Contribution à la commande des actionneurs électropneumatiques pour la robotique parallèle

Contribution to the Control of Pneumatically Driven Actuators for Parallel Robotics

• Auteur / Autrice : Lofti Chikh
• Direction : François Pierrot, Philippe Poignet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie informatique, automatique et traitement du signal
• Date : Soutenance le 18/04/2011
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Pierrot, Philippe Poignet, Xavier Brun, Franck Plestan, Cédric Baradat, Isabelle Queinnec
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Brun, Franck Plestan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Inégalités matricielles linéaires

Pneumatique

Commande prédictive

Robots -- Programmation

Mots clés libres

Pneumatique

Commande prédictive

Robots parallèles

Robust control

Gpc

Lmi

Pneumatic

Predictive control

Parallel robots

Robust control

Gpc

Lmi

Résumé

Cette thèse a pour objectif la modélisation et la commande d'un robot parallèle actionné pneumatiquement destiné à des applications de prise et dépose d'objets. Les actionneurs pneumatiques sont des actionneurs à bas coût et ayant des rapports poids/puissance plus importants que les actionneurs électriques. Ceci a pour avantage de réduire le coût de revient du robot en augmentant sa capacité de charge. Cependant, du fait des fortes non linéarités qui les caractérisent (compressibilité de l'air, caractéristique de la valve, frottement, hystérésis ...), le principal obstacle à leur utilisation en robotique est leur commande de façon précise et robuste. C'est pour cela que plusieurs stratégies de commande ont été proposées et implémentées expérimentalement sur un banc d'essai utilisant trois types d'actionneurs pneumatiques: deux vérins et des muscles artificiels travaillant en mode antagoniste. Ces stratégies sont des schémas en cascade qui –après une linéarisant exacte obtenue sur la base du système non linéaire- combinent un contrôleur externe de position et une boucle interne de force (équivalente à la différence de pression) dans le cas des vérins pneumatiques. Pour les muscles artificiels, le même principe est utilisé sauf que la boucle interne de force est remplacée par une boucle qui régule le couple en contrôlant les pressions de chacun des deux muscles. Un contrôleur prédictif généralisé (GPC) est synthétisé pour la boucle de position permettant ainsi de réduire sensiblement les temps de réponse. Pour la boucle interne de pression, un contrôleur robuste multi-objectif combinant des performances H infinie avec des contraintes de placement de pôle a été synthétisé. L'utilisation d'inégalités matricielles affines (LMI) a permis de combiner les objectifs du contrôleur de façon très intuitive. Le choix de ce contrôleur robuste est motivé par la nécessité de rejeter les fortes variations de charge qui caractérisent les applications de prise-et-dépose d'objets. Deux autres stratégies pour la commande prédictive en effort ont été synthétisées sur les vérins et les muscles et ont donné des résultats très encourageants. Les résultats expérimentaux obtenus ont montré l'apport de ces lois de commande en termes de performances (réduction des temps de réponse, erreurs de suivi faibles) et de robustesse (bon rejet des perturbations). Une étude comparative des trois actionneurs testés a conduit au choix du vérin à double effet standard car offrant le meilleur compromis entre performances, robustesse et coût de l'actionneur. En se basant sur ce choix, un nouveau prototype de robot parallèle à deux degrés de liberté utilisant les vérins standards a été conçu, modélisé et commandé en utilisant les différentes stratégies en cascade proposées. L'implémentation expérimentale des algorithmes de commande a conduit à des résultats encourageants en termes de qualité de suivi et de rejet de perturbations.

The thesis objective is the control of a parallel robot driven with pneumatic actuators for pick-and-place applications. The advantage of using pneumatic actuators rather than electrical ones is that they are cheaper and have a bigger power-to-weight ratio which can increase the payload abilities of the robot. However, due to their strong nonlinearities such as air compressibility, valve characteristic, friction, and hysteresis, they are still difficult to control precisely and in a robust way.That is why the main contribution of the thesis is in the control area where different control schemes have been proposed and experimentally implemented on a test bench that involves three types of pneumatic actuators: two cylinders and agonist/antagonist artificial muscles. After the modeling and identification of the nonlinear models, different strategies have been developed: for cylinders, a cascade scheme which uses an outer position control loop and an inner force (or pressure difference) loop is used. For muscles, the inner force loop is replaced by a torque loop controlled by acting on the pressures in each muscle. For position, a Generalized Predictive Controller (GPC) is synthesized reducing sensibly the time responses. For the inner pressure loop, an LMI based multi objective controller is synthesized combining H infinity performances and pole placement constraints. The choice of a robust controller is motivated by the necessity of rejecting load variation disturban ces that characterize pick-and-place applications. On the other hand, two predictive control strategies with feedback linearization were implemented showing very encouraging results.The different experimental results have shown the interest of such strategies in terms of performances (time response reduction, good dynamic tracking) and robustness (disturbance rejection). The comparison of the three tested actuators led to the choice of the standard double acting cylinder because it offers the best compromise in terms of performances and cost. This cylinder was then used to design a planar parallel robot and the implementation of the proposed cascade strategies. The experimental tests showed encouraging results in terms of disturbance rejection and ability of tracking dynamic references and performing pick-and-place cycles.