Conception et développement d'un robot mobile innovant à manipulateurs parallèles intégrés

Nous présentons dans ce mémoire une nouvelle architecture de robot mobile intégrant des manipulateurs parallèles. L'architecture est construite autour d'une boucle cinématique reliant les roues et est dépourvue de base centrale. Nous développons une modélisation du système incluant la dynamique mobile par rapport à un repère fixe et l'effet de la boucle cinématique. Nous expliquons comment, en générant des contraintes internes bien choisies dans la boucle cinématique, nous pouvons minimiser le couple de commande et ainsi gagner en autonomie énergétique. Par rapport à un contrôle ne générant pas de contraintes internes, nous réduisons le couple de commande de 55% à 75% sur les tâches effectuées en simulation. Nous concevons ensuite un contrôleur global permettant au système de réaliser des tâches de référence de la robotique mobile. Nous implémentons un contrôleur par couple pré-calculé dans l'espace des articulations et dans l'espace opérationnel. Nous nous intéressons également aux déplacements sur un sol inégal. Grâce à la stabilité mécanique naturelle du système, nous montrons qu'une méthode bas niveau est suffisante pour permettre le déplacement sur un sol inégal. Nous implémentons une méthode classique d'adaptation cinématique et nous présentons une nouvelle méthode basée sur le contrôle hybride en force et position. Nous montrons que cette nouvelle méthode permet de se passer des capteurs d'efforts verticaux utilisés classiquement sur les rovers articulés. Afin de compenser les perturbations non modélisées, nous introduisons un observateur de perturbation basé sur la quantité de mouvement. Nous démontrons la stabilité du système complet équipé de l'observateur et de chacun des contrôleurs conçus. Nous concluons ce travail par une analyse des performances du robot qui découlent de son architecture et une validation par simulation. Nous demandons au système de réaliser une tâche de manipulation dans l'espace et de traverser un terrain inégal.

Abstract

This thesis presents the development of a new mobile robot with fully integrated parallel manipulators. The architecture of this new system has no central base and is built around a kinematic loop connecting the wheels. A model of the system including the mobile dynamics with respect to a fixed reference frame and the internal constraints due to the kinematic loop is first established. These constraints are then exploited to minimize the control torque in order to gain energy autonomy. When compared to a control without this exploitation of internal constraint, the euclidean norm of the control torque is reduced by 55% to 75% over the course of the tasks implemented in numerical simulation. A global controller is then designed, which allows the system to perform basic mobile robotic tasks. A pre-calculated torque controller is implemented in both joint space and operational space. The movement of the robot on uneven ground is also adressed. Due to the inherent stability of the robot, it can be shown that a low-level control scheme is sufficient to guarantee the stability. A classical method of kinematic adaptation is first implemented, and a new scheme based on hybrid force and position control is presented. It is shown that this new method makes it possible to operate the system without the vertical force sensors classically used in articulated rovers. In order to compensate unmodelled disturbances, a momentum-based disturbance observer is introduced. Closed-loop stability of the complete system equipped with the observer and the designed controllers is assessed by the Lyapunov method. Finally, the performance of the developed robotic system with the proposed control strategies is validated by numerical simulations while performing a manipulation task and crossing an uneven terrain.