Contrôle sûre de robots manipulateurs dans des environnements dynamiques

The intended goal of this thesis is to bring new insights for developing robotic systems capable of safely sharing their workspace with human-operators. Within this context, the presented work focuses on the control problem. The following questions are tackled:-for reactive control laws, i.e., control problems where the task to be performed is not known in advance but discovered on-line, how is it possible to guarantee for every time-step the existence of a solution to the control problem? This solution should allow the robot to accomplish at best its prescribed task and at the same time to strictly comply with existing constraints, among which, constraints related to the physical limitations of its actuators and joints.-How to integrate the human-operator in the control loop of the robot so that physical contact can safely be engaged and de-engaged?Regarding the first point, our work arises as the continuity of previous results developed by Sébastien Rubrecht during his PhD thesis. Sébastien Rubrecht introduced the concept of constraints incompatibility for robots reactively controlled at the kinematic-level. The problem of constraints incompatibility appears for example when the formulation of the constraint on an articular position of a robot does not account for the amount of deceleration producible by its actuator. In such case, if the articular position constraint is activated tardively, the system may not have sufficient time to cope with the imposed joint position limit considering its bounded dynamic capabilities. In our work, the problem of constraints incompatibility is tackled for robots controlled at the dynamic-level (torque control). New mathematical formulations for the articular position and joint velocity constraints that account for both the deceleration and jerk capabilities of the actuators of the robot are introduced. The optimal time needed for the system to cope with the different limits of these constraints is computed. When included in a QP formulation of the control problem, the introduced new expressions trigger the activation of the constraints at the right time considering the dynamic capabilities of the robot. The existence of a constraint compliant and optimal solution as joint position, velocity, torque/deceleration and also jerk limits are all respected at the same time and at every time-step is guaranteed. Consequently the viability of the state of the robot is also ensured.Regarding the second point, for a given shape of the robot, two main parameters are usually considered for safety: the impact force generated at collision and the contact force generated after the establishment of physical contact. The most generic way to consider and express these parameters is to use an energetic formulation of the safety problem. Indeed, energy is a universal quantity that can describe all the safety related physical phenomena occurring during human-robot interaction. An impact force for example is directly proportional to the amount of kinetic energy dissipated at collision. The contact force on the other hand derives from the amount of potential energy that accumulates in the controller of the robot during physical contact. In our work, safety during human-robot interaction is handled by modulating the amount of energy instantaneously displayed by the robot. The main contributions are as follows:-the formulation of kinetic and potential energy based safety indicators that represent the degree of danger of the robot at collision and during physical contact.-The formulation of energy based safety criteria that bound the dynamics of the robot during different interaction phases: at the approach of the human-operator, at collision, during physical contact and finally when contact is released.-The expression of the introduced indicators and criteria as inequality constraints related to the torque control input of a robotic manipulator.-The introduction of the concept of ``task energy profile'' to track the amount of energy used to accomplish a considered repetitive task in the most optimal way. This profile is then used to formulate a constraint on the instantaneous amount of energy the robot is allowed to exhibit at every time-step. When implemented in the control scheme, the ``task energy profile'' related constraint makes the robot comply to any deliberate or non-deliberate contact with its environment. For the validation of the proposed algorithms, beyond the theoretical contributions, simulation and experimental applications are performed on a KUKA LWR4 robotic manipulator.L'objectif de cette thèse est d'explorer de nouvelles approches pour le développement de systèmes robotiques capables de partager en toute sécurité leur espace de travail avec des opérateurs humains. Dans ce contexte, le travail présenté est axé principalement sur la problématique de commande. Les questions suivantes sont abordées:- pour des lois de contrôle réactives, c'est-à-dire des problèmes de commande où la tâche à exécuter n'est pas connue à l'avance mais découverte en temps réel, comment est-il possible de garantir à chaque pâs de temps l'existence d'une solution au problème de contrôle? Cette solution devrait permettre au robot d'accomplir au mieux sa tâche préscrite et en même temps de strictement respecter les contraintes existantes, parmi lesquelles, les contraintes liées aux limitations physiques des actionneurs de ses articulations.- Comment intégrer l'opérateur humain dans la boucle de contrôle du robot de manière à ce que le contact physique puisse être engagé et désengagé en toute sécurité?Concernant le premier point, notre travail se présente comme la continuité de résultats antérieurs développés par Sébastien Rubrecht lors de sa thèse de doctorat. Sébastien Rubrecht a introduit le concept d'incompatibilité des contraintes pour des robots contrôlés de manière réactive au niveau cinématique. Le problème de l'incompatibilité des contraintes apparaît par exemple lorsque la formulation de la contrainte sur une position articulaire d'un robot ne tient pas compte de la quantité de décélération produite par son actionneur. Dans ce cas, si la contrainte de position articulaire est activée tardivement, le système peut se retrouver dans une situation où il n'a pas suffisamment de temps pour faire face à la limite de position articulaire imposée considérant ses capacités dynamiques limités.Dans notre travail, le problème d'incompatibilité des contraintes est abordé pour des robots contrôlés au niveau dynamique (contrôle en couple). De nouvelles formulations mathématiques des contraintes liées aux positions et vitesses articulaires du robot qui tiennent compte des capacités de décélération et de jerk de ses actionneurs sont présentées. Le temps optimal nécessaire pour que le système puisse faire face aux différentes limites liées à ces contraintes est calculé. Lorsqu'inclues dans une formulation QP du problème de commande, les nouvelles formulations permettent l'activation des contraintes au bon moment considérant les capacités dynamiques du robot. L'existence d'une solution optimale conforme à toutes les contraintes et avec laquelle les limites en position, vitesse, couple/décélération et jerk sont toutes respectés en même temps et à chaque pâs de temps est garantie. Par conséquent, la viabilité de l'état du robot est également assurée.Concernant le deuxième point, pour une forme donnée du robot, deux paramètres sont généralement considérés pour la sûreté: la force d'impact générée lors de la collision et la force de contact générée après l'établissement d'un contact physique entre le robot et son environement. La façon la plus générale de considérer et d'éxprimer ces paramètres est d'utiliser une formulation énergétique du problème de sécurité. En effet, l'énergie est une quantité universelle qui peut décrire tous les phénomènes physiques liés à la sûreté se produisant lors d'interactions homme-robot. Une force d'impact par exemple est directement proportionnelle à la quantité d'énergie cinétique dissipée lors d'une collision. La force de contact, d'un autre coté, découle de la quantité d'énergie potentielle qui s'accumule dans le contrôleur du robot durant un contact physique. Dans notre travail, la sûreté lors d'interactions homme-robot est assurée graâce à la modulation de la quantité d'énergie générée instantanément parle robot. Les principales contributions sont:- la formulation d'indicateurs de sûreté basés sur l'énergie cinétique et potentielle qui représentent le degré de danger du robot lors de collisions et de contacts physiques.- La formulation de critères de sûreté basés sur l'énergie qui saturent la dynamique du robot au cours de différentes phases d'interactions: à l'approche de l'opérateur, lors d'une collision, lors d'un contact physique et finalement lorsque le contact est désengagé.- L'expression de ses indicateurs et critères de sûreté comme contraintes d'inégalité liées au couple de commande du robot.- L'introduction du concept de «profil énergétique de tâche» pour évaluer la quantité d'énergie utilisée pour accomplir une tâche répétitive de la manière la plus optimale. Ce profil est ensuite utilisé pour formuler une contrainte sur la quantité d'énergie que le robot peut instantanément produire à chaque pâs de temps. Lorsqu'implémentée dans le configuration du contrôleur, la contrainte sur le «profil énergétique de tâche» rend le robot compliant à tout contact délibéré ou non-délibéré avec son environnement.Pour la validation des algorithmes proposés, au-delà des contributions théoriques, des applications de simulation et expérimentales sont réalisées sur un manipulateur robotique de type KUKA LWR4