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Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes Contributions to the control of constrained robots Sébastien Rubrecht Sous la direction de : Philippe.

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1 Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes Contributions to the control of constrained robots Sébastien Rubrecht Sous la direction de : Philippe Bidaud Michel de Broissia Vincent Padois

2 ContexteFormulation Resolution Conclusion Projet T ELEMACH Maintenance Téléopérée  Conception  Commande 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes2/38

3 ContexteFormulation Resolution Conclusion Un Problème de Conception : morphologie du bras 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes3/38 Optimisation Banque de segments Evaluation : suivi de trajectoire en tête de coupe Morphologies de manipulateurs 10 5 Rubrecht, S., Padois, V., and Bidaud, P. (2009). New Horizons in Evolutionary Robotics, Evolutionary Design of a Robotic Manipulator for a Highly Constrained Environment, pages 59–64. Springer. [Sallé2004]

4 ContexteFormulation Resolution Conclusion Un Problème de Commande 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes4/38 Spécifications  Commande multiobjectifs  Commande temps réel  Commande sûre  Commande performante

5 ContexteFormulation Resolution Conclusion Un Problème de Commande sûre 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes5/38 Spécifications Commande sûre en environnement contraint et hostile

6 ContexteFormulation Resolution Conclusion Un Problème de Commande performante 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes6/38 Spécifications Commande performante en environnement réduit et encombré [Maciejewski 1985][Sentis 2005]

7 ContexteFormulation Resolution Conclusion Commande Cinématique inverse Synthèse 23 Septembre 2011 Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes 7/38 Formulation du problème de commande Commande sûre Commande performante

8 ContexteFormulation Resolution Conclusion Formulation du Problème de Commande Commande Cinématique inverse Formulation du problème de commande

9 ContexteFormulation Resolution Conclusion Contraintes considérées 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes9/38 Etat étendu Variable Position articulaire Distance opérationnelle Vitesse articulaire Accélération articulaire

10 ContexteFormulation Resolution Conclusion Sécurité au niveau de la commande 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes10/38 Le système est en sécurité instantanée lorsque ses contraintes sont respectées Le système est en sécurité absolue lorsque ses contraintes ne pourront jamais être violées.

11 ContexteFormulation Resolution Conclusion Sécurité au niveau de la commande 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes11/38 [Wieber2008] [Fraichard2007] [Broquère2011]

12 ContexteFormulation Resolution Conclusion Reformulation Cas 1: position, vitesse et accélération 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes12/38 Conclusion Modification expression des contraintes  Système en sécurité absolue

13 ContexteFormulation Resolution Conclusion Cas 1: position, vitesse et accélération 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes13/38 Rubrecht, S., Padois, V., Bidaud, P., de Broissia, M., and Da Silva Simoes, M. (2011). Motion safety and constraints compatibility for multibody robots. Revision submitted – Autonomous Robots.

14 ContexteFormulation Resolution Conclusion Cas 1: position, vitesse et accélération 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes14/38

15 ContexteFormulation Resolution Conclusion ? ? ? Cas 2 : position, obstacle, vitesse, accélération 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes15/38 ? Conclusion Incompatibilités toujours possibles  Sécurité non assurée.

16 ContexteFormulation Resolution Conclusion Formulation des contraintes Formulation du problème de commande Expression Compatibilité ? Commande Cinématique inverse Algorithme pour la sécurité 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes16/38 Comportement alternatif sûr Commande Cinématique inverse Sécurité

17 ContexteFormulation Resolution Conclusion Décélération maximale : Alternative Safe Behavior ASB1 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes17/38 Robot statique + Sécurité instantanée  Sécurité absolue

18 ContexteFormulation Resolution Conclusion Décélération maximale: ASB1 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes18/38 Rubrecht, S., Padois, V., Bidaud, P., de Broissia, M., and Da Silva Simoes, M. (2011). Motion safety and constraints compatibility for multibody robots. Revision submitted – Autonomous Robots.

19 ContexteFormulation Resolution Conclusion Décélération maximale ASB1 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes19/38

20 ContexteFormulation Resolution Conclusion 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes20/38 Décélérations mixtes : Alternative Safe Behavior ASB2

21 ContexteFormulation Resolution Conclusion Décélérations mixtes ASB2 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes21/38 Rubrecht, S., Padois, V., Bidaud, P., de Broissia, M., and Da Silva Simoes, M. (2011). Motion safety and constraints compatibility for multibody robots. Revision submitted – Autonomous Robots. [Faverjon1987]

22 ContexteFormulation Resolution Conclusion Décélérations mixtes ASB2 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes22/38

23 ContexteFormulation Resolution Conclusion Résolution du problème de commande Formulation du problème de commande Commande Sécurité Cinématique inverse

24 ContexteFormulation Resolution Conclusion Critères d’évaluation 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes24/38 Spécifications  Commande sûre  Commande performante en environnement encombré Respect des contraintes Optimalité locale Bon comportement global

25 ContexteFormulation Resolution Conclusion Problème de commande à résoudre 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes25/38 Trouver tel que Sous des contraintes strictes … Cadre multiobjectif hiérarchique

26 ContexteFormulation Resolution Conclusion Absence de contraintes : tâches de suivi, tâche d’évitement (actif) Contraintes en 1 er Objectif en 1 er Multiobjectif, inversion directe 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes26/38 [Maciejewski 1985] [Sentis 2005]

27 ContexteFormulation Resolution Conclusion Clamping 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes27/38 [Baerlocher 2004] Calcul du modèle courant Calcul mvmt Modification Jacobienne Respect contraintes? Clamping

28 ContexteFormulation Resolution Conclusion + 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes28/38 Vers une Commande Compliante aux Contraintes CCC Méthode CCC Résolution itérative Formalisme d’inversion directe (projecteurs) Eloignement contraintes par évitement actif o Priorité basse dans la hiérarchie des tâches o Potentiels d’évitement saturés Inversion directe Résolution Itérative Contraintes non respectées Formalisme universel Evitement actif Oscillations Potentiel d’évitement inverse : non optimal et termes infinis. + Commande sûre Restreint aux butées Pas de mouvements d’évitement Pas d’oscillations, bon suivi Pas de vitesses infinies + + +

29 ContexteFormulation Resolution Conclusion CCC : Synthèse 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes29/38 Priorité 1 Priorité 2 Priorité 3 Evitement passif Evitement actif

30 ContexteFormulation Resolution Conclusion Calcul du modèle courant Calcul du mouvement Choix Combinaison de Contraintes Respect contraintes? Scaling Err < eps? 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes30/38 CCC: Algorithme

31 ContexteFormulation Resolution Conclusion CCC : simulation 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes31/38 Rubrecht, S., Padois, V., Bidaud, P., and de Broissia, M. (2010a). Advances in Robot Kinematics, Constraint compliant control for a redundant manipulator in a cluttered environment, pp. 367–376. Springer

32 ContexteFormulation Resolution Conclusion Résultats: CCC 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes32/38 Distance aux obstacles (m) Position opérationnelle (m)

33 ContexteFormulation Resolution Conclusion Prise en compte des contraintes d’accélération 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes33/38

34 ContexteFormulation Resolution Conclusion Utilisation d’une configuration déplacée 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes34/38 Rubrecht, S., Padois, V., Bidaud, P., and de Broissia, M. (2010b). Constraints compliant control: constraints compatibility and the displaced configuration approach. In Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pages 677–684.

35 ContexteFormulation Resolution Conclusion Conclusions and Perspectives

36 ContexteFormulation Resolution Conclusion Conclusions 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes36/38 Bilan Formalisme de sécurité commande Méthodes de maintien de la sécurité Etudes de cas et vérifications expérimentales Principe d’évitement passif Commande multiobjectif à hiérarchie stricte respectant les contraintes Commande à itération unique sûre et performante CCC

37 ContexteFormulation Resolution Conclusion Perspectives 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes37/38 Travaux à venir Mise au point d’une politique actif/passif Détermination de points déplacés dédiés suivant la mission Extension au cadre dynamique Extension à d’autres contraintes: obstacles mobiles, limites de couple

38 ContexteFormulation Resolution Conclusion 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes38/38 Merci!

39 ContexteFormulation Resolution Conclusion Compléments

40 ContexteFormulation Resolution Conclusion Application : Conception par Algorithme Génétique

41 ContexteFormulation Resolution Conclusion Un Problème de Conception 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes Population Parent Critère d’arrêt Sélection Opération Génétique Evaluation Remplacement Population enfant Population génitrice Génération Définition d’une banque de segments pour créer une population de robots aléatoires Suivi de trajectoires en tête de coupe Spécifications  Bonne évaluation

42 ContexteFormulation Resolution Conclusion Choix d’un génotype 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes

43 ContexteFormulation Resolution Conclusion Indicateurs et Commande 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes Indicateurs Erreur de suivi Nombre de DDL Longueur du robot Collision / segment / pas de tps Evaluation Présim : 40 pts 360 pts 3D 9 m Cinématique Paramètres Génétiques Cross over : 13 % Mutation : 10 % Générations : 500 Individus : 150 CCC Contraintes : Vitesse, obstacle. Impact: nature des indicateurs Impact: relations entre indicacteurs

44 ContexteFormulation Resolution Conclusion Résultats 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes

45 ContexteFormulation Resolution Conclusion 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes

46 ContexteFormulation Resolution Conclusion Résultats 23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes


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