Architecture de contrôle distribuée en temps réel pour les robots humanoïdes

Distributed real-time control architecture for humanoid robots

• Auteur / Autrice : Maysoon Ghandour
• Direction : Samer Alfayad
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IBISC - Informatique, BioInformatique, Systèmes Complexes
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université d'Évry Val d'Essonne
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)

Mots clés

Mots clés libres

Architecture de commande temps réel

Systèmes de commande distribués

Robotique humanoïde

Communication EtherCAT

ROS 2 (Robot Operating System)

Real-time control architecture

Distributed control systems

Humanoid robotics

EtherCAT communication

ROS 2 (Robot Operating System)

Résumé

Classiquement, deux types d'actionnement étaient utilisés pour les robots humanoïdes : électrique et hydraulique. Les électriques sont plus faciles à utiliser avec un coût réduit, mais ils doivent être utilisés avec une réduction de boîte de vitesses pour produire le couple nécessaire. Des composants supplémentaires doivent être utilisés pour produire le changement de rigidité nécessaire à la sécurité. D'autre part, l'actionnement hydraulique avec un groupe hydraulique central classique et des servovalves montre une haute performance pour une force de sortie importante et des mouvements fluides au niveau des articulations. Cependant, ce système d'actionnement de groupe hydraulique central souffre de plusieurs inconvénients, comme l'utilisation d'un grand nombre de canalisations, réduisant l'efficacité. Notre équipe de l'université Paris-Saclay s'est investie depuis 2005 dans la technologie d'actionnement nommée 'Servo Electro-Hydraulic Actuator' (SEHA) couverte par des brevets nationaux et internationaux (WO2009-118366A1), (WO2020-173933A1), est en cours de développement dans le cadre de une chaire d'excellence industrielle entre UEVE et KALYSTA. Récemment, un projet de maturation (SEHA) est financé par la SATT Paris-Saclay pour développer une version optimisée de l'actionneur proposé. Le SEHA vise à valider un actionneur hydraulique et électrique innovant permettant des produits avec les performances des composants hydrauliques pour la simplicité, la contrôlabilité, le volume et le poids d'un actionneur électrique. Le produit final sera bien adapté aux applications robotiques et plus globalement aux systèmes mécatroniques embarqués. Notamment des applications destinées aux personnes à mobilité réduite, comme les prothèses et les exosquelettes. Le premier prototype de SEHA a été modélisé sur la base de plusieurs sous-systèmes : micro-pompe, micro-vanne pour le contrôle du débit et compensation de pression. La relation entrée-sortie théorique entre les positions de la micro-vanne X et la charge utile Y a été établie en utilisant la dynamique de chaque sous-système. Cette modélisation théorique conduit à une équation différentielle non linéaire multi-ordres avec la possibilité d'accéder à plusieurs dérivées temporelles de la position de la charge utile. Bien que, ce système offre une grande capacité, cependant, contrôler un tel actionneur, en théorie et en pratique, reste une tâche très difficile, le modèle mathématique complexe, le rend difficile de connaître la meilleure façon de contrôler ce système. Il est donc nécessaire de simplifier ce modèle en précisant le poids et l'influence de chaque paramètre qui le compose, ce qui permet finalement de proposer un modèle simplifié réaliste et pratiquement manipulable par l'utilisateur final. Le modèle proposé doit tenir compte du domaine d'application proposé pour cet actionneur, en particulier dans l'assistance à la mobilité comme les prothèses et les applications d'exosquelette, où une plus grande attention doit être accordée aux paramètres qui affectent la fiabilité et la sécurité. Aussi, les solutions proposées doivent gérer la non-linéarité du système et assurer un contrôle robuste de toutes les sorties (position, vitesse, force, compliance).

Classically two types of actuating were used for humanoid robots: electric and hydraulic. Electric ones are easier to use with reduced cost, but they must be used with gearbox reduction to produce the needed torque. Additional components must be used to produce stiffness change needed for safety. On the other hand hydraulic actuation with classical hydraulic central group and servo-valves shows a high performance for large output force and smooth movements at the joint level. However, this hydraulic central group actuation system suffers from several drawbacks, as using a lot of pipes, reducing the efficiency. Our team at Paris-Saclay university has been investigated since 2005 in the actuating technology named 'Servo Electro-Hydraulic Actuator' (SEHA) covered by national and international patents (WO2009-118366A1), (WO2020-173933A1), is underdevelopment as part of an industrial excellence chair between UEVE and KALYSTA. Recently, a maturing project (SEHA) is funded by SATT Paris-Saclay to develop an optimized version of the proposed actuator. The SEHA aims at validating an innovative hydraulic & electric actuator enabling products with the performance of hydraulic components for the simplicity, controllability, volume and weight of an electric actuator. The final product will be well adapted to robotics applications and more globally to embedded mechatronic systems. In particular applications intended for people with reduced mobility, such as prostheses and exoskeletons. Problematic & Mission: The first prototype of SEHA was modeled based on several subsystems : micro-pump, micro-valve for flow control, and pressure compensation. The theoretical input-output relation between the positions of the micro-valve X and the payload Y was established using the dynamics of each subsystem. This theoretical modeling leads to a multi-order non-linear differential equation with the ability to access several time derivatives of the payload position. Despite his ability of offering a very high performance in term of compactness (Force / Volume and Force / Weight ratios), However, controlling such an engine, in theory and in practice, remains a very difficult task, the complex mathematical model, makes it challenging to know the best way to control this engine. Therefore, it is necessary to simplify this model by specifying the weight and influence of each parameter in it, which finally allows to proposal of a simplified realistic model that can be practically handled by the end user. The proposed model should take into account the proposed field of applications for this actuator, especially in mobility assistance such as prostheses and exoskeleton application, where more attention should be paid to parameters that affect the reliability and safety. Also, the proposed solutions have to manage the nonlinearity of the system and ensure a robust control of all the outputs (position, speed, force, compliance).