Towards dynamic shape control of mobile soft continuum manipulators : parametric curve-based approach

Vers la commande dynamique des manipulateurs-mobiles souples et continuum : approche basée sur les courbes paramétriques

• Auteur / Autrice : Steeve Kamga Mbakop
• Direction : Rochdi Merzouki
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, productique
• Date : Soutenance le 22/11/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mathématiques, sciences du numérique et de leurs interactions (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche en Informatique, Signal et Automatique de Lille
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Boyer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Tagne Fokam, Cecilia Laschi, Sergey Drakunov, Abdelaziz Benallegue, Marc-Henri Frouin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Perdereau, Ian Walker

Mots clés

Mots clés contrôlés

Impression 3D

Hodographes

Robots -- Systèmes de commande

Dynamique

Robots mobiles

Robots -- Cinématique

Design

Manipulateurs (mécanismes)

Robotique molle

Mots clés libres

Robots déformables

Modélisation par courbes paramétriques

Parametric curve modeling

Soft fingers

3D printing

Integrated design

Control

Résumé

De nos jours, les robots déformables et continuum sont de plus en plus utilisés dans la vie quotidienne (logistique, agriculture, thérapie médicale, pâtisserie, collaboration humaine, …etc.) en raison des multiples avantages qu’ils offrent par rapport aux robots rigides. Ils sont souvent constitués de matériaux déformables et hyper-élastiques qui leur confèrent les propriétés de résilience, flexibilité et de compliance, ce qui en fait de très bons candidats pour répondre à certains besoins pratiques (préhension par conformité, navigation avec évitement d'obstacles, …etc. Cependant, l'asservissement de leur forme reste un défi majeur pour la communauté scientifique en raison de leur très grand nombre de degrés de liberté (DoFs). Malheureusement, il n’est physiquement pas possible d'asservir tous les degrés de liberté pour piloter le mouvement 3D du robot. Dans l’optique de résoudre ce problème, les présents travaux de recherches traitent de la commande de la forme basée sur un modèle d’ordre réduit utilisant des courbes paramétriques à Hodographe Pythagoricienne. L’approche proposée permet de décrire la cinématique d’ordre élevé des robots déformables et continuum via un ensemble de points finis appelés points de contrôle. Ainsi, la dimension de leur contrôle peut être réduite à celle de cet ensemble de points de contrôle finis. De plus, afin d’aborder les problématiques d’adaptabilité de forme lors d’interactions externes (tâche de préhension, trajectoire avec évitement d'obstacles, perturbations spatio-temporelles, …etc.), les mouvements des points de contrôle (cinématique de la forme) ont été décrits en fonction des entrées physiques réelles en considérant la théorie d’Euler-Bernoulli (EB) en grandes déformations. Des validations expérimentales ont été effectuées sur plusieurs classes de robots déformable et continuum dans divers scénarios : Actionneurs élastomères fluides (FEA) pour le contrôle des tâches de préhension et un Robotino-XT pour le commande de la planification des mouvements avec évitement des obstacles.

Nowadays, soft continuum robots are increasingly used in everyday life (logistics, agriculture, medical therapy, baking, human collaboration, ...etc.) due to the multiple advantages they offer over rigid robots. They are often made up of soft and hyper-elastic materials that give them resilience? flexibility and conformation, making them good candidates to meet some real-life needs (form enclosure grasping, obstacle-free navigation, ...etc.). However, the control of their shape remains a major challenge for the scientific community due to their very large number of degrees of freedom (DoFs). Unfortunately, it is not physically possible to control all the DoFs to drive their 3D motion. To address that issue, the present research work focuses on a Reduced-Order-Model (ROM) based shape control using Pythagorean Hodograph (PH) parametric curves. The proposed approach allows to describe the high-order kinematics of soft continuum manipulators with a set of finite points called control points.Hence, the control dimension of the latter can be reduced to that of this set of finite control points. Moreover, to address shape adaptability issues during external interactions (gripping task, collision-free trajectory, spatio-temporal disturbances, ...etc.), the motions of the control points (shape kinematics) have been described with respect to real dynamic physical inputs considering the Euler-Bernouilli (EB) theory consistent with the large deflections. Experimental validations have been performed on several classes of Soft Continuum Robots in various scenarios: Fluidic Elastomeric Actuators (FEA) for the control of gripping tasks and a Robotino-XT for the control of motion planning with obstacles avoidance.