Ce mémoire présente la conception d’un mécanisme parallèle passif élastique utilisé afin de contrôler un robot sériel à 5 degrés de liberté de façon sécuritaire et intuitive. Ce mémoire présente deux articles qui ont été écrits dans le cadre du projet et qui présentent dans un premier temps l’algorithme de contrôle sur lequel le concept est basé, et dans un deuxième temps le prototype du mécanisme passif servant à détecter les mouvements. L’algorithme de contrôle est inspiré par le concept de manipulateur macro/mini où l’utilisateur interagit avec un mécanisme passif à faible impédance afin de contrôler le mouvement d’un mécanisme actionné qui a une plus grande impédance. Le concept, déjà utilisé pour des manipulateurs de type portique, est étendu à un robot sériel à plusieurs degrés de liberté. L’algorithme utilise une mesure de déplacement du mini-manipulateur passif afin d’appliquer des couples aux moteurs du macromainpulateur actionné. Afin de détecter les déplacements, un capteur à 6 degrés de liberté est conçu. L’architecture du capteur, qui est basée sur la platforme de Gough-Stewart, consiste en un mécanisme parallèle assemblé sur une membrure du robot sériel. Des résultats expérimentaux sont présentés. / This thesis presents the design and experimental validation of a passive elastic parallel mechanism used to control intuitively and safely a five-degree-of-freedom serial robot. The thesis presents two articles which were written in the course of the project. The articles present, firstly, the control algorithm which is the basis of the concept, and secondly, the mechanical design of the passive mechanism. The algorithm is inspired from the macro/mini architecture where the human user interacts with a lowimpedance passive mechanism in order to control the motion of a larger actuated mechanism which has a higher impedance. This concept, used on gantry manipulators, is extended to a serial robot with multiple degrees of freedom. The algorithm uses a displacement measurement from the passive mechanism in order to compute and apply torques to the actuated mechanism. In order to measure the displacements, a passive six-degree-of-freedom mechanism is designed. The architecture of the sensor, based on the Gough-Stewart platform, is in fact a passive parallel mechanism mounted around the link of a serial robot. Experimental results are provided.

Cette thèse a pour objectif la modélisation et la commande d'un robot parallèle actionné pneumatiquement destiné à des applications de prise et dépose d'objets. Les actionneurs pneumatiques sont des actionneurs à bas coût et ayant des rapports poids/puissance plus importants que les actionneurs électriques. Ceci a pour avantage de réduire le coût de revient du robot en augmentant sa capacité de charge. Cependant, du fait des fortes non linéarités qui les caractérisent (compressibilité de l'air, caractéristique de la valve, frottement, hystérésis ...), le principal obstacle à leur utilisation en robotique est leur commande de façon précise et robuste. C'est pour cela que plusieurs stratégies de commande ont été proposées et implémentées expérimentalement sur un banc d'essai utilisant trois types d'actionneurs pneumatiques: deux vérins et des muscles artificiels travaillant en mode antagoniste. Ces stratégies sont des schémas en cascade qui –après une linéarisant exacte obtenue sur la base du système non linéaire- combinent un contrôleur externe de position et une boucle interne de force (équivalente à la différence de pression) dans le cas des vérins pneumatiques. Pour les muscles artificiels, le même principe est utilisé sauf que la boucle interne de force est remplacée par une boucle qui régule le couple en contrôlant les pressions de chacun des deux muscles. Un contrôleur prédictif généralisé (GPC) est synthétisé pour la boucle de position permettant ainsi de réduire sensiblement les temps de réponse. Pour la boucle interne de pression, un contrôleur robuste multi-objectif combinant des performances H infinie avec des contraintes de placement de pôle a été synthétisé. L'utilisation d'inégalités matricielles affines (LMI) a permis de combiner les objectifs du contrôleur de façon très intuitive. Le choix de ce contrôleur robuste est motivé par la nécessité de rejeter les fortes variations de charge qui caractérisent les applications de prise-et-dépose d'objets. Deux autres stratégies pour la commande prédictive en effort ont été synthétisées sur les vérins et les muscles et ont donné des résultats très encourageants. Les résultats expérimentaux obtenus ont montré l'apport de ces lois de commande en termes de performances (réduction des temps de réponse, erreurs de suivi faibles) et de robustesse (bon rejet des perturbations). Une étude comparative des trois actionneurs testés a conduit au choix du vérin à double effet standard car offrant le meilleur compromis entre performances, robustesse et coût de l'actionneur. En se basant sur ce choix, un nouveau prototype de robot parallèle à deux degrés de liberté utilisant les vérins standards a été conçu, modélisé et commandé en utilisant les différentes stratégies en cascade proposées. L'implémentation expérimentale des algorithmes de commande a conduit à des résultats encourageants en termes de qualité de suivi et de rejet de perturbations. / The thesis objective is the control of a parallel robot driven with pneumatic actuators for pick-and-place applications. The advantage of using pneumatic actuators rather than electrical ones is that they are cheaper and have a bigger power-to-weight ratio which can increase the payload abilities of the robot. However, due to their strong nonlinearities such as air compressibility, valve characteristic, friction, and hysteresis, they are still difficult to control precisely and in a robust way.That is why the main contribution of the thesis is in the control area where different control schemes have been proposed and experimentally implemented on a test bench that involves three types of pneumatic actuators: two cylinders and agonist/antagonist artificial muscles. After the modeling and identification of the nonlinear models, different strategies have been developed: for cylinders, a cascade scheme which uses an outer position control loop and an inner force (or pressure difference) loop is used. For muscles, the inner force loop is replaced by a torque loop controlled by acting on the pressures in each muscle. For position, a Generalized Predictive Controller (GPC) is synthesized reducing sensibly the time responses. For the inner pressure loop, an LMI based multi objective controller is synthesized combining H infinity performances and pole placement constraints. The choice of a robust controller is motivated by the necessity of rejecting load variation disturban ces that characterize pick-and-place applications. On the other hand, two predictive control strategies with feedback linearization were implemented showing very encouraging results.The different experimental results have shown the interest of such strategies in terms of performances (time response reduction, good dynamic tracking) and robustness (disturbance rejection). The comparison of the three tested actuators led to the choice of the standard double acting cylinder because it offers the best compromise in terms of performances and cost. This cylinder was then used to design a planar parallel robot and the implementation of the proposed cascade strategies. The experimental tests showed encouraging results in terms of disturbance rejection and ability of tracking dynamic references and performing pick-and-place cycles.

La popularité des robots parallèles s’est considérablement accrue lors des dernières décennies. Cette popularité a été stimulée par les nombreux avantages qu’offrent les robots parallèles par rapport à leurs homologues traditionnels sériels concernant certaines applications industrielles nécessitant de fortes accélérations et une bonne précision. Toutefois, afin d'exploiter pleinement leur potentiel et de tirer le meilleur de leurs capacités, un long chemin reste encore à parcourir. En plus de la conception mécanique, l'étalonnage et l'optimisation de la structure, le développement d’une commande efficace joue un rôle primordial dans l’amélioration de la performance globale des robots parallèles. Cependant, ces derniers sont connus par leur dynamique fortement non linéaire qui s’accroît considérablement lorsque de fortes accélérations sont sollicitées conduisant à des vibrations mécaniques. En outre, les incertitudes sont abondantes dans ces systèmes en raison des hypothèses simplificatrices de modélisation, l'usure des composants du robot et les variations de l'environnement. De plus, leur dynamique couplée et la redondance d'actionnement dans certains mécanismes donnent lieu à des problèmes de commande complexes et difficiles à gérer. Par conséquent, les stratégies de commande développées pour les robots parallèles devraient tenir compte de tous les enjeux et défis mentionnées précédemment. L'objectif principal de cette thèse réside dans la proposition de nouvelles stratégies de commande adaptatives pour les robots parallèles tenant compte de leurs caractéristiques et particularités afin d'améliorer leurs performances de suivi de trajectoires. En outre, les stratégies de commande développées devraient être validées d'abord en simulation, puis à travers des expérimentations temps-réel sur les robots parallèles à notre disposition. Dans ce contexte, trois contributions majeures sont proposées dans le cadre de cette thèse. Tout d'abord, une nouvelle classe de contrôleurs adaptatifs avec des gains de retour non linéaires temps-variant est proposée. La deuxième contribution réside dans le développement d’une version adaptative de la commande robuste RISE. Pour la troisième contribution, la stratégie de commande adaptative L1, récemment développée, est appliquée pour la première fois sur un robot parallèle, suivie de deux nouvelles extensions basées-modèle. Des simulations numériques ainsi que des expérimentations temps-réel sur différents prototypes de robots parallèles sont présentées et discutées. Tous les contrôleurs proposés sont validés pour différents scénarios permettant ainsi de montrer leur pertinence et efficacité. / Parallel Kinematic Manipulators (PKMs) have gained an increased popularity in the last few decades. This interest has been stimulated by the significant advantages of PKMs compared to their traditional serial counterparts, with respect to some specific industrial tasks requiring high accelerations and accuracy. However, to fully exploit their potential and to get the most of their capabilities, a long path is still to be covered. In addition to mechanical design, calibration and optimization of the structure, efficient control development plays an essential role in improving the overall performance of PKMs. However, PKMs are known for their highly nonlinear dynamics which increases considerably when operating at high accelerations leading to mechanical vibrations. Moreover, uncertainties are abundant in such systems due to model simplifications, the wear of the components of the robot and the variations of the environment. Furthermore, their coupled dynamics and actuation redundancy in some mechanisms give rise to complex and challenging control issues. Consequently, the developed control schemes should take into account all the previously mentioned issues and challenges. The main goal of this thesis lies in the proposal of new adaptive control schemes for PKMs while considering their characteristics and particularities in order to improve their tracking capabilities. Moreover, the developed control strategies should be first validated through numerical simulations, then through real-time experiments on available PKMs. Within this context, three main contributions are proposed in this thesis. First, a new class of adaptive controllers with nonlinear time-varying feedback gains is proposed. The second contribution lies in an adaptive-based extended version of RISE robust feedback control strategy. For the third contribution, the recently developed L1 adaptive control strategy is applied for the first time on a PKM, followed by two novel model-based extensions. Numerical simulations as well as real-time experiments on various PKMs prototypes are provided and discussed. All the proposed controllers are validated for different operating conditions in order to show their relevance and efficiency.

Dans le but d'améliorer la précision de positionnement statique des manipulateurs à structure parallèle, nous proposons pour ces structures un modèle qui n'est plus uniquement géométrique, mais élastogéométrique. Les paramètres de ce modèle sont identifiés au cours d'une phase d'étalonnage dédiée. Ces stratégies de modélisation et d'étalonnage sont appliquées à une structure parallèle Delta. La modélisation géométrique faisant intervenir 42 paramètres, intègre de possibles défauts de géométries des parallélogrammes. Le modèle de déformation élastique proposé est fondé sur une analyse de la rigidité des structures parallèles par éléments finis qui, grâce à 6 paramètres préalablement identifiés, prend en compte la raideur des liaisons passives de la structure. Des validations expérimentales montrent que l'identification des paramètres de ce modèle élasto-géométrique permet d'accroître la précision de positionnement statique de la structure, et ce, quel qu'en soit son chargement.

Cette thèse est consacrée à l'identification et à la commande de machines parallèles (robot H4 du LIRMM). Les robots parallèles possèdent une dynamique élevée ce qui impose de lois de commande capables de prendre en compte cette dynamique. Ces lois sont bassées sur le modèle dynamique du robot et les paramètres dynamiques doivent être estimés d'abord. Nous avons proposé deux approches pour identifier ces paramètres : une première approche par moindres carrés pondérés et une deuxième approche dans un contexte à erreur bornée qui fourni un ensemble solution garantie. Dans ce dernier cas deux méthodologies sont mises en œuvre : estimation ellipsoïdale et estimation par intervalles. Une analyse expérimentale comparative des trois méthodes pour l'estimation des 14 paramètres du robot est alors presentée. Les paramètres sont alors utilisés pour la synthèse d'une commande prédictive fonctionnelle référencée sur un modèle linéaire. Une méthodologie originale a été développée : d´abord l'identification du modèle dynamique et linéarisation du système, puis l'identification du modèle interne pour la commande prédictive et synthèse de cette commande avec pré-bouclage en vitesse afin de stabiliser le processus linéarisé. Cette commande est comparée à deux stratégies classiques utilisées en robotique : la commande PID et la commande dynamique. Les performances de ces commandes ont été testées lors de mouvements simples et complexes. La stratégie prédictive fournit de meilleures réponses en termes de dynamique, précision et robustesse.

Les techniques classiques de synthèse des mécanismes sont encore limitées de point de vue application et performances. L'expérience du c oncepteur est encore l'atout essentiel pour résoudre ce genre de problème. Dans ce but, on se propose de développer des outils de synthèse de mécanismes plans et spatiaux et de robots parallèles par une méthode évolutionnaire. La première partie s'intéresse à la synthèse des mécanismes plans et spatiaux. La nouvelle modélisation proposée utilise le paramétrage de Denavit-Hartenberg. Ce paramétrage permet facilement d'étudier, les quatre familles de mécanismes que nous avons identifié. Ils sont résolus par une technique d'optimisation basée sur un couplage entre un algorithme génétique et un contrôleur de logique floue. On développe égalem ent une application d'un mécanisme spatial, que nous avons proposé, comme dispositif anti-escarres. La deuxième partie est dédiée à l'analyse et à la synthèse dimensionnelle du robot DELTA pour un espace de travail prescrit. On introduit la notion de puissance d'un point par rapport à une surface, utilisée dans la formulation du problème de synthèse. En fait, cette approche repose sur un processus d'optimis ation génétique s'adaptant aux différents critères de synthèse.

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.

La contrainte de fermeture des chaînes cinématiques des robots parallèles rend leur modélisation et leur commande complexes. Pourtant, cette architecture leur confère des performances remarquables en terme de charges supportées, de rigidité et de rapidité. Pour bénéficier de ces qualités et simplifier les modèles, nous avons proposé d'utiliser un capteur de vision pour remplacer les modèles géométriques dans la commande et offrir une mesure de l'état au lieu d'une estimation. En premier lieu, nous avons revisité l'asservissement visuel 3D par observation de l'organe terminal dans le cadre specifique des robots parallèles. Dans ce cas, nous avons choisi la pose comme signal µa réguler et montré que la commande ainsi obtenue est une régulation dans l'espace d'etat (qui est egalement l'espace de la tâche). En deuxième lieu, nous nous sommes penché sur le choix d'un signal capteur qui permet une bonne adéquation entre les informations visuelles et les modèles utilisés dans la commande. C'est ainsi que nous avons proposé une architecture dédiée à la commande, unissant plusieurs familles de robots parallèles, qui repose sur l'exhibition dans la chaîne cinématique. Par la suite, nous avons développé une approche innovante basée sur l'observation des éléments référents et les modèles de projection de droite. En utilisant une mesure de la position de ces éléments, cette dernière méthode permet de se passer d'une cible extérieure au robot et d'un calcul de pose additionnel tout en permettant une représentation optimale de la cinématique du robot et en offrant des méthodes d'étalonnage qui utilisent directement le signal capteur. Ces méthodes permettent aussi de se passer des variables articulaires, ce qui peut offrir aux robots parallèles une meilleure autonomie et simplifier leur conception.

La manipulation aérienne est l’un des défis de la robotique au cours de cette dernière décennie. L’un des freins au développement des manipulateurs aériens est l’autonomie limitée des drones, réduite par la charge et la consommation électrique du manipulateur embarqué. Une solution pour dépasser cette limite passe par la collaboration de plusieurs drones dans une tâche de manipulation. Cette thèse porte sur la conception et la commande d’un nouveau type de véhicule autonome aérien destiné à la manipulation. Le concept consiste à faire collaborer plusieurs drones, en particulier des quadricoptères, au travers d’une architecture passive polyarticulée. Le robot ainsi obtenu est une fusion entre l’architecture passive d’un robot parallèle et plusieurs drones. L’étude du modèle dynamique de cette classe de robots met en avant un découplage dans le modèle dynamique. Ce découplage permet la conception d’une commande en cascade qui assure la stabilisation et le suivi de trajectoire pour ces robots. Deux cas d’étude sont ensuite déclinés dans cette thèse : un robot parallèle volant à deux drones et un robot parallèle volant à trois drones. Pour ces deux robots, une simulation numérique est effectuée afin de valider le fonctionnement de la commande. Ces simulations ont également permis de valider la possibilité de changer la configuration de l’architecture passive en vol. Les travaux ont été portés avec succès jusqu’au stade expérimental pour le robot volant à deux drones. / Aerial manipulation is one of the challenges of robotics over the last decade. One of the constraints on the development of aerial manipulators is the limited autonomy of drones, reduced by the load and energy consumption of the on-board manipulator. One way to overcome this limit is to have several drones collaborate on a manipulation task. This thesis deals with the design and control of a new type of autonomous aerial vehicle for manipulation tasks. The concept consists in the collaboration of several drones, in particular quadrotors, through a polyarticulated passive architecture. The robot thus obtained is a fusion between the passive architecture of a parallel robot and several drones. The study of the dynamic model of this robot class highlights a decoupling in the dynamic model. This decoupling allows the design of a cascade control law. This controller provides stabilization and trajectory tracking for these robots. Two study cases are then presented in this thesis: a flying parallel robot with two drones and a flying parallel robot with three drones. For these two robots, a numerical simulation is performed to validate the controller performances. These simulations also allowed to validate the reconfiguration abilities of passive architecture in flight. The work was successfully carried to the experimental stage for the flying robot with two drones.

Cette thèse présente l'analyse, la synthèse, l'optimisation, le design et la validation expérimentale de mécanismes de sécurité dans le contexte de l'interaction physique humain-robot. Afin d'améliorer la sécurité, une condition essentielle à la coexistence d'humains et de robots, une approche basée sur la conception de manipulateurs intrinsèquement sécuritaires est préférée à des systèmes d'évitement et de détection de collision, pour des raisons de fiabilité. La force maximale de contact survenant lors d'une collision est utilisée comme critère de sécurité pour sa simplicité et sa validité dans le contexte de la robotique. Pour les robots sériels, il est proposé de placer un limiteur de couple en série avec chaque actionneur tandis que pour les robots suspendus, on opte pour la séparation de la base et de l'effecteur par un mécanisme parallèle dont certains pivots sont remplacés par des limiteurs de couple --- formant ainsi un \emph{limiteur de force cartésien}. L'utilisation de ces mécanismes permet de réduire l'inertie effective du manipulateur lorsqu'une collision survient sans nuire aux performances du robot en situation normale. Un modèle est d'abord créé afin de comparer par simulation les gains de sécurité obtenus par des limiteurs de couple et d'autres mécanismes de sécurité articulaires utilisés seuls ou en combinaison avec d'autres dispositifs. Des méthodes de commande optimale des seuils de limiteurs de couple ajustables placés en série avec chaque actionneur d'un robot sériel sont ensuite développées. Un indice de performance cinématique est proposé afin d'optimiser la pose et l'architecture d'un tel robot. L'approche et les méthodes développées sont validées expérimentalement à l'aide de prototypes de limiteurs de couple ajustables basés sur la friction placés en série avec les actionneurs d'un robot sériel à quatre degrés de liberté. Finalement, des architectures de limiteurs de force cartésiens sont proposées et optimisées et leur efficacité dans le contexte des robots suspendus est validée expérimentalement. / This thesis presents the analysis, synthesis, optimization, design and experimental validation of safety mechanisms in the context of physical human-robot interaction. In order to improve safety, which is essential to allow the coexistence of humans and robots, an approach based on the design of intrinsically safe manipulators is preferred to collision avoidance and detection systems for reliability reasons. The maximum contact force occuring during a collision is used as a safety criterion due to its simplicity and validity in the context of robotics. For serial robots, it is proposed to place a torque limiter in series with each actuator whereas for suspended robots, it is preferable to separate the base and the effector with a parallel mechanism in which some joints are replaced with torque limiters --- thereby forming a \emph{Cartesian force limiting device}. The use of such mechanisms allows the reduction of the effective manipulator inertia during a collision without affecting the performances under normal conditions. A model is first created in order to compare --- using simulations --- the safety gains obtained with torque limiters with the ones obtained with other articular safety mechanisms when they are implemented alone or in combination with other safety devices. Methods to optimally control the thresholds of adjustable torque limiters placed in series with each actuator of a serial robot are developed. A kinematic performance index is proposed in order to optimize the pose and architecture of such a robot. The approach and the developed methods are experimentally validated using prototypes of adjustable torque limiters based on friction which are placed in series with each actuator of a four-degree-of-freedom robot. Finally, architectures of Cartesian force limiting devices are proposed and optimized and their effectiveness in the context of suspended robots is experimentally validated.