Enchaînements dynamiques de tâches pour des manipulateurs mobiles à roues

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1 Enchaînements dynamiques de tâches pour des manipulateurs mobiles à roues Vincent Padois Thèse de l Institut National Polytechnique de Toulouse Laboratoire Génie de Production 16 novembre 2005 Directeurs de Thèse : Pascale Chiron Jean-Yves Fourquet Maître de Conférences à l ENIT Maître de Conférences à l ENIT - HDR

2 Plan de la présentation I. II. III. IV. V. VI. Introduction Manipulation mobile : enjeux et problèmes Modélisation Structure de commande pour des missions de manipulation mobile Mise en œuvre : simulations et expérimentations Conclusions et perspectives

4 Plan de la présentation I. II. Introduction Manipulation mobile : enjeux et problèmes I. II. V. VI. Modélisation Structure de commande pour des missions de manipulation mobile Mise en œuvre : simulations et expérimentations Conclusions et perspectives

5 Plan de la présentation I. II. Introduction Manipulation mobile : enjeux et problèmes III. Modélisation IV. Structure de commande pour des missions de manipulation mobile V. Mise en œuvre : simulations et expérimentations VI. Conclusions et perspectives

6 Plan de la présentation I. II. Introduction Manipulation mobile : enjeux et problèmes I. Modélisation II. Structure de commande pour des missions de manipulation mobile V. Mise en œuvre : simulations et expérimentations VI. Conclusions et perspectives

9 I. Introduction 2/40 Espace de travail infini Environnements non calibrés [Fanuc - Arc Mate 120iB] Grande Autonomie décisionnelle Interactions Homme/machine évoluées [Mitsubishi Pa10-7C] Espace de travail limité Environnement très calibré Autonomie décisionnelle faible Interactions Homme/machine simples [I, Robot (1999)]

10 I. Introduction 3/40 [Comex Achille 2000 ] [Nasa Spirit] [F. I. Care-O-Bot] [Sony - Qrio]

12 II.1 Particularités des manipulateurs mobiles à roues 4/40

13 II.1 Particularités des manipulateurs mobiles à roues 4/40 Systèmes non holonomes

14 II.1 Particularités des manipulateurs mobiles à roues Systèmes non holonomes 5/40 Tâches naturellement spécifiées d un point de vue opérationnel

15 II.1 Particularités des manipulateurs mobiles à roues Systèmes non holonomes 5/40 Tâches naturellement spécifiées d un point de vue opérationnel Trajectoires mouvement

16 II.1 Particularités des manipulateurs mobiles à roues Systèmes non holonomes 5/40 Tâches naturellement spécifiées d un point de vue opérationnel Trajectoires mouvement effort

17 II.1 Particularités des manipulateurs mobiles à roues Systèmes non holonomes 5/40 Tâches naturellement spécifiées d un point de vue opérationnel Trajectoires mouvement et effort

18 II.1 Particularités des manipulateurs mobiles à roues Systèmes non holonomes 6/40 Tâches naturellement spécifiées d un point de vue opérationnel Trajectoires mouvement et effort Systèmes généralement redondants

19 II.1 Particularités des manipulateurs mobiles à roues Systèmes non holonomes 6/40 Tâches naturellement spécifiées d un point de vue opérationnel Trajectoires 35 Kg mouvement et 350 Kg effort Systèmes généralement redondants Comportements dynamiques des deux sous-systèmes très différents

20 II.1 Particularités des manipulateurs mobiles à roues Systèmes non holonomes 7/40 Tâches naturellement spécifiées d un point de vue opérationnel Trajectoires mouvement et effort Systèmes généralement redondants Contextes multiples et non calibrés Comportements dynamiques des deux sous-systèmes très différents

21 II.1 Particularités des manipulateurs mobiles à roues Systèmes non holonomes 7/40 Tâches naturellement spécifiées d un point de vue opérationnel Trajectoires mouvement et effort Systèmes généralement redondants Contextes multiples et non calibrés Comportements dynamiques des deux sous-systèmes très différents

22 II.2 Missions types 8/40 Enchaînement de tâches en espace libre et au contact Tâche opérationnelle 2 : Déplacement au contact Transition Tâche opérationnelle 1 : Déplacement en espace libre Trajectoire opérationnelle de mouvement Trajectoire opérationnelle de mouvement/effort Trajectoires planifiées hors ligne et adaptées en temps réel Adaptation nécessaire : erreurs sur la connaissance de l environnement erreurs d exécution temporelles et spatiales

23 II.2 Missions types 9/40 Trajectoire opérationnelle non planifiée Trajectoires générées en temps réel

24 II.2 Missions types 10/40 Contraintes associées aux missions Contraintes liées aux trajectoires opérationnelles de consigne Contraintes intrinsèques aux systèmes butées articulaires accélérations et vitesses maximales Fonctionnement en mode nominal des actionneurs couples moteurs maximaux

25 II.2 Missions types 11/40 Contraintes associées aux missions Contraintes liées à l environnement évitement d obstacles Limitation des effets d impact

26 II.3 Approches de résolution 12/40 Approche : génération de consignes - opérationnelle - coordonnée Trajectoire opérationnelle Calcul de consignes pour les actionneurs Trajectoire de l OT Système vu dans sa globalité Continuité de Génération de mouvements et commande cinématique des manipulateurs mobiles à roues Modèle dynamique Redondance Techniques inspirées des méthodes de commande des plateformes à roues Techniques inspirées des méthodes de commande des bras manipulateurs Effort Contact Obstacles

27 II.3 Approches de résolution 13/40 Missions complexes Enchaînements de tâches opérationnelles de natures différentes Enchaînements d objectifs secondaires de natures différentes Validation expérimentale : Robot H2bis + GT6A Collaboration avec l équipe RIA du LAAS dans le cadre de deux projets RobEA : «Commande de bras manipulateurs mobiles non holonomes» avec l équipe du projet Icare de l INRIA Sophia-Antipolis, l équipe RIA du LAAS et l équipe EAVR du LSIIT. «Enchaînements dynamiques de tâches référencées multi-capteurs pour l exécution de mouvements complexes en Robotique» avec le CERCO, l équipe Lagadic de l INRIA Rennes et les équipes RIA et MAC du LAAS. [Robot H2bis + GT6A]

28 Plan de la présentation I. II. Introduction Manipulation mobile : enjeux et problèmes I. II. V. VI. Modélisation Structure de commande pour des missions de manipulation mobile Mise en œuvre : simulations et expérimentations Conclusions et perspectives

29 III.1 Paramétrage 14/40 Coordonnées opérationnelles : Situation (position+orientation) de l organe terminal dans le repère de référence.

30 III.1 Paramétrage 15/40 Configuration du système : Un ensemble de paramètres permettant la description de la situation des corps du système dans le repère de référence. Paramètres primitifs intégrable Liaisons holonomes Réduction possible du nombre de paramètres utiles à la description de la configuration. Liaisons primitives + équations liaisons entre ces paramètres non intégrable Liaisons non holonomes Pas de réduction possible. Liaisons complémentaires

31 III.1 Paramétrage 16/40 Coordonnées généralisées La configuration du système peut être décrite par paramètres. : degré de liberté global du système. nddl paramètres indépendants paramètres liés par les équations de liaisons complémentaires aux nddl autres

32 III.1 Paramétrage 17/40 Configuration d un manipulateur mobile à roues Configuration d un bras manipulateur à liaisons rotoïdes et/ou prismatiques Paramètres de Denavit-Hartenberg modifiés Configuration d une plateforme mobile à roues Situation de la plateforme dans le repère de référence Configuration des roues sur la plateforme

33 III.1 Paramétrage 18/40 Configuration d une plateforme mobile à roues Configuration d un manipulateur mobile à roues Contraintes de roulement sans glissement

34 III.2 Modèles géométrique et cinématique 19/40 Modèle géométrique Indépendant du type de plateforme Modèle cinématique Définition d un vecteur de nddl commandes cinématiques indépendantes commande de mobilité commande de dirigeabilité Relation configuration / commande Modèle cinématique pour la commande Forme déjà connue pour les bras manipulateurs

35 III.3 Modèle dynamique 20/40 Établir le lien entre l évolution de la configuration du système et les efforts qui lui sont appliqués Quelques travaux établissent le modèle dynamique dans des cas particuliers Formulation explicite de Lagrange Obtention d un modèle dynamique générique des manipulateurs mobiles à roues modèle dynamique générique des manipulateurs mobiles à roues Équations générales de la dynamique d un système mécanique (forme de Lagrange) : : équations de liaisons complémentaires

36 III.3 Modèle dynamique 21/40 Nature des coefficients de puissance Associés aux liaisons complémentaires : Efforts donnés : Efforts moteurs Efforts d interaction Efforts liés à la gravité Forme du modèle Forme déjà connue pour les bras manipulateurs

38 IV.1 Méthodes de commande opérationnelle 22/40 Méthodes de commande inspirées de la commande des bras manipulateurs Type d actionneurs vs Nature du signal de consigne commandés en couple commandés en vitesse vitesse Inversion cinématique + Couple calculé (modèle dynamique) Inversion cinématique effort Consignes Actionneurs Couple calculé (modèle dynamique) Inversion cinématique + Modèle d interaction

39 IV.1 Méthodes de commande opérationnelle 23/40 Inversion cinématique Correcteur opérationnel (PID dans l espace opérationnel) Cas redondant Terme lié à la réalisation de la tâche opérationnelle Terme lié à la redondance cinématique du système Mouvements internes n ayant pas d influence opérationnelle (point de vue cinématique)

40 IV.1 Méthodes de commande opérationnelle 24/40 Méthodes du couple calculé Inversion cinématique Couple calculé ou Redondance et couple Terme lié à la réalisation de la tâche opérationnelle (effort et/ou mouvement) Terme lié à la redondance cinématique du système Efforts internes n ayant pas d influence opérationnelle (point de vue statique)

41 IV.2 Utilisation de la redondance 25/40 Choix de l inverse généralisée Famille des pseudo-inverses pondérées Systèmes compatibles Systèmes non compatibles Minimisation au sens des carrés pondérés de Minimisation au sens des carrés pondérés de -moindres. -moindres. Calcul de rang plein et système redondant cinématiquement Extension pondérée de la décomposition en valeurs singulières

42 IV.2 Utilisation de la redondance 26/40 Choix de la pondération Découplage dynamique : pseudo-inverse pondérée par la matrice d inertie Extension au cas des manipulateurs mobiles à roues Autres : pondération favorisant les mouvements d un des deux sous-systèmes Choix du terme u0 Méthodes locales de minimisation de fonctions scalaires «potentiel» Méthodes de descente de gradient choix de tel que

43 IV.3 Structure de commande pour l enchaînement 27/40 Respect des contraintes Fonctionnement en mode nominal des actionneurs Dimensionnement des consignes opérationnelles Mise à l échelle du terme lié à la redondance Redistribution des capacités d actionnement 0 0 Objectif secondaire à optimiser mais actionneurs dédiés à c p Réduction de la vitesse opérationnelle / chemin géométrique maintenu.

44 IV.3 Structure de commande pour l enchaînement 28/40 Respect des contraintes Contraintes modélisées par une fonction «potentiel» Évitements des butées articulaires : Évitements d obstacles : Minimisation des efforts d impact liés à la transition : Théorie de la collision des corps indéformables Lié à l inertie du système dans la direction opérationnelle du contact Conditionnement du problème d inversion cinématique : Évitement des configurations singulières Maximisation de la manipulabilité

45 IV.3 Structure de commande pour l enchaînement 29/40 Enchaînements de tâches opérationnelles - Mode associé à chaque tâche - Conditions de transitions Mouvement Mouvement et effort Mouvement Mouvement et effort Mouvement Mouvement Mouvement et effort Mouvement et effort Mouvement Mouvement Mouvement Mouvement Fin mission Replanification partielle Replanification partielle Planifié hors-ligne

46 IV.3 Structure de commande pour l enchaînement 30/40 Enchaînements d objectifs secondaires (associés à des fonctions «potentiel») Objectifs secondaires Évaluation des fonctions «potentiel» Conditions d activation Priorités Fonction «potentiel» à optimiser Mécanisme d arbitrage Enchaînement «lisse» des fonctions «potentiel» Arbitrage permanent Manipu. Obstacles Contact Obstacles Butée Manipu.

47 Plan de la présentation I. II. Introduction Manipulation mobile : enjeux et problèmes I. Modélisation II. Structure de commande pour des missions de manipulation mobile V. Mise en œuvre : simulations et expérimentations VI. Conclusions et perspectives

48 V.1 Contexte expérimental et Simulateur 31/40 Système expérimental: Robot H2bis+GT6A Caractéristiques principales : Plateforme unicycle (350 Kg) deux roues motrices indépendantes un moteur à courant continu commandé en tension par roue vitesse linéaire max : 0,9 m.s-1 vitesse angulaire max : 1,0 rad.s-1 un codeur optique par roue une roue odométrique par roue un arceau de sécurité collisions Bras manipulateurs 6R (35 Kg) un moteur à courant continu commandé en tension par liaison un codeur incrémental par liaison un capteur d effort GIROBO, 6 axes, placé en bout de chaîne cinématique

49 V.1 Contexte expérimental et Simulateur 32/40 Architecture de contrôle temps réel l architecture «LAAS» Architecture basé sur un ensemble de modules logiciels indépendants dédiés à des ressources matérielles ou logicielles spécifiques. Protocole standardisé d échange d informations entre modules. GenoM Module spécifique développé dans le cadre de ce travail : ManMob - Génération des consignes opérationnelles - Gestion de la transition entre tâches opérationnelles ( basculement / indicateurs) - Replanification - Contrôle opérationnel - Calcul de la matrice d inertie du système - Inversion cinématique avec gestion de la redondance (mise à l échelle)

50 V.1 Contexte expérimental et Simulateur 33/40 Simulateur : Unicycle + bras manipulateur à 2ddl rotoïdes dans le plan Logiciels : 25 ms Matlab / Simulink GDHE : logiciel libre (et ouvert) de visualisation de scène 3D (basé sur OpenGL) Génération de consignes Gestion des enchaînements Ordre de replanification Objectifs secondaires Calcul gradient Arbitrage et enchaînements Ordre de replanification Capteurs «Parfaits» pour position et vitesses articulaires cadencés à 5ms. Capteur d effort : mesure basée sur la simulation du contact bruité - cadencé à 25 ms. Erreurs sur la connaissance de l environnement Robot Système continu Actionneurs : 2nd ordre linéaires / Saturations / Couples résistants Dynamique du système complet Butées articulaires 25 ms Tâches opérationnelles 25 ms Planifiées : profil trapézoïdaux de vitesse. En ligne : joystick logicielle (2 sorties) Lois de commande opérationnelle PID espace opérationnel Hybride : vitesse / force Modèle d interaction : effort vitesse Inversion cinématique Calcul pseudo-inverse pondérée Mise à l échelle Indicateur d efficacité redondance Asservissements bas niveau PID numériques avec anti wind-up cadencés à 5 ms Environnement Obstacles bas Surface de contact ponctuel Modèle «Ressort» dans la direction normal à la surface frottement de Coulomb dans la direction tangentielle.

51 V.2 Résultats de simulation 34/40 Enchaînement de tâche en espace libre et au contact En espace libre : trajectoire de mouvement positon de l organe terminal (orientation libre) Au contact : Hybride mouvement/effort direction normale au contact effort direction tangentielle au contact mouvement A B C A : vitesse opérationnelle selon la direction normale à la surface de contact B : vitesse opérationnelle selon la direction tangentielle à la surface de contact Vitesse opérationnelle de consigne, planifiée avant la mission [m.s-1] Vitesse opérationnelle de consigne modifiée au cours de la mission Vitesse opérationnelle réelle C : Contrainte secondaire prioritaire Manipulabilité Obstacles Inertie (impact) Butées articulaires

52 V.2 Résultats de simulation 35/40 Téléopération virtuelle

53 V.2 Résultats de simulation 36/40 Téléopération virtuelle A B C A : vitesse opérationnelle selon la direction normale à la surface de contact B : vitesse opérationnelle selon la direction tangentielle à la surface de contact Vitesse opérationnelle de consigne issue du joystick [m.s-1] C : Visualisation de la sollicitation du joystick virtuel par l utilisateur Vitesse opérationnelle de consigne filtrée

54 V.3 Résultats expérimentaux 37/40

56 VI. Conclusions et Perspectives 38/40 Apports théoriques Modélisation dynamique des manipulateurs mobiles à roues Extension à ces systèmes des approches par couple calculé Méthodologie de résolution du problème d enchaînement dans le cadre de missions robotiques complexes Approche intégrée Résultats de mise en oeuvre Validation de l approche proposée dans des cas multiples en simulation : Enchaînement «espace libre» / «contact» Interaction opérationnelle Validation expérimentale de la faisabilité

57 VI. Conclusions et Perspectives 39/40 Extension de l étude en simulation à l approche par couple calculé Comparaison cinématique / dynamique - Performances - Connaissance détaillée du modèle dynamique? Méthodologie systématique de calcul du modèle dynamique Lien dynamique entre commande de dirigeabilité et trajectoire opérationnelle Validations expérimentales robustes de l approche proposée. Postdoc (programme Lavoisier) au Stanford Artificial Intelligence Laboratory

58 Enchaînements dynamiques de tâches pour des manipulateurs mobiles à roues Vincent Padois Thèse de l Institut National Polytechnique de Toulouse Laboratoire Génie de Production 16 novembre 2005 Directeurs de Thèse : Pascale Chiron Jean-Yves Fourquet Maître de Conférences à l ENIT Maître de Conférences à l ENIT - HDR