Planification de tâches d'asservissement visuel en robotique

Planning of visual servoing tasks for robotics

• Auteur / Autrice : Alexis Nicolin
• Direction : Olivier Stasse, Florent Lamiraux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance le 17/02/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS
• Jury : Président / Présidente : Samer Alfayad
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Stasse, Florent Lamiraux, Jean-Bernard Hayet, Viviane Cadenat, Wael Suleiman
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Samer Alfayad, Jean-Bernard Hayet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Planification

Mots clés libres

Planification

Contrôle

Asservissement visuel

Planning

Control

Visual servoing

Résumé

La robotique est de plus en plus présente dans le cadre industriel. À l’origine programmés manuellement par leurs opérateurs, les robots d’aujourd’hui utilisent de plus en plus des trajectoires calculées par des programmes simulant l’ensemble de l’environnement de travail. Des erreurs de modélisation, voire d’exécution, rendent cependant obligatoire des périodes d’essais pour s’assurer que le robot s’acquittera correctement de sa tâche.Cette thèse a pour objectif de relier le concept de contrainte que le planificateur de mouvements prend en compte avec les logiciels de commande en temps réel du robot, qui gère le bon déroulement des tâches. La commande doit ainsi prendre en compte les données provenant des multiples capteurs du robot pour adapter les trajectoires planifiées à la réalité et s’assurer de la réalisation de ses objectifs. Cette thèse s’effectue dans le cadre d’une convention CIFRE entre le laboratoire du LAAS-CNRS et l’entreprise Airbus Operations. Elle fait par ailleurs partie de ROB4FAM,un laboratoire commun entre ces deux entités, qui a pour but l’étude du futur de la robotique appliquée à la construction aéronautique.La contribution majeure de cette thèse est la génération automatique de ces logiciels de commande à partir des contraintes exprimées à l’étape de planification.Jusqu’à présent, ce type de correspondance était plutôt établi manuellement. Parmi les différents types de commande existants, un accent tout particulier a été mis sur la commande par asservissement visuel. En effet, les caméras sont des capteurs à la fois abordables et capables de générer des données d’une grande richesse, mais surtout les ordinateurs modernes sont désormais en mesure de traiter efficacement ce volume d’information en temps réel.Enfin, les logiciels de commande que nous présentons dans ce manuscrit utilisent une hiérarchie stricte de commandes. Cela signifie que le robot cherchera à assurer la réalisation du premier objectif, généralement lié à la préservation de son intégrité,avant de prendre en compte les suivants. Grâce à cette architecture, le robot peut s'adapter à des changements mineurs de ses objectifs tout en garantissant la sécurité des opérateurs, de son environnement de travail et de sa structure même.Les concepts et logiciels développés au cours de cette thèse ont été mis en œuvre sur un robot humanoïde, TALOS, puis sur un robot mobile à roue équipé d’un bras manipulateur, TIAGo. Ils ont été capables d’accomplir leurs tâches malgré le déplacement des objets qu’ils allaient manipuler entre l’étape de planification des mouvements et celle d’exécution du programme.

Robots are increasingly present in the industrial environment. Originally programmed manually by their operators, today’s robots are progressively using paths calculated by programs that simulate the entire work environment. However, modelling or even execution errors require testing periods to ensure that the robot will perform its task correctly.This thesis intends to link the concept of constraint that the motion planner takes into account with the robot’s real-time control software, which manages the correct execution of tasks. The control must take into consideration the data from the robot’s multiple sensors to adapt the planned paths to reality and ensure that its objectives are achieved. This thesis is being carried out within the framework of a CIFRE agreement between the LAAS-CNRS laboratory and the company Airbus Operations. It is also part of ROB4FAM, a common laboratory between thosetwo entities, which aims at studying the future of robotics applied to aeronautical construction.The main contribution of this thesis is the automatic generation of such control software based on the constraints expressed at the planning stage. Until now, this type of correspondence was mostly established manually. Among the different typesof control schemes available, special emphasis has been placed on visual servo control. This is due to the fact that cameras are affordable sensors capable of generating a considerable amount of data. But above all modern computers are now able to process this volume of information efficiently in real-time. Finally, the control software we present in this manuscript uses a strict hierarchy of commands. This means that the robot will seek to ensure the achievement of the first objective, usually related to the preservation of its integrity, before consideringthe following ones. With this architecture, the robot can adapt to minor changes in its objectives while ensuring the safety of the operators, its working environment and its structure itself. The concepts and software developed during this thesis were implemented on a humanoid robot, TALOS, and then on a mobile wheeled robot equipped with amanipulator arm, TIAGo. They were able to accomplish their tasks, despite the displacement of the objects they were going to manipulate between the movement planning stage and the program execution stage.