Méthodes de conception et de commande de systèmes robotiques prenant en compte la consommation d’énergie et améliorant leur comportement

Methods for design and control of robotic systems considering energy consumption and improving their behaviour

• Auteur / Autrice : Yaodong Lu
• Direction : Vigen Arakelyan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique - Mécanique
• Date : Soutenance le 15/03/2024
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Pour l'Ingénieur (Lorient ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Delaleau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Delaleau, Erika Ottaviano, Mohamed Amine Laribi, Damien Chablat, Natalie Smith-Guerin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Erika Ottaviano, Mohamed Amine Laribi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique

Exosquelettes motorisés

Robots -- Systèmes de commande

Ressources énergétiques

Robotique

Mots clés libres

Consommation d’énergie

Performance de commande

Frottement

Découplage dynamique

Exosquelette

Energy consumption

Control performance

Friction

Dynamic decoupling

Exoskeleton

Résumé

Cette thèse traite de méthodes de conception et de commande des systèmes robotiques. Divers critères et méthodes sont employés pour évaluer et améliorer leurs performances, notamment la consommation d’énergie. Une solution approximative novatrice a été développée pour déterminer les réactions dans les liaisons et les pertes d’énergie dans les systèmes mécaniques, en tenant compte de l’impact du frottement de Coulomb. Il s’agit d’une des solutions analytiques les plus simples parmi les méthodologies existantes. Elle repose sur la méthode babylonienne d’approximation des racines carrées, conduisant à la résolution d’un système d’équations linéaires. Afin de démontrer l’efficacité de la méthode proposée, des simulations numériques ont été réalisées pour des manipulateurs parallèles 5R et 3RRR. La dynamique des manipulateurs est connue pour sa non-linéarité intrinsèque élevée et son couplage, pouvant entraîner une diminution des performances de contrôle, notamment à des vitesses élevées. Dans la thèse, des techniques innovantes de découplage intégrant la redistribution de masse et le déplacement d’actionneurs sont introduites pour les manipulateurs sériels spatiaux. L’objectif est d’établir un système dynamique linéaire et découplé pour répondre à ces défis. Par la suite, une loi de mouvement efficace est appliquée pour réduire les couples d’entrée des manipulateurs découplés. La thèse explore également un exosquelette pour l’assistance du membre supérieur. Ensuite, une approche d’optimisation multi-objectifs, utilisant «l’intelligence collective», est développée et appliquée pour minimiser les inconforts ressentis par l’utilisateur dans la conception de l’exosquelette. Une étude expérimentale est menée pour valider la conception de l’exosquelette avec une consommation d’énergie minimale.

This thesis deals with the methods for design and control of robotic systems. Various criteria and methods are employed to evaluate and enhance their performance, including energy consumption. An innovative approximate solution has been developed to determine joint reactions and energy loss in mechanical systems, taking into account the impact of Coulomb friction. It is one of the simplest analytically tractable solutions among existing methodologies. It relies on the Babylonian method for approximating square roots, leading to the resolution of a system of linear equations. To demonstrate the effectiveness of the proposed method, numerical simulations were conducted for 5R and 3RRR parallel manipulators. The dynamics of robot manipulators are known for their inherent high nonlinearity and coupling, which can result in diminished control performance, particularly at high speeds. In the thesis, innovative decoupling techniques that integrate mass redistribution and actuator relocation are introduced for spatial serial manipulators. The objective is to establish a linear and decoupled dynamic system to address these challenges. Following this, an efficient motion profile is applied to reduce the input torques of the decoupled manipulators. The thesis also explores an exosuit for upper-limb power assistance. Subsequently, a multi-criteria optimization approach, utilizing “swarm intelligence”, is developed and applied to minimize the discomfort forces experienced by the user in the exosuit design. An experimental study is conducted to validate the exosuit design with minimized energy consumption.