Soutenance de thèse d’Etienne PICARD (équipes RoMaS et Commande)

Etienne Picard, doctorant au sein des équipes Commande et RoMaS soutiendra sa thèse intitulée « Modélisation et commande robuste de robot parallèles à câbles pour applications industrielles » / « Modeling and robust control of Cable-driven parallel robots for industrial applications »
mardi 17 décembre 2019 à 10h30, dans l’amphithéâtre Océan, sur le Technocampus Océan, à Bouguenais.

Jury :
– Rapporteurs : Edouard LAROCHE (Professeur des Universités, Université de Strasbourg), David DANEY (Senior Inria Researcher, Inria Bordeaux)
– Examinateurs : Claire DUMAS (Chargé de projets – Expert robotique, DAHER, Bouguenais), Marco CARRICATO (Professor, Università di Bologna, Bologne – Italie)
– Invité: Yves GUILLERMIT (Ingénieur, Chantiers de l’Atlantique, Saint-Nazaire)
– Directeur de thèse : Stéphane CARO
Co-directeur : Franck PLESTAN
Co-encadrant : Fabien CLAVEAU

Résumé :
Cette thèse concerne la modélisation et le contrôle robuste de robots parallèles à câbles (RPC) pour deux applications industrielles dans le secteur naval : la prise et dépose de plaques métalliques (ROMP) à l’aide d’un RPC suspendu, et le nettoyage de façades (ROWC) par un RPC pleinement-contraint. Les travaux ont été réalisés à l’IRT Jules Verne dans le cadre du projet ROCKET.
La thèse est organisée en deux parties. La première se concentre sur la modélisation et la calibration des RPC. La modélisation de base considère les points de sortie des câbles fixes et les câbles droits, sans masse et inélastiques. Un second modèle considère la géométrie des poulies. Un modèle linéaire de l’élasticité des câbles est introduit et sert à l’écriture de la matrice de raideur du robot. À partir de ces modèles, une méthode d’estimation de la masse et du centre de gravité de la plateforme pour une trajectoire à faible dynamique est proposée. Enfin, la calibration des RPC est discutée et une méthode automatique est testée en simulation selon les différents modèles considérés.
La seconde partie est dédiée au contrôle robuste des RPC par rapport aux perturbations identifiées pour les deux applications. Différents schémas de contrôle sont comparés expérimentalement suivant les informations disponibles sur le système, dont un schéma compensant l’allongement des câbles par élasticité. Deux familles de contrôleurs sont considérés pour l’application ROMP : un contrôleur proportionnel-dérivée, et un contrôleur balançant automatiquement entre un comportement mode glissant ou linéaire (SML). Dans le cas pleinement-contraint de l’application ROWC, une stratégie de distribution des tensions dans les câbles est nécessaire pour éviter toute surtension des câbles. Un nouveau critère de choix des tensions basé sur la matrice de raideur du robot est proposé, afin de maximiser la raideur du robot et de réduire le déplacement latéral de la plateforme sous l’effort dû à la pression du jet d’eau. Enfin, l’arrêt d’urgence des RPC est discuté et le comportement des prototypes ROMP et ROWC a été observé dans le cas d’un arrêt d’urgence.

Mots-clés : Robotique, parallèle, câble, modélisation, contrôle, étalonnage

Abstract:

This thesis covers the modelling and robust control of cable-driven parallel robots (CDPR) for two industrial applications for the naval sector: the pick and place of metal plates (ROMP) using a suspended RPC, and window cleaning (ROWC) by a fully constrained CDPR. The work was carried out in the context of the ROCKET project at IRT Jules Verne. The thesis is organized in two parts. The first one focuses on modeling and calibration of CDPRs. The basic model considers fixed cable exit points and straight, massless and inelastic cables. A second model considers the geometry of the pulleys. A linear model of the elasticity of the cables is introduced and used to write the robot stiffness matrix. Based on these models, a method for estimating the mass and center of gravity of the platform is proposed, assuming a low-dynamic trajectory. Finally, the calibration of the prototype is discussed and an automatic calibration method is tested in simulation according to the different models considered. The second part of this thesis is dedicated to the robust control of RPCs in relation to the disturbances identified for both applications, and to the case of CDPR emergency stops. Different control architectures have been experimented on the prototype depending on the information available on the system, including a control scheme with a feedback for cable elongation compensation. Two families of controllers are compared for ROMP application: a proportional-derivative (PD) controller and a controller automatically balancing between sliding or linear mode behavior (SML). In the case of fully constrained CDPRs such as ROWC, the control architecture must include a tension distribution to avoid dangerous cable tensions. A new tension selection criterion based on the  stiffness matrix is proposed to reduce the lateral displacement of the platform due to water jet pressure. Finally, CDPR emergency stops are discussed and the behaviour of ROMP and ROWC prototypes was evaluated in emergency stop situations.

Keywords: Robotics, parallel, cables, modeling, control, calibration