Conception et analyse de stabilité de l’asservissement visuel sur des robots parallèles à câbles pour une amélioration de la précision

Design and stability analysis of visual servoing on cable-driven parallel robots for accuracy improvement

• Auteur / Autrice : Zane Zake
• Direction : Stéphane Caro, François Chaumette, Nicolo Pedemonte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique, Mécanique
• Date : Soutenance le 12/02/2021
• 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 : Nicolas Andreff
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Caro, Nicolas Andreff, Marc Gouttefarde, Jean-Pierre Merlet, François Chaumette, Claire Dumas, Nicolo Pedemonte
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Gouttefarde, Jean-Pierre Merlet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vision par ordinateur

Commande automatique

Câbles

Robots -- Systèmes de commande

Mots clés libres

Robots à câbles

Précision

Asservissement visuel

Analyse de stabilité

Espace de travail

Commande

Cable robots

Accuracy

Visual servoing

Stability analysis

Workspace

Control

Résumé

Cette thèse présente l’amélioration de la précision des robots parallèles à câbles (RPC) par l’asservissement visuel (AV) et l’utilisation de l’analyse de stabilité pour évaluer la robustesse du système robotique. Les RPC sont une sorte de robots parallèles avec des câbles au lieu de liaisons rigides. Ils sont caractérisés par un grand espace de travail, une charge utile et une reconfigurabilité élevées. En revanche, ils sont généralement peu précis, ce qui les empêche d’être largement utilisés. Avec une caméra embarquée sur la plateforme mobile (PM) et en contrôlant le RPC avec un AV, il est possible d’avoir une grande précision par rapport aux objets qu’elle perçoit. En effet, comme l’objet est constamment observé, la commande ne s’arrête que lorsque la précision souhaitée est atteinte. Cependant, la PM n’est pas observée et sa pose doit être estimée. Les contributions de cette thèse sont les suivantes. Trois méthodes d’estimation de pose de PM ont été proposées et évaluées. Il a été constaté que l’estimation par intégration de commande est la plus polyvalente. Une analyse de Lyapunov a été réalisée sur un RPC planaire et spatial. Un lien entre la pose de la PM et la stabilité du système a été déterminé et un nouvel espace de travail appelé Control Stability Workspace a été défini. Il a été calculé pour plusieurs approches d’AV sur plusieurs RPC. L’impact de différentes perturbations et erreurs de modélisation a été évalué. Il a été montré que la précision du RPC reste toujours la même tant que le système est stable. Les perturbations du système n’affectent que la trajectoire vers l’objet, qui peut être amélioré en utilisant un suivi de trajectoire. Enfin, pour traiter les pertes de tension des câbles, un algorithme de correction de tension pour l’AV a été proposé et validé.

This thesis presents accuracy improvement of Cable-Driven Parallel Robots (CDPRs) by visual servoing (VS) and the use of stability analysis to evaluate the robustness of the robotic system. CDPRs are a kind of parallel robots with cables instead of rigid links. They are characterized by a large workspace, a large payload capacity and reconfigurability, including a changeable moving-platform. However, CDPRs lack accuracy, which prevents them to be widely used. With an onboard camera on the moving-platform (MP) used in VS control of CDPRs, it is possible to have high accuracy with respect to a target object. Indeed, as the object is perceived, the control is only stopped when the desired accuracy is achieved. However, the MP is not observed and its pose must be estimated. The contributions of this thesis are the following. Three moving-platform pose estimation methods were proposed and evaluated on different tasks. It was found that estimation by control integration is the most versatile. Thorough Lyapunov stability analysis was performed on a planar and a spatial CDPRs. A link between the MP pose and system stability was determined and thus a novel workspace named Control Stability Workspace was defined. It was computed for several VS approaches on multiple CDPRs. The impact of different perturbations and modeling errors was evaluated. In experimental validation it was shown that CDPR accuracy always remains the same as long as the system is stable. Perturbations in the system affect only the trajectory to the goal. It was shown that trajectory tracking greatly improves CDPR behavior despite the perturbations. Finally, to deal with cable slackness, a Tension Correction Algorithm for VS was proposed and validated.