Contribution à la commande bilatérale d’un système télérobotisé

Abstract

La téléopération représente un champ d'application crucial dans divers domaines, tels que l'exploration spatiale, la chirurgie et la maintenance industrielle, offrant des solutions innovantes pour effectuer des opérations à distance. Le travail présenté dans cette thèse vise à contribuer dans la commande des systèmes télérobotisés pour augmenter la qualité du geste de l'opérateur en améliorant sa perception via un retour des efforts appliqués à l'environnement distant. Trois structures de commande adaptatives et intelligentes ont été développées pour améliorer le suivi de trajectoire et la performance de la force appliquée dans des environnements complexes, en tenant compte des incertitudes et des défis inhérents à la téléopération, notamment les incertitudes concernant les modèles des robots maître et esclave, la dynamique variable et inconnue de l'environnement, la qualité médiocre des signaux provenant des capteurs de force, ainsi que l'asymétrie entre les robots maître et esclave, posant ainsi des problèmes d'échelle et de mappage de l'espace de travail. Les deux premières structures de commande bilatérale, que nous avons élaborées, se reposent sur l’architecture de commande à quatre canaux. Elles utilisent toutes les deux, dans leur partie maître, une approche de commande en force/impédance tandis que dans leurs parties esclave, la première structure utilise une approche de commande parallèle force/position et la deuxième exploite une approche de commande en effort externe. Pour estimer les caractéristiques inconnues de l'environnement, supposées de type ressort, et extraire le bruit indésirable généré par les capteurs de force, nous avons utilisé une technique d’estimation en ligne basée sur la méthode des moindres carrés récursifs à facteur d'oubli (MCR-FO). Pour éliminer les effets des incertitudes dans le modèle dynamique du robot esclave, exploité dans la commande, nous avons utilisé un Compensateur Neuronal (CN) basé sur l’algorithme de rétropropagation du gradient. Les performances des deux structures proposées, en termes de stabilité et de transparence du système global de téléopération, ont été validées en simulation, à l'aide de l'environnement LabVIEW. La troisième structure de commande bilatérale que nous avons élaborée est une structure de commande adaptative en admittance basée sur une architecture de commande à trois canaux. Elle se caractérise par le fait qu'elle évite d'utiliser une boucle de force dans sa partie esclave. Pour aligner l’interface maître Omni PHANTOM avec le robot PUMA560, une technique de mappage des espaces de travail a été appliquée. Une stratégie de commande de type PID, combinée avec une approche de commande par découplage non linéaire et un CN, a été synthétisée dans les deux parties maître et esclave pour compenser l’effet des incertitudes dans les modèles dynamiques des manipulateurs. Pour améliorer d’avantage les réponses en effort du robot esclave, sensibles aux variations des caractéristiques de l’environnement, une solution adaptative basée sur une méthode d’identification en ligne des caractéristiques de type ressort et amortisseur de l’environnement a été proposée. Pour supprimer les irrégularités du modèle d'admittance, un filtre de Butterworth et une fonction de limitation ont été implémentés. Cette combinaison a permis de générer des trajectoires modifiées qui sont transmises par la suite à la boucle de commande en position du robot esclave. Les résultats des tests de performance de la structure proposée, issus d'une expérience "HUMAIN IN THE LOOP" réalisée dans l'environnement MATLAB, en utilisant une interface OMNI réelle et un robot PUMA560 virtuel en interaction avec un environnement virtuel, illustrent une stabilité remarquable du système global. Ils révèlent également un bon suivi des trajectoires et des forces appliquées dans les trois directions de l'espace, et ce, sous des conditions réalistes de téléopération.