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Theses Year : 2022

Robotics Force/Torque Control for Manufacturing Operations

Contrôle en force/couple pour des opérations industrielles

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Abstract

Humanoids robots are not yet able to safely work in similar environment than humans and to perform the same tasks. The objective of this thesis is to study whole-body control algorithms for humanoids robots in order to perform aircraft manufacturing operations such as drilling. This thesis is part of the joint-lab between the LAAS-CNRS laboratory and the Airbus Operations SAS company. The presented research and innovative studies rely on recent advances on control theory, optimization and stability analysis.The main contributions of this thesis are the design and implementation of new real-time controllers for humanoid robot, integrated on the robot TALOS. The illustrated applications are locomotion and force task operations. First, the actuation chains parameters of the robot are identified in order to directly control the robot in current while having low level protection mechanisms. The proposed solution confirms the capabilities of the robot TALOS to achieve torque control in complex scenario with high payload.Thus, real-time whole-body torque controllers are then investigated. Three controllers are implemented and benchmarked, two in position and one in torque. Their comparison is performed on complex locomotion scenarios using several metrics including trajectory tracking and energetic criteria. The whole-body torque controller is validated in simulations and its advantages compared to the position schemes confirms the decision to implement it for manufacturing operations.However, the first tests realized on the real robot led to a dangerous divergence of the solution. Thus, a stability analysis was performed to ensure the safety and robustness of the solution for industrial applications. The developed solution is based on passivity theory, augmenting the whole-body torque control scheme with a global energy tank monitoring the power flow of the system.This new passive scheme is validated in simulations on locomotion and multi-contact scenarios. The latter involves force applications as a first step toward manufacturing operations.The results of this thesis have been integrated in the Stack-of-Tasks framework of the LAAS-CNRS.
Les robots humanoïdes ne sont pas encore capables de travailler en sécurité dans un environnement fait pour l'Homme et d'effectuer les mêmes tâches. L'objectif de cette thèse est d'étudier des algorithmes de contrôle corps-complet pour robots humanoïdes afin d'effectuer des opérations de productions de structures avions telles que le perçage. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du laboratoire commun entre le LAAS-CNRS et la société Airbus Operations SAS. Les travaux et études présentés appartiennent aux domaines scientifiques de l'optimisation pour le contrôle de systèmes dynamiques et de l'analyse de leur stabilité.Les contributions majeures de cette thèse sont la conception et l'implémentation de nouveaux algorithmes de contrôle temps-réel pour des robots humanoïdes, intégrés sur le robot TALOS.Les applications présentées traitent de la locomotion du robot et de la réalisation d'opérations nécessitant l'application de force.Premièrement, les paramètres de la chaîne d'actionnement du robot sont identifiés afin de commander directement le robot en courant tout en garantissant la protection du système. La solution proposée confirme les capacités du robot TALOS contrôlé en couple lors de la manipulation d'une charge élevée.Ainsi, des algorithmes de contrôle temps-réel en couple pour le corps-complet du robot sont ensuite étudiés. Trois contrôleurs sont implémentés et comparés, deux en position et un en couple. Leur analyse est effectuée sur des scénarios de locomotion complexes en utilisant plusieurs critères comme le suivi de trajectoires et la dépense énergétique. Le contrôleur corps-complet en couple est validé en simulation et ses avantages par rapport aux schémas en position confirment le choix de l'implémenter pour des opérations de productions.Cependant, les premiers tests réalisés sur le robot réel ont conduit à une dangereuse divergence de la solution. C'est pourquoi, une analyse de stabilité a été effectuée pour assurer la sécurité et la robustesse de la solution pour des applications industrielles. La solution développée est basée sur la théorie de la passivité, augmentant le contrôleur en couple avec un réservoir d'énergie contrôlant les transmissions d'énergie au sein du système.Ce nouveau contrôleur passif est validé en simulation sur des scénarios de locomotion et de multi-contacts avec l'environnement. Ce dernier met en place une tâche d'application de force comme première étape vers des opérations de productions.Les résultats de cette thèse ont été intégrés dans la suite logicielle Stack-of-Tasks du LAAS-CNRS.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03675191 , version 1 (17-05-2022)
tel-03675191 , version 2 (23-05-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03675191 , version 2

Cite

Noelie Ramuzat. Robotics Force/Torque Control for Manufacturing Operations. Automatic. INSA de Toulouse, 2022. English. ⟨NNT : 2022ISAT0004⟩. ⟨tel-03675191v2⟩
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