Modélisation, identification et commande

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Contact : E. Laroche et J. Gangloff

Vue d'ensemble

Ce thème rassemble les activités autour de la modélisation, l’identification et la commande de systèmes, avec des travaux à caractère théorique, méthodologique et des développements applicatifs dans le domaine de la robotique médicale ou industrielle. Trois axes principaux sont développés : a) identification et commande des systèmes dynamiques non linéaires, b) identification et commande des robots parallèles à câbles, c) télémanipulation et comanipulation.

Identification et commande des systèmes dynamiques non linéaires

Nous nous intéressons au développement d’approches génériques pour la commande de systèmes dynamiques non linéaires, afin d’améliorer la maîtrise de leur comportement. Nous développons l’utilisation de modèles linéaires à paramètres variants (LPV) permettent d’aboutir à des approches génériques capables de prendre en compte certains comportements non-linéaires. Des méthodologies d’identification de modèles multivariables ont été développées en collaboration avec G. Mercère (LIAS & U. Poitiers), exploitant la synthèse H∞ structurée pour résoudre le problème d’interpolation de représentations d’état. Des méthodes de synthèse de lois de commande LPV ont été développées. Elles permettent de prendre en compte les taux de variation des paramètres, et leur intérêt a été mis en évidence dans la simulation de la commande d’un bras robotique, et exploitée sur un cas industriel avec la société Bosch.

Des contributions théoriques sont également apportées avec des résultats nouveaux sur l’analyse robuste et la synthèse de correcteurs pour des systèmes incertains de type descripteur. Ces résultats sont moins restrictifs que ceux précédemment proposés dans la littérature grâce à l’exploitation des fonctions de Lyapunov quadratiques dépendant de paramètres incertains du système et à l’utilisation des variables faibles. Ces travaux font actuellement l’objet d’extensions avec l’emploi de fonctions de Lyapunov moins restrictives telles que les fonctions de Lyapunov homogènes.

Plusieurs projets applicatifs sont soutenus par l’Institut Franco-Allemand de Saint Louis sur des engins volants (drone & missile). Un autre projet porte sur la commande de robot terrestre. L’assistance aux gestes médicaux est aussi un champ riche et à l’origine de problématiques originales sur les thèmes de l’identification et la commande. Ainsi, nous avons mené des travaux sur la modélisation et l’identification de modèles d’injection de ciment orthopédique en vertébroplastie. Dans le cadre du projet ANR Reset dédié à la chirurgie de la rétine, un simulateur temps-réel a par ailleurs été développé pour produire un rendu haptique sur des modèles hyper-élastiques sans capteur. L’intégration du simulateur SOFA dans une boucle d’asservissement en temps réel permet l’intégration de modèles non linéaires, ce qui est particulièrement intéressant pour l’interaction avec des tissus mous comme dans une tâche d’insertion d’aiguille. Ces travaux donnent lieu à des collaborations avec l’Université du Luxembourg avec un projet supporté par l’USIAS de Strasbourg.


Identification et commande des robots parallèles à câbles

Les problématiques d’identification et de commande sont développées plus spécifiquement pour la robotique en s’intéressant aux robots parallèles à câbles. Ces systèmes robotiques ont un potentiel applicatif important, que ce soit en robotique de manipulation ou robotique médicale, par exemple.

Des méthodologies d’identification de modèles pour la commande sont d’une part développées et d’autre part la synthèse de lois de commande. Une synthèse H-infini a été mise en œuvre pour le suivi de trajectoire et comparée à une approche basée sur le modèle cinématique. Une approche modale a par ailleurs été proposée pour l’amortissement actif des vibrations de la nacelle. Les validations expérimentales sont faites sur un robot INCA 6D et sur des démonstrateurs à faible coût développés sur plateforme Lego Mindstorms. Ces activités se déroulent actuellement dans le cadre du projet ANR DexterWide consacré au développement de robots parallèles à câbles embarquant un robot manipulateur et des systèmes mécatroniques destinés à améliorer leur comportement dynamique.


Télémanipulation et comanipulation

Les travaux de l’équipe en commande robotique portent par ailleurs sur la co-manipulation et télé-manipulation de dispositifs robotiques. Sur un plan théorique, des méthodes de synthèse de correcteurs ont été développées en collaboration avec le CEA-LIST pour la commande de systèmes de co-manipulation, à partir de la synthèse H-infini structurée. Ces approches permettent de synthétiser des correcteurs dynamiques d’ordre et de structure arbitraire tout en assurant à la fois la passivité et des critères issus d’un cahier des charges. Une commande séquencée par le taux d’amplification des efforts a également été proposée. Dans le cas de la télé-manipulation avec retour d’effort, nous nous intéressons à des thèmes originaux issus de problématiques de la robotique médicale. Les interactions des robots évoluant au contact du patient sont perturbées par les mouvements physiologiques (respiration et battements du coeur). En télémanipulation bilatérale, ces mouvements génèrent du retour d’effort. Nous avons développé une technique de commande (architecture force-position et GPC) permettant de restituer à l’opérateur la perception d’interaction avec les tissus, sans pour autant percevoir dans le retour d’effort la perturbation que représente le mouvement des organes dans la perception haptique. Une autre contribution en téléopération bilatérale a consisté en une technique de commande préservant l’impédance transmise quand les amplitudes de mouvements entre maître et esclave nécessitent un changement de nature des signaux échangés, typiquement en réalisant la commande de la vitesse de l’esclave par la position du maître. Enfin, nous nous intéressons aux problématiques de télé-opération de systèmes robotiques tels que rencontrés en endoscopie flexible robotisée. Un système de ce type, STRAS, est développé dans l’équipe pour les chirurgies endoluminale et transluminale. Nous nous intéressons alors aux problématiques de la télé-opération de ce système complexe comportant 10 ddl. Les dynamiques dûes aux déformations des instruments ont été compensées grâce à l’utilisation de capteurs magnétiques extéroceptifs. A partir d’interfaces maîtres commerciales, plusieurs modes de télé-manipulation ont été considérés, notamment en contraignant certaines mobilités. Une méthode d’évaluation des modes de télémanipulation a été proposée qui s’appuie sur une simulation du robot esclave permettant de s’affranchir des perturbations engendrées par les imperfections du robot esclave. Des tests réalisés avec des utilisateurs novices et des chirurgiens ont montré les limites des interfaces commerciales et ont conduit au développement d’interfaces dédiées.


Projets

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