Contributions to the control of constrained robots

Contributions à la commande de robots sous contraintes

Sébastien Rubrecht (1)

1 ISIR - Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique

To exploit the assets of robotics systems, missions are usually expressed through simultaneous goals to reach (objectives) while satisfying imperative conditions (constraints). These operational inputs being usually considered as unpredictable, reactive control laws algorithms are used. However, they almost always focus on the resolution of the control problem, assumed to be feasible; the simple case of a joint submitted to both deceleration and position limits shows that constraints incompatibilities frequently occur. To overcome such issues, a methodology is proposed to analyze and establish safety at the control level and case studies involving common robotics constraints are exposed. They lead to two main results: 1/ to remain compatible with joint accelerations limits, the intuitive expression of joint position limits is modified; 2/ operational acceleration being dependent of the robot configuration, their compatibility with obstacle avoidance cannot be proved, so dedicated alternative safe behaviors are proposed. These results are illustrated though experiments on a 6-DOFs manipulator. The control problem being adequately formulated, its resolution algorithm has various specifications among which safety, optimality, efficiency, etc. Safety being a prerequisite, two compromises between those specifications are proposed. First, the Constraints Compliant Control law (CCC) based on a passive avoidance principle shows performing and robust features. Then, the use of a virtual displaced configuration in the control problem resolution enables to obtain a compromise between efficiency and optimality through the first safe single iteration resolution method.

Les missions robotiques sont généralement exprimées à travers des buts à atteindre (objectifs) tout en respectant des conditions impératives (contraintes). Ces entrées opérationnelles pouvant être inconnues à l'avance, l'utilisation des méthodes de commandes réactives est courante. Cependant, ces approches se limitent généralement à la résolution du problème de commande, celui-ci étant considéré comme résoluble. Le simple cas d'une articulation soumise simultanément à des contraintes de limites d'accélération et de position montre que les incompatibilités sont fréquentes. Dans ce cadre, une méthodologie est proposée pour analyser et garantir la sécurité au niveau de la commande, et des études de cas sont exposées. S'en dégagent deux résultats principaux: 1/ l'expression intuitive des contraintes de position nécessite une modification pour rester compatible avec les contraintes d'accélérations; 2/ les accélérations opérationnelles dépendant de la configuration, la compatibilité entre évitement d'obstacle et limites d'accélérations articulaires ne peut être établie simplement et le recours à des comportements alternatifs sûrs est nécessaire. Ces résultats sont illustrés à travers des expériences sur un manipulateur à 6 DDL. La résolubilité du problème étant assurée, la qualité de sa résolution obéit à plusieurs critères : sécurité, optimalité, efficacité, etc. La sécurité étant un prérequis, deux compromis sont proposés. Premièrement la Constraints Compliant Control (CCC), basée sur un principe d'évitement passif, donne des résultats performants et robustes. Ensuite, l'utilisation d'une configuration virtuelle déplacée offre un compromis entre efficacité et optimalité.

Mots clés: Motion Safety; Robotic Constraints; Constraints Compliant Control; Inverse Velocity Kinematics; Redundancy Resolution; Evolutionary Design.

Mots clés: Sécurité; Contraintes Robotiques; Commande Compliante aux Contraintes; Cinématique Inverse; Résolution de la Redondance; Conception Evolutionnaire.

Domaines: Robotique [cs.RO]

Sébastien Rubrecht. Contributions à la commande de robots sous contraintes. Robotique [cs.RO]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2011. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00654514⟩