Doctorant en Modélisation et commande de robots modulaires parallèles continus (H/F)

Description du Poste

Sujet De Thèse

Modélisation et commande de robots modulaires parallèles continus

Votre Environnement de Travail

Le projet RPC-JaM : Le projet RPC-JaM vise à faire avancer de manière fondamentale le développement des robots continus parallèles, une classe de robots déformables obtenus par l’assemblage de jambes élancées et élastiques en parallèle. Leur compliance naturelle leur permet, dans une certaine mesure, de s’adapter en toute sécurité à leur environnement en cas de contact, ce qui les rend particulièrement adaptés à des tâches en milieux sensibles, telles que les interventions médicales ou la cobotique.
Malgré les nombreux avantages observés et démontrés dans la littérature, la conception de ces robots soulève plusieurs défis, notamment : la présence de singularités, une instabilité élastique, des modèles nécessitant des temps de calcul élevés, ainsi qu’une complexité de conception.
Pour répondre à ces enjeux, nous proposons une approche originale où le robot est considéré comme un assemblage de membres modulaires, chacun disposant de ses propres capteurs, actionneurs et unités de traitement. L’objectif principal de ce projet est, dans un premier temps, de relever les défis scientifiques mentionnés, éventuellement simplifiés puisque considérés à l’échelle du membre et non de la structure complète, avec un travail complémentaire sur la coopération entre les jambes assemblées.
Notre ambition est également de fédérer la recherche française sur ce thème émergent et de diffuser les résultats auprès du grand public. Plutôt que de concevoir des démonstrateurs pour des applications spécifiques, nous proposons de valoriser ces résultats par le développement d’œuvres d’art interactives mettant en scène un ou plusieurs robots continus parallèles, qui seront exposées. Nous analyserons ensuite les réactions du public.

Contexte de la thèse : Plusieurs types de contrôleurs ont été développés pour les robots continus, la majorité des approches étant dédiées aux robots de type sériel. De nombreuses techniques reposent sur un contrôle cinématique basé sur un modèle, les mouvements des robots étant alors relativement lents. Le contrôle par vision a également été envisagé pour éviter l’utilisation de modèles imprécis et améliorer la précision de positionnement de l’effecteur final. Des contrôleurs de position et de cinématique ont aussi été développés pour les robots parallèles continus (RPC).
Pour les robots présentant des déplacements plus rapides, un contrôle basé sur la dynamique peut être envisagé. Ce type de contrôleur a d’abord été appliqué à des robots dont les déformations des liaisons étaient faibles, avant d’être étendu aux robots continus, qu’ils soient de structure sérielle ou parallèle. Ces contrôleurs exploitent les informations fournies par différents capteurs et des techniques de reconstruction d’état, domaines pour lesquels des travaux de recherche significatifs et une maturation technologique ont été réalisés. Certains capteurs sont classiques pour les robots rigides, comme les codeurs ou les caméras, tandis que d’autres sont spécifiques aux structures continues, tels que les réseaux de Bragg sur fibre ou les capteurs de déformation capacitifs.
L’ensemble de ces techniques est centralisé et s’applique à des robots dont le modèle complet (statique ou dynamique) est connu à l’avance. Elles n’offrent donc pas la versatilité nécessaire pour les RPC modulaires, dont les modèles peuvent évoluer lors de l’ajout, du retrait ou du remplacement d’une jambe ou d’une plateforme dans le système robotique.
Afin de surmonter cette limitation, une approche prometteuse consiste à utiliser des stratégies de contrôle décentralisées. Le contrôle coordonné et décentralisé de systèmes multi-robots — dans notre cas, les jambes modulaires assemblées pour former un RPC donné — est une technologie clé pour de nombreuses applications. En effet, ces systèmes bénéficient d’une robustesse accrue face aux défaillances, grâce à leur capacité à s’adapter à des environnements dynamiques et incertains. Ce type de contrôle est également adapté à l’utilisation de matériel embarqué peu coûteux, ou lorsque des modules indépendants sont utilisés en parallèle pour accomplir une tâche donnée.
Récemment, cette approche a été appliquée au contrôle d’un robot parallèle volant. Dans cette étude, il a été démontré que, grâce à des échanges d’informations, trois drones indépendants, rigide¬ment liés par un système mécanique multi-corps, peuvent collaborer pour positionner un outil dans l’espace et appliquer des efforts extérieurs sur l’environnement.
Les premières tentatives de contrôleurs décentralisés pour les robots souples se limitent cependant aux architectures sérielles, avec des modèles pseudo-rigides simplifiés ou à faibles déformations. Dans le cadre du projet RPC-JaM, en raison de la nature modulaire des RPC conçus, nous allons appliquer des stratégies de contrôle décentralisées pour commander l’assemblage parallèle, en utilisant des modèles de poutres de Cosserat. Ces stratégies s’appuieront sur les informations fournies par des capteurs commercialement disponibles, avec une lecture électronique distribuée par jambe, afin de respecter les contraintes de modularité et de mesurer l’état du robot avec l’amplitude, la résolution et la fréquence d’échantillonnage souhaitées.

Tâches : L’objectif de cette thèse est, dans un premier temps, d’exploiter les informations des capteurs et les contrôleurs de chaque jambe robotique pour calculer leur modèle dynamique de manière décentralisée. Il sera ensuite possible de calculer le modèle dynamique complet du RPC en utilisant une approche lagrangienne avec multiplicateurs, afin d’obtenir un modèle linéaire par rapport à l’accélération. Enfin, nous adapterons des techniques de contrôle décentralisées pour que les contrôleurs embarqués associés à chaque jambe puissent collaborer afin d’accomplir les tâches souhaitées (par exemple, le suivi de trajectoire ou la co-manipulation), tout en évitant les singularités.
Pour cela, après une revue approfondie de la littérature, l’étudiant développera dans un premier temps un simulateur dynamique du robot. Celui-ci servira à tester les algorithmes de contrôle conçus et à comparer les modèles simplifiés qui seront définis pour permettre une prédiction en temps réel de la dynamique du robot. Ce simulateur devra offrir la possibilité de simuler les capteurs et leurs bruits de mesure, afin de se rapprocher au maximum des systèmes réels.
Ensuite, nous développerons des modèles dynamiques efficaces pour chaque jambe. Le calcul de ces modèles nécessite un processus itératif de résolution, qui peut s’avérer coûteux en temps. Nous pensons qu’il est possible d’accélérer le calcul des équations dynamiques du robot en mesurant ou en observant, à l’aide des capteurs embarqués de chaque jambe : (a) le torseur d’efforts appliqué à son extrémité, (b) son état de déformation (forme de la jambe et ses dérivées temporelles). Si toutes ces grandeurs sont connues, le modèle dynamique de la jambe devient une équation analytique en fonction des efforts d’entrée des moteurs, bien plus simple à résoudre. Cependant, le nombre de capteurs — et donc le nombre de grandeurs mesurées — doit être minimisé pour faciliter la conception mécatronique de la jambe. Un compromis entre le coût et la complexité de conception et la précision du modèle devra donc être trouvé.
Enfin, nous développerons des planificateurs de trajectoire et des contrôleurs pour nos RPC. Pour les planificateurs, des stratégies hors ligne et en ligne pourront être développées, voire combinées. Pour les approches hors ligne, la méthode classique consiste à définir une trajectoire à atteindre par la plateforme du robot, puis à utiliser le modèle dynamique inverse pour estimer les déplacements des moteurs correspondants. Le problème réside dans le fait que, lors du mouvement, le robot peut rencontrer des singularités. Or, la localisation des singularités, ou la facilité à les franchir par erreur — entraînant une transition d’un état stable à instable pour le robot — peut varier en fonction de la vitesse et de l’accélération du robot. Leur détection devient alors difficile. Nous pourrions adapter des approches comme celle présentée dans, en particulier si les utilisateurs préfèrent que les robots évitent ces transitions.
Nous exploiterons également la modularité du robot pour développer des approches de contrôle décentralisées. En nous appuyant sur notre expérience dans le contrôle de flottes de drones, nous adapterons le contrôleur décentralisé au cas de notre RPC, considéré alors comme une flotte de jambes modulaires (JaM).

Environnement : La thèse se déroulera au sein de l’équipe ARMEN du LS2N, sur le campus de l’École Centrale de Nantes, en collaboration avec l’équipe RoMoCo de FEMTO-ST à Besançon. Elle sera co-encadrée par : Sébastien Briot (expert en modélisation dynamique des robots parallèles et continus), Isabelle Fantoni (experte en contrôle décentralisé), Kanty Rabenorosoa (expert en conception et modélisation des robots continus).
Le doctorant (H/F) aura accès aux plateformes expérimentales du LS2N afin de réaliser des expériences qui permettront de valider les développements théoriques.

Contraintes et risques

N/A

Rémunération et avantages

Rémunération

La rémunération est d'un minimum de 2300,00 € mensuel

Congés et RTT annuels

44 jours

Pratique et Indemnisation du TT

Pratique et indemnisation du TT

Transport

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