Commande de robots parallèles : vers les très hautes accélérations

Control of parallel robots : towards very high accelerations

• Auteur / Autrice : Guilherme Sartori Natal
• Direction : François Pierrot, Ahmed Chemori
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : SYAM - Systèmes Automatiques et Microélectroniques
• Date : Soutenance le 26/11/2012
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Pierrot, Ahmed Chemori, Isabelle Queinnec, Nicolas Andreff, Liu Hsu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Queinnec, Nicolas Andreff

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande automatique

Systèmes adaptatifs

Vibrations

Activité motrice

Cinématique

Robots -- Dynamique

Mots clés libres

Manipulateurs parallèles

Redondance d'actionnement

Contrôle non-linéaire

Contrôle adaptatif

Suivi de trajectoire

Vibrations mécaniques

Parallel manipulators

Actuation redundancy

Nonlinear control

Adaptive control

Trajectory tracking

Mechanical vibrations

Résumé

L'objectif principal de ce travail est de proposer des approches de commande performantes et robustes aux incertitudes pour les robots parallèles de type Delta, qui sont conçus pour effectuer des tâches industriels importantes et exigeantes comme l'emballage en agroalimentaire, la découpe laser, etc. Les difficultés les plus importantes pour garantir une bonne performance de suivi de trajectoires de ces manipulateurs pour les hautes accélérations avec la meilleure précision possible, tout en conservant de telle performance indépendamment des conditions d'opération (par exemple avec différentes conditions de charge, différentes trajectoires, etc.) sont leur actionnement couplé, l'augmentation de leurs dynamiques non-linéaires et le problème de vibrations mécaniques avec l'augmentation des accélérations envisagées, la présence d'incertitudes sur le modèle/environnement et la redondance d'actionnement si elle existe. Dans cette thèse, différentes approches de commande et observateurs d'état ont été proposés et implémentés expérimentalement sur deux robots de type Delta, à savoir le Par2 (non-redondant) et le R4 (à redondance d'actionnement). Pour le premier, une commande non linéaire/adaptative à mode Dual a été proposée en espace articulaire, synthétisé avec trois différents observateurs d'état pour la estimation des vitesses articulaires: un observateur lead-lag, un observateur Alpha-bêta-gamma et un observateur à grand gain. Pour le robot R4, un commande à feedforward en espace-dual avec a été proposée pour la compensation de sa dynamique (avec laquelle une aaccélération maximale de 100G a été atteinte), puis un contrôleur adaptatif dans l'espace-dual a été proposé afin de garantir une estimation et mise à jours automatique des paramètres du système en temps réel, garantissant ainsi sa bonne performance indépendamment du scénario expérimental. L'analyse de stabilité du robot Par2 bouclé avec la commande adaptative à Mode Dual et du robot R4 commandé avec le contrôleur adaptatif dans l'espace-dual sont fournies, des simulations ont été effectuées et les résultats expérimentaux confirment la bonne performance des approches de commande proposées.

The main objective of this work is to propose control strategies performant and robust towards uncertainties for Delta-like parallel robots, which are designed to perform important and demanding industrial tasks, such as packaging, laser cutting, etc. The most important difficulties to guarantee the good tracking performance of these manipulators for very high accelerations with the best possible precision, while maintaining such performance independently of the operational case (e.g. with different load conditions, different trajectories, etc.) are their coupled actuation, the increase of their high nonlinear dynamics and the problem of mechanical vibrations with the increase of the involved accelerations, the presence of uncertainties in the model/environment and the redundant actuation when applicable. In this thesis, different control schemes and state observers were proposed and experimentally implemented on two Delta-like robots, namely the Par2 (non-redundant) and the R4 (redundantly actuated) parallel manipulators. For the former, a nonlinear/adaptive Dual Mode controller was proposed in the joint space, complied with three different state observers for the estimation of joint velocities: a Lead-lag based observer, an Alpha-beta-gamma observer and the High-gain observer. For the latter, firstly a dual-space feedforward controller was proposed for the compensation of its dynamics (with which a maximum of 100G of acceleration was reached), then a dual-space adaptive controller was proposed in order to automatically estimate the parameters of the system in real-time, thus guaranteeing its good performance independently of the experimental scenario. The stability analysis of Par2 robot under the control of the Dual Mode controller and the R4 robot under the control of the dual-space adaptive controller are provided, simulations were performed and the experimental results confirm the good performance of the proposed control schemes.