Conception de la commande et de la téléopération d'un bras robotique ultraléger intégré sur un drone

RÉSUMÉ Ce mémoire présente la conception d'un bras robotique ultraléger à six axes téléopéré et embarqué sur un drone ayant des capacités d’accostage. Ce bras robotique est destiné à être capable d'effectuer des tâches locales de maintenance sur des zones difficiles d'accès. En effet, la maintenance d’infrastructures difficiles d’accès (ponts, paroi rocheuse, éolienne) nécessite un déploiement humain et matériel complexe pour garantir la sécurité. Ainsi des solutions de robotique aérienne existent et permettent de remplacer les tâches de l’opérateur dans des zones difficiles d’accès. Actuellement ces tâches de maintenance sont principalement liées à de l’inspection. Dans un objectif d’opérer des tâches de contact (meulage, ponçage, perçage, etc.) dans des zones difficiles d’accès, la conception d’un bras robot six axes ultraléger a été développé. Ce mémoire s’inscrit dans la continuité des travaux réalisés sur la conception d’un bras robotique au sein du Centre des Technologies de Fabrication en Aérospatial du CNRC. Le bras robotique est embarqué sur un drone ayant une capacité d’emport de charges lourdes. Le drone est équipé d’un module d’accostage par ventouses actives (BAM). Le BAM a la possibilité de s’accoster sur une surface dont la plage angulaire par rapport au sol est entre 0 à 180°. Une fois le drone accosté sur la structure, celui-ci peut arrêter ses moteurs puis déployer son bras robotique afin d’effectuer les tâches de maintenance souhaitées. Précédemment, l’architecture mécanique du bras robotique a été proposée, celle-ci se basant sur une optimisation visant à maximiser la surface de travail pour une masse fixée et des contraintes de performances sur différents scénarios. Cette optimisation a amené à des choix de composants et à la création d’un modèle 3D numérique. Par la suite, une architecture électrique globale du bras a été établie avec le choix de l’ordinateur de bord, des contrôleurs moteurs et des capteurs. Une architecture de contrôle a été présentée à partir de la dynamique du robot, ainsi différentes compensations ont été ajoutées afin d’obtenir un fonctionnement stable et précis du bras. Un système de téléopération visuelle et haptique ont été intégrés pour assister l'opérateur dans le contrôle du bras, lui permettant de définir les trajectoires à suivre par le robot. Une programmation sous ROS (Robot Operating System) a été développée pour gérer la commande du robot. Celle-ci intègre notamment un planificateur de trajectoire et un système de vision permettant la génération de trajectoire et l’évitement d’obstacle. Deux modes de contrôle ont été intégrés au bras pour permettre à l’opérateur de choisir entre le mouvement libre ou supervisé du robot. Enfin des expériences ont été réalisées sur un modèle simplifié du bras et sur un manipulateur robotique UR10 afin de valider le fonctionnement de l’architecture de contrôle et d'évaluer ses performances.

Abstract

ABSTRACT This thesis presents the design of an ultralight six-axis remotely operated and mounted on a UAV with docking capacities. This robotic arm is designed to be able to perform local maintenance tasks in hard-to-reach areas. Indeed, the maintenance of hard-to-reach infrastructures (bridges, rock walls, wind turbines) requires a complex human and material deployment to guarantee safety. Aerial robotics solutions exist to replace the operator's tasks in hard-to-reach areas. Currently, these maintenance tasks are mainly related to inspection. In order to perform contact tasks (grinding, sanding, drilling, ...) in difficult to access areas, the design of a six-axis ultralight robot arm was developed. This thesis is a continuation of the work accomplished on the design of a robotic arm at the NRC Aerospace Manufacturing Technology Centre. The robotic arm is mounted on a drone with a capacity to carry heavy loads. The drone is equipped with an active suction cup docking module (BAM). The BAM is able to dock on a surface whose angular range with reference to the ground is between 0 and 180°. Once the drone is docked on the structure, it can shut down its motors and then deploy its robotic arm to perform the desired maintenance tasks. Previously, the mechanical architecture of the robotic arm has been proposed, based on an optimization to maximize the working area for a fixed mass and performance requirements on different scenarios. This optimization led to the choice of components and creation of a 3D digital model. Thereafter, a complete electrical architecture of the arm is defined with the choice of the on-board computer, the motor controllers and the sensors. A control architecture is proposed based on the dynamics of the robot, and different compensations are applied in order to obtain a stable and precise operation of the arm. A visual and haptic teleoperation system is implemented to assist the operator in controlling the arm, allowing him to define the trajectories to be followed by the robot. A programming under ROS (Robot Operating System) is developed to manage the robot control. It integrates a path planner and a vision system allowing the generation of trajectory and obstacle avoidance. Two control modes are built into the arm to allow the operator to choose between free or supervised movement of the robot. Finally, experiments were carried out on a simplified model of the arm and on a UR10 robotic manipulator in order to validate the operation of the control architecture and to evaluate its performance.