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UNIVERSITE DE SHERBROOKE Faculte de genie Departement de genie mecanique Contro

UNIVERSITE DE SHERBROOKE Faculte de genie Departement de genie mecanique Controle par vecteurs d’influence pour les robots a actionneurs cellulaires binaires Memoire de maitrise Specialite : genie mecanique Alexandre GIRARD Jury : Jean-Sebastien PLANTE (directeur) Patrice MASSON Frangois MICHAUD Sherbrooke (Quebec) Canada Mars 2013 1+1 Library and Archives Canada Published Heritage Branch Bibliotheque et Archives Canada Direction du Patrimoine de I'edition 395 Wellington Street Ottawa ON K1A0N4 Canada 395, rue Wellington Ottawa ON K1A 0N4 Canada Your file Votre reference ISBN: 978-0-494-96267-1 Our file Notre reference ISBN: 978-0-494-96267-1 NOTICE: The author has granted a non exclusive license allowing Library and Archives Canada to reproduce, publish, archive, preserve, conserve, communicate to the public by telecommunication or on the Internet, loan, distrbute and sell theses worldwide, for commercial or non commercial purposes, in microform, paper, electronic and/or any other formats. AVIS: L'auteur a accorde une licence non exclusive permettant a la Bibliotheque et Archives Canada de reproduire, publier, archiver, sauvegarder, conserver, transmettre au public par telecommunication ou par I'lnternet, preter, distribuer et vendre des theses partout dans le monde, a des fins commerciales ou autres, sur support microforme, papier, electronique et/ou autres formats. The author retains copyright ownership and moral rights in this thesis. Neither the thesis nor substantial extracts from it may be printed or otherwise reproduced without the author's permission. L'auteur conserve la propriete du droit d'auteur et des droits moraux qui protege cette these. Ni la these ni des extraits substantiels de celle-ci ne doivent etre imprimes ou autrement reproduits sans son autorisation. In compliance with the Canadian Privacy Act some supporting forms may have been removed from this thesis. While these forms may be included in the document page count, their removal does not represent any loss of content from the thesis. Conformement a la loi canadienne sur la protection de la vie privee, quelques formulaires secondaires ont ete enleves de cette these. Bien que ces formulaires aient inclus dans la pagination, il n'y aura aucun contenu manquant. Canada "La simplicity est la sophistication ultime." Leonardo da Vinci RESUME La robotique actuelle est principalement limitee a des taches de positionnement rapide d’ou- tils. En effet, malgre beaucoup d’ efforts de recherche et developpement, les robots classiques ont peu de succes pour les taches d’interaction avec des environnements incertains. De plus, la faible densite massique de puissance des systemes d’actionnement classique (moteur electrique, reducteur et joint) est contraignante pour les robots mobiles et les mecanismes des vehicules ou la masse est critique. Le laboratoire CAMUS explore une nouvelle architecture robotique qui consiste a remplacer les composants complexes (joints, roulements, engrenages, moteurs, etc.) par une structure flexible incluant plusieurs 616ments actifs (muscles artificiels). Les avantages d’une telle architecture sont la legerete, la redondance des actionneurs et la faible impedance passive, des atouts particulterement interessants pour la robotique et les mecanismes en aero- spatiale. £ette approche est etudiee dans un premier temps en developpant des robots constitues d’un corps flexible en polym&re incluant plusieurs petits muscles pneumatiques integtes. Ce memoire documente le developpement d’une methode de controle adaptee a cette nouvelle architecture, car les methodes classiques ne sont pas applicables. La methode de controle pro- posee, le controle par vecteur d’influence, permet de controler une sortie vectorielle (multi- variable), comme une position ou une force, en recrutant des actionneurs selon leurs vecteurs d’influence sur cette sortie. La methode ne necessite pas de module analytique car les vecteurs d’influence sont identifies experimentalement, ce qui s’avere un atout majeur puisque qu’il est tres difficile d’obtenir des modules pr6cis de systemes cellulaires. Pour le controle en position, le controleur propose utilise une approche probabiliste et un algorithme genetique pour determiner la combinaison optimale d’actionneurs a recruter. Pour le controle de mouvements continus, le controleur utilise une approche par surface de glissement et une loi de controle ind6pendante pour chacun des actionneurs. La methode de controle proposee est validee experimentalement sur un robot prototype utilisant vingt muscles pneumatiques binaires integres dans une structure souple en polyntere. Les resultats experimentaux confirment l’efficacite de la methode et son habilete a tolerer des perturbations massives et des pannes d’actionneurs. Mots-cles : Controle, robotique souple, architecture cellulaire, actionneurs binaires, actionneurs redondants REMERCIEMENTS J’aimerais premierement remercier mes parents, Celine et Gabriel, qui ont su me donner la passion des sciences et qui m’ont toujours encourage dans mes etudes. Je dois aussi beaucoup a mon directeur de recherche, Jean-Sebastien Plante, un motivateur ne qui a eu beaucoup d’ambition pour moi et sans qui je ne ferais probablement pas carriere en recherche. Sa passion a ete contagieuse. Je remercie aussi toute l’equipe du laboratoire CAMUS, particulierement Genevieve Miron et Sylvain Proulx, qui m’ont laisse experimenter avec leurs robots. Sans leur travail mon projet n’aurait pas pu avoir un aspect experimental. Je dois aussi remercier Benoit Heintz pour son aide avec l’electronique du banc d’essais et Marc Denninger pour ses illustrations 3D sur Blen der. Aussi, mention speciale aux participants du camp d’entrainement plein air, particulierement Marc-Olivier, et tous ceux qui m’ont suivi dans quelques brins de folie qui detendaient 1 ’atmo sphere de travail du laboratoire. Je souligne aussi le soutien moral de Catherine, ma conjointe, qui a su me garder sain d’esprit durant les periodes plus difficiles, ainsi que celui de tous mes amis. Je termine en soulignant le support financier foumit par le conseil de recherches en sciences naturelles et en genie du Canada (CRSNG) et le Fonds de Recherche du Quebec - Nature et Technologies (FRQ-NT), ainsi que la commandite en materiel pneumatique de Festo. TABLE DES MATIERES 1 Introduction 1 1.1 Problematique........................................................................................................... 3 1.2 Ddfinition du projet de recherche............................................................................ 5 1.3 Contributions originates............................................................................................ 5 1.4 Organisation du memoire......................................................................................... 5 2 Robots a actionneurs redondants, binaires ou souples 7 2.1 Robots hyper-redondants de type se rie ................................................................... 7 2.1.1 F e s to .............................................................................. 9 2.2 Robots binaires paralleles............................................. 9 2.2.1 Laboratoire d’A rbeloff............................................................................... 10 2.2.2 Stanford........................................................................................................ 11 2.2.3 Indian Institute of Technology.................................................................. 11 2.2.4 Massachusetts Institute of Technology...................................................... 12 2.2.5 Laboratoire CAM US.................................................................................. 12 2.3 Conclusion.............................................................................................................. 13 3 Robotique cellulaire souple 15 3.1 Principe de fonctionnement...................................................................................... 15 3.2 Mise en oeuvre................................................................................ 16 3.3 Applications.............................................................................................................. 18 3.3.1 Robotique medicale intra-IRM............................................. 18 3.3.2 Robots d’exploration so u p le ............................................................... 19 4 Controle par vecteurs d’influence 21 4.1 Vecteurs d’influence.................................................................................................. 21 4.2 Controleur statique.................................................................................................. 22 4.2.1 Fondements mathematiques............................................................... 23 4.2.2 Approximations lineaires avec les vecteurs d’influence.............................. 24 4.2.3 Probleme inverse de controle............................................................... 26 4.2.4 Iterations............................................................................... 27 4.2.5 Incertitude sur les vecteurs d’influence....................................................... 28 4.2.6 Convergence............................................................................ 33 4.2.7 Fonction-cout probabiliste................................................................. 35 4.2.8 Identification en-ligne des vecteurs d’influence........................................... 36 4.3 Controleur dynam ique............................................................................................ 38 5 Validation experimentale 41 5.1 Robot prototype a architecture cellulaire................................................................ 41 5.1.1 Banc d etest............................................................................. 42 5.2 Mise en oeuvre du controleur................................................................... 43 v TABLE DES MATIERES 5.2.1 Mesure des e ta ts ......................................................................................... 43 5.2.2 Calibration.................................................................................................. 50 5.2.3 Distribution de l’erreur............................................................................... 50 5.2.4 Fonction-cout............................................................................................... 51 5.2.5 Algorithme d’optimisation......................................................................... 52 5.2.6 Iterations..................................................................................................... 53 5.2.7 Controleur dynam ique............................................................................... 54 5.3 Resultats experimentaux....................................................................................... 55 5.3.1 Controleur statique...................................................................................... 55 5.3.2 Controleur dynam ique................................................................................ 60 6 Conclusion 65 A Revue des actionneurs pour la robotique 67 A.l Definition d’actionneur.......................................................................................... 67 A.2 D6finitions techniques . .................................................................................... 69 A.2.1 Caracteristiques mecaniques..................................................................... 69 A.2.2 Caracteristiques energetiques..................................................................... 73 A.2.3 Im pedance................................................................................................. 75 A. 3 Actionneurs classiques.......................................................................................... 91 A.3.1 Moteurs electriques..................................................................................... 91 A. 3.2 Actionneurs hydrauliques ........................................................................ 103 A.3.3 Actionneurs pneumatiques......................................................................... 110 A.4 Actionneurs non conventionnels........................................................................... 116 A.4.1 Alliages a memoire de form e..................................................................... 116 A.4.2 Actionneurs piezo-electriques.................................................................. 119 A.4.3 Actionneurs dielectriques........................................................................... 122 A. 5 Comparatif des technologies d’actionnement......................................................... 124 B Cadre de reference shr la robotique 125 B.l Cindmatique............................................................................................................. 125 B.1.1 Matrice de rotation..................................................................................... 125 B.l.2 Rotation axe-angle..................................................................................... 127 B.l.3 Quaternions................................................................................................. 128 B.l.4 Cinematique directe et inverse.................................................................. 129 B.1.5 Cinematique differentielle......................................................................... 129 B.2 Dynam ique............................................................................................................ 130 B.3 Controle.................................................................................................................. 130 B.3.1 Controle decouple..................................................................................... 130 B.3.2 Controle a boucle linearisante.................................................................. 131 C Modelisation et identification du comportement dynamique du robot prototype 133 C.l Modelisation ...................................................................................................... 133 C.1.1 Approximations ....................................................................................... 133 C.l.2 Comportement fluidique........................................................................... 134 TABLE DES MATIERES vii C.l.3 Comportement m ecanique....................................................................... 135 C.l.4 Modele d’e ta t............................................................................................. 136 C.1.5 Fonction de transfert globale.................................................................... 138 C.2 Identification........................................................................................................ 138 C.2.1 Methodologie............................................................................................. 138 C.2.2 Reduction d’un ordre..................... 138 C.2.3 Identification des constantes de tem p s.................................................... 139 C.2.4 R esultats................................................................................................... 139 C.3 Conception des lois de commandes.................................................................... . 140 C.3.1 O bjectifs................................................................................................... 140 C.3.2 Commande robuste.................................................................................... 141 C.3.3 Commande par retour d’e t a t .................................................................... 146 C.3.4 Commande bang-bang ........................................................................... 147 C.3.5 Saturation de la commande....................................................................... 147 C.4 Simulation............................................................................................................... 148 C.5 Resultats.................................................................................................................. 150 C.5.1 Performances de l’observateur................................................................. 155 C.6 Discussion............................................................................................................... 157 D Developpement d’un capteur souple 159 D.l Objectifs.................................................................................................................. 159 D.2 Concept propose .................................................................................................. 160 D.3 M odelisation........................................................................................................ 161 D.3.1 Deform ation............................................................................................. 162 D.3.2 Sensibilite................................................................................................... 162 D.3.3 Mesures differentielles.............................................................................. 163 D.3.4 Effets parasites.......................................................................................... 165 D.3.5 Choix des parametres geometriques........................................................ 168 D.4 Identification de la capacity................................................................................... 169 D.5 Resultats experimentaux...................................................................................... 169 D.5.1 Comportement dynamique....................................................................... 172 D.5.2 Extrapolation des resultats pour le robot IR M ........................................ 174 D.6 C onclusion............................................................................................................ 174 LISTE DES REFERENCES GF1 TABLE DES MATIERES LISTE DES FIGURES 1.1 Robot industriel...................................................................................................... 1 1.2 Architectures robotiques................................. 2 2.1 Actionneurs uploads/Finance/ mr-96267.pdf