Cette thèse s'inscrit dans le domaine de l’emballage et du conditionnement. À notre connaissance, dans le monde industriel et académique, il n'existe pas d'outils de simulation qui prennent en compte toutes les étapes du cycle de développement afin d'aider au dimensionnement et à l'amélioration des performances d'application pick & place multi-robots. Il existe des outils performants répondant à un seul besoin mais aucun logiciel répondant à tous. L'objectif de ces travaux est le développement d'une méthodologie utilisable, à l'aide d’un unique outil logiciel, tout au long du cycle de création d’une application pick & place. Dans un premier temps, la cinématique des différents robots ainsi que leur environnement sont abordées. Dans un second temps, les stratégies de commande, permettant le travail individuel et collaboratif des robots, sont développées. En dernier lieu, le transfert du programme de la simulation à l'expérimentation est effectué de façon automatisée. A chaque étape, une phase de tests est initiée. Des tests comportementaux pour vérifier le fonctionnement des robots et leur interaction avec leur environnement sont effectués. Des essais en simulation des différents algorithmes sont réalisés suivant différentes configurations d'applications pick & place. Enfin, la comparaison entre les résultats obtenus en simulation et en expérimentation montre la pertinence de la démarche proposée. / This work belongs to the field of packaging. To best of our knowledge, in industrial and academic context, there are no digital tools that take into account all the steps of the development cycle to assist in the sizing and in the improvement of performance of multi-robots pick & place applications. The aim of these works is the development of a methodology usable, using a single software tool, throughout the creation cycle of a pick & place application. Firstly, kinematics of different robots and their environment are addressed. Secondly, control laws for individual and collaborative work of robots are developed. Finally, the transfer of the program from simulation to experimentation is carried out. At each step, a testing phase is initiated. Behavioral tests to check the robots operation and their interaction with their environment are performed. Simulation tests of the different algorithms are carried out according different configurations of pick & place application. Finally, a comparison between the result in simulation and in experimentation shows the relevance of the proposed approach.

L’objectif des travaux entrepris au cours de cette thèse concerne le développement d’un système haptique de téléopération contrôlé à l’aide d’actionneurs électropneumatiques. Pour réaliser le contrôle du débit de ce type de modulateur, deux solutions technologiques sont possibles : soit des servovalves soit des électrovannes. La première solution est utilisée pour contrôler précisément des systèmes de hautes performances, mais l’apparition d’électrovannes rapides compactes à faible coût offre la possibilité de les utiliser à la place des servovalves. Même si cela entraîne des défis dans la réalisation de la commande, à cause de l’augmentation des non-linéarités intrinsèques de l’actionneur pneumatique lorsqu’il est piloté par les électrovannes au lieu des servovalves. Le premier objectif a consisté à démontrer la possibilité de réaliser des interfaces maître-esclave à performance acceptable à l’aide d’électrovanne, afin de produire des systèmes à faible coût. La méthode la plus courante pour commander des électrovannes consiste à utiliser un signal modulé en largeur d’impulsion. Afin de contrôler de manière plus optimale les électrovannes, une nouvelle stratégie de la commande basée sur l’algorithme hybride a été développée. Cette commande a été implémentée et testée sur un système de maître-esclave à un degré de liberté développé au cours de ces travaux de recherche. Les résultats ont démontré de meilleures performances dans le cas de la commande hybride en termes de dynamique de pression, des performances de suivi en force/position. Afin de disposer des informations de transparence et de stabilité, la commande par mode glissant a été choisie. Une comparaison de la transparence a été réalisée parmi trois architectures pour un système de téléopération. Pour améliorer les performances dynamiques du système, une commande à cinq-mode a été développée. Le second point de recherche entrepris est passé par l’utilisation de servovalves dans un système de téléopération, permettant ainsi de réaliser une comparaison entre les deux technologies. Dans le cas d’une architecture de téléopération, les données expérimentales pour les deux types d’organes de commandes, ont donné des résultats satisfaisants en termes de suivi de force et de position pour le maître et l’esclave. Dans le cas de système de téléopération bilatérale, le capteur de force est souvent supprimé dans le but de réduire les coûts ainsi que le poids et le volume du système global. Les travaux se sont ainsi intéressés à la possibilité d’utiliser des observateurs, à la place de capteurs de force pour déterminer les forces d’interactions entre les interfaces et leurs environnements. Les données expérimentales montrent ainsi qu’il est possible d’obtenir des bonnes performances de transparence en utilisant un simple observateur de Nicosia. Finalement ces différents résultats démontrent le potentiel des actionneurs électropneumatiques pour la réalisation le système de téléopération. / The aim of this thesis is to investigate the development and control of electro-pneumatic actuators in a haptic teleoperation system. For controlling the mass flow rate of such actuators, two types of valve technology are sudied, i.e. solenoid (on/off) valve and proportional servovalve. The servovalves have found widespread applications in which high accuracy of force/position control are needed. They are however typically expensive due to the requirements of high-precision manufacturing. Therefore, the low-cost solenoid valves can be an alternative to the servovalves for achieving acceptable-performance pneumatic control. Generally, the highly nonlinear of the pneumatic actuator is heightened when it uses on/off solenoid valves instead of servovalves. In this case, precise control is challenging due to the discrete-input nature of the system. Our first objective is to demonstrate that it is possible to design an acceptable performance teleoperation system using master-slave robots that have pneumatic actuators equipped with only inexpensive on/off solenoid valves. To control efficiently the switching valves, several control approaches have been proposed, namely pulse width modulation (PWM), hybrid algorithm, and sliding mode control. A hybrid control theory, which includes more switching control modes, than PWM, allows to reduce the chattering problem and improve the energy consumption of the valves. Another strategy (i.e. a sliding mode control), which does not depend on the pneumatic model, is proposed. This control stratgy allows to perform not only the transparent analysis but also the stability analysis. In order to improve the dynamic performance and reduce the chattering problem in solenoid valve actuated pneumatic teleoperation systems, a five-mode sliding control scheme has been used, which can be considered as an extension of the three-mode sliding controller. Our study demonstrates that by increasing the number of possible control actions for the valves, we can reduce the valves’ switching activities, hence improving the valve’s life times at no cost to teleoperation transparency. The second objective of the thesis involves in implementing the proportional servovalves on the pneumatic teleoperation system. A comparison related to the teleoperation performance between an on/off valve and a servovalve is carried out. In experiments, it is observed that with the bilateral teleoperation architecture employing solenoid valves or servovalves, satisfactory force and position tracking between the master and the slave is obtained. In bilateral teleoperation control, force sensors are often omitted to save cost and to lessen weight and volume. Therefore, another aspect of our work consists in using observers for an estimation of operator and environment forces. Experimental results show that acceptable teleoperation transparency based on a simple Nicosia observer and a tangent linear control approach can be achieved.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne une méthode de conception sûre de systèmes(COTS). Un COTS est un composant matériel ou logiciel générique qui est naturellement conçu pour être réutilisable et cela se traduit par une forme de flexibilité dans la mise en oeuvre de sa fonctionnalité : en clair, une même fonction peut être réalisée par un ensemble (potentiellement infini) de scénarios différents, tous réalisables par le COTS. La complexité grandissante des fonctions implémentées fait que ces situations sont très difficiles à anticiper d’une part, et encore plus difficiles à éviter par un codage correct. Réaliser manuellement une fonction composite correcte sur un système de taille industrielle, s’avère être très coûteuse. Elle nécessite une connaissance approfondie du comportement des COTS assemblés. Or cette connaissance est souvent manquante, vu qu’il s’agit de composants acquis, ou développés par un tiers, et dont la documentation porte sur la description de leur fonction et non sur sa mise en IJuvre. Par ailleurs, il arrive souvent que la correction manuelle d’une faute engendre une ou plusieurs autres fautes, provoquant un cercle vicieux difficile à maîtriser. En plus, le fait de modifier le code d’un composant diminue l’avantage lié à sa réutilisation. C’est dans ce contexte que nous proposons l’utilisation de la technique de synthèse du contrôleur discret (SCD) pour générer automatiquement du code de contrôle commande correct par construction. Cette technique produit des composants, nommés contrôleurs, qui agissent en contraignant le comportement d’un (ou d’un assemblage de) COTS afin de garantir si possible la satisfaction d’une exigence fonctionnelle. La méthode que nous proposons possède plusieurs étapes de conception. La première étape concerne la formalisation des COTS et des propriété de sûreté et de vivacité (P) en modèles automate à états et/ou en logique temporelle. L’étape suivante concerne la vérification formelle du modèle d’un(des) COTS pour l’ensemble des propriétés (P). Cette étape découvrir les états de violation des propriétés (P) appelés états d’erreur. La troisième étape concerne la correction automatique des erreurs détectées en utilisant la technique SCD. Dans cette étape génère on génère un composant correcteur qui sera assemblé au(x) COTS original(aux) pour que leur comportement général respecte les propriétés souhaitées. L’étape suivante concerne la vérification du système contrôlé pour un ensemble de propriétés de vivacité pour assurer la passivité du contrôleur et la vivacité du système. En fin, une étape de simulation est proposée pour observer le comportement du système pour quelque scénarios intéressent par rapport à son implémentation finale. / This PhD dissertation contributes to the safe design of COTS-based control-command embedded systems. Due to design constraints bounding delays, costs and engineering resources, component re-usability has become a key issue in embedded design. Our proposal is a design method which ensures correction of COTS-based designs. This method uses in synergy a number of design techniques and tools. It starts from modeling of the COTS components which are stored in a generic COTS library, and ends with a design of the global control-command system, verified to be free of errors and ready to be implemented over a hardware chip such as an ASIC or an FPGA "Field Programmable Gate Array". The designer starts by modeling the temporal and logical local preconditions and postconditions of each COTS component, then the global pre/post conditions of the assembly which are not necessary a simple combination of local properties. He models also a list of properties that must be satisfied by the assembly. Any violation of these properties is defined as a design error. Then, by using the model checking approach the model of the assembly is verified against the predefined local and global properties. Some design errors can be corrected automatically through the Discrete Controller Synthesis method (DCS), others however must be manually corrected. After the correction step, the controlled control-command system is verified. Finally a global simulation step is proposed in order to perform a system-level verification beyond the capabilities of available formal tools. We apply the method on two different systems, one concerns transferring data from senders to receivers through FIFO unit, the other is controlcommand system of a train passengers’ access.

Les systèmes électro-hydrauliques sont largement utilisés dans l’industrie pour des contrôles de position ou d’effort. Cependant, à cause des non-linéarités du système électro-hydraulique, il est difficile d’établir un modèle précis valable sur une large bande de fréquences et de grands mouvements. Le travail de cette thèse concerne un banc d’essai électro-hydraulique qui comporte trois composants hydrauliques principaux, à savoir deux servovalves haute performance, un vérin à double tige, et une embase spécifique qui relie les servovalves et le vérin. Ce banc d’essai a été conçu pour tester des composants aéronautique et automobile dans des conditions réelles (par exemple, tests d'usure ou de vieillissement). Le premier objectif principal de cette thèse concerne la mise en œuvre d’un prototype virtuel basé sur un modèle précis issu de considérations physiques et d'un travail expérimental afin d'identifier les paramètres et de valider le réalisme du prototype virtuel. Le deuxième objectif est d'élaborer des lois de commande non-linéaires sophistiquées avec une large plage de fonctionnement et une bonne robustesse aux perturbations. Le modèle proposé basé sur le Bond Graph montre une très bonne adéquation entre les résultats de simulation et les résultats expérimentaux non seulement en basses fréquences, mais également en fréquences élevées. En particulier, les performances en hautes fréquences sont nettement améliorées par l'introduction des effets dynamiques liés à l’embase. En outre, des lois de commande, respectivement basées sur le backstepping et sur la commande sans modèle, ont été élaborées et mises en œuvre sur le banc d’essai. Toutes les lois de commande proposées ont été validées à la fois en simulation et expérimentalement. Les résultats montrent qu’ils conduisent à de meilleures performances en suivi de position et en robustesse par rapport aux lois de commande classiques. / Hydraulic systems are widely applied in industry for position or force control. However, due to hydraulic system nonlinearities, it is difficult to achieve a precise model valid over a large range of frequencies and movements. The work in this dissertation focuses on a high performance hydraulic test bench which involves three main hydraulic components, i.e. two high performance servovalves, a double rod actuator, and a specific intermediate block connecting the servovalves and actuator. This rig has been designed for testing aerospace or automotive components in real conditions (e.g. wear and ageing effects). The main objectives of this dissertation are first the development of a virtual prototype based on a precise model which is derived from the physical principles and experimental works, and then second the synthesis of several nonlinear control laws of this actuation system in a large operating range with a good robustness to the perturbations. The proposed model based on Bond Graph shows a very good agreement with experimental results not only at low frequencies, but also at high frequencies. Moreover, its performances are improved at high frequencies by introducing the dynamic effects due to the intermediate block. Besides, multivariable and monovariable control strategies, based on respectively the backstepping and the model-free method, are developed and implemented on the test bench. All the control strategies proposed have been validated by simulations and experiments. Results show they lead to better tracking precision and robustness performance compared to the conventional control techniques.