Une approche énergetique de la securité pour des robots manipulateurs

An energetic approach to safety in robotic manipulation

• Auteur / Autrice : Lucas Joseph
• Direction : Guillaume Morel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance le 07/12/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des systèmes intelligents et de robotique (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Morin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Padois, Serge Müller
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Andrea Cherubini, Bernard Bayle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Programmation quadratique

Énergie mécanique

Robots -- Dynamique

Robots -- Systèmes de commande

Interaction homme-robot

Mots clés libres

Interaction Homme/Robot

Sécurité

Programmation quadratique

Robots redondants

Energie cinétique

Contacts non désirés

Human/Robot Interaction

Safety

Quadratic Programming

Redundant Robots

Kinetic Energy

Undesired Contact

Résumé

Les robots collaboratifs offrent de nouvelles façons d'utiliser des robots dans des espaces de travail partagés avec des humains. Ils peuvent interagir avec leur environnement et assister un opérateur dans sa tâche avec plus de sécurité que leur équivalent industriel. On demande à ces robots qu'ils soient rapides, précis et efficaces dans l'accomplissement de leurs tâches. Cependant, leur force peut aussi les rendre dangereux vis à vis de leur environnement. Par conséquent, ils sont souvent utilisés de manière sous-optimale afin de garantir la sécurité de l’opérateur. Ce travail se focalise sur le cas des contacts non désirés entre un opérateur et un robot réalisant un ensemble de tâches. Ces contacts se traduisent soit par un impact entre le robot et un obstacle, soit par le robot poussant l'obstacle contre un objet fixe. Dans les deux cas, la dangerosité du robot peut être liée à sa variation d'énergie cinétique. Le problème de commande du robot est formulé comme un problème d'optimisation sous contrainte et est résolu en utilisant des outils de programmation quadratique linéaire. La variation d'énergie cinétique du robot est insérée comme une contrainte dans le problème quadratique. Cette dernière empêche le robot d'atteindre un niveau d'énergie cinétique dangereux durant son mouvement. Elle empêche aussi indirectement le robot d'exercer des efforts d'interaction trop importants en cas de contact prolongé. Il est également montré qu'il est possible d'utiliser la redondance d’un robot afin de minimiser sa masse apparente dans la direction d'un obstacle. Indirectement, cela réduit l’énergie cinétique de robot pour une tâche donnée. Le contrôleur proposé dans cette thèse est implémenté sur un robot manipulateur à 7 axes. Ce travail, réalisé en collaboration avec General Electric Healthcare, propose différentes expériences avec ce contrôleur dans le contexte de l'imagerie médicale. En utilisant des capteurs externes il est montré qu'il est possible de réaliser des tâches de manière optimale tout en réduisant la dangerosité du robot en cas de contact non désiré.

Collaborative robots offer new possibilities to use robots in workspaces shared with humans. These robots can interact with their environment and assist human beings in their task in a safer way compared to standard industrial ones. They are required to be fast, precise, and efficient during the accomplishment of their tasks. However, their strength can make them dangerous tools around people. Therefore, to ensure safety they are often used in a sub-optimal way. The aim of this work is to ensure the safety of a human interacting with a robot performing a set of tasks. It is more specifically focused on the case of undesired contact with the robot. An undesired contact can either come from an impact between the robot and an obstacle or from the robot pushing the obstacle against a fixed object. This work shows that in both cases the dangerousness of the robot can be linked to the robot variation of kinetic energy. These robots are also submitted to a set of constraints coming either from their intrinsic design or from the environment. When a human enters in the robot workspace, the robot environment becomes partially unknown. The robot should be able to adapt to its environment and reactively compute a safe control solution satisfying its constraints while performing its tasks in an optimal way. To that aim, this work formulates the control problem as a constrained optimization one and solves it using Linear Quadratic Programming. The robot variation of kinetic energy is constrained within the quadratic programming problem. This constraint prevents the robot from reaching a dangerous amount of kinetic energy. It also indirectly prevents the robot from exerting too much forces when in contact with an obstacle. This work also shows that it is possible to use the robot redundancy to minimize its perceived mass in the direction of an obstacle. This indirectly reduces its kinetic energy for a given task. The proposed controller is implemented on a 7 dof serial robotic manipulator. This work, realised in collaboration with General Electric Healthcare, features several experiments with this controller in the context of medical imaging. Using external sensors it is shown that it is possible to realise tasks in an optimal way while limiting the robot dangerousness in case of an undesired contact.