Commande des bras manipulateurs et retour visuel pour des applications à la robotique de service

143 Pages·2017·3.36 MB·French

Commande des bras manipulateurs et retour visuel pour
des applications à la robotique de service
Ignacio Herrera-Aguilar
To cite this version:
Ignacio Herrera-Aguilar. Commande des bras manipulateurs et retour visuel pour des applications
à la robotique de service. Automatique / Robotique. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2007.
Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-00199179￿
HAL Id: tel-00199179
https://theses.hal.science/tel-00199179
Submitted on 18 Dec 2007
HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents
entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de
teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires
abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
E´cole doctorale syst`emes
Commande des bras manipulateurs et
retour visuel pour des applications `a la
robotique de service
`
THESE
pr´esent´ee et soutenue publiquement le 28 septembre de 2007
pour l’obtention du
Doctorat de l’Universit´e Toulouse III
(sp´ecialit´e robotique)
par
Ignacio Herrera Aguilar
Composition du jury
Pr´esident : Wisama Khalil Professeur E´cole Centrale de Nantes
Rapporteurs : Philippe Fraisse MCF HDR, LIRMM
Nicolas Andreff MCF HDR, LASMEA IFMA
Examinateurs : Rachid Alami Directeur de recherche CNRS, LAAS-CNRS
Walter Rubio Professeur UPS
Directeur de th`ese : Daniel Sidobre MCF UPS
Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Syst`emes

Remerciements
Lestravauxprésentésdanscemémoireontétéeffectuésdansl’équipedeRobotiqueetd’Intelligence
Artificielle du Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes du CNRS à Toulouse. J’adresse
mesremerciementsàMonsieurMalikGhallabetMonsieurRajaChatila,DirecteurssuccessifsduLabo-
ratoire, pour m’avoir accueilli dans cet établissement. J’exprime également mes remerciements à Mon-
sieurGerardAuthieetMadameCarolineBerard,Directeurssuccessifsdel’ÉcoledoctoraleSystèmes.
MesremerciementsvontégalementàmesrapporteursMonsieurPhilippeFraisseetMonsieurNicolas
Andreff.Jelesremerciepourlesoinaveclequelilsontlucemanuscrit,ainsiquepourlaqualitédeleurs
critiques. Je remercie Monsieur Wisama Khalil et Monsieur Walter Rubio d’avoir accepté de participer
àcejurydethese.
Je souhaite remercier mon encadrant Daniel Sidobre, maître de Conférence à l’Université Paul Sa-
batier, pour l’attention et la patience qu’il a portées au bon déroulement de ma thèse, pour les conseils
qu’ilm’adonné,pourletempsqu’ilm’aconsacréetpourtouslesproblèmesqu’ilasurmontépourque
jepuissearriveràceniveau.
J’exprimeégalementmareconnaissanceàRachidAlami,responsabledugroupeRISetmoncompa-
gnondebureau,pourtoussesenseignements,sesconseilsetsonamitié.
Je voudrais également remercier Sarah Fleury et Matthieu Herrb pour leur aide technique irrempla-
çable qui m’a permis de faire bouger le bras. À Jérôme, Patrick, Xavier et Christian pour le support
technique.
Oublier ceux qui m’ont inspiré ou ceux qui m’ont servi de modèles serait inqualifiable, un grand
mercipourtousleschercheursetmesprofesseursenFranceetauMexique.
Jetiensàadresserdesremerciementsplusdécontractés,maisnéanmoinschaleureuxetsincères,aux
autres doctorants, anciens doctorants et stagiaires du laboratoire. Un remerciement spécial à Xavier B.
poursonaide.
Enfin,enprenantlerisqued’oublierdespersonnesquiontlargementcontribuéàrendremonséjour
enFranceplusfacileetplusamical,ungrandMERCIàAurelie(Jefa),JulienetThierry(Francesito).À
Paulo,(An)AkinetWael(Wallito)pourlesbonsmomentspassésauPortugal.
Me siento obligado a agradecer a toda la comunidad castellano-parlante por todo lo pasado juntos.
Citar tan sólo los nombres seria una pena por no describir los recuerdos, otra vez gracias a todos. Sin
embargo,Joangraciasportuamistadyportodalaayudaeneldesarrollodeestetrabajo.Claudia,gracias
portodo,hermanita.Leo,esperoquenosveamosenColombia.JibyAntonin,losprimerosmexicanitos,
muchas gracias por toda la ayuda. A Beto, Memo y familia, Gabriel y familia, Sergio y familia, Joel
y familia, Gerardo y familia, Toño y familia, gracias por permitirme sentirme como en casa. Gustavo,
Maggie,Efraín,GibranyAmérica,gracias.Edoard,cuñado,yLuis,hermano,graciastotales.
Este trabajo no pudo haberse realizado sin el apoyo del COSNET, DGEST y del Tecnológico de
Orizaba.
Finalmente,amifamiliayseresqueridos,graciasportodoelapoyo.
i
ii
Al nano 1
1MihermanoQEPD
iii
iv
Table des matières
Listedesfigures ix
Introduction xiii
Chapitre1
Contextedel’étude
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Planificationdechemin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Commandedesbrasmanipulateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3.1 Commandedansl’espacelibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.2 Commandedansl’espacecontraint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Générationdetrajectoires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4.1 Générationdetrajectoiresentempsminimalparoptimisation . . . . . . . . . . 6
1.4.2 Générationdetrajectoiresparsatisfactiondescontraintescinématiques . . . . . 6
1.4.3 Générationdetrajectoireenligne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5 AsservissementVisuel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5.1 Asservissementenboucleouverte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5.2 Asservissementenbouclefermée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6 Lacommanded’unbrasmanipulateurpourlarobotiquedeservice . . . . . . . . . . . . 10
Chapitre2
Commandedesbrasmanipulateurs
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Généralitéssurlasélectiondelaloidecommande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.1 DéfinitiondelaSituationdel’organeterminal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.2 ModèlesDirectsdurobotmanipulateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Asservissementdesarticulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1 Lacommandeclassique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.2 Lacommandeparordinateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
v
Tabledesmatières
2.3.3 Exemple1:Changementdetyped’asservissement . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.4 Exemple 2 : Changement du type d’asservissement avec consigne calculée de
position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.5 Exemple3:Schémaavecsignald’anticipation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Asservissementdansl’espacecartésien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.1 Commandeàrésolutiondevitesseparretourdequaternion . . . . . . . . . . . . 21
2.4.2 Commandeauvoisinagedespositionssingulières . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.3 Résultatsdesimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Chapitre3
Générationdesmouvementssouples
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 CheminsetTrajectoires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3 Méthodedebasepourlesmouvementssouples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.1 Mouvementélémentaireàjerkmaximal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.2 Mouvementélémentaireàaccélérationmaximale . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.3 Mouvementélémentaireàvitessemaximale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.4 Mouvementsoupleàseptsegments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.5 Systèmed’équationsdumouvementsoupleàseptsegments . . . . . . . . . . . 33
3.4 Résolutiondusystèmed’équation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.1 PremierseuilDS1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4.2 Mouvementpointàpointàcinqsegments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4.3 DeuxièmeseuilDS2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4.4 Mouvementpointàpointàtroissegments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4.5 Algorithmepourlemouvementpointàpoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.5 Mouvementsentempsimposé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.6 Mouvementsàconditionsinitialesetfinalesquelconques . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.6.1 Mouvementsélémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.6.2 Lestroistypesdemouvementsélémentairesoptimaux . . . . . . . . . . . . . . 40
3.6.3 Déplacementsoptimauxdansleplanaccélération-vitesse . . . . . . . . . . . . . 42
3.7 Mouvementmultidimensionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.7.1 Mouvementpointàpoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.7.2 TrajectoirecontinueendimensionNsurunchemindéfini . . . . . . . . . . . . 47
3.7.3 Considérationssurlagénérationdumouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.7.4 Contraintesnonhomothétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.8 Considérationssurlesapplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
vi
3.8.1 Casdubrasmanipulateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.8.2 Casdumanipulateurmobile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Chapitre4
RetourVisuel
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2 Modèled’unecaméra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2.1 Matricedeprojectionperspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2.2 Transformationaffinecaméra/image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.3 Paramètresintrinsèques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2.4 Paramètresextrinsèques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3 Graphedusystèmeaveccaméraembarquée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.4 AsservissementVisuel2Dpartagé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.4.2 Schémadecommande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.4.3 Loidecommandepartagée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.4.4 Avantagesetinconvénients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.5 AsservissementVisuel3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.5.2 Reconstruction3Dstéréo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.5.3 Schémadecommande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.5.4 Avantagesetinconvénients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.6 Localisationd’unobjetetauto-calibrationmain/caméraou«hand-eye» . . . . . . . . . 79
4.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.6.2 Schémadecommande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.6.3 Avantagesetinconvenants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Chapitre5
Résultatsexpérimentaux
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2 Architecturelogicielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3 Mouvementpointàpoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3.1 Translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3.2 Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.4 Mouvementcontinu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
vii