Sujets de thèses

Aller à : navigation, rechercher


Commande avancée des robots collaboratifs en considérant un modèle dynamique de l'interaction homme-robot

Directeur de Thèse : Bernard BAYLE, Professeur
Co-encadrant : Hassan Omran, Maître de Conférences

  • Résumé :

Aujourd’hui, les besoins de productivité s’imposent à toutes les entreprises. A l’ère de l’Usine du Futur, les robots collaboratifs vont occuper une place de plus en plus importante dans les systèmes de production. Ces robots sont conçus pour réaliser des tâches en environnement humain, augmentant potentiellement les capacités physiques des opérateurs ou diminuant leur fatigue. Cette technologie modifie le modèle de la robotique industrielle, ouvrant la voie à des applications très nombreuses et prometteuses. Des défis scientifiques restent cependant à relever pour faire travailler efficacement ces systèmes en interaction avec des opérateurs humains. La modélisation et la commande des robots collaboratifs, prenant en compte l’humain, le robot, et l’interaction entre les deux, restent des problèmes largement ouverts. Les lever permettra la maîtrise de l’interaction homme-robot, assurant stabilité, souplesse et efficacité des mouvements réalisés. Cette thèse a pour objectif de développer des méthodes innovantes de commande pour la robotique collaborative, en considérant un modèle dynamique avancé de l’opérateur humain et de l’interaction homme-robot. Elle s’inscrit parfaitement dans les domaines d’excellence (robotique médicale) et de prospective (usine du futur) de l’équipe AVR et du laboratoire ICube. Une cellule de robotique collaborative à disposition de l’équipe sera utilisée dans le cadre cette thèse.

  • Contexte général et enjeux :

Aujourd’hui les lignes de production sont soit encore entièrement manuelles, soit robotisées mais avec des barrières de sécurité séparant complètement les robots des opérateurs. A l’ère de l’usine du futur (Industrie 4.0) les besoins de productivité s’imposent ; la robotique collaborative, aussi connue sous le nom de cobotique, va occuper une place de plus en plus importante dans tous les systèmes de production. Ces robots sont conçus pour réaliser des tâches en complétant, voire en augmentant les capacités physiques des opérateurs humains. Cette évolution de la robotique permet le partage des tâches : l’homme s’occupe de la partie décisionnelle (intelligence, variabilité des gestes), alors que le robot assure la partie fonctionnelle (précision, puissance, endurance). Le robot ne va pas remplacer l’humain mais il va l’assister, apportant précision et dextérité. Cela modifie le modèle de la robotique industrielle et apporte interactivité et flexibilité. Récemment, des produits commerciaux sont apparus, ouvrant la voie à des applications très nombreuses et prometteuses, tout autant qu’à de nouveaux défis scientifiques pour une nouvelle robotique : collaborative, performante et plus sécurisée. Afin que les robots collaboratifs soient bien acceptés dans les usines, il est impératif de les rendre plus performants, plus maniables et plus ergonomiques. Une bonne performance implique la capacité à manipuler le robot manuellement sans sentir son inertie, les frottements ou la gravité. Étant donné que ces robots travaillent à l'interface avec l’humain, la qualité de l'interaction entre humain et robot est un facteur majeur déterminant la stabilité, la souplesse et l’efficacité du mouvement. Les stratégies de commande des robots collaboratifs dépendent des signaux d’interface homme-robot. Des signaux recueillis sur le corps humain, par des capteurs électro-myographiques par exemple, peuvent être utilisés dans les systèmes de commande afin d’améliorer la sécurité et la performance. Cependant, la complexité des relations entre les signaux mesurés et les forces musculaires (non linéarités statiques et dynamiques) limite encore aujourd’hui l'exploitation de ces signaux. La modélisation dynamique des systèmes cobotiques, prenant en compte le robot, l’humain, et l’interaction entre les deux, reste un verrou pour la synthèse des lois de commande nécessaires à la réalisation de tâches partagées entre homme et robot.

  • Objectif et échéancier de travail :

Cette thèse a pour objectif le développement de méthodes de commande innovantes pour la robotique collaborative, en considérant un modèle dynamique avancé des comportements de l’humain, et de l’interaction homme-robot. Le début du travail va consister à faire une bibliographie pour découvrir les travaux existants relatifs aux domaines concernés. Dans un second temps, le doctorant mènera une réflexion sur la stratégie la plus adaptée pour utiliser des informations et des mesures de l’interaction entre l’humain et le robot, afin d’améliorer la performance de la commande des systèmes cobotiques. Ces mesures seront exploitées dans deux façons. La première consistera à utiliser les données dans la phase de modélisation et d’identification du modèle dynamique. La deuxième consistera à exploiter les mesures dans la boucle de commande afin de valider les lois de commande expérimentalement, en utilisant des moyens à disposition de l’équipe AVR.

  • Moyens à disposition :

Cette thèse s’inscrit parfaitement dans les domaines d’excellence (robotique médicale) et de prospective (usine du futur) de l’équipe AVR et du laboratoire ICube. Pour s’engager dans la robolution que représente la robotique collaborative pour l’industrie traditionnelle, l’équipe AVR a récemment fait l’acquisition d’une cellule de robotique collaborative KUKA financée par l’IDEX Unistra. Le candidat validera les résultats obtenus en utilisant cette cellule.

  • Profil du candidat :

Le candidat devra posséder un diplôme d’Ingénieur ou un Master en robotique ou en automatique, avec des compétences en Matlab et idéalement en programmation orientée objet. Un bon niveau en anglais est requis.

  • Candidature :

Pour plus d’informations concernant ce sujet de thèse contacter les encadrants. Le dossier de candidature sera composé d’une lettre de motivation, un CV détaillé, les relevés de notes concernant l’ensemble du cursus universitaire. Le dossier de candidature devra être envoyé avant le 7 mai 2017. Vous enverrez le dossier de candidature sous forme d'un fichier au format PDF aux adresses suivantes : bernard.bayle_at_unistra_fr et homran_at_unistra.fr

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 2017

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 aux adresses suivantes : laroche@unistra.fr et homran@unistra.fr

Calendrier : Date limite de candidature : 15 mai 2017

Fin des auditions des candidats : 15 juin 2017.

Conception et commande d’un dispositif robotique multi-effecteurs pour la manipulation magnétique

  • Contexte et objectifs

Ce projet de thèse est centré sur la conception et la commande de systèmes robotiques multi-effecteurs pour le pilotage de micro-robots nageurs. Il s’agit d’un travail réalisé conjointement entre MiNaRob, AS2M, FEMTO-ST, Besançon et AVR, ICube, Strasbourg.

Le travail de thèse proposé se place dans le cadre du projet de recherche collaboratif MULTIFLAG, supporté par l’Agence Nationale de Recherche, dans lequel sont associés ISIR (Paris), FEMTO-ST (Besançon) et ICube (Strasbourg). Le projet MULTIFLAG vise à développer une nouvelle génération de micro-robots pour des applications biomédicales, en milieu fluide tel que la moelle épinière, avec un pilotage par champ magnétique de ces dispositifs.

Disposer de micro-robots capables de se déplacer dans le corps humain sans lien mécanique avec l'extérieur peut représenter une formidable opportunité pour nombre de tâches dans le domaine biomédical. Pour des raisons énergétiques et de passage aux petites échelles, les solutions actuellement proposées dans la communauté robotique pour la manipulation magnétique sans contact en milieu fluide s’appuient sur des robots « nageurs », équipés dans la majorité des cas d’un flagelle unique, de forme curviligne ou hélicoïdale. ISIR et FEMTO-ST ont notamment démontré leur capacité à contrôler le déplacement de micro-robots de forme hélicoïdale en laboratoire. Les vitesses atteignables et la dextérité restent encore cependant perfectibles. En suivant une approche bio-inspirée, il doit être possible d’améliorer les performances de micro-robots nageurs en y intégrant plusieurs flagelles. C’est l’objectif global du projet MULTIFLAG. Le pilotage de micro-robots par un ensemble d’électro-aimants dont on contrôle les positions relatives et l’intensité du champ doit par ailleurs permettre d’augmenter la dextérité des micro-robots et l’efficacité de leur nage, ainsi que d'ouvrir la possibilité de piloter plusieurs micro-robots en même temps par un contrôle fin de la forme du champ magnétique. C’est l’approche originale adoptée dans le projet. Le travail de thèse proposé s’intéresse à la problématique de conception et de commande d’un système robotique permettant la reconfiguration de sources de champ magnétique. Il s’effectuera en parallèle de deux autres thèses dédiées d’une part à la conception des micro-robots nageurs multi-flagelles et d’autre part à la commande par champ magnétique de ces micro-robots. L’aspect collaboratif du travail sera donc important et une force dans ce projet. Les laboratoires directement impliqués dans la thèse proposée sont par ailleurs reconnus au niveau international en robotique pour le médical, et avec une expérience commune de recherche importante.

  • Descriptif détaillé

Les détails du sujet sont décrits dans le document disponible sur cette page

  • Mots clés

Robotique, conception mécatronique, commande, mécanismes de tenségrité

  • Profil recherché

Le profil requis est celui d’un.e étudiant.e en master 2 ou élève ingénieur.e en dernière année ayant une formation en mécatronique et robotique. Il (elle) doit être à l’aise sur l’utilisation de logiciels de CAO de type Solid-Works ou Catia. Il (elle) doit également maîtriser la programmation, C/C++ et Matlab afin de pouvoir simuler et commander le prototype.
 Il (elle) aura de bonnes capacités d’expression écrite en français et en anglais. Ouvert d’esprit, il (elle) sera amené.e à travailler en équipe et doit être capable de communiquer aisément. Écoute, dynamisme et persévérance seront des qualités indispensables pour mener un travail de recherche sur 3 ans.

  • Direction de thèse et conditions

Directeurs de thèse : Pierre Renaud (Professeur INSA), Nicolas Andreff (Professeur UBFC)

Date de démarrage: Octobre 2017

Lieu de la thèse: partagé entre ICube (Strasbourg) et FEMTO-ST (Besançon).

Financement sous forme d'un contrat doctoral financé par l'ANR.

  • Candidater

Les candidats devront envoyer une lettre de motivation, un CV et leur relevés de notes (M1 et M2 ou 4ème et 5ème années universitaires) sous forme de fichier unique en PDF aux adresses suivantes : nicolas.andreff@femto-st.fr et pierre.renaud@insa-strasbourg.fr

Calendrier : Date limite de candidature : 15 mai 2017

Fin des auditions des candidats : 15 juin 2017.


Two PhD Positions in Computer Vision / Artificial Intelligence within project CAMMA

More information available here.


Optimisation de robots continus multi-actionnés

Directeur de thèse : Michel de Mathelin
Co-encadrant : Benoît Rosa

  • Descriptif

Les robots continus sont de plus en plus utilisés dans différents domaines de l'ingénierie. Leur caractère flexible, combiné à une forme tubulaire et des degrés de liberté distaux, en fait des candidats très intéressants pour de nombreuses applications, en particulier en chirurgie minimalement invasive.

Dans ce cadre, de nombreuses études ont développé des technologies d’actionnement avancées. Des travaux récents ont proposé des robots à actionnement hybride utilisant 2 technologies d’actionnement combinées afin d’améliorer certains caractéristiques du robot (espace de travail, dextérité, etc..) [1,2]. Ce sujet de thèse vise pousser cette approche en développant un système optimisant la nature et la structure des actionneurs sur un robot continu multi-actionné. Ceci nécessite d’une part la mise en place d’indices de performance pertinents pour comparer des actionneurs hétérogènes, et d’autre part le développement d’algorithmes d’optimisation et de planification afin d’optimiser la structure et la nature des actionneurs en fonction d’une tâche donnée. Dans un second temps, l’incertitude liée à l’utilisation d’images médicales pré-opératoires ainsi qu’aux mouvements physiologiques pourra être incorporée dans le système d’optimisation.

La thèse se déroulera au sein de l’équipe AVR du laboratoire Icube. L’équipe a mis en place de nombreuses collaborations cliniques (IRCAD, IHU Strasbourg, HUS) qui pourront être mises à profit dans le déroulé de cette thèse.

  • Mots clés

Robotique médicale, robots continus, optimisation

  • Descriptif détaillé

L'offre détaillée est disponible au format pdf sur cette page.

  • Profil souhaité

Master ou titre équivalent (diplôme d'ingénieur) au 1er Octobre 2017, avec un profil Robotique ou Mathématiques appliquées. Le candidat devra avoir un goût tant pour les aspects théoriques (programmation, optimisation) que pratiques (expérimentation sur plateforme robotique). Des connaissances en algorithmes d’optimisation et de planification seraient un plus.

  • Candidater

Pour candidater, envoyez un email accompagné d'un CV, d'une lettre de motivation et des notes de master 2 à Benoît Rosa

  • Références

[1] Chikhaoui, M. T., Rabenorosoa, K., & Andreff, N. (2016). Kinematics and performance analysis of a novel concentric tube robotic structure with embedded soft micro-actuation. Mechanism and Machine Theory, 104, 234-254.

[2] Wu, L., Crawford, R., & Roberts, J. (2017). Dexterity Analysis of Three 6-DOF Continuum Robots Combining Concentric Tube Mechanisms and Cable Driven Mechanisms. IEEE Robotics and Automation Letters, 2(2), 514-521