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Continuum robot control and planning in deformable environments

PhD opportunity in the field of continuum robots. More information about the topic, scientific context and application process can be found here : File:Sujet_AVR_Rosa_2018_EN.pdf (English version) and File:Sujet_AVR_Rosa_2018.pdf (French version)

Applications are open as of now, and should be made via the procedure detailed in the links above, on or before April 15, 2018

Commande des systèmes non-linéaires avec contraintes algébriques - application aux robots à câbles en tenant compte des déformations des câbles

Description in English

  • Contexte et objectifs

Dans la lignée de travaux antérieurs développés au sein de l’équipe AVR, ce sujet se place à l’interface entre l’automatique et la robotique (voir les projets IDRAC et ManiLPV). Il s’agit en effet de contribuer au développement des méthodes d’analyse des systèmes et de synthèse de correcteurs destinées aux robots à câbles. On se confrontera aux spécificités des robots à câbles tout en cherchant à développer des méthodes qui soient aussi génériques que possibles.

Les robots parallèles à câbles sont composés d’une plateforme reliée à des points d’attaches par l’intermédiaire de câbles enroulables. Le faible encombrement, la grande taille de l’espace de travail, ainsi qu’un bon rapport poids utile sur masse de la structure, en font des solutions intéressantes pour des applications originales. ICube est notamment associé au projet ANR DexterWide visant au développement d’une solution combinant un robot manipulateur de type série embarqué sur un rabot parallèle à câbles, pour la réalisation de tâches de type perçage ou soudage dans des halls de construction. Un démonstrateur de type INCA-6D, développé par la société Haption, est disponible au laboratoire pour la recherche.

La commande de ces systèmes doit faire face à de nombreuses complexités. D’une part, comme pour tous les robots parallèles, les modèles font apparaître des équations algébriques en plus des équations dynamiques – on parle de système DAE (differential algebraic equation), ce qui représente une complexité à gérer pour la modélisation et la simulation. D’autre part, il faut assurer que les tensions des câbles restent positives. De plus, ceux-ci introduisent des modes flexibles aux dynamiques non-linéaires de ces systèmes qui sont aussi multivariables.

Lors de travaux antérieurs, nous avons développé des méthodes d’identification de modèle [NLC12, CCL16] et de synthèse de correcteurs permettant de piloter la nacelle en translation et en rotation [CCL16]. Dans ces travaux, les câbles étaient supposés rectilignes, ce qui a permis de résoudre les équations algébriques.

  • Contributions visées

Dans cette thèse, on relaxera l’hypothèse de câbles rectilignes et on traitera directement les modèles sous forme DAE. Une première contribution a été produite par l’équipe sur la possibilité de traiter directement le problème sous forme DAE pour un exemple simpliste de robot plan à trois câbles rectilignes [CL14]. Par ailleurs, une publication est en cours de rédaction sur la prise en compte du caractère non-rectiligne des câbles en dynamique en se basant sur la méthode des « modes supposés » couramment utilisée pour les manipulateurs série présentant des déformations [GPK97, HLB14]. Ces travaux pourront servir de point de départ pour traiter des robots plus complexes. L’approche consistera à approcher le modèle DAE non-linéaire par un modèle DAE linéaire (encore appelé « descripteur ») ou linéaire à paramètres variants afin d’utiliser les méthodes disponibles pour ces classes de systèmes [MKO97, Yag10]. L’équipe avait utilisé ce type d’approche par le passé pour la commande de bras manipulateurs série [HLB14] ; il s’agira ici de transposer ces approches aux manipulateurs parallèles.

  • Références
    • [HLB14] H. Halalchi, E. Laroche, G. Bara. Flexible-link robot control using a linear parameter varying systems methodology, International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 11(46):1-12, March 2014
    • [CCL16] R. Chellal, L. Cuvillon, E. Laroche. Model identification and vision-based H∞ position control of 6-DoF cable-driven parallel robots, International Journal of Control, pp. 1-18, 2016
    • [CL14] C. Cvetanovic, E. Laroche. Towards DAE methodology for the control of cable-driven parallel robots, dans IEEE Multi-Conference on Systems and Control, Antibes, France, October 2014.
    • [GPK97] H. Geniele, R.V. Patel K. Khorasani, End-point control of a flexible-link manipulator: theory and experiments, IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 5, p. 556-570, 1997
    • [MKO97] I. Masubuchi, Y. Kamitane, A. Ohara, N. Suda, H∞ control for descriptor systems: a matrix inequalities approach, Automatica, vol. 33, no 4, p. 669-673, 1997
    • [NLC12] T. Nguyen, E. Laroche, L. Cuvillon, J. Gangloff, O. Piccin. Identification d’un modèle phénoménologique de robot à câbles, Journal Européen des Systèmes Automatisés, Hermès – Lavoisier, Vol. 56(6-7):673-689, November 2012.
    • [Yag10] M. Yagoubi, On multiobjective synthesis for parameter-dependent descriptor systems, IET Control Theory & Applications, vol. 4, No 5, p. 817-826, 2010
  • Mots clés

modèle basé sur des équations algébro-différentrielles, système contraint, système linéaire à paramètres variants, robots à câbles

  • Profil recherché

Etudiant.e en master 2 ou élève ingénieur.e en dernière année ayant une forte spécialisation en automatique, vous êtes à l'aise avec les concepts de la commande des systèmes multivariables et vous utilisez de Matlab-Simulink sans difficulté pour implanter des modèles et les simuler. Vous disposez de solides bases scientifiques et vous êtes à l'aise avec l'outil mathématique. Vos capacités de communication, notamment en anglais, vous permettent de lire des articles scientifiques sans difficultés de comprehension de la langue. Vous savez faire preuve d'ouverture d'esprit, vous avez le sens de l'initiative, tout en étant à l'écoute des conseils qui vous sont prodigués. Vous savez argumenter vos propos. Vous êtes en mesure de démontrer votre capacité d'engagement à travers vos expériences.

  • Direction de thèse et conditions

Encadrement: Edouard LAROCHE (directeur de thèse), Hassan OMRAN et Olivier PICCIN

Date de démarrage: Octobre 2018

Lieu de la thèse: ICube (Strasbourg, campus d'Illkirch)

Financement sous forme d'un contrat doctoral financé par le ministère de l'enseignement supérieur

  • Candidater

Vous enverrez un CV, une lettre de motivation (qui expliquera vos compétences en regard du profil) et vos relevés de notes (M1 et M2 ou 4ème et 5ème années universitaires) sous forme d'un fichier unique au format PDF à homran@unistra.fr

Calendrier : Date limite de candidature : 15 mai 2018

Fin des auditions des candidats : 15 juin 2018.

Identification de modèles multivariables de robots de co-manipulation préservant les propriétés de passivité

English version here

Thèse en collaboration avec ICube (Edouard Laroche), le LIAS (Guillaume Mercère) et le CEA (Neil Abroug, Xavier Lamy). Localisation : CEA-Saclay.

  • Contexte

Les systèmes de co-manipulations, également appelés cobots, sont des systèmes destinés à interagir mécaniquement avec des opérateurs humains afin de les assister dans leurs tâches. Il peut s’agir de dispositifs industriels d’assistance au levage où à la découpe, permettant de découpler la force de l’opérateur. Comme les systèmes robotiques usuels, ils sont équipés d’actionneurs et de capteurs de positions. Ils sont généralement également équipés de capteurs d’effort.

Ces systèmes robotiques sont amenés à interagir avec un environnement incertain et variable dans le temps : d’une part avec l’opérateur qui peut faire preuve de plus ou moins de poigne dans la tenue du cobot et d’autre part du côté effecteur suivant la tâche qu’il doit accomplir, qu’il s’agisse de levage d’une charge de masse inconnue ou de découpe d’un matériau aux propriétés non homogènes pour ne citer que des cas simples. Toutefois, ces environnements sont généralement supposés passifs, c’est-à-dire qu’ils ne font que dissiper l’énergie qui leur est fournie. Cette propriété de passivité de l’environnement permet d’assurer la stabilité du cobot en interaction avec son environnement à condition qu’il soit lui-même passif.

Différentes approches sont disponibles pour identifier un modèle de robot. Les approches dites boites grises s’appuient sur une structure de modèle fournie par les lois de la physique dont il est nécessaire d’estimer les paramètres. Elles aboutissent à des modèles passifs, relativement compacts et parcimonieux, mais ont toutefois l’inconvénient de ne pas être capables d'englober facilement des dynamiques difficilement modélisables physiquement qui peuvent s’avérer cruciales pour les performances de la commande. Les approches boîtes noires (fréquentielles à temps continu) sont plus adaptées à l’obtention de modèles de commande performants en présence notamment de modes flexibles. Toutefois, les méthodes disponibles ne permettent pas de respecter les propriétés de passivité avec toute la précision souhaitée.

  • Problématique

La présente thèse se propose donc de développer des méthodes d’identification à partir de données fréquentielles de modèles multivariables adaptées au contexte de la co-manipulation avec un objectif de synthèse de lois de commande. Elle aura comme objectif de combiner au mieux les avantages des modèles boîtes noires et boîtes grises pour conduire à des représentations passives capables de représenter des dynamiques complexes telles que certains modes flexibles haute fréquence. Les validations expérimentales se feront sur les démonstrateurs disponibles au CEA-LIST.

  • Profil et candidature

Titulaire d’une formation scientifique de haut niveau (école d’ingénieurs ou Master) avec une spécialisation en automatique, vous disposez également d’une connaissance de la modélisation des systèmes robotiques. Vous êtes capables de communiquer en anglais à l’écrit et à l’oral (vous préciserez votre score au TOIC ou à toute autre certification). Vous disposez d’une expérience réussie dans un projet à caractère scientifique ou technologique. Votre curiosité, vos capacités d’analyse et de communication, ainsi que votre engagement, seront un gage de réussite pour le projet.

Vous enverrez un CV, une lettre de motivation et un relevé de notes de vos trois derniers semestres par courriel à Neil.ABROUG@cea.fr, guillaume.mercere@univ-poitiers.fr et laroche@unistra.fr pour le 27 avril 2018. Une lettre de recommandation sera appréciée. Dans votre lettre de motivation, vous vous efforcerez de montrer votre compréhension du sujet et de mettre en évidence vos compétences en rapport avec le sujet. Vous pourrez fournir tout document que vous jugez utile pour enrichir votre dossier de candidature. L’ensemble des documents sera fourni sous forme d’un document pdf unique dont le titre sera : NOM-Prénom-thèse-identif-cobot.pdf.

Synthèse de lois de commande robuste pour drones de grande endurance et bas coût

  • Contexte du projet

La thèse se fera dans le cadre du projet franco-allemand ELCOD associant l’INSA de Strasbourg et le laboratoire ICube à la Hochschule d’Offenburg dont l'objectif principal est de développer des drones à faible coût, à grand rayon d'action et à propulsions peu polluantes, pour différent type de missions (mesures de polluants atmosphériques, monitoring, transport de charges utiles). Ce projet bénéficie d’un financement européen. Ces drones, de masse maximale 25 kg, pourront parcourir plusieurs centaines de kilomètres avec des charges embarquées variables. Deux types de motorisations seront comparées : l’une avec des moteurs brushless alimentés par des piles à combustibles ; l’autre avec un moteur thermique à carburation optimisée.

  • Travail de recherche

Le travail de recherche qui vous sera confié concerne le développement d’une méthodologie de synthèse de correcteurs et d’analyse de leur robustesse en tenant compte à la fois des incertitudes et des modes flexibles. La première partie du travail consistera à évaluer le comportement aérodynamique du drone en se basant sur des outils de simulations disponibles comme les projets XFOIL [XFOIL] et XFLR5 [XFLR5].

Différentes approches de commande seront ensuite envisagées par ordre de complexité. On partira des techniques classiques basées sur les correcteurs linéaires et on montrera leurs limites en termes de zone de travail. En effet, le comportement du drone dépend fortement de la vitesse, de l’altitude et de l’angle d’attaque. Des techniques de synthèse robuste permettront d’étendre cet espace de travail. On exploitera notamment les outils disponibles de synthèse de correcteurs structurés basées sur l’optimisation non-lisse [AN06].

L’axe de recherche principal concerne l’utilisation de méthodes de commande basées sur des modèles linéaires à paramètres variants (LPV) [HLB14]. Un modèle LPV sera d’abord obtenu comme une bonne approximation du modèle non-linéaire de simulation. Des méthodes d’identification de modèle à partir de données expérimentales pourront également être mises en œuvre [VMP16]. Ces techniques seront comparées aux techniques de séquencement de gain [FTL17]. Enfin, de manière plus exploratoire, une extension aux modèles LPV des techniques de commande événementielle est envisagée, dans le but de réduire la consommation énergétique [MDG13]. Les différentes approches seront testées en simulation puis expérimentalement sur le drone prototype.

A côté de la partie scientifique de la thèse qui portera sur développement de la la commande, le candidat participera avec l’équipe à la conception générale du drone.

  • Mots clés

conception et commande de drone, commande robuste

  • Profil recherché

Diplômé.e d’un Master en science ou d’une école d’ingénieur avec une spécialisation en automatique, robotique ou mécatronique, vous disposez d’une expérience montrant vos capacités à vous investir dans un projet de recherche ou de développement. Vos connaissances scientifiques générales et votre maîtrise des outils mathématiques vous permettent d’assimiler de nouveaux concepts théoriques. Vous êtes à l’aise avec la programmation, ce qui vous permettra de programmer le calculateur embarqué et de développer des codes de simulation et d’analyse. Vous disposez de bonnes aptitudes de collaboration au sein d’une équipe et de bonnes capacités à communiquer en anglais. Une expérience dans la conception ou le pilotage de drones ou de modèles réduits ou encore d’autres systèmes robotiques et mécatroniques sera appréciée.

  • Encadrement

Le travail de recherche sera encadré par Edouard Laroche, professeur à l’Université de Strasbourg et spécialisé dans le domaine de la commande robuste et de ses applications et par Sylvain Durand, maître de conférences à l’INSA de Strasbourg et spécialisé dans la commande événementielle. Vous aurez également de fortes interactions avec Renaud Kiefer, maître de conférences à l’INSA de Strasbourg et responsable du projet ainsi qu’avec les autres membres du projet.

  • Lieu et dates

La thèse commencera en septembre 2018. Le travail se déroulera sur le campus d’Illkirch du laboratoire ICube et à l’INSA de Strasbourg localisé en centre-ville.

  • Candidature

Vous enverrez votre candidature par mail avant le 30 mai 2018 à renaud.kiefer@insa-strasbourg.fr, sylvain.durand@insa-strasbourg.fr et laroche@unistra.fr sous la forme d’un fichier pdf unique intitulé ELCOD-PhD-NOM-PRENOM.pdf qui contiendra votre CV, votre lettre de motivation et vos relevés de notes des deux dernières années. Une lettre de recommandation et une liste de personnes en mesure de vous recommander sont les bienvenus.

  • Références
    • [AN06] P. Apkarian and D. Noll, « Nonsmooth H∞ synthesis », IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 51, no. 1, p. 71-86, Jan. 2006.
    • [MDG13] N. Marchand, S. Durand, J. Guerrero-Castellanos, « A General Formula for Event-Based Stabilization of Nonlinear Systems », IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 58, no 5, p. 1332-1337, 2013.
    • [FTL17] S. Fleischmann, S. Theodoulis, E. Laroche, E. Wallner, J-P. Harcaut, « Controller design point selection for linearized gain scheduling », American Control Conference, Seatle (WA), United States, mai 2017
    • [HLB14] H. Halalchi, E. Laroche, G. Bara, « Flexible-Link Robot Control Using a Linear Parameter Varying Systems Methodology », International Journal of Advanced Robotic Systems, p. 1-12, Volume 11, n° 46, mars 2014
    • [SLE08] F. Santoso, M. Liu and G. Egan, "H2 and H-infinity robust autopilot synthesis for longitudinal flight of a special unmanned aerial vehicle: a comparative study," IET Control Theory & Applications, vol. 2, no. 7, pp. 583-594, July 2008.
    • [VMP16] D. Vizer, G. Mercere, O. Prot, E. Laroche, « H-infinity-norm-based optimization for the determination of gray-box LTI state-space model parameters », Systems & Control Letters, Elsevier, p. 34-41, 2016