Commande d’un robot parallèle pour des tâches de pick-and-throw à haute cadence en tri sélectif

Control of Parallel Robots For High-Speed Pick-And-Throw Tasks In Selective Sorting

• Auteur / Autrice : Ghina Hassan
• Direction : Marc Gouttefarde, Clovis Francis, Ahmed Chemori, Maher El Rafei
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systèmes automatiques et micro-électroniques
• Date : Soutenance le 12/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....) en cotutelle avec Université Libanaise. Faculté des Sciences (Beyrouth, Liban)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Gouttefarde, Clovis Francis, Ahmed Chemori, Maher El Rafei, Stéphane Caro, Jacques Gangloff, Estelle Courtial, Naseem Daher
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphane Caro, Jacques Gangloff

Mots clés

Mots clés contrôlés

Jumeaux numériques

Déchets -- Collecte sélective

Simulation numérique directe

Robotique

Mots clés libres

Robot manipulateurs parallèles

Pick-And-Throw

Commande robuste

Analyse de stabilité

Expérimentation en temps réel

Simulations numériques

Parallel manipulators

Pick-And-Throw

Robust control

Stability analysis

Real-Time experiments

Numerical simulations

Résumé

La popularité des robots parallèles n'a cessé de croître au cours des dernières décennies. Cette popularité a été fortement stimulée par les nombreux avantages que ces robots offrent par rapport à leurs homologues en série, dans certaines applications industrielles nécessitant une forte accélération et une très bonne précision. Toutefois, afin d'exploiter pleinement leur potentiel et de tirer le meilleur parti de leurs capacités, il reste encore beaucoup à faire. Outre la conception mécanique, la calibration et l'optimisation de la structure, le développement d'approches de commande efficaces joue un rôle clé dans l'amélioration des performances globales de ces robots. Le tri sélectif consiste à trier et à récupérer les déchets en fonction de leur nature : métaux, papier, verre, organique, etc, pour faciliter leur recyclage. Ils sont triés soit par ceux qui les produisent, soit par des organismes spécialisés dans des centres de tri. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'utilisation de robots parallèles pour des applications de Pick-and-Throw (P&T) dans le tri sélectif et rapide des déchets. L'objectif est de réaliser des tâches de pick-and-throw de manière robuste et rapide à l'aide d'un manipulateur parallèle (mis à disposition par Tecnalia dans le cadre d'un contrat de recherche collaborative), démontrant l'intérêt et la pertinence d'une approche P&T par rapport à une approche (Pick-and-Place) P&P traditionnelle dans le cadre d'une application de tri sélectif de déchets.Dans ce contexte, la génération de trajectoires et la conception de commandes sont abordées dans cette thèse. D'une part, la planification du mouvement pour les PKMs n'est pas triviale. Différentes contraintes telles que les contraintes cinématiques et dynamiques, la continuité, la souplesse, etc., doivent être prises en compte pour générer une trajectoire réalisable et appropriée qui répond aux exigences d'une application spécifique. D'autre part, du point de vue du commande, le commande des PKMs est souvent considéré dans la littérature comme une tâche difficile en raison de leur dynamique hautement non linéaire, des incertitudes abondantes, de la variation des paramètres, et de la redondance de l'actionnement.Dans cette thèse, nous visons à générer une tâche de P&T rapide et précise en utilisant un manipulateur parallèle. Ainsi, nous proposons d'abord une trajectoire P&T optimale en termes de temps qui réduit considérablement le temps de cycle par rapport à la technique P&P habituelle. Des expérimentations en temps réel ont été menées pour la validation de la méthode P&T proposée, montrant la pertinence de cette méthode par rapport au processus P&P et à une technique P&T existante dans la littérature. Deuxièmement, des stratégies de commande robustes avancées ont été proposées, qui sont des extensions (i) de la commande RISE (Robust Integral of the Sign of the Error), (ii) de la commande DCAL (Desired Compensation Adaptive Law), et (iii) du commande sans modèle (MFC). L'analyse de stabilité basée sur Lyaponuv est établie pour tous les contrôleurs proposés, vérifiant la convergence asymptotique des erreurs de suivi. Afin de valider les contrôleurs proposés, des simulations numériques sont réalisées sur un prototype de robot parallèle, appelé T3KR. Plusieurs simulations sont testées, notamment la robustesse aux changements de charge et la robustesse aux variations de vitesse. La pertinence des schémas de contrôle proposés est prouvée par l'amélioration des erreurs de suivi dans différentes conditions de fonctionnement dynamiques

The popularity of parallel robots has been steadily increasing in recent decades. This popularity has been strongly stimulated by the many advantages these robots offer over their serial counterparts, in some industrial applications requiring high acceleration and very good accuracy. However, in order to fully exploit their potential and make the most of their capabilities, a long way remains to be done. In addition to mechanical design, calibration, and structure optimization, the development of efficient control approaches plays a key role in improving the overall performance of these robots.Selective sorting consists in sorting and recovering waste according to its nature: metals, paper, glass, organic, etc, to facilitate its recycling. They are sorted by those who produce them, or by specialized organizations in sorting centers. The objective of this thesis is to study the use of parallel robots for Pick-and-Throw (P&T) applications in the selective and fast sorting of waste. The goal is to perform pick-and-throw tasks in a robust and fast way using a parallel manipulator (made available by Tecnalia under a collaborative research contract), demonstrating the interest and relevance of a P&T approach compared to a traditional Pick-and-Place (P&P) approach in the context of a selective waste sorting application.In this context, trajectory generation and control design are addressed in this thesis. On the one hand, motion planning for PKMs is not trivial. Different constraints such as kinematics, dynamics constraints, continuity, smoothness, etc., should be taken into account to generate a feasible and appropriate trajectory that meets the requirements of a specific application. On the other hand, from a control point of view, the control of PKMs is often considered in the literature as a challenging task due to their highly nonlinear dynamics, abundant uncertainties, parameter variation, and actuation redundancy.In this thesis, we aim to generate a fast and accurate P&T task using a parallel manipulator. Thus, we first propose a time-optimal P&T trajectory that significantly reduces the cycle time compared to the usual P&P technique. Real-time experiments have been conducted to validate the proposed P&T method, showing the relevance of this method with respect to the P&P process and to an existing P&T technique in the literature. Second, advanced robust control strategies have been proposed, which are extensions of (i) the standard RISE (Robust Integral of the Sign of the Error) feedback control, (ii) the DCAL (Desired Compensation Adaptive Law), and (iii) the model-free control (MFC). Lyapunov-based stability analysis is established for all the proposed controllers verifying the asymptotic convergence of the tracking errors. In order to validate the proposed controllers, numerical simulations are conducted on a parallel robot prototype, called T3KR. Several simulations are tested including robustness towards payload changes and robustness towards speed variations. The relevance of the proposed control schemes is proved through the improvement of the tracking errors at different dynamic operating conditions.