Modélisation et commande robuste de robots parallèles à câbles pour applications industrielles

Modeling and Robust Control of Cable-Driven Parallel Robots for Industrial Applications

• Auteur / Autrice : Étienne Picard
• Direction : Stéphane Caro, Franck Plestan, Fabien Claveau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique, Mécanique
• Date : Soutenance le 17/12/2019
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Marco Carricato
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Caro, Franck Plestan, Fabien Claveau, Marco Carricato, Edouard Laroche, David Daney, Claire Dumas, Yves Guillermit
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Edouard Laroche, David Daney

Mots clés

Mots clés contrôlés

Câbles

Commande robuste

Algorithmes

Robots -- Systèmes de commande

Mots clés libres

Robotique

Parallèle

Câble

Modélisation

Contrôle

Étalonnage

Robotics

Parallel

Cables

Modeling

Control

Calibration

Résumé

Cette thèse concerne la modélisation et la commande robuste de robots parallèles à câbles (RPC) pour deux applications du secteur naval : la prise et dépose de plaques métalliques à l’aide d’un RPC en configuration suspendue (ROMP), et le nettoyage de façades par un RPC pleinement contraint (ROWC). Les travaux ont été réalisés à l’IRT Jules Verne dans le cadre du projet ROCKET. La première partie de cette thèse se concentre sur la modélisation et la calibration des RPC. Les modèles géométriques incluant la géométrie des poulies et l’élasticité des câbles sont présentés, ainsi que la formulation de la matrice de raideur du robot. L’estimation de la masse transportée et de la position du centre de gravité de la plateforme, à partir des mesures de tensions dans les câbles et pour une trajectoire à faible dynamique, est expérimentée. Enfin, la calibration des RPC est discutée et une méthode de calibration automatique est étudiée en simulation selon les modèles considérés. La seconde partie est dédiée au contrôle robuste des RPC par rapport aux perturbations de chaque application. Différents schémas de contrôle sont comparés suivant les informations disponibles sur le système. Deux familles de contrôleurs sont considérées pour ROMP : un contrôleur proportionnel-dérivée (PD) standard, et contrôleur récent balançant entre algorithmes de type mode glissant ou linéaire (SML). Un schéma compensant l’allongement des câbles par élasticité est également expérimenté pour améliorer la précision et la répétabilité du robot. Dans le cas de ROWC, l’intégration d’un algorithme de distribution des tensions dans les câbles dans le schéma de contrôle est nécessaire. Un nouveau critère de sélection des tensions est proposé afin de maximiser la raideur du robot face à l'effort dû à la pression du jet d’eau. Enfin, l’arrêt d’urgence des RPC est discuté et le comportement des prototypes ROMP et ROWC est observé dans le cas d’un arrêt d’urgence.

This thesis covers the modeling and robust control of cable-driven parallel robots (CDPRs) for two industrial applications for the naval sector: pick and place of metal plates (ROMP) using a suspended CDPR, and window cleaning (ROWC) by a fully constrained CDPR. The work was carried out in the context of the ROCKET project at IRT Jules Verne. The first part of this thesis focuses on the modeling and calibration of CDPRs. Models are written, including the consideration of pulleys geometry and cable elasticity. A linear model of cable elasticity introduced and used to write the robot stiffness matrix. A method for estimating the platform mass and center of mass position is proposed and experimented based on cable tension measurements, assuming a low-dynamic trajectory. Finally, the calibration of CDPRs is discussed and an automatic calibration method is tested in simulation based on the different models. The second part is dedicated to the robust control of RPCs against the perturbations identified for both applications. Several control architectures have been experimented depending on the available information about the system. Two families of controllers are compared for the control of ROMP: a proportional-derivative (PD) controller and a recent controller automatically balancing between sliding mode or linear algorithms (SML). In the case of fully constrained CDPRs such as ROWC, the control architecture must include a tension distribution to ensure safety. A new tension selection criterion based on the stiffness matrix is proposed to reduce the displacement of the platform due to water jet pressure. Finally, CDPR emergency stops are discussed and the behavior of ROMP and ROWC prototypes was evaluated in emergency situations.