Julian Erskine, doctorant au sein de l’équipe ARMEN, soutiendra sa thèse intitulée « Commande Dynamique et Singularités des Flottes de Quadrirotors Basé sur des Bearings » / « Dynamic Control and Singularities of Rigid Bearing-Based Formations of Quadrotors »

vendredi 3 décembre 2021 à 10h, dans l’amphi du bâtiment S, sur le campus de Centrale Nantes.

Jury :
– Directeur de thèse : Isabelle FANTONI
– Co-encadrant : Abdelhamid CHRIETTE
– Rapporteurs : Antonio FRANCHI (maître de conférence, Université de Twente, NL) ; Guillaume ALLIBERT (maître de conférence, Université de Nice Sophia Antipolis)
– Autres membres : Ouiddad LABBANI-IGBIDA (Professeur, Université de Limoges) ; Paolo ROBUFFO GIORDANO (Directeur de Recherche CNRS, INRIA/IRISA Rennes), Sébastien BRIOT (Chargé de Recherche CNRS, LS2N)

Résumé : Le contrôle des formations basées sur les bearings (direction relative à l’observateur) permettent aux flottes de quadrirotors de se déplacer vers une géométrie désirée, en utilisant des mesures visuelles, extraites de caméras monoculaires embarquées. Des travaux antérieurs ont traité les quadrirotors comme des intégrateurs simples ou doubles et doivent ainsi être ajustés et filtrés de manière à compenser les non-linéarités non modélisées. Cette thèse a pour objectif d’atteindre des formations basées sur les bearings plus rapides grâce à des contrôleurs d’ordre supérieur, en tenant compte des dynamiques non-linéaires du quadrirotor et des caractéristiques visuelles. Deux contrôleurs dynamiques sont développés, à savoir un contrôleur basé sur un asservissement visuel du second ordre et une commande prédictive montrant des performances améliorées et complétées par des contraintes telles que l’évitement d’obstacles. Toutes les formations basées sur des bearings dépendent d’un degré suffisant de rigidité. Bien que celui-ci puisse être évalué numériquement, la rigidité est une fonction de la position de tous les robots dans la flotte. Ceci étant, les travaux précédents ne pouvaient pas garantir la rigidité pour des formations plus larges que quelques robots. La deuxième contribution de cette thèse est l’évaluation des géométries singulières où une certaine formation rigide devient flexible. Ceci mène à un système de classification basé sur des contractions d’ensembles de contraintes, qui permet d’identifier les géométries singulières pour des grandes formations afin de garantir la rigidité.

Mots-clés : Quadrirotor, Formations multi-robots, Commande prédictive, Singularités, Rigidité

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Abstract: Bearing formation control allows groups of quadrotors to manoeuver in a desired geometry, using only visual measurements extractable from embedded monocular cameras. Prior works have treated quadrotors as single or double integrators, and as a result must operate slowly to compensate for unmodelled non-linearities. This thesis allows for faster bearing formations by developping higher-order controllers, considering the non-linear quadrotor and visual feature dynamics. A dynamic feedback controller based on second-order visual servoing and a model predictive controller are developped and tested in simulation and experiments, showing improved dynamic manoeuvering performance. The later is augmented with constraints such as field of view limitations and obstacle avoidance. All bearing formation algorithms depend on a sufficient degree of bearing rigidity to guarantee performance. This may be evaluated numerically, but as the rigidity is a function of the formation embedding, previous work could not guarantee rigidity in formations larger than a few robots. The second main contribution of this thesis is the evaluation of bearing rigidity singularities (i.e. formation graph embeddings where an otherwise rigid formation becomes flexible) by applying existing geometric analysis methods on an kinematic mechanism which is analoguous to the kinematic constraints imposed by the formation controller and robot models. This is extended to a novel classification system based on a contraction of constraint sets that can determine singular geometries for large formations, allowing for a formulation of a set of guaranteed rigid configurations without an ad-hoc kinematic analysis of individual formations.

Keywords: Quadrotors, Bearing formations, Predictive control, Singularities, Rigidity

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

Franco Fusco, doctorant au sein de l’équipe ARMEN, soutiendra sa thèse intitulée « Asservissement Visuel Dynamique pour Bras Manipulateurs Rapides » / « Dynamic Visual Servoing for Fast Robotics Arms »

vendredi 27 novembre 2020 à 10h00 en visio.

Jury :
– Directeur de thèse : Philippe Martinet (Directeur de recherches, Inria Sophia-Antipolis Méditerranée)
– Co-encadrant : Olivier Kermorgant (Maitre de conférences, Centrale Nantes)
– Rapporteurs : Jacques Gangloff (Professeur des Universités, Télécom Physique Strasbourg) ; Olivier Stasse (Directeur de recherche, LAAS-CNRS)
– Autres membres : Guillaume Allibert (Maître de conférences, Université de Nice-Sophia Antipolis) ; Abdelhamid Chriette (Maître de conférences, Centrale Nantes) ; Estelle Courtial (Maître de conférences, Polytech Orléans) ; Isabelle Fantoni (Directrice de recherche, LS2N)

Résumé : Cette thèse traite de l’augmentation de la productivité des robots manufacturiers, lors de l’exécution de tâches référencées capteurs. De telles tâches peuvent provenir de la cible non positionnée de manière absolue ou d’un environnement mal connu. Les commandes par asservissement visuel sont bien connues pour leur robustesse et leur précision, mais nécessitent généralement de longs temps d’exécution en raison de différents facteurs. La commande est généralement formulée uniquement à un niveau cinématique et caractérisée par des vitesses décroissantes de façon exponentielle. De plus, l’application non linéaire de l’espace opérationnel à l’espace des capteurs peut conduire à des chemins sous-optimaux et plus longs. Pour augmenter les performances de commande et réduire le temps nécessaire à la réalisation d’une tâche, cette thèse étudie l’utilisation de modèles d’interaction de second ordre. Leur utilisation dans une commande au niveau dynamique est étudiée et comparée aux approches classiques. Ils sont ensuite utilisés dans des schémas de commande par modèle prédictif, permettant d’obtenir des vitesses plus élevées tout en générant de meilleures trajectoires. Cependant, un inconvénient des techniques prédictives est leur charge de calcul. Afin d’obtenir de pallier ce défaut, un nouveau type de commande prédictive est étudié. Il conduit à une réduction du nombre de variables impliquées dans les problèmes d’optimisation grâce à l’utilisation d’un paramétrage des séquences d’entrée.

Mots-clés : Asservissement Visuel, Commande par Modèle Prédictif, Manipulateurs Redondants

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Abstract: This thesis deals with increasing the productivity in manufacturing robots, when performing sensor-based tasks. Such tasks may be coming from the target not being absolutely positioned. Visual servoing control schemes are well known for their robustness and precision, but generally require long execution times due to different factors. Control laws are generally formulated only at a kinematic level and characterized by exponentially decreasing velocities. Moreover, the nonlinear map from the operational space to the sensor space can lead to sub-optimal and longer paths. To increase control performances and reduce the time required to complete a task, this thesis investigates the use of second-order interaction models. Their use in dynamic feedback control laws is investigated and compared to classical controllers. They are then employed in Model Predictive Control (MPC) schemes, allowing to obtain higher velocities and better sensor trajectories. However, a drawback of MPC techniques is their computational load. In order to obtain even better results, a new type of predictive control is thus investigated, leading to a reduced number of variables involved in MPC optimization problems thanks to the use of a parameterization of the control input sequences.

Keywords: Visual Servoing, Model Predictive Control, Redundant Manipulators

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

David Pérez Morales, doctorant au sein de l’équipe ARMEN, soutiendra sa thèse intitulée « Commande référencée multi-capteurs pour des applications de Parking Intelligent » / « Multi-sensor-based control for Intelligent Parking applications »
vendredi 6 décembre 2019 à 10h30, dans l’amphi du bâtiment S à Centrale Nantes.

Jury :
– Florent LAMIRAUX, Directeur de recherche CNRS, LAAS
– Roland LENAIN, Directeur de recherche, IRSTEA
– Fawzi NASHASHIBI, Directeur de recherche Inria, Inria Paris
– Guillaume ALLIBERT, Maître de conférences, Université de Nice Sophia Antipolis
– Isabelle FANTONI, Directrice de recherche CNRS, LS2N
– Philippe MARTINET, Directeur de recherche Inria, Inria Sophia Antipolis-Méditerranée
– Olivier KERMORGANT, Maître de conférences, Centrale Nantes
– Salvador DOMÍNGEZ QUIJADA, Ingénieur de recherche, LS2N

Résumé :
Dans l’objectif de développer des systèmes de parking plus avancés que ce que l’on trouve actuellement, différentes manœuvres typiquement réalisées dans des situations de parking ont été revisitées en utilisant une approche originale : la commande référencée multi-capteurs. En outre, pour surmonter les limitations bien connues des techniques référencée capteur classiques, les manœuvres de parking ont également été formalisées dans un cadre commun de commande prédictive référencée multi-capteur. Les stratégies développées ont été testées avec une Renault ZOE robotisée validant l’approche.

Mots-clés : Véhicules intelligents, commande référencée capteur, commande prédictive, système de parking intelligent.

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Abstract:
With the aim of developing a more advanced parking system than what is currently available, different maneuvers typically performed in parking situations have been revisited using an original Multi-Sensor-Based Control (MSBC) approach. Furthermore, in order to overcome the well known limitations of classical sensor-based techniques, the parking maneuvers have been formalized as well under a common Multi-Sensor-Based Predictive Control (MSBPC) framework. The developed strategies have been tested extensively using a robotized Renault ZOE with positive outcomes.

Keywords: Intelligent vehicles, sensor-based control, model predictive control, intelligent parking system.

Rafael Balderas Hill, doctorant au sein de l’équipe ARMEN, soutiendra sa thèse intitulée « Conception des robots rapides à consommation énergétique drastiquement réduite » / « Design of high-speed robots with drastically reduced energy consumption »

mercredi 25 septembre 2019 à 10h30, dans l’amphi du bâtiment S sur le site de Centrale Nantes.

Jury :
– Directeur thèse : BRIOT Sébastien, CHRIETTE Abdelhamid, MARTINET Philippe (co-encadrant)
– Rapporteurs : ANDREFF Nicolas (FEMTO-ST), BOUZGARROU Belhassen (Université de Clermont-Ferrand)
– Autres membres : CHEVALLEREAU Christine, MANSARD Nicolas (LAAS), PASQUI Viviane (GEMA)

Résumé : Il est bien connu qu’un des plus importants défis de la robotique industrielle est d’augmenter l’efficacité énergétique des robots manipulateurs. Dans les applications
industrielles, telles que les opérations de prise et dépose à grande vitesse, la précision est généralement le critère le plus important pour mesurer les performances du robot. Cependant, les méthodes de conception des robots rapides ont évolué vers la conception des robots, pas seulement précis, mais également performants sur le plan énergétique.
Cette thèse propose un principe d’actionnement pour réduire la consommation d’énergie des robots à grande vitesse en plaçant des ressorts à raideur variable en parallèle des
actionneurs d’un robot rapide. L’idée est de régler la raideur de ces ressorts à l’aide d’autres actionneurs afin de mettre le robot à proximité de modes de résonance lors de son
déplacement (les trajectoires de prise et dépose étant pseudo-oscillantes). En ajoutant un ressort à raideur variable en parallèle des liaisons actionnées par le robot, deux
performances sont obtenues: i) la connexion directe entre les liaisons du moteur et du robot, garantissant ainsi la précision à grande vitesse, et ii) le contrôle de l’énergie potentielle stockée à libérer par cycle du mouvement de prise et dépose, exploitant ainsi la dynamique naturelle du robot à haute vitesse et réduisant la consommation d’énergie.
Les résultats expérimentaux de l’approche suggérée sur un prototype de taille industrielle montrent la réduction drastique de la consommation d’énergie pour des mouvements
rapides pseudo-oscillants.

Mots-clés : robots rapides de prise et dépose, ressort à raideur variable, exploiter la dynamique naturelle, échange entre énergie potentielle et énergie cinétique, réduction de la consommation d’énergie.

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Abstract: It is well-known that one of the most representative future challenges in industrial robotics, is to increase the energy efficiency of robot manipulators. In industrial applications, such as high-speed pick-and-place operations, the accuracy is typically the most important criteria to measure the robot performance. Nevertheless, the design trends to operate at high speeds are shifting to the design of robots, which are not only accurate, but also they can perform in an energy-efficient way. This thesis proposes an actuation principle for reducing the energy consumption of high-speed robots by placing variable stiffness springs (VSS) in parallel to the motors that actuate the links of a high-speed robot. The main idea is to smartly tune online the force/displacement relation of the VSS, associated to the VSS stiffness, so that the robot is put in near a resonance mode, thus considerably decreasing the energy consumption during fast pseudoperiodic pick-and-place motions. By adding a spring with controllable stiffness in parallel to the robot actuated links, two performances are achieved: i) direct power connection between the motor and the robot links, thus ensuring accuracy at high-speeds; ii) control of the stored potential energy to be released per cycle of the pick-and-place motion, thus exploiting the robot natural dynamics at highspeeds, and therefore reducing the energy consumption. The experimental results of the suggested approach on an industrial-sized prototype show the drastic reduction of energy consumption for fast quasi-periodic pick-and-place-like motions.

Keywords: high-speed pick-and-place robots, variable stiffness springs, exploiting the natural dynamics, exchange from potential to kinetic energy, reduction of the energy consumption