous la direction de Laurent Praly.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de SMI - Sciences des Métiers de l'Ingénieur , en partenariat avec Mathématiques et Systèmes (laboratoire) et de MINES ParisTech (établissement opérateur d'inscription) .


  • Résumé

    Cette thèse porte sur le développement de lois de commande pour la marche des robots bipèdes. Le sous actionnement engendré par le basculement, volontaire ou involontaire, du pied en appui sur le sol représente une difficulté majeure. Nousabordons ce problème par l'étude de robots plans avec pieds ponctuels. La première partie de la thèse est une compilation des informations issues de la littérature que nous avons jugées intéressantes. Nous traitons dans un premier temps de la modélisation adoptée, puis effectuons une revue des différentes méthodes existantes, et présentons la mise en oeuvre expérimentale de l'une d'entre elle : la méthode HZD. Dans une deuxième partie, nous procédons à une étude de la dissipation relative de l'énergie cinétique du robot lorsque le pied impacte le sol. Nous utilisons les résultats issus de cette étude pour planifier des trajectoires de marche dissipant peu d'énergie. De telles trajectoires ont a priori le mérite de préserver la structure du robot et de générer moins de bruit. A contrario, des trajectoires dissipant la majorité de l'énergie du robot sont utilisées pour un arrêt rapide. Une étude numérique a montré que ces résultats sont robustes à des incertitudes de modèle. Enfin, dans une dernière partie, afin de compenser les difficultés liées au sous actionnement, nous proposons d'utiliser le degré de liberté supplémentaire offert par un changement de l'échelle de temps dans les équations de la dynamique (Time Scaling) pour la classe de robots considérée. En utilisant par ailleurs un changement de coordonnées et de feedback, nous dérivons de nouvelles formes normales exactes et approximatives.

  • Titre traduit

    Contribution to the Control of Biped Robots


  • Résumé

    This thesis addresses the general problem of the walking control of biped robots. The foot of the robot in contact with the ground may tip over and cause the robot to be undercatuated. This is a major difficulty in term of control. This problem is addressed by considering planar biped robots with point feet. In a first part, we present a standard way of modeling such systems, a litterature review of the existing methods, and then report experimental results of the walking control of a biped robot using the HZD method. In a second part, we perform an analytic and numeric study of the relative kinetic energy dissipation when the foot of the robot impacts the ground. Using this study, we design trajectories with low energy dissipation at impact, which a priori result in gaits preserving the hardware of the robot and causing less noise. On the contrary, trajectories dissipating almost all the kinetic energy are used to quickly stop the robot. Finally, in an attempt to alleviate the burden due to underactuation, we propose to investigate the additional degree of freedom provided, in the control design, by a change of time scale in the dynamic equations (Time-Scaling) for the considered class of biped robots. Using feedback transformations, we derive new exact and approximative normal forms.