New trajectory generation strategy to improve transparency of human-robot co-manipulation, applied to ultrasound gesture support
Mise en place d'une stratégie de co-manipulation humain-robot transparente pour l'assistance au geste échographique : Définition d’une stratégie de génération de trajectoire transparente et évaluation de l’influence des paramètres sur le mouvement
Résumé
The present work is in the field of co-manipulation robotics for gesture support. Weworked on the particular case of ultrasound examination, in order to reduce the prevalence of Musculoskeletal Disorders (MSD) that can be faced by sonographers. Thestrategy is based on a clinician-robot comanipulation of the ultrasound probe for itspositioning on the patient; the robot keeps the probe on the patient. During guidance,the robot must follow the movements imposed by the operator without feeling any dynamic effort linked to its movement : it is referred to as transparent guidance. Knowingthat the current approaches to implement manual guidance are mainly based on impedance or admittance control laws, and do not allow to create a transparent human-robotco-manipulation, the scientific challenge of our work is to propose a control techniqueallowing a transparent and intuitive human-robot co-manipulation for the human. Thus,we proposed a new method for generating real-time trajectories depending on the effortsapplied by the operator and based on the fundamental laws of the dynamics of a solid,thus introducing the notion of "virtual solid". Based on these laws, the robot must followthe trajectory of a solid in space when subjected to the operator’s actions. Thus, thegeneration of trajectory is done from the setting in motion of the virtual solid, whosecharacteristics are a virtual mass, a virtual inertia and virtual frictions. The approach was implemented on the Staübli TX2 60 robot and then studied in simulation and experimentation by comparing it to the classical co-manipulation method using impedance control. The results obtained are quite satisfying in favor of the proposed method. Wealso studied the influence of virtual parameters on the trajectory, and the transparencyof the co-manipulation, allowing obtaining a logic of adjustment of the control.
Le travail de cette thèse se positionne dans la thématique de la robotique de la co-manipulation pour l’assistance au geste. Nous avons travaillé sur le cas particulier de l’examen échographique, afin de réduire la prévalence des Troubles MusculoSquelettiques (TMS) auxquels peuvent faire face les médecins échographistes. La stratégie repose sur une co-manipulation clinicien-robot de la sonde échographique pour sa mise en place sur le patient ; le maintien de la sonde sur le patient est alors assuré par le robot. Lors du guidage, le robot doit suivre les mouvements imposés par l’opérateur sans aucun ressenti des efforts dynamiques liés à sa mise en mouvement : on parle de manipulation transparente. Sachant que les approches actuelles d’implémentation du guidage manuel sont principalement basées sur le contrôle de l’impédance du robot et ne permettent pas de créer une co-manipulation humain-robot transparente, l’enjeu scientifique de nos travaux est de proposer une technique de commande permettant une co-manipulation humain-robot transparente et intuitive pour l’humain. Ainsi, nous avons proposé une nouvelle méthode de génération de trajectoires temps réel dépendant des efforts appliqués par l’opérateur et reposant sur les lois générales de la dynamique d’un solide, introduisant ainsi la notion de "solide virtuel". En nous appuyant sur le principe fondamental de la dynamique, le robot doit suivre la trajectoire d’un solide dans l’espace lorsqu’il est soumis à des actions extérieurs. Ainsi, la génération de trajectoire se fait à partir de la mise en mouvement du solide virtuel, dont les caractéristiques sont une masse virtuelle, une inertie virtuelle et des frottements virtuels. La méthode est implémentée sur le robot Staübli TX2 60, puis étudiée en simulation et en expérimentation en la comparant à la méthode de co-manipulation classique utilisant la commande en impédance. Les résultats obtenus sont assez satisfaisants au profit de la méthode proposée. Nous avons également étudié l’influence des paramètres virtuels sur la trajectoire et la transparence de la co-manipulation, permettant d’obtenir une logique de réglage de la stratégie de commande.
Origine : Version validée par le jury (STAR)