Modélisation et contrôle d'une main anthropomorphe actionnée par des tendons antagonistes

par Maxime Chalon

Thèse de doctorat en Informatique temps réel, robotique et automatique

Sous la direction de Brigitte d' Andréa-Novel.

Soutenue le 02-10-2013

à Paris, ENMP , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Centre de robotique (Paris) (laboratoire) .

Le président du jury était Véronique Perdereau.

Le jury était composé de Brigitte d' Andréa-Novel, Markus Grebenstein, Christian Ott.

Les rapporteurs étaient Maxime Gautier, Claudio Melchiorri.


  • Résumé

    Un des freins majeurs au développement de la manipulation d'objet avec une main robotisée est sans aucun doute leur fragilité. C'est l'une des raisons pour laquelle un système bras-main anthropomorphe, extrêmement robuste, est développé au centre de robotique et de mécatronique de DLR. Le système est unique à la fois par sa complexité, utilisant 52 moteurs et plus de200 capteurs, ainsi que par ses capacités dynamiques. En effet, ce nouveau système a la particularité d'être mécaniquement flexible ce qui offre la possibilité de stocker de l'énergie à court terme et remplit ainsi deux fonctions essentielles pour un robot humanoïde: les impacts sont filtrés et les performances dynamiques sont augmentées.Dans cette thèse, on se concentre plus particulièrement sur la main. Elle dispose de 19 degrés de liberté dont chacun est actionné par deux tendons flexibles antagonistes. La rigidité des tendons étant non linéaire il est possible, tout comme peut le faire l'être humain, de co-contracter les <<muscles>> et donc d'ajuster la rigidité des doigts afin de s'adapter au mieux aux tâches à effectuer. Cependant, cette flexibilité entraine de nouveau défis de modélisation et de contrôle. L'état de l'art se concentre majoritairement sur le problème de la répartition des forces internes ou du contrôle d'articulation flexible mais peu de travaux considèrent les deux problèmes simultanément.Le travail présenté dans la première partie de la thèse se concentre sur la modélisation de la main et du poignet. Les problématiques spécifiques aux systèmes actionnés par des tendons, tels que les matrices de couplage et l'estimation du déplacement des articulations à partir du déplacement des tendons, sont étudiées.La seconde partie se concentre sur le contrôle d'articulations actionnées par des tendons flexibles antagonistes. Les problèmes de distribution des forces internes et de correction de la rigidité perçue par l'utilisateur sont présentés.Des approches de contrôle linéaire et non linéaire sont utilisées et des expériences sont réalisées pour comparer ces approches. En particulier, il est montré que le <<backstepping>>, une méthode de contrôle non linéaire peut être utilisée et permet d'obtenir le comportement d'impédance souhaité tout en garantissant la stabilité en boucle fermée.

  • Titre traduit

    Modeling and control of an antagonistically actuated tendon driven anthropomorphic hand


  • Résumé

    One of the major limitations of object manipulation with a robotic hand is the fragility of the hardware.This is one of the motivations for developing the new anthropomorphic and extremely robust Hand Arm System at the robotics and mecatronics center of DLR.The system is unique in terms of complexity, with 52 motors and more than 200 sensors, and also in terms of dynamics.Indeed, the system is mechanically compliant, thus offers the possibility to store and release energy, thereby providing two essential functions: The impacts are filtered and the dynamics are enhanced.This thesis focuses on the hand. It has 19 degrees of freedom, each being actuated by two flexible antagonistic tendons. Because the stiffnes of the tendons is not linear, it is possible to adjust the mechanical stiffness of the joints, similar to the co-contraction of human muscles, in order to adapt to a task. However, the stiffness adjustability rises new challenges in modeling and control. The state of the art usually focuses on the problems of tendon-driven systems or flexible joint robots but seldomly both simultaneously.In the first part, the modeling of the hand and the wrist is conducted. Several problems specific to tendon-driven systems are presented, such as the coupling matrices and the joint position estimation based on the tendon displacement. The second part focuses on the control of a single joint actuated by two flexible tendons. The distribution of the tendon forces and the correction of the effective stiffness are reported. Linear and nonlinear approaches are used and multiple experiments are realised to compare them. The major result is that the backstepping, a nonlinear control method, can be used and provides the desired impedance behavior while guaranting closed-loop stability.


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