Soutenance de thèse de Zhongmou LI (équipe ARMEN)

Zhongmou LI, doctorant de l’équipe ARMEN, soutiendra sa thèse intitulée « Conception mécanique, analyse des torseurs disponibles et contrôle d’un robot multi-drone pour la saisie et la manipulation de grands objets » / « Mechanical design, wrench analysis and control of a multi-drone robot for grasping and manipulating large objects »

mercredi 31 mars 2021 à 9h30.

Direct sur  Zoom (ID de réunion : 921 5496 9879 / Code secret : B#TFyw0v)

Jury :
– Directeur de thèse: Isabelle Fantoni, Directrice de recherche CNRS, LS2N
– Co-encadrants: Abdelhamid Chriette, Maître de conférences, LS2N, Centrale Nantes, Vincent Bégoc, Enseignant-chercheur, LS2N, Icam
– Rapporteurs: Marc Gouttefarde, Directeur de recherche CNRS, LIRMM, Pascal Morin, Professeur des universités, Sorbonne Universités, UPMC
– Examinateurs: Franck Plestan, Professeur des universités, LS2N, Centrale Nantes, Rogelio Lozano, Directeur de recherche CNRS, Université de Technologie de Compiègne, Tobias Bruckmann, Senior researcher, University of Duisburg-Essen

Résumé : Cette thèse propose un nouveau concept de robot de manipulation aérienne appelé Flying Gripper. Ce robot est un manipulateur aérien de 6 degrés de liberté, destiné à la saisie, la manipulation et le transport de grands objets de manière autonome. Le robot Flying Gripper est composé de quatre quadrotors, de quatre doigts auto-adaptatifs et d’un châssis. Nous présentons deux architectures différentes de Flying Gripper : une avec des quadrotors à attitude fixe, et une autre modifiée avec des quadrotors à attitude mobile. Les principaux apports de ces travaux sont, d’un point de vue mécanique (1) la proposition d’un concept mécanique original reposant sur l’utilisation de plusieurs quadrotors et tirant parti de la rotation en lacet des quadrotors pour actionner un mécanisme de préhension auto-adaptatif et intrinsèquement sûr (2) la proposition d’une méthode pour générer l’ensemble des torseurs disponibles d’un système actionné par des quadrotors en tenant compte des contraintes d’égalité et d’inégalité imposées par les limites d’actionnement, les butées mécaniques et les relations d’équilibre. Du point de vue du contrôle, les principales contributions sont les suivantes (3) pour l’architecture avec des quadrotors à attitude fixe, nous proposons une commande prédictive pour traiter une masse, une inertie et un centre de masse inconnus dus à l’objet saisi; (4) pour l’architecture avec des quadrotors à attitude mobile, nous exploitons un algorithme d’allocation de contrôle dynamique pour la distribution de l’effort de contrôle, de manière à optimiser l’efficacité énergétique et la continuité de la commande, en considérant les limites mécaniques du robot. Une simulation numérique a été réalisée pour chaque robot afin de valider les performances du contrôleur. Des tests expérimentaux ont été effectués sur le Flying Gripper avec des quadrotors à attitude mobile.

Mots-clés : Systèmes aériens, Mécanique et contrôle, Saisie, Modèle dynamique, Commande prédictive, Allocation de contrôle dynamique

Abstract: This thesis proposes a new concept of aerial manipulation robot named Flying Gripper. This robot is a 6 DOF aerial manipulator that is intended to perform grasping, manipulating, and transporting of large objects autonomously. The Flying Gripper robot is composed of four quadrotors, four self-adaptive fingers and a body structure. We present two different architectures of Flying Gripper: one with fixed-attitude quadrotors, and a modified one with mobile attitude quadrotors. The main contributions of these works are, from a mechanical point of view: (1) the proposition of an original mechanical concept relying on the use of multiple quadrotors to obtain full manipulability in SE(3) and taking advantage of quadrotors yaw rotation to actuate a self-adaptive and intrinsically safe grasping mechanism (2) the proposition of a method to generate the available wrench set of a system actuated by quadrotors considering equality and inequality constraints imposed by actuation limits, mechanical stops and equilibrium relations. From a control point of view, the main contributions are: (3) for the architecture with fixed-attitude quadrotors, we propose a model predictive controller to deal with unknown mass, inertia and center of mass due to the grasped object; (4) for the architecture with mobile-attitude quadrotors, we exploit a Dynamic Control Allocation algorithm for control effort distribution, energy efficiency and continuity, considering the robot mechanical limits. A numerical simulation has been performed for each robot to validate the controller performances. Experimental tests have been carried out on the Flying Gripper with mobile-attitude quadrotors.

Keywords: Aerial Systems, Mechanics and Control, Grasping, Dynamic model, Model Predictive Control, Dynamic Control Allocation