Modélisation, conception et commande de robots manipulateurs flexibles. Application au lancement et à la récupération de drones à voilure fixe depuis un navire faisant route - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2018

Modeling, design and control of flexible robot manipulators - Applied to UAV launch and recovery from a moving ship

Modélisation, conception et commande de robots manipulateurs flexibles. Application au lancement et à la récupération de drones à voilure fixe depuis un navire faisant route

Résumé

Robot manipulators are generally stiff machines, designed in a way that flexibility does not affect their movements. Indeed, significant flexibility introduces additional degrees of freedom with a complex behavior. However, reducing the mass of a system allows for costs, performance, and safety improvements. In order to allow those benefits despite important flexibility, this thesis focuses on modeling, design and control of flexible robot manipulators. It is motivated by the YAKA project, which aims at developing a robot to launch and recover fixed wing UAVs from a moving ship. It implies reaching very high dynamics on a large workspace, way beyond the specifications of common rigid robots. The proposed tools for modeling, design and control allow for taking into account both joint and link flexibility, for any number of degrees of freedom and flexible links. The elastodynamic model is obtained with Lagrange principle, each flexible link being represented with one or many Euler-Bernouilli beams. The proposed control scheme uses a nonlinear rigid dynamic inversion and extends classical Input Shaping techniques to flexible robot manipulators. The proposed design tools allow for performance prediction of the system including its actuators and controllers thanks to a realistic simulation. Experiments conducted with the YAKA robot validated the proposed approach. The results of the YAKA project confirmed the feasibility of using a large scale, highly dynamic flexible robot in an industrial context, in particular for UAVs launch and recovery operations from a moving ship.
Les robots manipulateurs sont généralement des machines rigides, conçues pour que leur flexibilité ne perturbe pas leurs mouvements. En effet, des flexibilités mécaniques importantes dans la structure d’un système introduisent des degrés de liberté supplémentaires dont le comportement est complexe et difficile à maîtriser. Cependant, la réduction de la masse d’un système est bénéfique du point de vue des coûts, de la performance énergétique, de la sécurité et des performances dynamiques. Afin de faciliter l’accès aux nombreux avantages d’une structure légère malgré la présence de fortes flexibilités, cette thèse porte sur la modélisation, la conception et la commande de robots manipulateurs flexibles. Elle est motivée par le projet YAKA, dont l’application est le lancement et la récupération de drones à voilure fixe depuis un navire faisant route. Cette application nécessite une importante dynamique sur un vaste espace de travail, bien au-delà des spécifications des robots rigides classiques. Les outils de modélisation, de conception et de commande proposés prennent en compte la flexibilité des segments et des articulations, pour un nombre quelconque de degrés de liberté et de segments flexibles. Le modèle dynamique flexible est obtenu par le formalisme de Lagrange, les poutres flexibles sont représentées par le modèle d’Euler-Bernoulli. Le schéma de commande proposé se décompose en une inversion de modèle dynamique rigide et un bloc de précommande par Input Shaping adapté aux robots manipulateurs flexibles. Les outils de conception proposés permettent de baser le processus de conception sur des performances prédites du système complet muni de ses actionneurs et de son contrôleur avec une simulation réaliste. Les validations expérimentales effectuées sur le robot YAKA permettent de valider la pertinence de la démarche suivie. Les résultats du projet YAKA confirment la faisabilité de la mise en œuvre d’un robot flexible de grande envergure et à forte dynamique dans un contexte industriel, en particulier pour le lancement et la récupération d’un drone à voilure fixe depuis un navire faisant route.
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Dates et versions

tel-01881575 , version 1 (26-09-2018)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01881575 , version 1

Citer

Thomas Solatges. Modélisation, conception et commande de robots manipulateurs flexibles. Application au lancement et à la récupération de drones à voilure fixe depuis un navire faisant route. Modélisation et simulation. UNIVERSITE DE TOULOUSE, 2018. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01881575⟩

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