Formulation and study of different control problems for co-manipulation tasks
Formulation et études des problèmes de commande en co-manipulation robotique
Abstract
In this thesis, we address the co-manipulation control problems for the handling tasks through a viewpoint that we do not think sufficiently explored, even it employs classical tools of robotics. The problem of robotic co-manipulation is often addressed using impedance control based methods where we seek to establish a mathematical relation between the velocity of the human-robot interaction point and the force applied by the human operator at this point. This thesis addresses the problem of co-manipulation for handling tasks seen as a constrained optimal control problem. The proposed point of view relies on the implementation of a specific online trajectory generator (OTG) associated to a kinematic feedback loop. This OTG is designed so as to translate the human operator intentions to ideal trajectories that the robot must follow. It works as an automaton with two states of motion whose transitions are controlled by comparing the magnitude of the force to an adjustable threshold, in order to enable the operator to keep authority over the robot’s states of motion. To ensure the smoothness of the interaction, we propose to generate a velocity profile collinear to the force applied at the interaction point. The feedback control loop is then used to satisfy the requirements of stability and of trajectory tracking to guarantee assistance and operator security. Several methods are used to design efficient controllers that ensure the tracking of the generated trajectory. The overall strategy is illustrated through two mechanical systems. The first is the penducobot which is an underactuated robot. The second is the planar robot with two degrees of freedom fully actuated.
Dans ce travail de thèse, nous abordons les problèmes de commande posés en co-manipulation robotique pour des tâches de manutention à travers un point de vue dont nous pensons qu’il n’est pas suffisamment exploité, bien qu’il a recourt à des outils classiques en robotique. Le problème de commande en co-manipulation robotique est souvent abordé par le biais des méthodes de contrôle d’impédance, où l’objectif est d’établir une relation mathématique entre la vitesse linéaire du point d’interaction homme-robot et la force d’interaction appliquée par l’opérateur humain au même point. Cette thèse aborde le problème de co-manipulation robotique pour des tâches de manutention comme un problème de commande optimale sous contrainte. Le point de vue proposé se base sur la mise en œuvre d’un Générateur de Trajectoire Temps-Réel spécifique, combiné à une boucle d’asservissement cinématique. Le générateur de trajectoire est conçu de manière à traduire les intentions de l’opérateur humain en trajectoires idéales que le robot doit suivre ? Il fonctionne comme un automate à deux états dont les transitions sont contrôlées par évènement, en comparant l’amplitude de la force d’interaction à un seuil de force ajustable, afin de permettre à l’opérateur humain de garder l’autorité sur les états de mouvement du robot. Pour assurer une interaction fluide, nous proposons de générer un profil de vitesse colinéaire à la force appliquée au point d’interaction. La boucle d’asservissement est alors utilisée afin de satisfaire les exigences de stabilité et de qualité du suivi de trajectoire tout en garantissant l’assistance une interaction homme-robot sûre. Plusieurs méthodes de synthèse sont appliquées pour concevoir des correcteurs efficaces qui assurent un bon suivi des trajectoires générées. L’ensemble est illustré à travers deux modèles de robot. Le premier est le penducobot, qui correspond à un robot sous-actionné à deux degrés de liberté et évoluant dans le plan. Le deuxième est un robot à deux bras complètement actionné.
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