Soutenance de thèse de Minglei ZHU (équipe ARMEN)

Minglei Zhu, doctorant au sein de l’équipe ARMEN, soutiendra sa thèse intitulée « Conception de robot orientée commande » / « Control-based design of robots »

mardi 15 décembre 2020 à 10h, en salle B009 à Centrale Nantes.

Jury :
– Directeur de thèse : Sébastien Briot (Chargé de recherche, LS2N)
– Co-encadrant : Abdelhamid Chriette (Maître de conférences, ECN)
– Rapporteurs : Nicolas Andreff (Professeur des universités, Université de Franche-Comté), Philippe Martinet (Directeur de recherche, Inria)
– Autres membres : Claire Dune-Maillard (Maître de conférences, IUT Nantes), Philippe Wenger (Directeur de recherche, LS2N)

Résumé : Il est bien connu que les robots parallèles ont de nombreuses applications dans l’industrie grâce à leur rigidité élevée, leur charge utile élevée et leur capacité à atteindre des accélérations et vitesses élevées. Cependant, en raison de leur structure complexe, leur contrôle peut être difficile. Lorsqu’une précision élevée est nécessaire, un modèle complet du robot détaillé est nécessaire. Cependant, même un modèle détaillé souffre toujours d’inexactitudes par rapport à la réalité à cause d’erreurs d’assemblage et de fabrication du robot. Les approches de contrôle référencées capteurs se sont avérées plus efficaces, en termes de précision; que les contrôleurs basés modèles puisqu’elles s’affranchissent des modèles de robots complexes et des erreurs de modélisation associées. Néanmoins, lors de l’application d’un asservissement visuel, il y a toujours des problèmes dans le processus de contrôle, tels que les singularités du contrôle. Cette thèse propose une méthodologie de conception orientée commande qui prend en compte les performances de précision du contrôle dans le processus de conception du robot pour obtenir les paramètres géométriques optimaux de ce dernier. Dans le cadre ce travail de thèse, il a été question d’appliquer la méthodologie de conception orientée commande à la conception optimale de trois types de robots parallèles : le mécanisme cinq barres, le robot DELTA, et, enfin, la plate-forme de Gough-Stewart. Deux types de contrôleurs ont été envisagés pour le contrôle des mouvements des mécanismes cinq barres : les commandes basées sur l’observation des directions des jambes du robot et les commandes basées sur l’observation des lignes droites. Pour les robots DELTA et les plates-forme de Gough-Stewart, trois contrôleurs ont été sélectionnés : les commandes basées sur l’observation des directions des jambes, les commandes basées sur l’observation des lignes et les commandes basées sur des moments dans l’image. A partir de ces contrôleurs, des modèles d’erreur de positionnement prenant en compte l’erreur d’observation provenant de la caméra ont été développés et les singularités des contrôleurs ont été étudiées. Ensuite, les problèmes d’optimisation de la conception ont été formulés afin de trouver à la fois les paramètres géométriques optimaux et le placement optimal de la caméra pour ces trois types de robots parallèles et pour chaque type de contrôleur. Pour vérifier les performances en terme de précision des robots optimisés, nous avons effectué des co-simulations des robots optimisés avec les contrôleurs correspondants. En terme d’expérimentation, deux prototypes de robots DELTA ont été conçus et expérimentés afin de valider la précision du contrôleur. Les résultats des expériences menées ont permis la validation des performances du contrôleur obtenues à partir de la co-simulation et ont prouvé que l’asservissement visuel basé moment dans l’image est le meilleur contrôleur pour le contrôle du robot DELTA en comparaison des commandes basées sur l’observation des jambes.

Mots-clés : robots parallèles, asservissement visuel, conception orientée commande, robot caché, moment dans l’image

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Abstract: It is well-known that parallel robots have a lot of applications in industry for their high stiffness, high payload, can reach higher acceleration and speed. However, because of their complex structure, their control may be troublesome. When high accuracy is needed, the detailed robot model is necessary. However, even detailed models still suffer from the problem of inaccuracy in reality because of robot assembly and manufacturing errors. Sensor-based control approaches have been proven to be more efficient than model-based controllers in terms of accuracy since they overcome the complex robot models and inconsistency errors. Nevertheless, when applying the visual servoing, there are always some problems in the control process, such as the controller singularities. Thus, this thesis proposes a control-based design methodology which takes into account the accuracy performance of the controller in the design process to get the optimal geometric parameters of the robot. This thesis applied the control-based design methodology to the optimal design of three types of parallel robots: Five-bar mechanisms, DELTA robots, Gough-Stewart platforms. Two types of controllers are envisaged for the control of the motions of the Five-bar mechanisms: leg-direction based visual servoing and line-based visual servoing. For DELTA robots and Gough-Stewart platforms, three types of controllers are selected: leg-direction-based visual servoing, line-based visual servoing and image moment visual servoing. Based on these selected controllers, positioning error models taking into account the error of observation coming from the camera are developed and the controller singularities are studied. Then, design optimization problems are formulated in order to find the optimal geometric parameters and camera placement for these three types of parallel robots for each type of controller. Co-simulations of the robots optimized for the corresponding controllers are performed to check the accuracy performance of the robots obtained from the optimization. Two DELTA robot prototypes are designed and the experiments are performed with these two robots in order to validate the controller accuracy. The experiment results confirm the controller performance obtained from the co-simulation and prove that the image moment visual servoing is the best controller for the control of DELTA robot compared with leg-based visual servoing.

Keywords: parallel robots, visual servoing, control-based design, hidden robot, image moment