Robotics Force/Torque Control for Manufacturing Operations
Contrôle en force/couple pour des opérations industrielles
Résumé
Humanoids robots are not yet able to safely work in similar environment than
humans and to perform the same tasks. The objective of this thesis is to study
whole-body control algorithms for humanoids robots in order to perform aircraft
manufacturing operations such as drilling. This thesis is part of the joint-lab between
the LAAS-CNRS laboratory and the Airbus Operations SAS company. The
presented research and innovative studies rely on recent advances on control theory,
optimization and stability analysis.
The main contributions of this thesis are the design and implementation of new
real-time controllers for humanoid robot, integrated on the robot TALOS. The illustrated
applications are locomotion and force task operations. First, the chain
actuation parameters of the robot are identified in order to directly control the
robot in current while having low level protection mechanisms. The proposed solution
confirms the capabilities of the robot TALOS to achieve torque control in
complex scenario with high payload. Thus, real-time whole-body torque controllers
are then investigated. Three controllers are implemented and benchmarked, two
in position and one in torque. Their comparison is performed on complex locomotion
scenarios using several metrics including trajectory tracking and energetic
criteria. The whole-body torque controller is validated in simulations and its advantages
compared to the position schemes confirms the decision to implement it
for manufacturing operations. However, the first tests realized on the real robot led
to a dangerous divergence of the solution. Thus, a stability analysis was performed
to ensure the safety and robustness of the solution for industrial applications. The
developed solution is based on passivity theory, augmenting the whole-body torque
control scheme with a global energy tank monitoring the power flow of the system.
This new passive scheme is validated in simulations on locomotion and multi-contact
scenarios. The latter involves force applications as a first step toward manufacturing
operations.
The results of this thesis have been integrated in the Stack-of-Tasks framework
of the LAAS-CNRS.
Les robots humanoïdes ne sont pas encore capables de travailler en sécurité dans
un environnement fait pour l’Homme et d’effectuer les mêmes tâches. L’objectif de
cette thèse est d’étudier des algorithmes de contrôle corps-complet pour robots humanoïdes
afin d’effectuer des opérations de productions de structures avions telles
que le perçage. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du laboratoire commun entre le
LAAS-CNRS et la société Airbus Operations SAS. Les travaux et études présentés
appartiennent aux domaines scientifiques de l’optimisation pour le contrôle de
systèmes dynamiques et de l’analyse de leur stabilité.
Les contributions majeures de cette thèse sont la conception et l’implémentation
de nouveaux algorithmes de contrôle temps-réel pour des robots humanoïdes, intégrés
sur le robot TALOS. Les applications présentées traitent de la locomotion
du robot et de la réalisation d’opérations nécessitant l’application de force. Premièrement,
les paramètres de la chaîne d’actionnement du robot sont identifiés afin
de commander directement le robot en courant tout en garantissant la protection
du système. La solution proposée confirme les capacités du robot TALOS contrôlé
en couple lors de la manipulation d’une charge élevée. Ainsi, des algorithmes de
contrôle temps-réel en couple pour le corps-complet du robot sont ensuite étudiés.
Trois contrôleurs sont implémentés et comparés, deux en position et un en couple.
Leur analyse est effectuée sur des scénarios de locomotion complexes en utilisant
plusieurs critères comme le suivi de trajectoires et la dépense énergétique. Le contrôleur
corps-complet en couple est validé en simulation et ses avantages par rapport
aux schémas en position confirment le choix de l’implémenter pour des opérations
de productions. Cependant, les premiers tests réalisés sur le robot réel ont conduit
à une dangereuse divergence de la solution. C’est pourquoi, une analyse de stabilité
a été effectuée pour assurer la sécurité et la robustesse de la solution pour
des applications industrielles. La solution développée est basée sur la théorie de
la passivité, augmentant le contrôleur en couple avec un réservoir d’énergie contrôlant
les transmissions d’énergie au sein du système. Ce nouveau contrôleur passif
est validé en simulation sur des scénarios de locomotion et de multi-contacts avec
l’environnement. Ce dernier met en place une tâche d’application de force comme
première étape vers des opérations de productions.
Les résultats de cette thèse ont été intégrés dans la suite logicielle Stack-of-Tasks
du LAAS-CNRS.
Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
---|