Parce que la robotique collaborative vise à libérer les robots des barrières physiques les séparant des opérateurs humains, de nouveaux défis apparaissent autour de la sécurité de ces derniers. S'il est possible de diminuer la dangerosité des robots en amont de leur conception, les logiciels qui les contrôlent doivent impérativement intégrer des mesures de sécurité, afin d'être compatibles avec des environnements humains dynamiques. Les algorithmes classiques de planification de trajectoire nécessitant de lourds calculs, il est avantageux de modifier la trajectoire en temps réel pour l'adapter à l'environnement dangereux. Dans ce projet de recherche, un algorithme de cinématique inverse, sous forme de problème d'optimisation, est utilisé afin de générer la commande du robot à partir d'une trajectoire définie hors-ligne. L'ajout de contraintes de sécurité à ce problème est particulièrement étudié : dans un premier temps, l'indice de manipulabilité, qui traduit la distance du robot à une configuration singulière, est considéré. Ainsi, il doit être maximisé tout au long de la trajectoire afin d'assurer la meilleure mobilité disponible. Dans un deuxième temps, le facteur humain a été intégré par la prise en compte du confort de celui-ci : afin de réduire le stress éprouvé par l'opérateur face à un robot aux mouvements imprévisibles, on s'assure de minimiser la distance entre l'effecteur et le regard de l'humain pour garantir une plus grande visibilité de la tâche. Dans les deux cas, nous avons présenté une formulation originale de ces critères afin de les intégrer dans le problème d'optimisation. Par ailleurs la contrainte d'évitement d'obstacles a aussi été utilisée, de même que la relaxation de la trajectoire, qui permet au robot de dévier un peu de cette dernière pendant une portion de la durée de la tâche. Enfin des tests en simulation et avec le robot réel Baxter de Rethink Robotics ont permis de valider notre approche et de vérifier les performances en conditions réelles, en utilisant une caméra RGB-D et un logiciel de détection d'humain en temps réel. / Abstract : Because collaborative robots are aimed at working in the vicinity of human workers without physical security fences, they bring new challenges about security. Even if robots can be conceived to be less harmful, their software has to integrate security features in order to be suitable for dynamic human environments. Since classical path planning algorithms require heavy calculations, it is interesting to modify the trajectory in real time to adapt it to the dangerous environment. In this research project, an inverse kinematics solver, in the form of an optimization problem, is used to generate the command of the robot to follow a trajectory defined offline. The addition of security constraints is studied: first, the manipulability index, which reflects the distance of the robot to singular configurations, is considered. Thus, it should be maximized all along the trajectory to ensure the best mobility available. Then the human is integrated by taking into account its comfort: in order to reduce the stress of working near an unpredictable moving robot, the distance between the end-effector and the human gaze is minimized to guarantee a greater visibility of the task. In both cases, we have presented a new formulation of those criteria to integrate them into the optimization problem. Moreover, the collision avoidance constraint is used, as well as the trajectory relaxation, which allows the robot to deviate from its trajectory for a certain amount of time during the task. Finally tests in simulation and with the real Baxter robot from Rethink Robotics validated our approach and the performance has been evaluated in real conditions, using a RGB-D camera and a real time human tracker software.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第23505号 / 工博第4917号 / 新制||工||1768(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科機械理工学専攻 / (主査)教授 松野 文俊, 教授 泉田 啓, 教授 小森 雅晴 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

Lors du contrôle de robots, les variations fortes et soudaines dans les couples de commande doivent impérativement être évitées. En effet ces discontinuités peuvent entraîner, en plus des comportements imprévisibles du système, des dommages physiques, notamment au niveau des actionneurs. Pour la réalisation de tâches complexes, un robot à plusieurs degrés de liberté utilise généralement un système de commande multi-objectif avec lequel plusieurs tâches doivent être réalisées et plusieurs contraintes respectées. Le basculement entre ces différentes tâches ainsi que les contraintes causées par un environnemt dynamique et imprévisible sont les causes directes des variations fortes dans les couples de commande. Dans ce travail, les problèmes de transitions de priorités entre les différentes tâches ainsi que la variation des contraintes sont considérées avec pour objectif la des variations fortes dans les couples de commande. Deux contributions principales ont été réalisées.Premièrement, un nouveau contrôleur appelé "contrôle hiérarchique généralisé (GHC)" est implémenté sous forme d’optimisation quadratique pour gérer la priorité des transitions entre les tâches de poids différents. Le projecteur utilisé assure en plus de la continuité des transitions, la gestion de l’ajout et/ou de la suppression de tâches. Les couples de commande sont alors calculés en résolvant un problème d’optimisation prenant en compte en même temps la hiérarchie des tâches et les contraintes égalitaire et inégalitaires.Deuxièmement, nous avons développé une primitive de contrôle à base de Contrôle par Modèle Prédictif (CMP) afin de gérer l’existence des discontinuités des contraintes que doit respecter le robot, tel que le changement d’état des contacts ou l’évitement d'obstacles. Le contrôleur profite ainsi de la formulation prédictive en anticipant l'évolution des contraintes vis-à-vis des scénarios de commande et/ou de l'information des capteurs. Il permet de générer des nouvelles contraintes continues qui remplacent les anciennes contraintes discrètes dans le contrôleur réactif QP. Par conséquent, le taux de changement des couples articulaires est minimisé, comparé aux anciennes contraintes discrètes. Cette primitive de contrôle prédictive ne modifie pas directement les objectifs désirés des tâches mais les contraintes, ce qui permet de s’assurer que les changements de couple sont bien gérés dans les pires scénarios.L'efficacité de la stratégie de contrôle proposée est validée via des expériences en simulation avec le robot Kuka LWR 4+ et le robot humanoïde iCub. Les résultats montrent que l'approche développée peut réduire de manière significative la variation des couples articulaires pendant les changements de priorité des tâches ou sous contraintes discrètes. / Large and sudden changes in the torques of the actuators of a robot are highly undesirable and should be avoided during robot control as they may result in unpredictable behaviours. Multi-objective control system for complex robots usually have to handle multiple prioritized tasks while satisfying constraints. Changes in tasks and/or constraints are inevitable for robots when adapting to the unstructured and dynamic environment, and they may lead to large sudden changes in torques. Within this work, the problem of task priority transitions and changing constraints is primarily considered to reduce large sudden changes in torques. This is achieved through two main contributions as follows. Firstly, based on quadratic programming (QP), a new controller called Generalized Hierarchical Control (GHC) is developed to deal with task priority transitions among arbitrary prioritized task. This projector can be used to achieve continuous task priority transitions, as well as insert or remove tasks among a set of tasks to be performed in an elegant way. The control input (e.g. joint torques) is computed by solving one quadratic programming problem, where generalized projectors are adopted to maintain a task hierarchy while satisfying equality and inequality constraints. Secondly, a predictive control primitive based on Model Predictive Control (MPC) is developed to handle presence of discontinuities in the constraints that the robot must satisfy, such as the breaking of contacts with the environment or the avoidance of an obstacle. The controller takes the advantages of predictive formulations to anticipate the evolutions of the constraints by means of control scenarios and/or sensor information, and thus generate new continuous constraints to replace the original discontinuous constraints in the QP reactive controller. As a result, the rate of change in joint torques is minimized compared with the original discontinuous constraints. This predictive control primitive does not directly modify the desired task objectives, but the constraints to ensure that the worst case of changes of torques is well-managed. The effectiveness of the proposed control framework is validated by a set of experiments in simulation on the Kuka LWR robot and the iCub humanoid robot. The results show that the proposed approach significantly decrease the rate of change in joint torques when task priorities switch or discontinuous constraints occur.

L’industrie offshore, pétrolière et gazière est le principal utilisateur des robots sous-marins, plus particulièrement de véhicules télé-opérés (ou ROV, Remotely Operated Vehicle). L'inspection, la construction et la maintenance de diverses installations sous-marines font parties des applications habituelles des ROVs dans l’industrie offshore. La capacité à maintenir un positionnement stable du véhicule ainsi qu’à soulever et déplacer des charges lourdes est essentielle pour certaines de ces applications. Les capacités de levage des ROVs sont cependant limitées par la puissance de leur propulsion. Dans ce contexte, cette thèse présente un nouveau concept d’actionnement hybride constitué de câbles et de propulseurs. Le concept vise à exploiter les fortes capacités de levage des câbles, actionnés par exemple depuis des navires de surfaces, afin de compléter l’actionnement d’un robot sous-marin. Plusieurs problèmes sont soulevés par la nature hybride (câbles et propulseurs) de ce système d'actionnement. En particulier, nous étudions l’effet de l'actionnement supplémentaire des câbles par rapport à un actionnement exploitant uniquement des propulseurs et nous tâchons de minimiser les efforts exercés par ces derniers. Ces deux objectifs sont les principales contributions de cette thèse. Dans un premier temps, nous modélisons la cinématique et la dynamique d'un robot sous-marin actionné à la fois par des propulseurs et des câbles et équipé d'un bras manipulateur. Un tel système possède une redondance cinématique et d'actionnement.. L'étude théorique sur l'influence de l'actionnement supplémentaire par câbles est appuyée par une étude en simulation, comparant les capacités de force d'un système hybride (câbles et propulseurs) à celles d'un système actionné uniquement par des propulseurs. L'évaluation des capacités est basée sur la détermination de l'ensemble des forces disponibles, en considérant les limites des forces d'actionnement. Une nouvelle méthode de calcul est proposée, pour déterminer l'ensemble des forces disponibles. Cette méthode est basée sur le calcul de la projection orthogonale de polytopes et son coût calculatoire est analysé et comparé à celui d'une méthode de l’état de l’art. Nous proposons également une nouvelle méthode pour le calcul de la distribution des forces d'actionnement, permettant d'affecter une priorité supérieure au sous-système d'actionnement par câbles afin de minimiser les efforts exercés par les propulseurs. Plusieurs cas d'études sont proposés pour appuyer les méthodes proposées. / The offshore industry for oil and gas applications is the main user of underwater robots, particularly, remotely operated vehicles (ROVs). Inspection, construction and maintenance of different subsea structures are among the applications of ROVs in this industry. The capability to keep a steady positioning as well as to lift and deploy heavy payloads are both essential for most of these applications. However, these capabilities are often limited by the available on-board vehicle propulsion power. In this context, this thesis introduces the novel concept of Hybrid Cable-Thruster (HCT)-actuated Underwater Vehicle-Manipulator Systems (UVMS) which aims to leverage the heavy payload lifting capabilities of cables as a supplementary actuation for ROVs. These cables are attached to the vehicle in a setting similar to Cable-Driven Parallel Robots (CDPR). Several issues are raised by the hybrid vehicle actuation system of thrusters and cables. The thesis aims at studying the impact of the supplementary cable actuation on the capabilities of the system. The thesis also investigate how to minimize the forces exerted by thrusters. These two objectives are the main contributions of the thesis. Kinematic, actuation and dynamic modeling of HCT-actuated UVMSs are first presented. The system is characterized not only by kinematic redundancy with respect to its end-effector, but also by actuation redundancy of the vehicle. Evaluation of forces capabilities with these redundancies is not straightforward and a method is presented to deal with such an issue. The impact of the supplementary cable actuation is validated through a comparative study to evaluate the force capabilities of an HCT-actuated UVMS with respect to its conventional UVMS counterpart. Evaluation of these capabilities is based on the determination of the available forces, taking into account the limits on actuation forces. A new method is proposed to determine the available force set. This method is based on the orthogonal projection of polytopes. Moreover, its computational cost is analyzed and compared with a standard method. Finally, a novel force resolution methodology is introduced. It assigns a higher priority to the cable actuation subsystem, so that the forces exerted by thrusters are minimized. Case studies are presented to illustrate the methodologies presented in this thesis.