La robotique souple est devenue un domaine de recherche émergent en raison de ses caractéristiques distinctes par rapport à ses homologues rigides conventionnels. Fabriqués à partir de matériaux flexibles et conformes, les robots souples présentent de nombreux avantages, notamment une grande dextérité, des interactions sûres et une grande adaptabilité. Ces propriétés inhérentes sont utiles pour les applications robotiques actuelles, notamment pour saisir des objets fragiles, explorer des environnements, etc. Cependant, les robots souples sont caractérisés par un grand nombre de degrés de liberté (DDL) et une déformation hautement non linéaire, ce qui rend leur modélisation et leur contrôle précis difficiles. En conséquence, des défis scientifiques tels que le développement d'un cadre théorique exhaustif pour la modélisation dynamique et le contrôle en temps réel ont émergé, avec des opportunités conséquentes de nouvelles contributions dans le domaine de la robotique souple. Pour contribuer à ce domaine de recherche, la présente thèse développe une technique de modélisation discrète appelée « déformation linéaire par morceaux» (PLS) pour résoudre les équations aux dérivées partielles (EDP) des modèles basés sur Cosserat pour les manipulateurs souples élancés, sur la base desquels les modèles analytiques associés sont déduits. Pour valider l'exactitude du modèle Cosserat proposé, le modèle statique de la tige en porte-à-faux conique sous gravité en tant qu'exemple simple est simulé en utilisant différentes méthodes de discrétisation. Les résultats indiquent que le modèle Cosserat PLS est comparable au comportement de déformation mécanique du manipulateur souple réel dans le monde réel. Enfin, trois types de schémas d'identification de paramètre sont établis, et la validation expérimentale ainsi que la simulation démontrent que l'utilisation de ces approches peut identifier les paramètres physiques du modèle avec une grande précision. Basé sur le modèle statique PLS Cosserat proposé, cette thèse présente différentes architectures de contrôle en boucle fermée pour la position de l'effecteur terminal du manipulateur souple : la première consiste à contrôler le bras souple dans son sous-espace individuel, et la seconde consiste à réaliser le contrôle global de la position. Pour la seconde architecture, cette thèse propose deux stratégies de contrôle : l'une consiste à calculer (hors ligne) la matrice jacobienne entre l'espace de tâche et l'espace de l'actionneur en unifiant le Cosserat et le réseau neuronal, l'autre estime la déformation généralisée en temps réel pour calculer (en ligne) la matrice jacobienne. Les performances des approches de contrôle basées sur le modèle statique ont été validées expérimentalement sur le manipulateur souple à entraînement par câble. De plus, cette thèse propose un cadre de contrôle général basé sur l'estimation pour le manipulateur souple, basé sur la dynamique PLS Cosserat. Dans ce cadre, le contrôle de la déformation et de la position de l'effecteur terminal a été développé. Avec la connaissance de l'estimation en temps réel des états, différentes expériences ont été mises en œuvre sur le prototype souple étudié. Les résultats de simulation et d'expérimentation indiquent que les contrôleurs proposés sont capables de piloter le manipulateur souple pour suivre rapidement et avec précision la déformation et la position souhaitées.
M. Gang ZHENG Inria Lille Directeur de thèse M. Yannick AOUSTIN Université de Nantes Rapporteur M. Holger VOOS University of Luxembourg Rapporteur Mme Catherine BONNET INRIA Saclay Examinatrice M. Jean-Pierre BARBOT ENSEA Examinateur M. Guoying GU Shanghai Jiao Tong University Examinateur
Thesis of the team DEFROST defended on 28/06/2023
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