UPThèses

La réalisation de tâches de manipulation dextres requiert une complexité aussi bien dans la conception de préhenseur robotique que dans la synthèse de leurs lois de commande. Une optimisation de la mécatronique de ces systèmes permet de répondre aux contraintes d'intégration fonctionnelle en se passant de capteurs de force terminaux. L'utilisation de mécanismes réversibles rend alors possible la détermination du positionnement du système dans l'espace libre et la détection de son interaction avec les objets manipulés, grâce aux mesures proprioceptives inhérentes aux actionneurs électriques. L'objectif de cette thèse est de parvenir synthétiser, dans le contexte articulaire (un degré-de-liberté), une commande adaptée à la manipulation en tenant compte de ces particularités mécaniques. La méthode proposée est basée sur une commande robuste par rapport aux non-linéarités structurelles dues aux effets gravitationnels et aux frottements secs d'une part et par rapport aux rigidités variables des objets manipulés. L'approche choisie nécessite la connaissance précise de la configuration du système étudié à chaque instant. Une représentation dynamique de son comportement permet de synthétiser un capteur logiciel pour l'estimation des grandeurs indispensables à la commande. Ces différentes étapes sont validées par des essais expérimentaux pour justifier la démarche choisie menant à une commande adaptée à la manipulation d'objets.

Un cobot chirurgical est un système développé pour empêcher les chirurgiens d'endommager les structures anatomiques sensibles. Le cobot permet au chirurgien de manipuler librement ses instruments de chirurgie, sauf dans les volumes définis à l'avance comme des zones anatomiques à protéger. Le cobot évite au chirurgien de pénétrer dans ces zones interdites et assure par conséquent des opérations chirurgicales délicates en protégeant activement les structures sensibles, comme la moelle épinière, etc. Ainsi un cobot chirurgical est un système haptique présentant à la fois une excellente transparence et une capacité à générer des forces dans la main de son opérateur. L'objectif de cette thèse est d'améliorer les performances d'une interface haptique à un degré de liberté en termes de raideur atteinte et de transparence. L'interface haptique étudiée est entraînée par une machine synchrone à aimants permanents (MSAP) en utilisant un D.S.P. à virgule fixe. Deux modes de fonctionnement différents sont considérés pour l'interface haptique: le mode bloqué et le mode transparent (ou fonctionnement libre). En mode bloqué, la MSAP doit délivrer son couple nominal instantanément et le maximum de raideur. Pour obtenir la meilleure raideur, la méthode d'estimation de la vitesse de MSAP est améliorée et la fréquence d'asservissement du contrôleur est augmentée. Ainsi, deux méthodes d'estimation de vitesse sont proposées, évaluées et comparées avec la classique méthode d'estimation de vitesse " Synchronous Constant Elapsed Time method " (SCET): l'une est basée sur le filtre de Kalman (KF) et la seconde sur un observateur d'état (FOSO). En parallèle, le code du DSP est optimisé afin d'augmenter la fréquence d'asservissement du contrôleur. En mode transparent, l'interface haptique doit être aussi légère que possible. Toutefois, la transparence est dégradée par les frottements et l'inertie liés à la structure mécanique, ainsi que le phénomène de " cogging " de la MSAP. Deux stratégies pour compenser les frottements et l'inertie du système sont proposées. La première utilise l'estimation en ligne du couple de perturbation à l'aide de l'observateur d'état (FOSO) et la seconde estime en hors ligne le couple de perturbation en utilisant l'équation mécanique du système et les paramètres mécaniques pré-identifiés. Quant au phénomène de " cogging " de la MSAP, une technique d'identification hors ligne et de compensation des ondulations du couple est proposée et évaluée. La combinaison des solutions proposées permet d'obtenir une raideur maximale de 35Nm/rad en mode bloqué et de compenser 91% du phénomène de " cogging " de la MSAP en mode transparent, ainsi que les frottements et l'inertie du système.