Un cadre générique de co-conception pour l'optimisation du design et de la commande des robots

A versatile co-design framework for simultaneous optimization of robots' hardware and control

• Auteur / Autrice : Gabriele Fadini
• Direction : Philippe Souères, Thomas Flayols
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance le 26/10/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Christine Chevallereau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Wensing, David Remy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robots -- Systèmes de commande

Robots -- Mouvements

Robots -- Programmation

Mots clés libres

Optimisation

Co-design

Contrôle

Quadrupède

Conception

Optimization

Design

Concurrent design

Quadruped

Co-design

Control

Résumé

L'équipe Gepetto du LAAS a récemment développé deux prototypes de robots quadrupèdes en collaboration avec le Max Plank Institute (MPI) de Tübingen en Allemagne. Ces robots sont équipés de moteurs sans balais miniatures, contrôlés vectoriellement, associés à des réducteurs faibles. Combinés, ces deux choix techniques permettent d'obtenir un actionnement réversible, idéal pour implémenter des lois de commande en force et capable de produire des densités de couples élevées. Grâce à cette technologie, ces robots légers permettent de produire des mouvements hautement dynamiques, tels que le saut ou la course, qu'il n'est actuellement pas possible de tester sur nos robots humanoïdes de taille humaine. Les robots HRP-2 et Pyrène du LAAS sont en effet trop lourds, rigides, et leur système d'actionnement à base de réducteurs à onde de déformation est fragile car non conçu pour encaisser des impacts. De plus, compte tenu de leur prix élevé, il n'est pas raisonnable de prendre le risque de casser ces robots. A l'inverse, ces nouveaux robots quadrupèdes offrent directement un mode d'actionnement en couple qui leur confère une compliance motrice idéale dans les phases d'interaction et peuvent facilement être réparés à partir de pièces imprimées 3D. Jusqu'ici, le design des deux premiers prototypes de quadrupèdes a reposé essentiellement sur le savoir-faire des chercheurs du MPI et du LAAS en termes de mécanique, électronique et robotique. Cependant, ce type de robot étant encore très nouveau, il est difficile de s'appuyer sur une réelle expérience lors de la phase de conception. L'objectif de cette thèse est de développer une approche systématique pour optimiser simultanément la conception et le contrôle de ces robots quadrupèdes. Il s'agit de proposer et mettre en œuvre des méthodes dite de " co-design " qui visent à optimiser simultanément la mécatronique de ces machines (structure mécanique, taille, puissance, mode d'actionnement, électronique, capteurs, ...) et leur commande, au regard d'un ensemble de tâches que l'on souhaite exécuter. Le mot " commande " est ici pris au sens large. Il inclut l'ensemble des méthodes liées à la génération de trajectoires, à l'observation de l'état (question étroitement liée à celle de la perception du robot), et la commande à proprement parler qui couvre les stratégies mises en œuvre pour asservir le système. Avec l'accroissement de performance des outils d'optimisation et de simulation des systèmes complexes, ces méthodes de co-design suscitent un intérêt croissant en ingénierie. Elles permettent d'envisager l'exploration hors-ligne des performances d'un large panel de prototypes, tant sur le plan du hardware que de la commande, avant de se lancer dans leur fabrication.

The Gepetto team at LAAS has recently developed two prototype quadruped robots in collaboration with the Max Plank Institute (MPI) in Tübingen, Germany. These robots are equipped with miniature, vector-controlled brushless motors, combined with low-profile gearboxes. Combined, these two technical choices enable reversible actuation, ideal for implementing force control laws and capable of producing high torque densities. Thanks to this technology, these lightweight robots can produce highly dynamic movements, such as jumping or running, which are currently impossible to test on our human-sized humanoid robots. The HRP-2 and Pyrène robots at LAAS are too heavy and rigid, and their strain-wave reducer-based actuation system is fragile because it is not designed to withstand impacts. What's more, given their high price, it's not reasonable to take the risk of breaking these robots. In contrast, these new quadruped robots offer direct torque actuation, giving them ideal motor compliance in interaction phases, and can easily be repaired from 3D-printed parts. To date, the design of the first two quadruped prototypes has relied heavily on the mechanical, electronic and robotic expertise of MPI and LAAS researchers. However, as this type of robot is still very new, it is difficult to draw on real experience during the design phase. The aim of this thesis is to develop a systematic approach for simultaneously optimizing the design and control of these quadruped robots. The aim is to propose and implement "co-design" methods that aim to simultaneously optimize the mechatronics of these machines (mechanical structure, size, power, actuation mode, electronics, sensors, etc.) and their control, with regard to a set of tasks that we wish to perform. The word "control" is used here in a broad sense. It includes all methods related to trajectory generation, state observation (a question closely linked to that of robot perception), and control, which covers the policies implemented to regulate the system. With the increasing performance of optimization and simulation tools for complex systems, these co-design methods are attracting growing interest in engineering. They make it possible to explore off-line the performance of a wide range of prototypes, in terms of both hardware and control, before the implementation phase.