Méthodes, modèles et outils pour la conception, la simulation et la programmation de systèmes robotiques modulaires et cyber-physiques

Methods, models and tool for designing and programming modulars and cyber-physicals robotics systems

• Auteur / Autrice : Lucas Jimenez
• Direction : Samuel Gomes, Frédéric Demoly
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 16/11/2022
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de technologie de Belfort-Montbéliard (1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Dimitris Kiritsis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Samuel Gomes, Frédéric Demoly, Richard Béarée, Benoît Eynard, Sihao Deng
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Richard Béarée, Benoît Eynard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes d'aide à la décision

Robotique

Robots mobiles

Mots clés libres

Robotique modulaire

Programmation robotique

Systèmes cyber-Physiques

Aides à la décision

Aides à la conception

Modular robotics

Robotic programming

Cyber physical systems

Decision making supports

Design supports

Résumé

Résumé :La robotique, l'intelligence artificielle (IA) et l'Internet des Objets (IoT) font partie des technologies majeures de la quatrième révolution industrielle, qui modifie notre façon de produire et de consommer, mais aussi améliore la coopération entre les humains et les machines. Cependant, la conception et l'utilisation de ces technologies sont aujourd'hui souvent limitées aux experts et aux chercheurs. Ces changements s'inscrivent dans un contexte économique et industriel de plus en plus concurrentiel, accélérant l'innovation et raccourcissant le cycle de vie des produits. Ces changements sont difficiles à appréhender, notamment pour les petites et moyennes entreprises pour lesquelles la modernisation des outils de production représente un investissement humain et matériel important et dont les volumes de fabrication sont généralement trop faibles et variés pour amortir économiquement un système de production robotisé.C’est dans ce contexte que l’industrie et le monde académique mènent des recherches afin de rendre les systèmes de production plus flexibles et intelligents afin de rester compétitifs. Pour atteindre ces objectifs, de nombreux domaines de recherche ont été explorés ces vingt dernières années tels que les systèmes de production modulaires et reconfigurables et plus récemment les systèmes cyber-physiques pour permettre une plus grande diversité de production mais aussi accroitre la résilience des systèmes de production face aux imprévus. Des études ont également été menées sur la conception à base de modèles et les systèmes d'aide à la décision pour aider et conseiller les concepteurs dans leurs décisions tout au long des processus de développement.Dans ce contexte, le travail de recherche présenté vise à améliorer et à faciliter l'utilisation des robots, notamment pour les petites et moyennes entreprises (PME), en proposant des méthodes, des modèles et des outils pour la conception, la simulation et la programmation de systèmes robotiques modulaires et cyber-physiques. Ainsi, notre travail de recherche tente de répondre aux questions de recherche suivantes : comment faciliter la conception et la programmation de systèmes robotiques dans un contexte cyber-physique ? Comment améliorer la flexibilité des systèmes robotiques ?Ainsi, la première contribution introduit un cadre pour la conception et la programmation de systèmes robotiques modulaires dans un contexte cyber-physique. Ce cadre est composé d'outils permettant la conception de systèmes robotiques modulaires spécifiques à une tâche et le programme associé pour réaliser la tâche désirée. Ces outils sont tous centralisés dans une application web dotée d’un système de programmation visuel.La seconde contribution illustre la conception d’un démonstrateur de robot modulaire imprimé en 3D. Le démonstrateur proposé a pour particularité de reposer uniquement sur des technologies open source et de pouvoir facilement être répliqué avec des machines et outils disponibles dans de nombreux « Fablab ». Ainsi la conception électronique, mécanique et logicielle du démonstrateur est détaillée.

Robotics, artificial intelligence (AI) and the Internet of Things (IoT) are among the major technologies of the fourth industrial revolution, changing the way we produce and consume, but also improving cooperation between humans and machines. However, the design and use of these technologies are today often limited to experts and researchers. These changes are taking place in an increasingly competitive economic and industrial context, accelerating innovation and shortening the life cycle of products. These changes are difficult to grasp, especially for small and medium-sized enterprises for which the modernisation of production tools represents a significant human and material investment and whose manufacturing volumes are generally too low and varied to economically amortise a robotised production system.It is in this context that industry and academia are conducting research to make production systems more flexible and intelligent in order to remain competitive. In order to achieve these objectives, many research areas have been explored over the last twenty years, such as modular and reconfigurable production systems and more recently cyber-physical systems, to allow for greater diversity in production but also to increase the resilience of production systems to unexpected events. Studies have also been carried out on model-based design and decision support systems to assist and advise designers in their decisions throughout the development process.In this context, the presented research work aims to improve and facilitate the use of robots, especially for small and medium-sized enterprises (SMEs), by proposing methods, models and tools for the design, simulation and programming of modular and cyber-physical robotic systems. Thus, our research work attempts to answer the following research questions: How to facilitate the design and programming of robotic systems in a cyber-physical context? How to improve the flexibility of robotic systems?Thus, the first contribution introduces a framework for the design and programming of modular robotic systems in a cyber-physical context. This framework consists of tools for the design of task-specific modular robotic systems and the associated programming to achieve the desired task. These tools are all centralised in a web application with a visual programming system.The second contribution illustrates the design of a 3D printed modular robot demonstrator. The particularity of the proposed demonstrator is that it is based solely on open source technologies and can be easily replicated with machines and tools available in many ''Fablab''. Thus, the electronic, mechanical and software design of the demonstrator is detailed.