Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2006. / Bibliogr.: f. [112]-115. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse (M. Sc.)--Université Laval, 2006. / Bibliogr. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

En robotique, il a toujours été difficile pour une jambe ou un bras robotique d'interagir avec son environnement, si ce dernier est inconnu. Les interactions non désirées peuvent causer de sérieux dommages au robot ou à l'environnement, ce qui est encore plus critique si l'environnement implique la présence d'un être humain. Les robots marcheurs sont sujets à ces mêmes contraintes lorsqu’il s'agit de se déplacer en terrains irréguliers et inconnus. Bien que leurs jambes permettent de s'adapter aux surfaces accidentées et de franchir des obstacles, les contacts avec le sol peuvent générer d'importantes forces. Percevoir les contacts avec le sol ainsi que les forces engendrées permettent un contrôle plus approprié du système robotique. Bien qu'il soit possible de munir les pattes de robots de capteurs de contact et de force, il reste que tout choc se répercute sur les engrenages des actionneurs, avec le risque de les endommager. Une autre solution consiste à utiliser des actionneurs élastiques compilants, i.e. des actionneurs munis d'un élément élastique qui permettent d'amortir les chocs et de percevoir les couples appliquées et retournées par l'environnement. Dans le présent travail, nous nous intéressons à l'utilisation d'actionneurs différentiel élastique (ADE) pour la réalisation d'une articulation pour une jambe de robot. L'ADE est un actionneur qui peut permettre une haute densité de couple, avec une impédance mécanique intrinsèque faible et qui peut être contrôlé en force, donc capable d'interactions sécuritaires avec son environnement. Afin de minimiser les dimensions et le poids de l'articulation tout en maximisant le couple et la vitesse, nous avons choisi d'étudier le couplage de deux ADE à travers un différentiel mécanique permettant l'élévation et la rotation d'une jambe de robot. Ainsi, il est possible d'utiliser le couple déployé par les deux actionneurs pour chacun des degrés de liberté, au lieu d'exploiter les capacités d'un seul actionneur par degré de liberté. L'analyse des résultats démontre un bon comportement au niveau du couple et de la vitesse dans les deux degrés de liberté du différentiel. L'intégration préliminaire de l'articulation pourra être utilisée pour étudier le comportement d'un robot marcheur à huit degrés de liberté dans des conditions d'utilisation variées (e.g., charge [i.e. charges] variables, terrains irréguliers).

Ce mémoire traite du développement et de la réalisation d'un robot mobile marcheur à six pattes : Hexapode. Tant la conception mécanique que celle du contrôleur utilise des principes biomimétiques, s'inspirant de la fourmi. Le développement de ce robot permet l'étude théorique et la concrétisation expérimentale de concepts menant à des démarches stables et efficaces. La notion de polygone de support et de retour permet de gérer adéquatement les paramètres de stabilité. Des critères de performance tels que la mobilité, l'autonomie et l'adaptabilité sont utilisés pour parvenir à générer les idées et les concepts derrière cette plate-forme. Les étapes préalables à la fabrication du robot ainsi que le prototype final, Hexapode, qui a été construit sont décrits. L'équilibrage statique du robot a été effectué afin de diminuer la consommation énergétique. La programmation hiérarchique qui se décompose en couche d'interface matérielle, de couche de coordination et de couche décisionnelle permet la gestion des déplacements, des séquences de fonctionnement et la prise de décision pour permettre au robot de mieux faire face à l'environnement dans lequel il évolue. Les applications où Hexapode se démarquerait sont celles qui requièrent la dextérité propre à l'exploration de terrain, ceci pourrait inclure des tâches spatiales ou terrestres.

Ce travail constitue la première étape d'un projet ayant pour but d'élaborer un robot bipède au Laboratoire d'Automatisation Complexe et de Mécatronique de l'Université Laval. Pour débuter, une approche théorique visant à modéliser dynamiquement un bipède plan est choisie. L'objectif spécifique de ce travail est de développer un programme de simulation calculant les efforts impliqués dans la marche d'un bipède effectuant une trajectoire donnée. L'architecture choisie pour représenter le bipède comporte neuf degrés de liberté avec six articulations et sept liens. Ce mémoire présente le développement des équations cinématiques et dynamiques du bipède selon la formulation de Newton-Euler. Ces équations ont été implantées dans un programme Matlab qui a ensuite été validé par des simulations comparatives avec le logiciel Adams. Les résultats de deux simulations montrent que des améliorations sont nécessaires au niveau de la génération des trajectoires de marche et de l'algorithme de calcul en phase de double support.

Les robots marcheurs présentent une instabilité structurelle, du fait de contraintes dynamiques qui restreignent fortement l'étendue des mouvements qu'ils peuvent accomplir.<br />Nous commençons alors par proposer une formulation de la dynamique des robots marcheurs qui fait apparaître la structure spécifique de ces contraintes, démontrant notamment l'importance des appuis au sol. En s'appuyant ensuite sur la notion de viabilité, nous développons un point de vue inédit sur l'équilibre des robots marcheurs, ce qui nous amène à proposer une loi de commande totalement nouvelle, évaluant en permanence, parmi un ensemble de mouvements connus, ceux que le robot est capable de réaliser compte tenu de son état dynamique.<br />Un ensemble de développements logiciels et de travaux expérimentaux sont également entrepris autour du robot BIP, robot anthropomorphe comportant 15 articulations actionnées.

Un domaine de la recherche en ingénierie des systèmes est de développer des systèmes supervisés semi-autonomes qui interagissent à un très haut niveau avec l'humain. Ces systèmes intelligents ont les capacités d'analyser et de traiter certaines informations pour produire un comportement général observable par les capacités sensorielles et temporelles de l'humain. Il est donc nécessaire de définir un environnement créatif qui interface efficacement l'humain aux informations pour rendre de nouvelles expériences multi-sensorielles optimisant et facilitant la prise de décision. En d'autres mots, il est possible de définir un système multi-sensoriel par sa capacité à augmenter l'optimisation de la prise de décision à l'aide d'une interface qui définit un environnement adapté à l'humain. Un système haptique dans un environnement virtuel incluant une collaboration et une interaction entre l'humain, les mécanismes robotisés et la physique de la réalité virtuelle est un exemple. Un système haptique doit gérer un système dynamique non-linéaire sous-contraint et assurer sa stabilité tout en étant transparent à l'humain. La supervision de l'humain permet d'accomplir des tâches précises sans se soucier de la complexité de la dynamique d'interactions alors que le système gère les différents problèmes antagonistes dont de stabilité (délai de la communication en réseau, stabilité des rendus, etc.), de transparence et de performance. Les travaux de recherche proposés présentent un système multi-sensoriel visuo-haptique qui asservisse l'interaction entre l'humain, un mécanisme et la physique de l'environnement virtuel avec une commande bilatérale. Ce système permet à l'humain de réaliser des fonctions ou des missions de haut niveau sans que la complexité de la dynamique d'interaction limite la prise de décision. Plus particulièrement, il sera proposé de réaliser une interface de locomotion pour des missions de réadaptation et d'entraînement. Ce projet, qui est nommé NELI (Network Enabled Locomotion Interface), est divisé en plusieurs sous-systèmes dont le mécanisme entraîné par des câbles nommé CDLI ( Cable Driven Locomotion Interface ), le système asservi avec une commande bilatérale qui assure le rendu de la locomotion, la réalité virtuelle qui inclut la physique de l'environnement, le rendu haptique et le rendu visuel. Dans un premier temps, cette thèse propose une méthode qui assure la qualité de la réponse de la transmission en augmentant la transparence dynamique de l'asservissement articulaire d'une manière automatique. Une approche d'optimisation, basée sur une amélioration des Extremum Seeking Tuning, permet d'ajuster adéquatement les paramètres des régulateurs et définit le critère de l'assurance qualité dans le cas d'une production massive. Cet algorithme est ensuite utilisé, pour étudier le rendu d'impédance avec l'aide de la modélisation d'un câble et de l'enrouleur. Cette modélisation permet de définir un asservissement articulaire hybride qui est utilisé dans la commande hybride cartésienne afin d'assurer le rendu haptique. Dans un troisième temps, dans un contexte de sécurité, la gestion des interférences entre les pièces mécaniques de l'interface de locomotion est décrite avec une méthode d'estimation des collisions des câbles. Une démonstration des interférences entre les câbles de deux plates-formes est simulée démontrant la faisabilité de l'approche. Finalement, la définition d'un moteur physique par un rendu haptique hybride au niveau de la commande cartésienne est présentée en considérant la géométrie des points de contact entre le modèle du pied virtuel et un objet virtuel. Cette approche procure la stabilité d'interaction recherchée lors de la simulation d'un contact infiniment rigide. Un robot marcheur de marque Kondo est embarqué sur l'interface de locomotion pour interagir avec les objets virtuels. Les résultats de la marche du robot dans l'environnement virtuel concrétisent le projet et servent de démonstrateur technologique.

L'exploration planétaire utilise des robots à roues depuis plusieurs années maintenant. Cependant, même si elles ont du succès, ces missions spatiales sont limitées à des terrains relativement plats et sédimentaires. Les zones explorées sont très intéressantes, mais elles le sont moins au point de vue de la recherche de traces potentielles de vie lorsqu'elles sont comparées à certains endroits plus risqués. Il est entendu que les agences spatiales ne peuvent prendre le risque d'envoyer des véhicules au coût important dans ces zones à la géologie peu commune. C'est pourquoi l'exploration spatiale évoluera peut-être vers l'utilisation de petits robots à faible coût assez agiles pour explorer ces terrains riches en informations géologiques. La recherche de vie sur Mars pour expliquer notre existence fait rêver. Les contraintes de cette mission sont cependant nombreuses puisque la planète n'est pas très hospitalière. Après avoir examiné plusieurs options, le Laboratoire de robotique de l'Université Laval a développé un petit robot marcheur inspiré des insectes. Ce mémoire décrit les étapes de design que la plateforme tout-terrain a franchies, soient l'analyse, la conception, la fabrication et l'expérimentation. Le système a traversé ce processus rigoureux avec succès, mais a toujours besoin d'améliorations. C'est là tout l'intérêt du projet, envoyer un robot parfaitement fonctionnel et autonome sur Mars pour parcourir aisément cette planète qui a tant de secrets à découvrir.

Dans ce travail le problème de la commande de la marche dynamique des robots bipèdes<br />sous-actionnés est traité. Deux nouvelles approches de commande sont proposées. La première approche<br />est une commande prédictive non linéaire de faible dimension. Le principe de base de cette<br />approche consiste à utiliser le concept de linéarisation partielle par retour d'état, pour scinder les<br />composantes du vecteur d'état du système, en sous-état à dynamique complètement linéarisée, et un<br />sous-état à dynamique interne; puis utiliser des trajectoires optimales de référence sur les coordonnées<br />linéarisées pour stabiliser la dynamique interne du système. Ces trajectoires visent à reproduire une<br />certaine configuration désirée dans le but de toucher périodiquement la surface d'impact. La stabilité<br />du système en boucle-fermée est analysée par un outil graphique basé sur la section de Poincaré.<br />La deuxième contribution apportée par ce travail est une approche de commande de type Lyapunov.<br />Le principe de base de cette approche consiste à scinder le cycle de marche en trois phases chronologiquement<br />consécutives qui sont la phase de simple support, la phase d'impact et la phase de<br />double support. L'objectif est alors de trouver des lois de commande sur le cycle complet de marche.<br />Pour cela, les modèles dynamiques régissant le robot marcheur dans les différentes phases du cycle<br />de marche sont calculés. Pour commander le robot dans les différentes phases, des lois de commandes<br />inspirées des commandes hybrides position/force de robots manipulateurs à plusieurs degrés de liberté<br />sont proposées.