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L’apprentissage manuel d’un mouvement à un robot est déjà chose faite de nos jours. Cependant, les équipements utilisés afin de détecter le mouvement souhaité sont actuellement des capteurs de force. Ceux-ci sont réputés pour être compacts et robustes, mais demandent d’appliquer une certaine force sur le robot avant qu’il se déplace ce qui donne l’impression qu’il y a un délai de réponse. L’objectif principal du projet de recherche consiste à développer un capteur de déplacement sous la forme d’un mini manipulateur parallèle passif pouvant être monté au poignet d’un robot sériel afin de le contrôler par déplacement. Le capteur servira d’interface dynamique pour la manipulation du robot par un humain. Le but est de rendre le contrôle le plus intuitif possible pour l’utilisateur. Le concept est de forme circulaire et est conçu pour être monté autour du poignet du robot de sorte que l’utilisateur a l’impression de déplacer directement le robot. Le résultat de ce projet permettra de faciliter le contrôle manuel d’un robot sériel et de le rendre plus intuitif. Ceci pourra être mis en application pour l’apprentissage de trajectoires à un robot ou encore pour faciliter le déplacement, non répétitif, de charges lourdes. / Teaching a prescribed trajectory to a robot manually is possible using current technology. However, to accomplish this, the robot needs to have load sensors. This type of sensor is robust and compact but creates a lag time caused by the time to apply the load on the sensor and the processing time. The main goal of this research project is to develop a displacement sensor. This sensor consists of a miniature passive parallel robot and is designed to be mounted on the wrist of a serial robot. The user will be able to move the parallel robot to control the serial one. The sensor will be used as a dynamic interface when manipulated by the user. Since the effector is circular and mounted around the wrist of the robot, the user will have the impression to directly control the robot. The goal of using this type of sensor is to give the user a more intuitive feeling and a minimum lag time. The prototype can be used to teach a prescribed trajectory to a robot or to move a heavy loads along non-repetitive paths.

Les véhicules aériens miniatures à ailes fixes (MiniAV) sont de petits avions avec une envergure d'ailes de moins de 1000 mm et pesant moins de 500 grammes. Grâce aux avancées qui ont été réalisées ces dernières années dans la miniaturisation des autopilotes et dans la propulsion électrique, il est maintenant possible de construire des MiniAVs qui peuvent être utilisés à des fins de reconnaissance en milieu restreint ou hostile. Pour réaliser cet objectif, le MiniAV doit être capable d'effectuer, de façon semi-autonome, des vols non stationnaires et stationnaires et être capable de réaliser des transitions autonomes entre ces modes. Ce mémoire décrit le développement d'une stratégie de contrôle pour permettre à un MiniAV de réaliser des transitions autonomes entre les modes de vol non stationnaire et stationnaire. Il est possible de diviser l'enveloppe de vol d'un MiniAV en 4 modes distincts : le mode non stationnaire, le mode non stationnaire vers stationnaire (L2H), le mode stationnaire et le mode stationnaire vers non stationnaire (H2L). Les structures des modèles pour les modes non stationnaires et stationnaires sont basées sur la linéarisation d'un modèle de MiniAV à corps rigide ayant 6 degrés de liberté. Les contrôleurs de ces deux principaux modes de vol sont présentés. Le mode L2H est gérée par le contrôleur du mode non stationnaire, tandis que le mode H2L est géré par le contrôleur du mode stationnaire. Une approche systématique, appuyée par un superviseur basé sur la logique, est développée pour gérer les transitions entre les modes. La performance du superviseur est démontrée à travers des vols expérimentaux sur un banc de test. Il est montré que la stratégie proposée est capable de mieux performer que les méthodes rencontrées dans la littérature utilisant des plateformes similaires.

Ce mémoire présente le développement d'un mécanisme de type macro-mini permettant des interactions humain-robot intuitives. Le type d'architecture macro-mini permet de contrôler un robot ayant une grande impédance tel qu'une cellule robotisée cartésienne (e.g. gantry) à l'aide d'un mécanisme à plus faible impédance, réduisant considérablement l'effort devant être fourni par l'opérateur et atténuant par conséquent la fatigue de ce dernier. Le mécanisme macro-mini proposé est composé d'une cellule robotisée cartésienne ayant trois axes et d'un mécanisme parallèle découplé à trois degrés de liberté. Chacun des axes de la cellule est contrôlé à partir de mesures de position angulaire provenant d'un encodeur attaché à l'un des degrés de liberté du mécanisme parallèle. Ce type d'architecture découplé permet un contrôle simple et intuitif. Le contrôle par impédance est privilégié pour ce type d'architecture. Une comparaison expérimentale des performances entre le contrôle par impédance et par admittance utilisant des capteurs d'effort est également présentée. L'analyse des résultats obtenus démontre que le contrôle par impédance permet d'effectuer des tâches plus rapidement (facteur 2) et avec moins d'effort (facteur 20). Une analyse approfondie de la stabilité du système avec différents modèles de contrôleur par impédance a été effectuée. Ceci a permis de déterminer que le contrôleur par impédance standard n'est pas stable lorsque utilisé avec l'architecture proposée. Un contrôleur alternatif a donc été développé afin de permettre un contrôle plus intuitif et stable. L'ajout d'un moteur à l'axe de rotation du mécanisme parallèle a permis la création de retour haptique à l'utilisateur a n de simuler des interactions avec des objets ou contraintes virtuelles. Ce retour haptique a également été utilisé pour varier l'impédance ressentie par l'utilisateur en ajoutant une masse virtuelle à l'effecteur du mini. Pour terminer, l'analyse de la dynamique du système est utilisée pour la détection de collision entre le mécanisme parallèle et l'environnement sans avoir recours à des capteurs d'effort. Cet élément est essentiel pour des interactions humain-robot sécuritaires. / This thesis presents the development of a novel macro-mini mechanism allowing intuitive physical human-robot interaction (pHRI). This type of architecture allows the control of a high-impedance robot such as a Cartesian gantry robot in a manufacturing environment using a smaller and lower impedance mechanism, therefore allowing a signi cant reduction of the operator's e ort and fatigue. The proposed macro-mini mechanism consists of a three-axis Cartesian gantry system (i.e. macro mechanism) and a passive three-degree-of-freedom parallel mechanism (i.e. mini mechanism). The mini mechanism is statically balanced at its workspace centre and all three degrees of freedom are decoupled. This means that the gantry axes are individually controlled using the measurement of a single angular encoder of the mini. It also means that the motion of the mini mechanism along the direction of a degree of freedom does not a ect the remaining degrees of freedom, considerably simplifying the control. The use of impedance control with this type of architecture is thoroughly described and analyzed. An experimental comparison with a standard admittance controller using a force sensor is accomplished using a simple peg-in-hole experiment. Results show that the impedance control allows a faster task completion (by a factor of 2) with smaller e ort (by a factor of 20) compared with the admittance controller. A comprehensive stability analysis is also accomplished on several designs of impedance controller, but with the same macro-mini architecture. Results demonstrate that the standard impedance controller is not stable with the proposed architecture and hence an alternative controller is introduced and evaluated. A backdrivable motor is added at the mini's joint in order to render haptic feedback to the operator. Such feedback is used to simulate virtual environment interactions such as walls and collisions with movable objects. The backdrivable motor is also used to vary the impedance felt by the user during control by adding a virtual mass at the mini mechanism end-e ector. Finally, the system's dynamic analysis is used for collision detection of the macro-mini mechanism during planned trajectory motion without the need for force sensors. This last aspect is essential for safe physical human-robot interactions.

Cette thèse présente deux nouvelles architectures de commande pour les interactions physiques humain-robot (pHRIs). Ces architectures sont spéciquement développées dans une vision d'implantation en industrie pour les manipulations d'assemblage. En effet, deux types de robots collaboratifs adaptés à dfférentes contraintes de l'industrie et ayant des interfaces d'interactions physiques différentes sont étudiés en utilisant chacun leur propre architecture de commande. Le premier robot collaboratif développé est un manipulateur entièrement actionné permettant des pHRIs dans son espace libre, c.-à-d., des interactions unilatérales, et des pHRIs lorsque ses mouvements sont contraints par un environnement quelconque, c.-à-d., des interactions bilatérales. Les interactions de l'humain peuvent s'effectuer sur n'importe quelles parties du robot grâce aux capteurs de couples dans les articulations. Cependant, si une amplication des forces de l'humain sur l'environnement est désirée, alors il est nécessaire d'utiliser le capteur d'efforts supplémentaire attaché au robot. Ceci permet à la commande, en combinant les lectures du capteur d'efforts à l'effecteur, d'utiliser le ratio des forces appliquées indépendamment par l'opérateur et par l'environnement an de générer l'amplication désirée. Cette loi de commande est basée sur l'admittance variable qui a déjà démontré ses bénéces pour les interactions unilatérales. Ici, l'admittance variable est adaptée aux interactions bilatérales an d'obtenir un seul algorithme de commande pour tous les états. Une loi de transition continue peut alors être dénie an d'atteindre les performances optimales pour chaque mode d'interaction qui, en fait, nécessitent chacun des valeurs de paramètres spéciques. Le cheminement et les résultats pour arriver à cette première architecture de commande sont présentés en trois étapes. Premièrement, la loi de commande est implémentée sur un prototype à un degré de liberté (ddl) an de tester le potentiel d'amplication et de transition, ainsi que la stabilité de l'interaction. Deuxièmement, un algorithme d'optimisation du régulateur pour les interactions bilatérales avec un robot à plusieurs ddls est développé. Cet algorithme vérie la stabilité robuste du système en utilisant l'approche des valeurs singulières structurées (- analysis), pour ensuite faire une optimisation des régulateurs stables en fonction d'une variable liée à la conguration du manipulateur. Ceci permet d'obtenir une loi de commande variable qui rend le système stable de façon robuste en atteignant des performances optimales peu iii importe la conguration des articulations du robot. La loi de commande trouvée utilise un séquencement de gain pour les paramètres du régulateur par admittance durant les interactions bilatérales. La stabilité et la performance du système sont validées avec des tests d'impact sur différents environnements. Finalement, la loi de commande en admittance variable optimale est implémentée et validée sur un robot manipulateur à plusieurs ddls (Kuka LWR 4) à l'aide de suivis de trajectoire pour des interactions unilatérales et bilatérales. Le deuxième robot collaboratif développé est un manipulateur partiellement actif et partiellement passif. L'architecture mécanique du robot est appelée macro-mini. Tous les degrés de liberté actionnés faisant partie du macro manipulateur sont doublés par les articulations passives du mini manipulateur. Le robot est alors sous-actionné. L'opérateur humain interagit uniquement avec le mini manipulateur, et donc, avec les articulations passives ce qui élimine tous délais dans la dynamique d'interaction. Ce robot collaboratif permet de dénir une loi de commande qui génère une très faible impédance lors des interactions de l'opérateur, et ce, même pour des charges utiles élevées. Malgré que des amplications de force ne peuvent être produites, les interactions bilatérales ont une stabilité assurée peu importe la situation. Aussi, les modes coopératif et autonome du robot utilisent les mêmes valeurs de paramètres de commande ce qui permet une transition imperceptible d'un à l'autre. La nouvelle loi de commande est comparée sur plusieurs aspects avec la commande en admittance variable précé- demment développée. Les résultats démontrent que cette nouvelle loi de commande combinée à l'architecture active-passive du macro-mini manipulateur, appelé uMan, permet des interactions intuitives et sécuritaires bien supérieures à ce qu'un système entièrement actionné peut générer. De plus, pour l'assistance autonome, une détection de collision avancée et une plani cation de trajectoire adaptée à l'architecture du robot sont développées. Des validations expérimentales sont présentées an d'évaluer la facilité à produire des manipulations nes, de démontrer la sécurité du système et d'établir la viabilité du concept en industrie. / This thesis presents two novel control architectures for physical human-robot interactions (pHRIs) which are specically designed for the assembly industry. Indeed, two types of pHRI manipulators, each adapted to different industrial constraints and with different physical interaction interfaces, are studied each with their own control architecture. The rst pHRI manipulator designed is fully actuated and allows pHRIs in its free space, i.e., unilateral interactions, as well as pHRIs when its motion is constrained by the environment, i.e., bilateral interactions. The human force input can be applied on any of the manipulator's links because of the torque sensors in the robot joints. However, if a human force amplication is desired on the environment, then it is required to use the additional force sensor appended to the robot. Using this approach, combined with the signal of the force sensor at the end effector, it is then possible to use the ratio between the human and environment forces in order to generate the desired amplication. This control law is based on the concept of variable admittance control which has already demonstrated its great benets for unilateral interactions. Here, this concept is extended to bilateral interactions in order to obtain a single control algorithm for both states. A continuous transition can thus be implemented between both interaction modes which require different parameter values in order to achieve their optimal performance. The workow and results to achieve this rst control architecture are presented in three steps. Firstly, the control law is implemented on a single-degree-of-freedom (dof) prototype in order to test the amplication and transition potential, as well as the stability of the interaction. Secondly, a control optimisation algorithm is developed for bilateral interactions with a multidof robot. This algorithm assesses the system's robust stability using the structured singular value approach (-analysis), to afterwards, optimize the stable controllers in relation to a manipulator's conguration-dependent variable. This approach leads to a variable control law yielding a robustly stable system that can reach optimal performances for any robot conguration. In fact, the admittance regulator parameters follow a gain scheduling paradigm for bilateral interactions. The stability and performance of the system are assessed using impact tests on different environments. Finally, the optimal variable admittance control law is implemented and validated on a multi-dof robot (Kuka LWR 4) using different trajectory v tracking tasks for unilateral and bilateral interactions. The second pHRI manipulator designed is partially active and partially passive. The robot's mechanical architecture is known as a macro-mini. All actuated dofs which are part of the macro manipulator are doubled with passive joints which are part of the mini manipulator. This robot is therefore underactuated. The human operator interacts solely with the mini manipulator and, thereby, solely with the passive joints which leads to an interaction dynamics free of any delay. It is possible with this pHRI manipulator to dene a control law that yields an extremely low interaction impedance, even for heavy payloads. Despite the fact that force amplication is impractical with this kind of mechanism, bilateral interactions are stable for all sorts of contact. Moreover, the robot's cooperative and autonomous modes use similar control parameter values which enables an imperceptible transition from one mode to the other. The new control law is compared on different aspects with the previously-dened variable admittance control law. Results show that this new control law combined with the active-passive macro-mini manipulator, also known as uMan, leads to intuitive and safe interactions that are considerably superior to any interaction using a fully actuated manipulator. Furthermore, for the autonomous mode, an advanced collision detection and a specicallyadapted trajectory planning are developed. Experimental validations are presented in order to assess the ease of ne manipulation, to demonstrate the system's safety, and to establish the viability of the concept for the industry.

L'objectif de ce mémoire est de développer des interfaces de contrôle et d'identification du robot IBM 7576 avec le modèle de base dans lequel, nous traitons l'aspect général des contrôleurs de manipulateurs et conceptuel du fonctionnement du robot. Faire établir la communication entre le robot et l'ordinateur via toutes les cartes d'acquisitions, créer une interface ayant deux fonctions (contrôle et identification) du robot IBM 7576.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La thèse explore la commande en position et la commande en mode interaction physique humain-robot (pHRI) de deux systèmes robotiques, soit un robot parallèle hybride cinématiquement redondant (RPHCR) et un système robotique macro-mini. L'analyses de la cinématique et de la dynamique, ainsi que des méthodes proposées dans cette thèse pouvent être généralisés pour une famille des robots qui ont l'architecture similaire. La thèse présente d'abord un nouveau robot parallèle hybride cinématiquement redondant ayant des actionneurs rotatifs. La cinématique est dévélopée et les singularités sont examinées. L'espace de travail de translation et de rotation est ensuite analysé. De plus, un nouveau mécanisme est introduit afin d'opérer un préhenseur utilisant les degrés de liberté (ddls) redondants. Grâce à la rétrocommandamilité du robot, une loi de commande générale peut changer entre deux modes : une commande en position et une commande d'interaction humain-robot. Cette dernière est devélopée pour démontrer l'usage potentiel de RPHCR dans les application d'interaction n'ayant recours à acun capteur de force/couple. Ensuite, la commande en position des robots hybrides cinématiquement redondants est explorée. La cinématique et la dynamique des robots étudiées sont examinées en détail. Une méthode de commande hybride, qui combine la commande par couple pré-calculé dans l'espace articulaire avec une compensation cartésienne dans l'espace de la tâche est définie. La stabilité de cette commande est ensuite prouvée. Des expérimentations sont ensuite apportées sur les deux architectures. Les résultats de celles-ci sont analysées puis comparées à d'autres méthodes connues. La thèse poursuit ensuite les études au sujet d'une commande des mouvements d'un système de macro-mini. Le macro-mini combine le RPHCR et un système à pont roulant. De manière similaire, la cinématique et la dynamique du système macro-mini sont tout d'abord analysées. Par contre, cette analyse n'est réalisée que dans les coordonnées de la tâche, étant donné que la position de chaque robot a déjà été gérée par une commande séparée. Les commandes du mouvement, c'est-à-dire la commande "mid-ranging" (en anglais) et la commande prédictive, sont développées pour le robot étudié et sont généralisées pour des robots à architecture similaire. En outre, une nouvelle methode qui combine la commande PI et la résolution redondante est proposée. Enfin, chaque méthode est implémentée sur le système à des fins de comparaison. Ensuite, l'étude de la commande d'interaction est considerée sur chacune des platformes robotiques mentionnées. En considerant que le robot hybride est cinématiquement redondant, une commande amortissement-raideur est developpée pour des applications d'interaction humain-robot. D'autre part, une autre stratégie de commande est aussi analysée sur le système du macro-mini. La stabilité est examinée en détail. Puis, des expérimentations sont réalisées pour déterminer la performance de ces systèmes dans les applications d'interaction. Finalement, une conclusion est amenée afin de résumer les résultats obtenus et discuter des limitations actuelles ainsi que de présenter des travaux futurs potentiels. / This thesis investigates motion control methods and physical human robot interaction (pHRI) control strategies for two robotic systems, namely a kinematically redundant hybrid parallel robot (KRHPR) and a macro-mini system. The kinematic analysis, the dynamic modelling, as well as the control methods proposed in the thesis can be generalized for a class of robots with similar architecture. The thesis firstly introduces a novel kinematically redundant (6+3)-degree-of-freedom (DoF) spatial hybrid parallel robot with revolute actuators. The kinematic equations are developed and the singularities are examined. The translational and rotational workspace of the robot is then analysed. Also, a new mechanism is introduced to operate a gripper using the redundant DoFs. Thanks to the backdrivability of the robot, a controller - which can flexibly switch between two modes: position control and interaction control - is developed to demonstrate the potential use of this robot for physical interaction without using a force/torque sensor or joint torque sensors. Secondly, the motion control problem is investigated for a class of spatial kinematically redundant hybrid parallel robots. The kinematics are recalled and the dynamics are analysed. Based on this analysis, a proposed method referred to as hybrid control algorithm is proposed. It combines a simplified computed-torque controller, that operates in the joint space, with a Cartesian compensation, that operates in the task space of the robot. The stability of this approach is verified. Then, experiments are carried out on two example architectures. The results are examined and compared to those obtained with other methods to validate the effectiveness of the proposed approach. The motion control of a macro-mini system, which combines the hybrid parallel robot and a gantry system, is then investigated. The kinematics and the dynamics of the combined system are mainly analysed in the task space since it can be assumed that the position of the macro and the mini is stably determined by their own controllers. Motion control methods, namely mid-ranging control and Model Predictive Control, are generalized and adapted. Also, the combination of PI and the redundancy resolution is proposed. Each control method is implemented and used to perform the same trajectory. Afterwards, the control error is determined in order to compare the performance of the different methods. The physical human robot interaction is then studied for each of the robotic platforms mentioned above. On the KRHPR, a stiffness-damping control is specifically developed for pHRI applications. On the macro-mini system, the interaction method is also examined. The stability and the operational performance is analysed in detail. Experiments involving pHRI are then conducted and some demonstrations of potential applications are also presented. Finally, the conclusion summarizes the results obtained and discusses current limitations and potential future work.

Le projet consiste à développer un algorithme de guidage permettant à un véhicule aérien autonome (UAV) stabilisé de respecter des contraintes reliées à la mission, appelées contraintes terminales. Les contraintes visées sont l'orientation de la trajectoire et la vitesse du véhicule lors de l'atteinte de la cible, ainsi que le temps d'arrivée à cette cible. Deux approches ont été testées. La première consiste à utiliser des véhicules virtuels pour simuler le comportement d'un véhicule réel en fonction des commandes appliquées. Cet algorithme est cependant limité au respect du temps d'arrivée. La deuxième stratégie consiste à contrôler le véhicule afin d'atteindre une cible virtuelle en mouvement rectiligne qui possède la vitesse et l'orientation souhaitées, et qui croise la cible réelle au temps d'arrivée demandé. La seconde approche a été testé avec succès à l'aide d'un système "Hardware-In-the-Loop" (HIL).

Cette thèse propose une stratégie de contrôle avancée pour guider une flotte d'aéronefs sans pilote (UAV) dans un environnement à la fois stochastique et dynamique. Pour ce faire, un simulateur de vol 3D a été développé avec MATLAB® pour tester les algorithmes de la stratégie de guidage en fonctions de différents scénarios. L'objectif des missions simulées est de s'assurer que chaque UAV intercepte une cible ellipsoïdale mobile tout en évitant une panoplie d'obstacles ellipsoïdaux mobiles détectés en route. Les UAVs situés à l'intérieur des limites de communication peuvent coopérer afin d'améliorer leurs performances au cours de la mission. Le simulateur a été conçu de façon à ce que les UAV soient dotés de capteurs et d'appareils de communication de portée limitée. De plus, chaque UAV possède un pilote automatique qui stabilise l'aéronef en vol et un planificateur de trajectoires qui génère les commandes à envoyer au pilote automatique. Au coeur du planificateur de trajectoires se trouve un contrôleur prédictif à horizon fuyant qui détermine les commandes à envoyer à l'UAV. Ces commandes optimisent un critère de performance assujetti à des contraintes. Le critère de performance est conçu de sorte que les UAV atteignent les objectifs de la mission, alors que les contraintes assurent que les commandes générées adhèrent aux limites de manoeuvrabilité de l'aéronef. La planification de trajectoires pour UAV opérant dans un environnement dynamique et stochastique dépend fortement des déplacements anticipés des objets (obstacle, cible). Un filtre de Kalman étendu est donc utilisé pour prédire les trajectoires les plus probables des objets à partir de leurs états estimés. Des stratégies de poursuite et d'évitement ont aussi été développées en fonction des trajectoires prédites des objets détectés. Pour des raisons de sécurité, la conception de stratégies d'évitement de collision à la fois efficaces et robustes est primordiale au guidage d'UAV. Une nouvelle stratégie d'évitement d'obstacles par approche probabiliste a donc été développée. La méthode cherche à minimiser la probabilité de collision entre l'UAV et tous ses obstacles détectés sur l'horizon de prédiction, tout en s'assurant que, à chaque pas de prédiction, la probabilité de collision entre l'UAV et chacun de ses obstacles détectés ne surpasse pas un seuil prescrit. Des simulations sont présentées au cours de cette thèse pour démontrer l'efficacité des algorithmes proposés.

Les robots sous-actionnés entraînés à l'aide de câbles permettent de combiner les avantages du sous-actionnement (peu d'actionneurs, simplicité) et de l'utilisation des câbles (agilité, légèreté, grand espace de travail) afin de réduire les coûts d'opération des tâches de manipulation et de manutention. Puisqu'il s'agit d'une des premières études sur le sujet, l'objectif de de ce mémoire est d'établir les bases nécessaires à la commande de tels robots à travers un mécanisme simple. Le mécanisme étudié est un robot combinant les aspects d'un pendule double à ceux d'un pendule de longueur variable, possédant trois degrés de liberté et seulement deux actionneurs. Ce dernier peut atteindre différents objectifs (position et orientation) successivement en oscillant tel un enfant sur une balançoire. Les analyses cinématique et dynamique sont d'abord présentées et validées à l'aide de simulations numériques. Puis, les différentes méthodes de planification de trajectoire sont discutées et une planification incluant des trajectoires paramétriques pour les articulations actionnées et un algorithme d'optimisation pour la liaison libre est retenue. La précision et la robustesse de la commande sont finalement démontrées à l'aide d'un robot virtuel et, enfin, d'un prototype. Au meilleur de nos connaissances, il s'agit des premiers travaux présentant la commande en temps réel de tels systèmes.