Analyse et conception d'un robot parallèle sous-actionné intrinsèquement sûr

Analysis and design of an intrinsically safe underactuated parallel robot

• Auteur / Autrice : Guillaume Jeanneau
• Direction : Sébastien Briot, Vincent Bégoc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Productique et Robotique
• Date : Soutenance le 11/05/2022
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Caro
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Briot, Vincent Bégoc, Stéphane Caro, Pierre Renaud, Lionel Birglen, Philippe Wenger, Pauline Maurice, Catherine Bidard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Renaud, Lionel Birglen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande automatique

Robots -- Mouvements

Impact

Robotique

Mots clés libres

Robot parallèle

Robot intrinsèquement sûr

Robot R-Min

Effort d’impact

Robot sous-actionné

Raideur dynamique

Parallel robot

Intrinsically safe robot

R-Min robot

Impact forces

Underactuated robot

Dynamic stiffness

Résumé

Cette thèse introduit le robot R-Min, un concept de robot parallèle sous-actionné conçu pour réduire les efforts dus à un impact avec une personne. L’architecture est basée sur celle du mécanisme à cinq barres sur lequel des liaisons pivots sont ajoutées sur les avant-bras. Les modèles géométrico-statique et cinémato-statique sont déduits des conditions énergétiques nécessaires à l’équilibre du robot. Une étude discrète des solutions à ces modèles permet d’obtenir l’espace de travail du robot et le lieu de ces singularités. L’étude se concentre alors sur l’analyse de la sécurité. Un modèle réduit masse-ressort-masse, prenant en compte une raideur dynamiquement cohérente, est défini permettant d’obtenir une simplification du modèle dynamique au moment de l’impact et ainsi donne une nouvelle manière de caractériser la sécurité des robots souples. Une analyse expérimentale du robot R-Min permet en premier lieu de valider la faisabilité de modéliser et de contrôler ce type de structure tout en réduisant ses oscillations. Ensuite, l’effet sur la sécurité du sousactionnement, de la raideur, des vitesses, de l’objet impacté, est évalué lors d’un impact entre le robot R-Min et un dispositif de mesure dédié. Les résultats sont renforcés en simulation et permettent de conclure qu’une structure parallèle souple est une nouvelle solution permettant l’amélioration de la sécurité des robots de manière intrinsèque.

This thesis introduces the R-Min robot, a concept of an underactuated parallel robot designed to reduce the efforts due to an impact with a person. The architecture is based on the five-bar mechanism on which revolute joints are added on the forearms. The geometrico-static and kinemato-static models are deduced from the robot energetic condition necessary for robot equilibrium. A discrete study of the solutions to these models allows to obtain the workspace of the robot and the locus of its singularities. The study then focuses on the safety analysis. A reduced massspring-mass model, taking into account a dynamically consistent stiffness, is defined allowing to obtain a simplification of the dynamic model at the time of the impact and thus gives a new way to characterize the safety of compliant robots. An experimental analysis of the RMin robot allows first to validate the feasibility of modeling and controlling this type of structure while reducing its oscillations. Then the respective effect on the safety of the underactuation, of the stiffness, of the velocities and of the impacted object is evaluated for the impact of the R-Min robot with a dedicated measurement device. Results are reinforced in simulation and leads to the conclusion that an underactuated parallel structure permits safety improvement of intrinsically safe robots.