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PAR POUR L’OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES TECHNIQUES PRÉSENTÉE AU DÉ

PAR POUR L’OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES TECHNIQUES PRÉSENTÉE AU DÉPARTEMENT DE MICROTECHNIQUE ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE Lausanne, EPFL 1998 INTERFACE POUR LE PILOTAGE ET L’ANALYSE DES ROBOTS BASÉE SUR UN GÉNÉRATEUR DE CINÉMATIQUES THÈSE N˚ 1897 (1998) Lorenzo FLÜCKIGER Ingénieur microtechnicien diplômé EPF originaire de Genève et Berne jury: Prof. R. Clavel, directeur de thèse Dr C. Baur, corapporteur Dr B. Hine, corapporteur Prof. H. Hügli, corapporteur Prof. C. Nicollier, corapporteur Dr F. Sternheim, corapporteur Novembre 1998 à la mémoire de Sita i CHAPITRE0RÉSUMÉ La robotique s’appuie sur des outils informatiques aussi bien dans les phases de conception, de programmation, de modélisation (géométrique, cinématique, dynamique, contraintes, etc.) que de simulation. Ces logiciels qui sont de précieuses, et déjà souvent indispensables, aides à la maîtrise globale d’un système robotique, sont à ce jour presque exclusivement réservés à des spécialistes. En particulier, les outils permettant d’aborder les aspects de simulation ou de programmation hors-ligne de robots restent d’utilisation complexes. La modélisation d’un nouveau robot nécessite d’habitude un investissement en temps important. En outre, la définition de tâches n’est en général pas envisageable pour un non spécialiste. Le projet CINEGEN qui fait l’objet de cette thèse se propose de combler ces lacunes. CINEGEN définit un nouvel outil, simple d’utilisation et rapide à mettre en oeuvre, pour la simulation cinématique de robots manipulateurs à structure quelconque dans un environnement de type réalité virtuelle. La description de la structure du robot est facilement maîtrisable. Quant à la simulation du robot (en vue de son étude ou de la programmation de tâches), elle s’effectue de manière interactive en temps réel, ce qui la rend accessible au néophyte. La mise en oeuvre rapide d’une nouvelle simulation s’effectue grâce à une description, dans un fichier texte, des paramètres géométriques élémentaires de la structure du robot. Ce fichier décrit également les différentes contraintes que la structure comporte; à savoir d’une part les boucles cinématiques et d’autre part le contrôle d’éléments du robot par des périphériques de saisie. Ce fichier est analysé par le programme qui construit de manière automatique un modèle numérique de la cinématique du robot en vue de satisfaire toutes les contraintes. En fonction des consignes données interactivement par l’utilisateur, le “moteur” cinématique calcule les mouvements que le robot doit effectuer tout en respectant les contraintes externes. La méthode de résolution des contraintes permet de faire évoluer le robot suivant sa cinématique directe (contrôle de chaque articulation indépendamment) ou inverse (contrôle de l’organe terminal), ceci de manière transparente pour l’utilisateur. La définition de tâches et l’étude intuitive du comportement du robot se basent sur l’utilisation d’un environnement virtuel qui permet des interactions fortes et directes entre l’utilisateur et le modèle à piloter. Ceci nécessite trois facteurs fondamentaux: une visualisation d’un monde tridimensionnel, des périphériques de saisie adaptés et une réponse du système en temps réel. La visualisation d’un espace tridimensionnel permet à l’utilisateur ii d’appréhender directement le robot et le monde dans lequel il évolue sans passer par une représentation symbolique. Le développement d’un périphérique dédié au contrôle de robot, incluant un retour de force, facilite la définition de consignes et complète les autres périphériques commerciaux utilisés pour la saisie. Le temps réel, nécessitant un traitement des données et rafraîchissement de l’image à une fréquence de 25 Hz minimum, est obtenu par l’utilisation d’une station graphique, d’outils numériques performants et surtout d’un moteur de résolution de contrainte adapté. Le projet CINEGEN répond donc à deux besoins: • le prototypage rapide de robots manipulateurs à structure quelconque en vue de leur analyse (cinématique, comportement, etc.), • la création aisée d’une interface intuitive pour la définition de tâches d’un nouveau robot (environnement de téléopération, etc.). Ces buts sont atteints par la mise en oeuvre d’une interface homme-robot interactive réalisée grâce à un nouveau fichier de description des structures de robots, à un moteur de résolution de contraintes fonctionnant en temps réel ainsi qu’à des outils d’entrée et sortie naturels pour l’utilisateur. iii CHAPITRE0SUMMARY In robotics we depend on software tools during design, modeling, programming and testing. These tools are essentials, often indispensable aids for developing and operating sophisticated robotic systems. At the same time, these tools are complex and usually too difficult to be used by non specialists. For example tools used for simulation or off-line programming require significant knowledge and skill. The goal of this thesis is to provide novice users with an intuitive tool (CINEGEN) for designing, studying and controlling robot manipulators without programming. In particular the tool addresses two main problems: 1) modeling a new robot requires an significant amount of time; 2) robot tasks (motion, actions, etc.) are generally difficult for novice users to specify. CINEGEN is a novel tool for kinematic simulation of robot manipulators in a virtual environment. It is easy to use and is capable of handling generic kinematic structures. With CINEGEN the description of robots is easy to perform and enables rapid prototyping. Additionally, CINEGEN’s capability for real-time interactive simulation allows novice users to quickly specify and evaluate robot tasks. A new simulation can be created very rapidly by describing the robot in a simple text based configuration file. In this file, robots are defined by the properties of each link and their relationships. Robots are defined as a tree structure from the base to the end-effector. For robots with kinematic loops, each loop is represented with two open sub-chains which are closed using a simple constraint. This same type of constraint is used to define which part of the robot must follow movements generated by input devices to the simulation. Once defined, this file is parsed by CINEGEN which automatically constructs the robot structure and its numerical kinematic model to satisfy all the constraints. Then the kinematic solver computes the robot movements regarding the user inputs and the internal constraints. This allows the user to interactively control the robot in two modes: direct kinematics (independent control of each joint) or inverse kinematics (control of the end effector). This constraint solver scheme provides the user with a unified interface to control robots without requiring thought about direct or inverse kinematics. The user interacts with the model of the robot using a virtual reality based interface. This interface gives the user a direct and intuitive means to study a robot’s behavior. The virtual reality based interface implies three fundamentals needs: a visualization of 3-dimensional world, appropriate input devices and real-time simulation. The visualization of the robot in a three dimensional space allows the user to understand the robot and the world in which it iv moves without any symbolic representation. The design of a new haptic input device extends the use of commercial devices employed, making it easier to generate control inputs as well as to “feel” the robot response. Real-time performance (refresh at more than 25Hz) of the complete simulation (graphics as well as kinematics) is obtained via efficient numerical tools and a constraint solver dedicated to robot kinematics. In short, the project developed in this thesis answer to two principal needs: • rapid prototyping and analysis of robot manipulators with general kinematic structure, • an intuitive interface for teleoperation (task definition) of new robots without programming. v CHAPITRE0REMERCIEMENTS Je remercie le Docteur Charles Baur pour la confiance totale qu'il m'a accordée ainsi que pour les rôles clefs qu'il a tenu dans ce travail de recherche: initiateur du projet, conseiller durant les 5 années passées dans son équipe, et enfin, membre du jury de thèse dont les critiques m'ont été précieuses. Je remercie le Professeur Reymond Clavel pour m'avoir accueilli au sein du Département de Microtechnique et pour avoir accepté la responsabilité de directeur de thèse. Je remercie vivement les membres du jury de thèse, pour l'intérêt qu'ils ont montré face à mon travail ainsi que pour l'éclairage personnel qu’ils ont apporté grâce à leurs compétences dans leur domaine scientifique respectif: le Professeur Heinz Hügli, le Professeur Claude Nicollier et le Docteur Federico Sternheim. Le Docteur Butler Hine mérite un remerciement particulier pour son accueil lorsqu'il était directeur du groupe IMG de la NASA et pour son effort de lecture dans une langue étrangère. Dans la foulée, j’adresse un remerciement outre-atlantique au Docteur Michael Sims qui m’a permis de participer aux activités de l’IMG, ainsi que ma reconnaissance à tous les membres de ce groupe pour leur aide et les échanges d'idées qui ont eu lieu durant les 5 mois que j'ai passé dans ce groupe: Cesar, Dan, Deanne, Eric, Hans, Kurt, Laurent et Maria. Du côté Suisse je tiens à remercier les collaborateurs, étudiants et amis de l’ex-IMT et de l’EPFL en général qui ont touché de près ou de loin, au niveau technique ou sur le plan amical, à ce travail de thèse. Plus spécialement ma gratitude va à Denis, David, Didier, Jean-Jacques, Jimmy, Laurent, Olivier, Peter, Pere, Roland et Willy ainsi qu’aux membres du Groupe VRAI. Special thanks to Terry who is always ready to help you and to fix any problems, and from whom I have learned so many things. Enfin, je remercie uploads/Ingenierie_Lourd/ interface-pour-le-pilotage-et-l-x27-analyse-des-robots-basee-sur-un-generateur-de-cinematiques.pdf