This thesis introduces a new measure of balance for bipedal robotics called the foot placement estimator (FPE). To develop this measure, stability first is defined for a simple biped. A proof of the stability of a simple biped in a controls sense is shown to exist using classical methods for nonlinear systems. With the addition of a contact model, an analytical solution is provided to define the bounds of the region of stability. This provides the basis for the FPE which estimates where the biped must step in order to be stable. By using the FPE in combination with a state machine, complete gait cycles are created without any precalculated trajectories. This includes gait initiation and termination. The bipedal model is then advanced to include more realistic mechanical and environmental models and the FPE approach is verified in a dynamic simulation. From these results, a 5-link, point-foot robot is designed and constructed to provide the final validation that the FPE can be used to provide closed-loop gait control. In addition, this approach is shown to demonstrate significant robustness to external disturbances. Finally, the FPE is shown in experimental results to be an unprecedented estimate of where humans place their feet for walking and jumping, and for stepping in response to an external disturbance.

This thesis introduces a new measure of balance for bipedal robotics called the foot placement estimator (FPE). To develop this measure, stability first is defined for a simple biped. A proof of the stability of a simple biped in a controls sense is shown to exist using classical methods for nonlinear systems. With the addition of a contact model, an analytical solution is provided to define the bounds of the region of stability. This provides the basis for the FPE which estimates where the biped must step in order to be stable. By using the FPE in combination with a state machine, complete gait cycles are created without any precalculated trajectories. This includes gait initiation and termination. The bipedal model is then advanced to include more realistic mechanical and environmental models and the FPE approach is verified in a dynamic simulation. From these results, a 5-link, point-foot robot is designed and constructed to provide the final validation that the FPE can be used to provide closed-loop gait control. In addition, this approach is shown to demonstrate significant robustness to external disturbances. Finally, the FPE is shown in experimental results to be an unprecedented estimate of where humans place their feet for walking and jumping, and for stepping in response to an external disturbance.

Nature and its variety of motion forms have inspired new robot designs with inherentunderactuated dynamics. The fundamental characteristic of these controlled mechanicalsystems, called underactuated, is to have the number of actuators less than the number ofdegrees of freedom. The absence of full actuation brings challenges to planning feasibletrajectories and designing controllers. This is in contrast to classical fully-actuated robots.A particular problem that arises upon study of such systems is that of generating periodicmotions, which can be seen in various natural actions such as walking, running,hopping, dribbling a ball, etc. It is assumed that dynamics can be modeled by a classicalset of second-order nonlinear differential equations with impulse effects describing possibleinstantaneous impacts, such as the collision of the foot with the ground at heel strikein a walking gait. Hence, we arrive at creating periodic solutions in underactuated Euler-Lagrange systems with or without impulse effects. However, in the qualitative theory ofnonlinear dynamical systems, the problem of verifying existence of periodic trajectoriesis a rather nontrivial subject.The aim of this work is to propose systematic procedures to plan such motions and ananalytical technique to design orbitally stabilizing feedback controllers. We analyze andexemplify both cases, when the robotmodel is described just by continuous dynamics, andwhen continuous dynamics is interrupted from time to time by state-dependent updates.For trajectory planning, systems with one or two passive links are considered, forwhich conditions are derived to achieve periodicmotions by encoding synchronizedmovementsof all the degrees of freedom. For controller design we use an explicit form tolinearize dynamics transverse to the motion. This computation is valid for an arbitrarydegree of under-actuation. The linear system obtained, called transverse linearization, isused to analyze local properties in a vicinity of the motion, and also to design feedbackcontrollers. The theoretical background of these methods is presented, and developedin detail for some particular examples. They include the generation of oscillations forinverted pendulums, the analysis of human movements by captured motion data, and asystematic gait synthesis approach for a three-link biped walker with one actuator.

Este trabalho trata da implementação de uma técnica de controle robusto, Síntese-&#956 em um robô manipulador de três graus de liberdade com juntas passivas. A necessidade de um de controle robusto se deve ao fato de que em uma aplicação real o sistema está sujeito a mudanças nos seus parâmetros internos e a distúrbios externos (ruído dos sensores, etc). Aqui, uma metodologia de controle robusto que combina o método do torque computado e controladores robustos projetados via Síntese-&#956 é proposta e utilizada com êxito. O equacionamento matemático da distância do sistema é apresentado e a linearização é realizada pela realimentação de estados presentes no método. Uma abordagem dos conceitos teóricos presentes na teoria de Síntese-&#956 é feita e um procedimento de projeto é apresentado. Modelos nominais para diferentes configurações do robô são definidos e controladores robustos são projetados utilizando o método de iterações D-K. O teste e a validação dos controladores projetados são verificados em um ambiente de simulação e também no manipulador experimental UArmII (Underactuated Robot Manipulator II), que é um robô manipulador (equipado com 3 juntas, atuadores e freios) projetado para o estudo de dinâmicas passivas. / This work deals with implementation of a robust control technique, &#956-Synthesis, in a mani- pulator robot with three degrees of freedom and passive joints. The necessity of a robust control is due to the fact that in a real application the system is subject to changes in its internal parameters and external disturbances (sensor noise, etc). Here, a robust control methodology that combines the computed torque method and robust controllers designed via &#956-Synthesis is proposal and used with success. The mathematical formulation of the system dynamics is presented and the linearization is accomplished by the state feedback included in the method. An overview of theoretical concepts presents in the &#956-Synthesis theory is made and a design procedure is presented. Nominal models for all robot\'s configurations are defined and robust controllers are designed using the D-K iterations method. The test and validation of the controllers are realized in a simulation environment and also in the experimental manipulator UArmII (Underactuated Robot Manipulator II), that is a robot manipulator (equipped with 3 joints, actuators and brakes) projected for the study of passive dynamics.

Ce travail est dédié au contrôle non linéaire d'un drone de type quadricoptère dont la spécificité est de pouvoir voler aussi bien que se déplacer en glissant sur le sol, à la façon d'un aéroglisseur. Dans un contexte d'exploration autonome de bâtiment, ce concept hybride permet d'économiser les batteries lorsqu'il n'est pas nécessaire de voler puisque le drone profite des surfaces planes pour se déplacer sans avoir à compenser la gravité ; il peut ainsi prolonger l'autonomie au-delà de la vingtaine de minutes typique d'un quadricoptère classique. Contrairement aux véhicules terrestres à roues, les capacités de franchissement de notre drone sont fortement augmentées car son aptitude au vol l'autorise à éviter les obstacles, à changer d'étage ou passer par une fenêtre. L'étude menée ici concerne essentiellement le déplacement surfacique de ce drone hybride, et vise à concevoir et implémenter une loi de contrôle capable d'asservir ce système sur des trajectoires planes au sol. Ce drone terrestre est similaire à un système sous actionné de type glisseur ; le problème de la stabilisation en un point est donc distingué du suivi de trajectoire en raison de la condition de Brockett que ce système ne satisfait pas ; notre plateforme ne peut donc pas être stabilisée par des retours d'états continus. En s'appuyant sur la littérature, cette thèse propose différentes approches théoriques en temps variant, fonctions transverses, platitude ou encore par "Backstepping" pour répondre à ces problèmes. Après une phase d'identification du modèle dynamique employé, la partie expérimentale, exploitant un système de Motion Capture pour récupérer les informations de position et d'orientation du système, valide ces lois de contrôle et de commande pour le suivi d'une trajectoire circulaire simple. / This thesis is dedicated to the non-linear control of a special hybrid quadrotor which is able to fly, and slide on the ground like an hovercraft. In the context of an autonomous indoor exploration this hybrid concept allows saving energy when flying is not necessary, since the drone can then slide on the ground without having to compensate for the gravity; autonomy can last beyond the 20 minutes typical of a standard quadrotor. Contrarily to wheeled mobile robots, the hybrid drone ability to move across space is strongly increased since it can fly to avoid obstacles, to move between two levels, to get in through a window. The study under consideration is essentially focused on the displacement of the drone on the ground and aims at designing and implementing a control law so that our system is able to track a 2D xy plane trajectory. This terrestrial quadrotor is similar to a slider underactuated vehicle. The point stabilisation is then separately studied from the trajectory tracking issue because of the Brockett condition, which is not satisfied in that case; our platform cannot be stabilized by means of continuous state feedbacks. This thesis proposes different theoretical developments based on the literature and deriving from time varying control laws, transverse functions, flatness or backstepping techniques to solve both point stabilisation and trajectory tracking. The experimental part of the thesis is based on the recovering of the drone position in real time and orientation via a Motion Capture system for feedback loop in the control law; the proposed dynamical model was validated as well as the control and command laws for the tracking of a circular trajectory.

D'un point de vue énergétique, les robots marcheurs sont moins performants que les humains. Face à ce défi, cette thèse propose une approche pour contrôler et optimiser les allures de marche des robots bipèdes à la fois en 2D et 3D en considérant les fréquences propres du robot et par ajout de ressorts. L'étude porte essentiellement sur un robot bipède 2D à 5 corps et des pieds ponctuels ainsi qu'un robot bipède 3D à 8 corps avec des pieds sans masse à contact linéique. La commande en boucle fermée considérée est basée sur la méthode des contraintes virtuelles et la linéarisation par retour d'état. Suite à des études précédentes, la stabilité du robot bipède 2D est vérifiée par une section de Poincaré unidimensionnelle et étendue au robot bipède 3D à contact linéique avec le sol. L'optimisation est effectuée en utilisant la programmation quadratique séquentielle. Les paramètres optimisés incluent des coefficients de polynômes de Bézier et des paramètres posturaux. Des contraintes d'optimisation sont imposées pour assurer la validité de l'allure de marche. Pour le robot bipède 2D, deux configurations différentes de ressorts placés aux hanches sont étudiées. Ces deux configurations ont permis de réduire le coût énergétique. Pour le robot bipède 3D, les paramètres d'optimisation sont séparés en deux parties : ceux décrivant le mouvement dans le plan sagittal et ceux du plan frontal. Les résultats de l'optimisation montrent que ces deux types de paramètres doivent être optimisés. Ensuite, des ressorts sont ajoutés respectivement par rapport au plan sagittal, par rapport au plan frontal puis dans les deux plans. Les résultats montrent que l'ajout des ressorts dans le plan sagittal permet de réduire significativement le coût énergétique et que l'association de ressorts dans le plan frontal améliore encore plus la consommation d'énergie. / From an energy standpoint, walking robots are less efficient than humans. In facing this challenge, this study aims to provide an approach for controlling and optimizing the gaits of both 2D and 3D bipedal robots with consideration for exploiting natural dynamics and elastic couplings. A 5-link 2D biped with point feet and an 8-link 3D biped with massless line feet are studied. The control method is based on virtual constraints and feedback linearization. Following previous studies, the stability of the 2D biped is verified by computing scalar Poincaré map in closed form, and now this method also applies to the 3D biped because of its line-foot configuration. The optimization is performed using sequential quadratic programming. The optimization parameters include postural parameters and Bézier coefficients, and the optimization constraints are used to ensure gait validity. For the 2D biped, two different configurations of hip joint springs are investigated and both configurations successfully reduce the energy cost. For the 3D biped, the optimization parameters are further divided into sagittal parameters and coronal parameters, and the optimization results indicate that both these parameters should be optimized. After that, hip joint springs are added respectively to the sagittal plane, the coronal plane and both these planes. The results demonstrate that the elastic couplings in the sagittal plane should be considered first and that the additional couplings in the coronal plane reduce the energy cost even further.

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Die Arbeit ist der regelungstheoretischen Betrachtung von mechanischen Systemen mit mehr Freiheitsgraden als Stellgrößen gewidmet. Dabei werden Aspekte aus den Teilgebieten Modellbildung, Systemanalyse, Steuerungsentwurf und Reglerentwurf behandelt. Den Ausgangspunkt bilden die aus dem Lagrange-Formalismus resultierenden Bewegungsgleichungen, für welche neben verschiedene partiell linearisierten Zustandsdarstellungen auch eine spezielle Byrnes-Isidori-Normalform eingeführt wird. Im Unterschied zu einer früher vorgeschlagenen ähnliche Normalform existiert diese "Lagrange-Byrnes-Isidori-Normalform" immer. Weiterhin wird die bedeutende Eigenschaft der differentiellen Flachheit im Zusammenhang mit mechanischen Systemen untersucht. Die bestehende Lücke zwischen den bekannten notwendigen und hinreichenden Flachheitsbedingungen bildet die Motivation zur Anpassung der Regelflächenbedingung auf mechanische Systeme in Lagrange-Byrnes-Isidori-Normalform. Parallel dazu wird die Flachheitsanalyse auf Basis des sogenannten Variationssystems betrachtet. Dabei handelt es sich um ein System von 1-Formen, die durch Anwendung der äußeren Ableitung auf die impliziten Systemgleichungen entstehen. Äquivalent dazu können auch die in einer rechteckigen Polynommatrix bezüglich des Zeitableitungsoperators zusammengefassten Koeffizienten der Basisformen untersucht werden. Die Flachheit eines Systems ist nun gerade äquivalent zur Existenz einer unimodularen Vervollständigung dieser Matrix, welche zudem noch eine bestimmte Integrabilitätsbedingung erfüllen muss. Durch Anwendung des Satzes von Frobenius können aus diesen in der bisherigen Formulierung nur schwer überprüfbaren Bedingungen deutlich einfachere hergeleitet werden. Für den Eingrößenfall ergibt sich dadurch eine erheblich Verringerung des Rechenaufwandes im Vergleich zum Referenzansatz. Im Mehrgrößenfall ist die Situation komplizierter: Durch das Fallenlassen der Unimodularitätsforderung und die Ausnutzung der speziellen Struktur mechanischer Systeme erhält man eine neue notwendige Bedingung für Flachheit, welche sich in endlich vielen Schritten auswerten lässt. Allerdings konnte mit dieser die vermutete Nichtflachheit für die untersuchten mechanischen Beispielsysteme nicht nachgewiesen werden. Einen weiteren Untersuchungsgegenstand bildet das Konzept der Konfigurationsflachheit. Für diese Eigenschaft ist gefordert, dass ein flacher Ausgang existieren muss, der nur von den Konfigurationskoordinaten abhängt. Basierend auf theoretischen Überlungen und dem Fehlen von Gegenbeispielen wird die Hypothese aufgestellt, dass für konservative mechanische Systeme Flachheit und Konfigurationsflachheit äquivalent sind. Für lineare mechanische Systeme kann diese Hypothese mit Hilfe der Kronecker-Normalform von Matrizenscharen verifiziert werden. Bezüglich des Entwurfs von Solltrajektorien werden neben der Darstellung bekannter Verfahren für lineare und für flache Systeme zwei weitere Ansätze genauer diskutiert. Der erste basiert auf der numerischen Lösung des aus dem Steuerungsentwurf resultierenden Randwertproblems. Dazu wird ein angepasstes Kollokationsverfahren konstruiert, welches die Elimination von Systemgrößen durch die explizite Berücksichtigung von Integratorketten ermöglicht, die bei partiell linearisierten Systemen stets auftreten. Unter bestimmten Bedingungen bewirkt dies eine erhebliche Reduktion der Rechenzeit. Der zweite Ansatz betrachtet die Überführung zwischen zwei Ruhelagen und beruht auf der Zeitumkehrsymmetrie, die alle konservativen mechanischen Systeme aufweisen. Er besteht aus mehreren Schritten: Zunächst wird für beide Ruhelagen eine Rückführung mit möglichst großem Attraktivitätsgebiet entworfen. Danach wird das System simulativ ausgehend von der Zielruhelage in der Startruhelage stabilisiert. Die so erhaltene Eingangstrajektorie kann dann bezüglich der Zeit invertiert werden, um das System aus der Startruhelage in die Nähe der Zielruhelage zu überführen, wo schließlich der entsprechende Regler aktiviert wird. In praktischen Realisierungen von unteraktuierten Regelungssystemen treten auf Grund von Effekten wie trockener Reibung und Getriebespiel oft Dauerschwingungen mit schwer vorhersagbaren und beeinflussbaren Parametern auf. Als Alternative zur klassischen Stabilisierung einer (theoretischen) Ruhelage wird deshalb eine Rückführung hergeleitet, welche für ein gegebenes lineares System einen stabilen Grenzzyklus mit vorgebbarer Frequenz und Amplitude asymptotisch stabilisiert.

Dans cette thèse nous adressons le problème de commande des véhicules marins sous-actionnés. La motivation clé de ce sujet de recherche vient du fait qui les systèmes sous-actionnés posent des défis aussi bien théoriques et pratiques pour l'ingénieur automaticien. En fait, ces systèmes ne peuvent pas être stabilisés par des commandes lisses invariantes dans le temps. De plus, en dépit du nombre de méthodes disponibles pour la commande des systèmes mécaniques sous-actionnés, peu ont adressé des points pratiques importantes tels que l'inclusion explicite de dynamique dans la formulation de problème de commande et le besoin de faire face aux perturbations environnementales résultants des courants des vagues, par exemple. Cette thèse attaque certains de ces problèmes, formule et résout les problèmes de commande de positionnement dynamique, de la poursuite de trajectoire et du suivie de chemin des véhicules marins sous-actionnés. La première partie de cette thèse (Chapitres 3 et 4) constituent les éléments théoriques fondamentaux pour l'analyse du modèle et la synthèse des commandes pour les véhicules marins sous-actionnés. Particulièrement, nous montrons au chapitre 3 que le modèle de véhicule marin sous-actionné ne satisfait pas la condition de nécessaire Brockett pour la stabilisation des systèmes nonlinéaires par actions continues et invariantes dans le temps. Cependant, Il sera montré qu'il est possible d'atteindre la stabilisation en utilisant une commande discontinue ou variable dans le temps. Le chapitre 4 consiste à appliquer des résultats récents sur les systèmes cascades nonlinéaires pour résoudre le problème de déterminer des lois de commande qui stabilisent à l'origine la position et l'orientation d vaisseau sous-actionnés. Deux transformations sont introduites pour représenter le système dans une forme de cascade. Par quelques propriétés du modèle, nous montrons en premier que la stabilisation globale et asymptotique du système se réduit a stabiliser une forme en chaîne de troisième ordre. Une approche discontinue par backstepping est ensuite employée pour la stabilisation du système de forme en chaîne via un retour d'état partiel. Nous montrons que la loi de commande proposée stabilise exponentiellement le modèle réduit dans un ensemble défini, assurant le stabilisation asymptotique, local et uniforme du modèle de vaisseau marin sous-actionné. Pour assurer la stabilité uniforme globale cependant, un backstepping et le temps combinés variant l'approche de contrôle est donc employée. Prochain, nous exploitons la structure de cascade pour construire une trajectoire convenable produite par les équations dynamiques d'un véritable sous-actionnés bateau. Nous montrons ensuite que la stabilisation globale peut être assurée par une par une combinaison de la commande par backstepping et une commande variable dans le temps. Ensuite nous abordons le problème de poursuite de trajectoire. Dans lequel la trajectoire de référence est générée par un navire sous-actionné virtuel. Nous montrons ensuite qu'il existe une commande qui force exponentiellement le navire à la poursuite de la trajectoire partant d'une condition initiale quelconque. Utilisant une approche des Systems cascades, nous montrons que la dynamique de l'erreur de poursuite peut être vue comme une cascade d'un système linéaire et d'un système en chaine de deuxième ordre. La deuxième partie de cette thèse (Chapitre 5, 6 et 7) est consacrée au problème de la manoeuvre du vaisseau sous-actionné le long d'un chemin désiré avec une dynamique prescrite. La conception de la loi de commande est abordée par deux approches. La première vient d'une observation qu'il est plausible en pratique de manoeuvrer le véhicule tel qu'il soit sur son chemin de référence est que sa vitesse totale soit tangente au chemin. Il sera aussi supposé que le véhicule voyage le long du chemin avec une vitesse directe constante. La seconde approche ne conditionne pas la vitesse directe pour être constante. Dans le Chapitre 5, nous exploitons l'approche abordée pour le suivi de chemin pour résoudre le problème de coordinations d'un groupe de véhicules marins. Il est objet de manoeuvrer le mouvement de chaque véhicule tel que le mouvement du groupe est prescrit par un comportement désiré. Ainsi, le mouvement indépendant est coordonné comme une formation selon le comportement désirée. Dans ce chapitre nous considérerons le problème de formation ou plusieurs véhicules sont synchronisés de manière qu'ils soient commandés comme une formation de structure virtuelle. Le chapitre 6, est dévouée au problème général de la commande par retour de sortie pour la stabilisation globale des véhicules marins sous-actionnés. Une application de tel observateur est ensuite faite au problème de la poursuite de trajectoire d'un vaisseau sous-actionné.

Dans ce travail, l’optimisation de la propulsion et de la commande des AUV (Autonomous Underwater Vehicles en anglais) est développée. Le modèle hydrodynamique de l’AUV est examiné. Egalement, son système de propulsion est étudié et des modèles pour des solutions de propulsion différentes (fixe et vectorielle) sont développés dans le cadre de la mobilité autonome.Le modèle et l’identification de la technologie de propulsion dite fixe sont basés sur un propulseur disponible commercialement. Le système de propulsion vectoriel est basé sur un prototype de propulseur magneto-couplé reconfigurable (PMCR) développé à l’IRDL-ENIB.Une méthode de commande non linéaire utilisant le modèle hydrodynamique de l’AUV est développée et son adaptation à deux systèmes de propulsion est présentée. Des analyses portant sur la commandabilité du robot et l’application de cette commande à différents systèmes sont proposées. L’optimisation globale est utilisée pour trouver des topologies propulsives et des paramètres de commande adaptés à la réalisation de tâches robotiques spécifiques. L’optimisation réalisée permet de trouver des solutions capables d’assurer le suivi de trajectoire et de minimiser la consommation énergétique du robot. L’optimisation utilise un algorithme génétique (algorithme évolutionnaire), une méthode d’optimisation stochastique appliquée ici à la conception orientée tâche de l’AUV. Les résultats de cette optimisation peuvent être utilisés comme une étape préliminaire dans la conception des AUVs, afin de donner des pistes pour améliorer les capacités de la propulsion.La technique d’optimisation est également appliquée au robot RSM (fabriqué au sein de l’IRDL-ENIB) en modifiant seulement quelques paramètres de sa topologie propulsive. Cela afin d’obtenir des configurations de propulsion adaptées au cours d’une seule et même mission aux spécificités locomotrices des tâches rencontrées : reconfiguration dynamique de la propulsion de l’AUV. / In this PhD thesis, the optimization of the propulsion and control of AUVs is developed. The hydrodynamic model of the AUVs is examined. Additionally, AUV propulsion topologies are studied and models for fixed and vectorial technology are developed. The fixed technology model is based on an off the shelf device, while the modeled vectorial propulsive system is based on a magnetic coupling thruster prototype developed in IRDL (Institut de Recherche Dupuy de Lôme) at ENI Brest. A control method using the hydrodynamic model is studied, its adaptation to two AUV topologies is presented and considerations about its applicability will be discussed. The optimization is used to find suitable propulsive topologies and control parameters in order to execute given robotic tasks, speeding up the convergence and minimizing the energy consumption. This is done using a genetic algorithm, which is a stochastic optimization method used for task-based design.The results of the optimization can be used as a preliminary stage in the design process of an AUV, giving ideas for enhanced propulsive configurations. The optimization technique is also applied to an IRDL existing robot, modifying only some of the propulsive topology parameters in order to readily adapt it to different tasks, making the AUV dynamically reconfigurable.