Th.--Sci., autom.--Rennes 1, 1982. N°: 358.

Cette thèse porte sur la modélisation de la commande motrice chez le Primate suivant deux approches : - Tout d'abord, en suivant une formalisation mathématique de la préparation par le Cerveau des signaux de commande d'un mouvement volontaire dirigé vers une cible. La méthode utilisée dans cette étude a été de recenser les contraintes fonctionnelles et d'en déduire un circuit de traitement des signaux moteurs, compatible avec l'organisation anatomique des voies cérébelleuses. Ce circuit a permis une optimisation hiérarchisée, sous les contraintes de rapidité d'exécution et d'économie de la dépense énergétique. Cette approche a été appliquée à la commande d'un bras robotique à 2 d.d.l mû par des muscles de McKibben, et à la modélisation du système oculomoteur du Primate. - Ensuite, en suivant une approche par codage. Nous présentons ici la conception et la mise au point d'une Interface Cerveau-Machine asynchrone qui décode les données cérébrales enregistrées chez le Macaque afin de contrôler un doigt robotique.

La problématique traitée dans cette thèse concerne la commande de robots manipulateurs industriels légèrement flexibles utilisés pour la robotisation de procédés d'usinage et de soudage FSW. Le premier objectif est la modélisation des robots et des procédés. Les modèles développés concernant la cinématique et la dynamique de robots 6 axes à architecture série et à flexibilité localisées aux articulations. Les paramètres du modèle dynamique et les raideurs sont identifiés avec la méthode à erreur de sortie qui donne une bonne précision d'estimation. La norme relative du résidu du modèle après identification est de 3,2%. Le deuxième objectif est l'amélioration des performances de la robotisation des procédés. Un simulateur a été développé qui intègre le modèle dynamique du robot flexible, les modèles de procédés et le modèle du contrôleur de robot y compris les lois de commande en temps réel des axes et le générateur de trajectoires. Un observateur non-linéaire à grands gains est proposé pour estimer l'état complet du robot flexible ainsi que les efforts d'interaction. Ensuite, un compensateur basé sur l'observateur est proposé pour corriger les erreurs de positionnement en temps réel. La validation expérimentale sur un robot industriel Kuka, montre une très bonne estimation de l'état complet par l'observateur. Un soudage FSW précis grâce à la compensation en temps réel de la flexibilité du manipulateur a pu être effectué avec succès.

La problématique traitée dans cette thèse concerne la commande de robots manipulateurs industriels légèrement flexibles utilisés pour la robotisation de procédés d'usinage et de soudage FSW. Le premier objectif est la modélisation des robots et des procédés. Les modèles développés concernant la cinématique et la dynamique de robots 6 axes à architecture série et à flexibilité localisées aux articulations. Les paramètres du modèle dynamique et les raideurs sont identifiés avec la méthode à erreur de sortie qui donne une bonne précision d'estimation. La norme relative du résidu du modèle après identification est de 3,2%. Le deuxième objectif est l'amélioration des performances de la robotisation des procédés. Un simulateur a été développé qui intègre le modèle dynamique du robot flexible, les modèles de procédés et le modèle du contrôleur de robot y compris les lois de commande en temps réel des axes et le générateur de trajectoires. Un observateur non-linéaire à grands gains est proposé pour estimer l'état complet du robot flexible ainsi que les efforts d'interaction. Ensuite, un compensateur basé sur l'observateur est proposé pour corriger les erreurs de positionnement en temps réel. La validation expérimentale sur un robot industriel Kuka, montre une très bonne estimation de l'état complet par l'observateur. Un soudage FSW précis grâce à la compensation en temps réel de la flexibilité du manipulateur a pu être effectué avec succès. / The problem addressed in this thesis concerns the control of industrial robot manipulators which are slightly flexible and used for machining and FSW processes. The first objective is to model the robots and processes. The developed models concern the kinematics and dynamics models of 6-axis robots with serial architecture and flexibility localized at joints. The dynamic model parameters and a part of the joint stiffnesses are identified with the approach of output error which gives a satisfy estimation accuracy. According to identification, the RMS residue of the model is 3.2%. The second objective is to improve the robotization performance of manufacturing processes. A simulator was developed that contains the dynamic model of the flexible robot, the process models and the model of the robot controller including control laws in real time of axes and the trajectory generator. A nonlinear high-gains observer is proposed to estimate the complete states of robot system as well as the operation wrenches. Then the observer-based compensator is proposed to correct the positioning errors in real time. The experimental validation of industrial robots shows a satisfactory estimating performance of the observer. A precise FSW welding owing to the real-time compensation for the flexibility of manipulator has been done successfully.

Les travaux de recherche pr esent es dans ce m emoire ont et e men es au sein d'EDF R&D. Ils visent a remplacer une grande partie des essais physiques par des simulations num eriques a n d'optimiser des processus de maintenance robotis ee r ealis es notamment sur des installations nucl eaires. Il s'agit d'une mani ere g en erale d'obtenir des gains de productivit e en augmentant la rapidit e de mise en uvre des op erations mettant en uvre des proc ed es ainsi que de ma^ triser la qualit e des r esultats. Les proc ed es consid er es sont des proc ed es de fraisage a grande vitesse. Ces derniers n ecessitent une grande pr ecision de suivi de trajectoire (en position et vitesse spatiales), ceci malgr e les incertitudes relatives aux param etres structuraux du syst eme porteur du proc ed e et compte-tenu de son comportement dynamique intrins eque (saturations, frottement) ainsi que des perturbations dynamiques (gravit e, interactions physiques). Les travaux d evelopp es abordent, dans un cadre exp erimental, les probl emes d'identi cation des param etres g eom etriques et inertiels ainsi que le comportement structurel (d eformations et frottements) d'un robot Staubli TX90 sur di erentes charges. Ces probl emes sont trait es ici dans un cadre r eel en tenant compte des contraintes de mise en uvre dans un contexte industriel. L'ensemble des param etres identi es ont et e int egr es a un simulateur dynamique qui, reproduisant les lois de commande impl ement ees sur le syst eme industriel ainsi que les g en erateurs de trajectoires, permet d'analyser le comportement dynamique du syst eme lors de la mise en uvre d'un proc ed e de fraisage grande vitesse. Sur cette base, la correction des trajectoires de l'e ecteur peut ^etre r ealis ee pour minimiser les d efauts de forme induits par ces di erentes sources d'erreur.

Durant ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à la commande d'un robot manipulateur industriel, configuré pour une co-manipulation avec un opérateur humain, en vue de la manutention de charges lourdes. Dans un premier temps, nous avons présenté une vue d'ensemble des études qui ont été menées dans ce cadre. Ensuite, nous avons abordé la modélisation et l'identification des paramètres dynamiques du robot Denso VP-6242G. Nous avons utilisé le logiciel OpenSYMORO pour calculer son modèle dynamique. Après une présentation détaillée de la méthode d'identification des paramètres de robots manipulateurs, nous l'avons appliqué au cas de notre robot. Cela nous a permis d'obtenir un vecteur des paramètres qui garantit une matrice d'inertie définie positive pour n'importe quelle configuration articulaire du robot, tout en assurant une bonne qualité de reconstruction des couples pour des vitesses articulaires constantes, ou variables au cours du temps. Par la suite, nous avons détaillé les nouvelles fonctionnalités proposées pour le générateur de trajectoire en temps réel, sur lequel repose notre schéma de commande. Nous avons présenté une méthode d'estimation de la force de l'opérateur à partir des mesures de la force d'interaction entre le robot et l'opérateur, tout en tenant compte de la pénalisation de la force de l'opérateur afin d'avoir une image de cette dernière permettant de générer une trajectoire qui respecte les limites de l'espace de travail. Des tests du générateur de trajectoire simulant différents cas de figure possibles nous ont permis de vérifier l'efficacité des nouvelles fonctionnalités proposées. Le générateur permet de produire une trajectoire dans l'espace de travail tridimensionnel selon la direction de l'effort appliqué par l'opérateur, ce qui contribue à l'exigence de transparence recherchée en co-manipulation robotique. Dans la dernière partie, nous avons présenté et validé en simulation une commande en impédance dont les trajectoires de référence sont issues du générateur développé. Les résultats obtenus ont donné lieu à une bonne qualité de poursuite des trajectoires désirées. D'autre part, le respect des limites virtuelles de l'espace de travail a également été pris en compte. Cependant, les trajectoires articulaires correspondantes peuvent franchir les limites définies pour préserver l'intégrité du robot. / In this thesis, we were interested in the control of industrial manipulators in co-manipulation mode with a human operator for the handling of heavy loads. First, we have presented an overview of existing studies in this framework. Then, we have addressed the modeling and the identification of dynamic parameters for the Denso VP-6242G robot. We have used the OpenSYMORO software to calculate its dynamical model. After a detailed presentation of the method for identifying the robot's parameters, we have applied it to the case of our robot. This allowed us to obtain a vector of the parameters which guarantees a positive definite inertia matrix for any configuration of the robot, as well as a good quality of reconstruction of the torques in the case of constant joint velocities or in the case of variable ones over time. To continue, we have detailed the new features that have been proposed for the online trajectory generator, for which the control scheme is based on. We have presented a method for estimating the operator's force from the measurements of the interaction force between the robot and the operator, while taking into account for the penalization of the operator's force in order to have an information of this last which allows to generate a trajectory that respects the limits of workspace. Some tests of the trajectory generator simulating different possible scenarios have allowed us to check the effectiveness of the new proposed features. The generator makes it possible to produce a trajectory in the three-dimensional workspace according to the direction of the force applied by the operator, which contributes to fulfill the requirement of transparency that is sought in a co-manipulation. In the last part, we have presented and validated, in simulation, an impedance control whose reference trajectories are delivered by the proposed generator. The obtained results have shown a good trajectory tracking. On the other hand, the satisfaction of the virtual bounds of the workspace has also been nicely taken into account. However, the corresponding articular trajectories can cross the bounds defined to preserve the integrity of the robot.

Les robots manipulateurs sont généralement des machines rigides, conçues pour que leurflexibilité ne perturbe pas leurs mouvements. En effet, des flexibilités mécaniques importantesdans la structure d’un système introduisent des degrés de liberté supplémentaires dont le comportementest complexe et difficile à maîtriser. Cependant, la réduction de la masse d’un systèmeest bénéfique du point de vue des coûts, de la performance énergétique, de la sécurité et des performancesdynamiques. Afin de faciliter l’accès aux nombreux avantages d’une structure légèremalgré la présence de fortes flexibilités, cette thèse porte sur la modélisation, la conception et lacommande de robots manipulateurs flexibles. Elle est motivée par le projet YAKA, dont l’applicationest le lancement et la récupération de drones à voilure fixe depuis un navire faisant route.Cette application nécessite une importante dynamique sur un vaste espace de travail, bien au-delàdes spécifications des robots rigides classiques. Les outils de modélisation, de conception et decommande proposés prennent en compte la flexibilité des segments et des articulations, pour unnombre quelconque de degrés de liberté et de segments flexibles. Le modèle dynamique flexibleest obtenu par le formalisme de Lagrange, les poutres flexibles sont représentées par le modèled’Euler-Bernoulli. Le schéma de commande proposé se décompose en une inversion de modèledynamique rigide et un bloc de précommande par Input Shaping adapté aux robots manipulateursflexibles. Les outils de conception proposés permettent de baser le processus de conceptionsur des performances prédites du système complet muni de ses actionneurs et de son contrôleuravec une simulation réaliste. Les validations expérimentales effectuées sur le robot YAKA permettentde valider la pertinence de la démarche suivie. Les résultats du projet YAKA confirment lafaisabilité de la mise en oeuvre d’un robot flexible de grande envergure et à forte dynamique dansun contexte industriel, en particulier pour le lancement et la récupération d’un drone à voilurefixe depuis un navire faisant route. / Robot manipulators are generally stiff machines, designed in a way that flexibility does not affecttheir movements. Indeed, significant flexibility introduces additional degrees of freedom witha complex behavior. However, reducing the mass of a system allows for costs, performance, andsafety improvements. In order to allow those benefits despite important flexibility, this thesis focuseson modeling, design and control of flexible robot manipulators. It is motivated by the YAKAproject, which aims at developing a robot to launch and recover fixed wing UAVs from a movingship. It implies reaching very high dynamics on a large workspace, way beyond the specificationsof common rigid robots. The proposed tools for modeling, design and control allow for taking intoaccount both joint and link flexibility, for any number of degrees of freedom and flexible links.The elastodynamic model is obtained with Lagrange principle, each flexible link being representedwith one ormany Euler-Bernouilli beams. The proposed control scheme uses a nonlinear rigiddynamic inversion and extends classical Input Shaping techniques to flexible robot manipulators.The proposed design tools allow for performance prediction of the system including its actuatorsand controllers thanks to a realistic simulation. Experiments conducted with the YAKA robot validatedthe proposed approach. The results of the YAKA project confirmed the feasibility of usinga large scale, highly dynamic flexible robot in an industrial context, in particular for UAVs launchand recovery operations from amoving ship.

Ce travail présente une nouvelle approche de synthèse de la commande non linéaire en suivi de trajectoire de robots manipulateurs. Malgré la richesse de la littérature dans le domaine, le problème n'a pas encore été traité de manière adéquate : en raison de l'existence inévitable dans les applications pratiques de perturbations et incertitudes telles que les forces de frottement, des perturbations externes ou les variations des paramètres il est difficile d'assurer un suivi de trajectoire de haute précision. Afin de résoudre ce problème, nous proposons tout d'abord une méthode de commande prenant en compte la performance H∞ pour le suivi de trajectoire d'un robot manipulateur. Deuxièmement, nous proposons un nouveau cadre pour la synthèse de lois de commande combinant une action anticipatrice et un retour d'état basée sur une représentation sous forme Takagi-Sugeno descripteur de la dynamique du manipulateur. Un avantage de la représentation choisie est de pouvoir simultanément simplifier le calcul des gains de commande à l'aide de LMI de dimension réduite et de réduire la complexité du correcteur en agissant sur le nombre de règles du modèle de Takagi-Sugeno. Basé sur la théorie de la stabilité de Lyapunov, le réglage du correcteur est formulé comme un problème d'optimisation LMI (inégalité matricielle linéaire). Les résultats obtenus en simulation effectuée avec un modèle de manipulateur série développé dans l'environnement Simscape MultibodyTM de Matlab R démontrent clairement l'efficacité de la méthode proposée en comparaison avec le régulateur PID et la commande CTC (Computed Torque Control). / This work presents a new design approach for trajectory tracking control of robot manipulators. In spite of the rich literature in the field, the problem has not yet been addressed adequately due to the lack of an effective control design. In general, it is difficult to adopt design to achieve high-precision tracking control due to the uncertainties in practical applications, such as friction forces, external disturbances and parameter variations. In order to cope this problem, we propose first control with H∞ performance to reference trajectory tracking control of two degrees of freedom robot. Secondly, we propose a new design framework with parametric uncertainties and unknown disturbances by using the feedback and the feedforward controllers. Using the descriptor Takagi-Sugeno systems, the design goal is to achieve a guaranteed tracking performance while signicantly reducing the numerical complexity of the designed controller through a robust control scheme. Based on Lyapunov stability theory, the control design is formulated as an LMI (linear matrix inequality) optimization problem. Simulation results carried out with a high-fidelity serial manipulator model embedded in the Simscape MultibodyTM environment of MatlabR clearly demonstrate the effectiveness of the proposed method by comparing with PID controller and computed torque controller.