This D.Sc. thesis proposes new perspectives for modeling drill string torsional dynamics under uncertainties. This work develops a novel stochastic hysteretic (nonreversible) bit-rock interaction model. Firstly, a new nominal interaction model, which depends not only on the bit speed, but also on the bit acceleration is developed. Then, a new stochastic model for the bit-rock interaction, taking into account the inherent fluctuations during the drilling, is also proposed. Furthermore, here a new test-rig is proposed to analyze drill string dynamics and bit-rock interaction, which is able to reproduce stick-slip phenomena while drilling a rock sample using standard masonry bits, as well as to validate bit-rock interaction models. An original strategy for modeling uncertainties globally, based on terms of the nonparametric probabilistic approach, considering a simple torsional model for a drill string, is also proposed herein. This strategy allows to control the dispersion level of each interior and interface DOFs of each drill string substructure independently, which can provide more information to improve the operational safety. / This D.Sc. thesis proposes new perspectives for modeling drill string torsional dynamics under uncertainties. This work develops a novel stochastic hysteretic (nonreversible) bit-rock interaction model. Firstly, a new nominal interaction model, which depends not only on the bit speed, but also on the bit acceleration is developed. Then, a new stochastic model for the bit-rock interaction, taking into account the inherent fluctuations during the drilling, is also proposed. Furthermore, here a new test-rig is proposed to analyze drill string dynamics and bit-rock interaction, which is able to reproduce stick-slip phenomena while drilling a rock sample using standard masonry bits, as well as to validate bit-rock interaction models. An original strategy for modeling uncertainties globally, based on terms of the nonparametric probabilistic approach, considering a simple torsional model for a drill string, is also proposed herein. This strategy allows to control the dispersion level of each interior and interface DOFs of each drill string substructure independently, which can provide more information to improve the operational safety

En raison de leurs grandes longueurs d'onde, les vibrations mécaniques en basses fréquences ne peuvent être facilement réduites dans les structures par l'utilisation de matériaux dissipatifs. Malgré ces difficultés, l'atténuation des vibrations en basses fréquences reste un enjeu important. Pour résoudre ce problème, différents axes de recherche ont été étudiés et ont été mis en application pour stocker et dissiper l'énergie vibratoire comme l'utilisation d'oscillateurs linéaires, composés d'une masse, d'un ressort et d'un amortisseur. Leur fréquence de résonance doit coïncider avec la fréquence de résonance de la structure que l'on veut atténuer. L'utilisation d'absorbeurs se comportant comme des oscillateurs ayant un comportement non linéaire est une alternative intéressante. En effet, grâce à un étalement fréquentiel de la réponse de l'oscillateur, celui-ci permet d'atténuer les vibrations de la structure sur une plus large bande de fréquence que ceux ayant un comportement linéaire, sans avoir de dédoublement de la résonance de la réponse en deux pics. Les travaux présentés ici se placent dans le cadre de la réduction vibratoire, à l'échelle macroscopique, en basses fréquences, pour lesquelles les premiers modes structuraux sont excités. Un absorbeur non linéaire a été conçu, réalisé et analysé expérimentalement, modélisé et identifié expérimentalement pour mettre en évidence le phénomène d'élargissement de la bande de fréquence de la réponse. Les effets de cet absorbeur sur le comportement dynamique d'une poutre console ont ensuite été numériquement étudiés, à partir d'un modèle de poutre couplée à des absorbeurs non linéaires. Un modèle réduit et son solveur stochastique ont été développés dans ce cadre. Les résultats ont exposé le fait que l'absorbeur non linéaire permet une atténuation de la réponse de la poutre, sans le dédoublement de la résonance / Due to their long wavelengths, mechanical vibrations at low frequencies cannot easily be reduced in structures by using dissipative materials. Despite these difficulties, the attenuation of vibration at low frequencies remains an important concern. To solve this problem, several ways of research have been explored and have been applied to vibration energy pumping such as linear oscillators, composed of a mass, a spring, and a damper. Their resonance frequency must coincide with the resonant frequency of the structure that has to be attenuated. The absorbers that are oscillators with a nonlinear behavior constitute an interesting alternative. The response of the nonlinear oscillator allows for obtaining an attenuation of vibration over a broader frequency band than the response of linear oscillator, without splitting the resonance that has to be attenuated into two resonances. The work presented here is in the frame of the vibratory reduction, on a macro-scale, at low frequencies, for which the first structural modes are excited. A nonlinear absorber has been designed, experimentally realized and analyzed, modeled and experimentally identified to highlight the phenomenon of broadening the frequency band of the response. The effects of this absorber on the dynamic behavior of a cantilever beam have been numerically studied, using a model of the beam coupled to nonlinear absorbers. A reduced-model and its stochastic solver have also been developed. The results obtained show that the nonlinear absorber allows for obtaining an attenuation on the beam response, without splitting of the resonance that has to be attenuated

Les robots industriels représentent un moyen de production sophistiqués pour l'industrie manufacturière d'aujourd'hui. Ces manipulateurs sont plus agiles, plus flexibles et moins coûteux que les machines-outils spécialisées. L'exploitation de ces avantages fait l'objet d'une demande croissante de l'industrie. La dynamique de ces manipulateurs est soumise à des nombreuses sources d'imprécision. En effet les défauts de la chaîne de transmission, ou encore les éléments de liaisons peuvent être le siège de déformations et de vibrations dégradant sensiblement leur précision. Ces phénomènes physiques sont d'autant plus difficiles à compenser que seul un sous ensemble des états du système est mesuré par les codeurs moteurs. La structure de commande industrielle actuelle d'un robot n'agit donc pas directement sur ces phénomènes. Il est nécessaire alors de progresser sur le front de l'amélioration de la précision par l'adaptation de la commande à ces nouvelles exigences. Un état de l'art met en évidence un manque de travaux qui traitent de l'élaboration d'anticipations adaptées aux axes d'un robot et intégrant les phénomènes de déformation. En outre, la planification de trajectoire n'est classiquement pas remise en cause et peu évoquée. Elle représente pourtant un moyen d'action éprouvé afin d'améliorer les performances dynamiques en suivi de profil. L'approche proposée dans ce mémoire se veut une alternative à ces méthodes. Elle est basée sur une exploitation d'un modèle dynamique représentatif et détaillé. Il intègre les principaux phénomènes physiques mis en évidence tels que les effets de la gravité, les systèmes mécaniques de compensation, les forces de frottement et la flexibilité articulaire. Cette modélisation associée à des méthodes d'identification expérimentale est exploitée afin de déduire une structure de commande. Elle permet la réduction des déformations élastiques et des vibrations par une action sur la précommande et sur la loi de mouvement adaptée. Ainsi, nous introduisons une méthode d'estimation non asymptotique appliquée en robotique, afin d'estimer rapidement les paramètres vibratoires de ce dernier et contribue à une réactualisation des modèles exploités. Des résultats expérimentaux montrent que cette méthodologie mène à une amélioration des performances de positionnement par rapport à la commande industrielle.

Les systèmes LTI à contrôler sont soumis à des contraintes physiques et technologiques. Nous avons montré que celles-ci limitent la bande passante atteignable en boucle fermée. Il s'en suit qu'il suffit de modéliser et d'analyser ces systèmes dans une bande de fréquences limitée, et non pas sur toutes les fréquences, et que l'utilisation de correcteurs d'ordres réduits est tout à fait efficace. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la synthèse de correcteurs d'ordres réduits fixés sous contraintes de robustesse, et à la réduction de modèles pour de tels systèmes. La méthode proposée consiste à déterminer un correcteur de structure donnée qui optimise le rejet de la perturbation de commande de type échelon au sens de la norme H2, en respectant des contraintes de robustesse, i.e. marge de module minimum, marge de phase minimum et amplification maximum du bruit de mesure sur la commande. En s'appuyant sur une base de modèles génériques d'ordres réduits, la méthode aboutit à une formulation d'optimisation mixte H2/H-infini semi-analytique de la fonction objectif et de contraintes d'inégalités en termes des gains inconnus du correcteur. Lorsque le système à contrôler est d'ordre élevé, nous proposons une méthode de réduction de modèle avec garantie de marges de robustesse en boucle fermée afin d'obtenir les paramètres des modèles génériques d'ordres réduits. Si le modèle du système à contrôler n'est pas disponible, nous présentons une méthode d'identification expérimentale par la méthode du relais sur la base de modèles génériques. Dans le but de rendre l'approche proposée plus accessible à un usage industriel, nos développements in fine ont été intégrés à des outils logiciels d'aide à la conception d'un système de commande.

Le piano est reconnu comme un instrument permettant une grande expressivité musicale. Cette caractéristique est due en grande partie à la finesse dans le contrôle de l'instrument que les pianistes peuvent atteindre. Le mécanisme traditionnel présente une particularité : les éléments responsables du rayonnement sonore sont découplés du pianiste au moment de la génération de la note. Donc, le pianiste ne peut pas agir sur le son au moment ou il l'entend, le contrôle de la nuance de jeu est donc fortement conditionné par le retour tactile – que nous appèlerons toucher – fourni par l'instrument. Le toucher est donc un indicateur de la qualité du clavier.<br /><br />La mécanique d'actionnement communique au marteau le mouvement imposé à la touche par le pianiste. Ce système dynamique complexe formé d'un ensemble de pièces en bois et feutre de laine, liées entre elles par des pivots et des contacts unilatéraux est responsable du toucher. Les pianos numériques actuels sont équipés de mécaniques d'actionnement simplifiées qui produisent un toucher pauvre par rapport à celui d'un piano à queue traditionnel (notamment dans la nuance piano).<br /><br />L'objectif de ce travail est de concevoir un clavier numérique contrôlé capable de reproduire de manière satisfaisante le toucher d'un piano à queue. Pour cela, nous devons dans un premier temps étudier le fonctionnement de la mécanique traditionnelle puis concevoir et contrôler une interface haptique à base de fluide magnéto-rhéologique capable d'un rendu sensoriel de mêmes caractéristiques que celui d'un piano traditionnel.<br /><br />Le modèle dynamique de la mécanique traditionnelle a été réalisé en tenant compte de tous les degrés de liberté du système et des comportements des liaisons pivots et des contacts unilatéraux. Un ensemble de procédures expérimentales ont permis de valider les lois de comportement utilisées dans le modèle et d'obtenir la valeur de tous les paramètres de la modélisation. Finalement, nous avons simulé numériquement le comportement du système dans le cas quasi-statique et dynamique à l'aide de Matlab/Simulink.<br /><br />Par ailleurs, nous avons conçu, modélisé et identifié un nouveau mode opératoire pour fluides magnéto-rhéologiques qui fût utilisé pour la conception de l'interface haptique pour claviers musicaux. L'interface haptique a été modélisée pour obtenir la loi de commande. Cette modélisation a été validée par la comparaison de la simulation numérique du modèle avec les mesures sur le système réel. Finalement nous avons mis en place une procédure de contrôle en temps réel de l'interface qui utilise un modèle virtuel (modèle dynamique de la touche traditionnelle, par exemple) et le modèle de l'interface.

Les robots industriels représentent un moyen de production sophistiqués pour l'industrie manufacturière d'aujourd'hui. Ces manipulateurs sont plus agiles, plus flexibles et moins coûteux que les machines-outils spécialisées. L'exploitation de ces avantages fait l'objet d'une demande croissante de l'industrie. La dynamique de ces manipulateurs est soumise à des nombreuses sources d'imprécision. En effet les défauts de la chaîne de transmission, ou encore les éléments de liaisons peuvent être le siège de déformations et de vibrations dégradant sensiblement leur précision. Ces phénomènes physiques sont d'autant plus difficiles à compenser que seul un sous ensemble des états du système est mesuré par les codeurs moteurs. La structure de commande industrielle actuelle d'un robot n'agit donc pas directement sur ces phénomènes. Il est nécessaire alors de progresser sur le front de l'amélioration de la précision par l'adaptation de la commande à ces nouvelles exigences. Un état de l'art met en évidence un manque de travaux qui traitent de l'élaboration d'anticipations adaptées aux axes d'un robot et intégrant les phénomènes de déformation. En outre, la planification de trajectoire n'est classiquement pas remise en cause et peu évoquée. Elle représente pourtant un moyen d'action éprouvé afin d'améliorer les performances dynamiques en suivi de profil. L'approche proposée dans ce mémoire se veut une alternative à ces méthodes. Elle est basée sur une exploitation d'un modèle dynamique représentatif et détaillé. Il intègre les principaux phénomènes physiques mis en évidence tels que les effets de la gravité, les systèmes mécaniques de compensation, les forces de frottement et la flexibilité articulaire. Cette modélisation associée à des méthodes d'identification expérimentale est exploitée afin de déduire une structure de commande. Elle permet la réduction des déformations élastiques et des vibrations par une action sur la précommande et sur la loi de mouvement adaptée. Ainsi, nous introduisons une méthode d'estimation non asymptotique appliquée en robotique, afin d'estimer rapidement les paramètres vibratoires de ce dernier et contribue à une réactualisation des modèles exploités. Des résultats expérimentaux montrent que cette méthodologie mène à une amélioration des performances de positionnement par rapport à la commande industrielle. / Anthropomorphic robots are widely used in many fields of industry to carry out repetitive tasks such as pick and place, welding, assembling, and so on. Due to their flexibility and ability to perform complex tasks in a large workspace, industrial robots are finding their way to realize continuous operations. Then, high level pose accuracy is required to achieve a good path tracking. Unfortunately these systems were designed to have a good repeatability but not a good accuracy. The dynamics of these manipulators is subject to many sources of inaccuracy. Indeed, friction, kinematic errors and joint flexibilities may be the seat of deformation and vibration which degrade the position performance. These physical phenomena are even more difficult to manage even only a subset of states of the system is measured by motor encoders. Hence, the structure of current industrial control does not act directly on these phenomena. Nevertheless, there is a growing interest from industry for an improved path tracking accuracy with standard robots controllers. A state of the art highlights a lack of works considering the development of expectations adapted to the axes of an industrial robot and incorporating deformation phenomena. The approach proposed in this PhD. Thesis is meant to be an alternative to such techniques by proposing a methodology based on exploitation of detailed physical modeling and associated to experimental identification methods. This model incorporates the main highlighted physical phenomena. It is then exploited to obtain adapted control structures and tuning methods allowing enhancing the system's performance. It is integrated in our trajectory planner in order to realize a compensation scheme of joint errors. Thus, we introduce a new non-asymptotic estimation method applied in robotics, to on-line estimate the vibration parameters and to update operated models. Experimental results show that the proposed methodology leads to an improved motion control of the point-tool.

Un manipulateur cartésien dit " axe en gantry " peut être utilisé pour des applications requérant une dynamique élevée et une grande précision. Le type d'axe en gantry étudié dans ce mémoire consiste en un axe transversal porté par deux actionneurs linéaires balayant la direction longitudinale de l'espace de travail. Un troisième actionneur, monté sur le bras transversal, permet de déplacer la charge le long de la direction transversale de l'espace de travail. La problématique de ces systèmes réside dans la dégradation des performances de positionnement due au couplage mécanique existant entre les actionneurs et aux vibrations du bras transversal. La solution industrielle, consistant à minimiser les vibrations en rigidifiant (et en alourdissant) le bras transversal et à contrôler indépendamment les axes parallèles, mène à une consommation d'énergie importante qui ne sera plus acceptable à long terme. Un état de l'art sur la commande des axes en gantry met en évidence un manque d'analyse des phénomènes physiques responsables des couplages mécaniques et des vibrations du bras transversal. Ceux-ci sont en effet considérés comme des perturbations compensées par des méthodes mathématiques dérivées de l'automatique avancée. L'approche proposée dans ce mémoire se veut une alternative à ces méthodes. Elle est basée sur une modélisation physique détaillée de l'axe en gantry comprenant la flexibilité du bras transversal. Cette modélisation, associée à des méthodes d'identification expérimentale et de représentation causale, est exploitée afin de déduire des structures de commande et des méthodes de réglage adaptées. Des résultats expérimentaux montrent que cette méthodologie mène à une amélioration des performances de positionnement des axes en gantry par rapport à la commande industrielle et permet par exemple d'envisager l'allégement du bras transversal.