Conception et commande d'un actionneur hybride pour les interfaces homme-machine

A hybrid actuation system for haptic interfaces

• Auteur / Autrice : Carlos Rossa
• Direction : Alain Micaelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécatronique, Automatique et Robotique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télécommande

Interfaces utilisateur (informatique)

Actionneurs

Résumé

Cette thèse aborde la conception et la commande d'un nouveau système d'actionnement pour interface à retour haptique. Nous proposons un dispositif hybride comprenant un moteur à courant continu et deux freins magnétorhéologiques. Chaque frein étant associé à une roue libre, son couple de freinage ne peut être transmis que dans une seule direction. De ce fait, lorsqu'un frein et le moteur sont activés en même temps, le frein ne bloque pas le moteur, ce qui permet de combiner les avantages de chaque d'actionneur et d'améliorer la qualité du rendu haptique. L'actionneur peut générer 5. 5Nm, avec un couple par unité de volume de 17. 75kN/m2. Les résultats démontrent que l'actionneur hybride présente moins de frottement et moins d'inertie comparé à un moteur électrique seul connecté à un réducteur de vitesse idéal. Une nouvelle approche de commande basée sur le partage d'impédance est proposée. Les gains d'asservissement relatifs à la raideur simulée par chaque actionneur sont ajoutés en temps réel de manière à respecter les consignes et les critères de stabilité. Ces lois de commandes sont indépendantes de l'environnement virtuel et permettent l'utilisation de l'actionneur dans une large gamme de dispositifs à retour de forces.

The design and control of a 5. 5Nm maximal torque, 17. 75kN/m2 torque density hybrid actuator for haptic feedback devices are presented. The system employs two unidirectional magneto-rheological fluid based brakes and a DC motor. The brakes are coupled to opposite overrunning clutches. By these means, each brake can generate a torque only in a defined direction. Thus, when both a brake and a motor are engaged to constrain the motion of the end-effector, the brake does not block the motor. Theoretical results demonstrate that the system generates less friction and presents less inertia compared to a DC motor associated to an ideal capstan transmission. The proposed control laws determine the shear of efforts between the brakes and the motor in terms of stiffness and energy of the virtual environment, in order to achieve high torque capability while maintaining stability and safety. The control laws do not necessitate a measure of interaction forces. Besides, the design of the actuator and the control laws are completely independent of the virtual environment allowing for the implementation of the system in many different haptic feedback devices.