Th. doct.-ing.--Besançon, 1984. N°: 6.

Thèse de doctorat : Sciences appliquées : Metz : 1999. / 1999METZ002S. 60 REF.

Les simulateurs de conduite avancés sont des systèmes formés de quatre composants: un écran panoramique de réalité virtuelle pour simuler la route et le trafic, un système audio pour jouer les sons liés à la conduite (freinage, grincements, etc.), un cockpit d'une voiture réelle (avec un tableau de bord authentique, les pédales, les sièges, etc.) pour recopier la position du corps du conducteur et ses moyens d'interaction avec le véhicule et enfin, un robot portant ce cockpit afin d'assurer son mouvement. Alors que les trois premiers composants peuvent prétendre à un degré de réalisme suffisamment élevé, le dernier (le robot) présente une capacité de déplacement très réduite (de quelques dizaines de centimètres à quelques mètres), rendant chimérique l'idée de pouvoir reproduire les trajectoires d'une vraie voiture. En réalité le but d'un simulateur de conduite n'est pas la reproduction des trajectoires réelles mais des sensations de mouvement correspondantes. Comment peut-on reproduire, alors, des sensations réalistes de mouvement malgré les déplacements réduits du cockpit de simulation ? C'est le but des Algorithmes de Motion Cueing (ACM) de fournir des solutions à ce problème via l'utilisation d'heuristiques. Nous avons pensé qu'au lieu de chercher simplement à reproduire les sensations de mouvement, nous pouvons répondre à une question plus intéressante : Quelle est la performance maximale d'un simulateur de conduite ? Ou, de manière plus précise, pour une trajectoire réelle donnée quelle est la meilleure trajectoire du simulateur en termes de qualité de sensations, étant données les limitations de mouvement du robot ? Répondre à cette question, nous permettra de réaliser la calibration des ACMs existants ainsi que celle des robots de simulation (en termes de géométrie et de dynamique) en amont de leur construction. Dans cette thèse, nous répondons à cette question grâce à notre Algorithme de Performance Maximale (APM) qui couvre tous les aspects de contrôle liés à la simulation. En effet, nous intégrons la notion de sensation grâce à l'utilisation de modèles perceptifs recueillis dans la littérature. Nous intégrons, également, nos propres modèles dynamiques détaillés et non linéaires du robot de simulation. Nous assurons, enfin, le respect des contraintes de déplacement par l'utilisation d'une approche directe d'optimisation. La complexité de ce problème est non seulement due à la difficulté de définir la notion de performance (en effet quelle est le sens exact de la notion de sensation ?), mais aussi à l'enveloppe réduite du mouvement du robot (limitations en termes de position, vitesse et accélération) et à sa dynamique non linéaire. Une fois tous ces concepts posés et définis, nous avons testé notre approche sur deux types de simulateurs (à base fixe et à base mobile posée sur des rails). Les résultats sont riches en information: le caractère fréquentiel des différents degrés de liberté (basses fréquences pour la tilt coordination, hautes fréquences pour les translations), la non causalité de l'APM, l'enveloppe de mouvement très réduite du simulateur et la nécessité d'utiliser un facteur d'échelle, etc. Deux variations de l'APM ont été introduites pour traiter les deux derniers points: l'APM causal et l'APM allure. Nous avons également défini deux indicateurs de performance (IP et IP allure) pour mesurer la fidélité du simulateur en termes d'amplitude et en termes de profil. En résumé, cette thèse présente un ensemble d'outils d'aide au calibrage aux AMCs et aux robots de simulation en amont de leur construction. Deux autres problèmes ont été abordés dans cette dissertation: le problème de redondance et la commande robuste. Quant au premier problème, l'APM a montré, pour les simulateurs redondants (à base mobile), l'existence d'un recouvrement fréquentiel des deux translations: les rails et l'hexapode. Comment peut-on alors exploiter ce recouvrement ? Nous proposons une méthode basée sur le formalisme des systèmes dynamiques hybrides qui permet de réduire les sensations incohérentes (dues aux freinages à l'approche des butées) et de minimiser l'absence des sensations (due à l'absence de blocage). Concernant la commande robuste, nous avons eu deux contributions théoriques dans la commande par couple calculé: une formalisation englobante basée sur une méthode de Lyapunov (développée antérieurement par Qu et Dawson) ainsi qu'un résultat fin: le théorème du choix vivant (extension du travail de Samson) dont la démonstration est basée sur la majoration de la solution d'une équation de Riccati non symétrique et non autonome sur tout l'horizon de simulation.

Ce travail de thèse se place dans le cadre de la conduite automatisée des véhicules sur roues.<br />Notre objectif est le développement et l´expérimentation d´une nouvelle approche de commande des systèmes non-linéaires en vue du suivi d´une cible, associée par exemple à un véhicule de référence. L´originalité de ce travail est que la cible n´est pas contrainte dans ces mouvements et peut donc suivre des trajectoires non réalisables par le véhicule commandé.<br />Il devient ainsi possible d´effectuer le suivi d´un véhicule de référence quelque soit le mouvement de celui-ci (marche avant, marche arrière, manoeuvres...).<br /><br />L´approche de commande étudiée ici est basée sur le concept de fonction transverse, et consiste à effectuer une stabilisation pratique du repère cible.<br />Dans un premier temps, nous analysons l´influence des paramètres de commande sur le suivi du repère.<br />A partir de cette analyse, nous proposons ensuite de nouvelles commandes qui permettent d´améliorer la précision du suivi et le comportement du système lors des phases transitoires.<br />Enfin, nous présentons des résultats d´expérimentations obtenus sur le système robotique du laboratoire Icare.<br />Cette phase expérimentale a nécessité de développer un estimateur de la vitesse de la cible. Celui-ci est basé sur la fusion des données issues de la vision et de celles issues des mesures odométriques.

Cette thèse présente un travail complet sur la modélisation, l'identification et la commande des robots parallèles à câbles dans le but d'améliorer les performances dynamiques en termes de rapidité, de précision et de robustesse obtenues, tout en gérant les problèmes liés à l'utilisation de câbles. Dans le cadre de ces recherches, les techniques d'identification et de commande sont améliorées grâce à l'utilisation de mesures extéroceptives, notamment en utilisant la vision. Des méthodes issues des domaines de la robotique et de l'automatique sont mises en oeuvre et comparées. Les validations expérimentales sont effectuées sur un démonstrateur disponible au laboratoire : un robot INCA 6D conçu par la société Haption, équipé d'un système de capture de mouvement Bonita développé par la société Vicon. / This thesis presents a complete work on modelling, identification and control of cable-driven parallel robots in order to improve the dynamic performances in terms of speed, precision and robustness, while managing the problems related to the use of cables. In the context of these researches, the identification and control techniques are improved thanks to the use of exteroceptive sensors, in particular using vision. Methods from the fields of robotics and control are implemented and compared. The experimental validations are performed on a demonstrator available in the laboratory : an INCA 6D robot designed by Haption company, equipped with a Bonita motion capture system developed by Vicon company.

Dans ce travail, l’optimisation de la propulsion et de la commande des AUV (Autonomous Underwater Vehicles en anglais) est développée. Le modèle hydrodynamique de l’AUV est examiné. Egalement, son système de propulsion est étudié et des modèles pour des solutions de propulsion différentes (fixe et vectorielle) sont développés dans le cadre de la mobilité autonome.Le modèle et l’identification de la technologie de propulsion dite fixe sont basés sur un propulseur disponible commercialement. Le système de propulsion vectoriel est basé sur un prototype de propulseur magneto-couplé reconfigurable (PMCR) développé à l’IRDL-ENIB.Une méthode de commande non linéaire utilisant le modèle hydrodynamique de l’AUV est développée et son adaptation à deux systèmes de propulsion est présentée. Des analyses portant sur la commandabilité du robot et l’application de cette commande à différents systèmes sont proposées. L’optimisation globale est utilisée pour trouver des topologies propulsives et des paramètres de commande adaptés à la réalisation de tâches robotiques spécifiques. L’optimisation réalisée permet de trouver des solutions capables d’assurer le suivi de trajectoire et de minimiser la consommation énergétique du robot. L’optimisation utilise un algorithme génétique (algorithme évolutionnaire), une méthode d’optimisation stochastique appliquée ici à la conception orientée tâche de l’AUV. Les résultats de cette optimisation peuvent être utilisés comme une étape préliminaire dans la conception des AUVs, afin de donner des pistes pour améliorer les capacités de la propulsion.La technique d’optimisation est également appliquée au robot RSM (fabriqué au sein de l’IRDL-ENIB) en modifiant seulement quelques paramètres de sa topologie propulsive. Cela afin d’obtenir des configurations de propulsion adaptées au cours d’une seule et même mission aux spécificités locomotrices des tâches rencontrées : reconfiguration dynamique de la propulsion de l’AUV. / In this PhD thesis, the optimization of the propulsion and control of AUVs is developed. The hydrodynamic model of the AUVs is examined. Additionally, AUV propulsion topologies are studied and models for fixed and vectorial technology are developed. The fixed technology model is based on an off the shelf device, while the modeled vectorial propulsive system is based on a magnetic coupling thruster prototype developed in IRDL (Institut de Recherche Dupuy de Lôme) at ENI Brest. A control method using the hydrodynamic model is studied, its adaptation to two AUV topologies is presented and considerations about its applicability will be discussed. The optimization is used to find suitable propulsive topologies and control parameters in order to execute given robotic tasks, speeding up the convergence and minimizing the energy consumption. This is done using a genetic algorithm, which is a stochastic optimization method used for task-based design.The results of the optimization can be used as a preliminary stage in the design process of an AUV, giving ideas for enhanced propulsive configurations. The optimization technique is also applied to an IRDL existing robot, modifying only some of the propulsive topology parameters in order to readily adapt it to different tasks, making the AUV dynamically reconfigurable.

Les robots à tubes concentriques deviennent de plus en plus populaires dans la communauté de la robotique médicale. Dans cette thèse, un état de l’art général des travaux existants et qui couvre les thématiques de recherche en robots à tubes concentriques (RTC) est présenté dans un premier temps. Les modélisations géométrique (directe et inverse) et cinématique des RTC sont détaillées car elles servent de base pour les contributions de cette thèse. La première contribution consiste en une étude de concept d’utilisation des RTCs pour la résection des tumeurs profondes situées au niveau du lobe frontal du cérveau. ‘Grid searching’a été utilisée comme méthode d’optimisation pour la conception des tubes des RTCs. Cette méthode permet d’éviter le problème crucial de présélection des coefficients de pondération, cette pondération étant nécessaire dans toutes les méthodes de scalarisation existantes dans la litérature. La méthode de ‘grid searching’ utilisée dans ce travail permet la sélection des paramères optimaux avec l’aide d’une illustration graphique de la distribution des résultats de calcul concernant les critères de séléction. La stabilité élastique due aux interactions destubes en flexion et en torsion est incluse dans les critères de séléction et est évaluée avec une nouvelle approche introduite dans ce travail. La deuxième contribution de cette thèse repose sur la synthèse d’une loi de commande qui permet de faire face aux incertitudes cinématiques dans le contrôle de mouvement des RTCs. L’étude réalisée a montré qu’un contrôle au niveau des couples moteurs avec un retour dans l’espace opérationnel et une matrice Jacobienne approchée, ce contrôle assure une robustesse en présence des incertitudes cinématiques au niveau de la matrice Jacobienne et permet d’obtenir des bonnes performances de contrôle en terme d’erreur de poursuite. / Concentric Tube Robots (CTR) are becoming more and more popular in medical robotics community. In this thesis, a general literature survey on existing works covering the research topics of CTR is first presented. The kinematics of CTR is more specifically detailed since it is the basics of the main contributions of this thesis. The first contribution is a concept study of exploiting CTR for resection of deep brain tumors located at the frontal lobe. Grid searching has been used as the optimization method for the CTR tubes design. This method allows to avoid the crucial problem of weights preselection which is required in all scalarizationmethods existing in literature. Instead, the grid searching method used in this work allows to choose the optimal parameters with the help of graphical illustration of calculation results distribution with respect to the selection criteria. The elastic stability dues to the bending and torsion interaction between tubes is considered and evaluated with a new approach introduced in this work. The second contribution then is to deal with the kinematic uncertainties in motion control of CTR. The proposed control method designed at the actuator level shows that the control design of actuator input with task-space feedback and approximate Jacobian matrix provides robustness in handling inaccuracy in kinematic model and maintains good control performance at the same time.

Le travail présenté dans cette thèse concerne la modélisation et la commande robuste en force de robots manipulateurs industriels à articulations flexibles utilisés pour le procédé FSW. Afin de réduire les temps de calcul et l'occupation de la mémoire, une approche basée sur la méthode par intervalle est proposée en vue de la simplification des modèles dynamiques des robots industriels, et contribue à identifier les paramètres d'inertie qui sont négligeables. Des études de cas sur trois types de trajectoires de test et l’analyse des couples moteurs ont démontré l'efficacité et les bonnes performances de la méthode de simplification. Ensuite, la modélisation dynamique et l'identification des paramètres du procédé FSW ont été effectuées. Les paramètres des modèles linéaires et non-linéaires de forces axiales sont identifiés. Sur la base de la modélisation du procédé FSW qui considère simultanément la cinématique du système complet, le modèle de déplacement du robot rigide, les flexibilités des articulations et le modèle dynamique de la force axiale, un contrôleur robuste en force est obtenu par la méthode de réglage fréquentielle. En outre, un simulateur du procédé FSW robotique est développé et les résultats de simulation montrent les bonnes performances du contrôleur en force. L'oscillation de la force axiale dans le procédé FSW peut être simulée en utilisant un modèle de perturbation de la position verticale de référence. / The work presented in this thesis focuses on the modeling and robust force control of flexible joints industrial robot manipulators used for FSW process. In order to reduce computation time and memory occupation, a novel interval-based approach for dynamic model simplification of industrial robots is proposed, which applies to arbitrary trajectories of whole robot workspace and contributes to obtaining negligible inertia parameters. Cases studies have been carried out on three kinds of test trajectories and torques analysis of robot dynamic equation, demonstrating the effectiveness and good performance of the simplification method. Then, the dynamic modeling and identification of robotic FSW process is performed, and the parameters of linear and nonlinear dynamic axial force process models are identified by using the plunge depth and its derivative. On the basis of the modeling of robotic FSW process which simultaneously considers the complete kinematics, the rigid robot displacement model, the joint flexibility and the dynamic axial force process model, a robust force controller can be obtained by using the frequency response approach. Besides, a simulator of robotic FSW process is developed and simulation results show good performance of the force controller. The oscillation of axial force in FSW process can be simulated when a disturbance model of initial vertical reference position is proposed and used in the simulation.