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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 BidaudMichel de BroissiaVincent Padois
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Projet TELEMACH
Maintenance Téléopérée
ConceptionCommande
23 Septembre 2011 Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes 2/38
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Un Problème de Conception : morphologie du bras
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Optimisation
Banque de segments
Evaluation : suivi de trajectoire en tête de coupe
Morphologies de manipulateurs
105
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]
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Un Problème de Commande
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Spécifications
Commande multiobjectifs
Commande temps réel Commande sûre Commande performante
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Un Problème de Commande sûre
23 Septembre 2011 Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes 5/38
Spécifications
Commande sûre en environnement contraint et hostile
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Un Problème de Commande performante
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Spécifications
Commande performante en environnement réduit et encombré
[Maciejewski 1985] [Sentis 2005]
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Commande
Cinématique inverse
Synthèse
23 Septembre 2011Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes
7/38
Formulation du problème de commande
Commande sûre
Commande performante
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Formulation du Problème de Commande
Commande
Cinématique inverse
Formulation du problème de commande
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Contraintes considérées
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Etat étendu
Variable
Position articulaire
Distance opérationnelle
Vitesse articulaire
Accélération articulaire
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Sécurité au niveau de la commande
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Le système est en sécurité instantanée lorsque ses contraintessont respectées
Le système est en sécurité absolue lorsque ses contraintes ne pourront jamais être violées.
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Sécurité au niveau de la commande
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[Wieber2008]
[Fraichard2007]
[Broquère2011]
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Reformulation
Cas 1: position, vitesse et accélération
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Conclusion
Modification expression des contraintes Système en sécurité absolue
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Cas 1: position, vitesse et accélération
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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.
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Cas 1: position, vitesse et accélération
23 Septembre 2011 Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes 14/38
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
?
?
?
Cas 2 : position, obstacle, vitesse, accélération
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?
Conclusion
Incompatibilités toujours possibles Sécurité non assurée.
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Formulation des contraintes
Formulation du problème de commande
Expression
Compatibilité ?
Commande
Cinématique inverse
Algorithme pour la sécurité
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Comportement alternatif sûr
Commande
Cinématique inverse
Sécurité
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Décélération maximale : Alternative Safe Behavior ASB1
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Robot statique + Sécurité instantanée Sécurité absolue
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Décélération maximale: ASB1
23 Septembre 2011 Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes 18/38
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.
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Décélération maximale ASB1
23 Septembre 2011 Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes 19/38
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
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Décélérations mixtes : Alternative Safe Behavior ASB2
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Décélérations mixtes ASB2
23 Septembre 2011 Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes 21/38
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]
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Décélérations mixtes ASB2
23 Septembre 2011 Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes 22/38
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Résolution du problème de commande
Formulation du problème de commande
Commande
Sécurité
Cinématique inverse
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Critères d’évaluation
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Spécifications
Commande sûre
Commande performante en environnement encombré
•Respect des contraintes
•Optimalité locale
•Bon comportement global
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Problème de commande à résoudre
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Trouver tel que
Sous des contraintes strictes
…
Cadre multiobjectif hiérarchique
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Absence de contraintes : tâches de suivi, tâche d’évitement (actif)
Contraintes en 1erObjectif en 1er
Multiobjectif, inversion directe
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[Maciejewski 1985]
[Sentis 2005]
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Clamping
Clamping
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[Baerlocher 2004]
Calcul du modèle courant
Calcul mvmt
Modification Jacobienne
Respect contraintes?
Clamping
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
+
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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 tâcheso 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
+
++
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
CCC : Synthèse
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Priorité 1
Priorité 2
Priorité 3
Evitement passif
Evitement actif
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Calcul du modèle courant
Calcul du mouvement
Choix Combinaison de
Contraintes
Respect contraintes?
Scaling
Err < eps?
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CCC: Algorithme
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
CCC : simulation
23 Septembre 2011 Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes 31/38
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
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Résultats: CCC
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Distance aux obstacles (m) Position opérationnelle (m)
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Prise en compte des contraintes d’accélération
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Utilisation d’une configuration déplacée
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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.
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Conclusions and Perspectives
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Conclusions
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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
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Perspectives
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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
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
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Merci!
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Compléments
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Application : Conception par Algorithme Génétique
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Un Problème de Conception
23 Septembre 2011 Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes
Population Parent
Critère d’arrêt Sélection
Opération GénétiqueEvaluation
Remplacement
Population enfant
Population génitriceGénération
Définition d’une banque de segments pour créer une population de robots aléatoires
Suivi de trajectoires en tête de coupe
Spécifications
Bonne évaluation
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Choix d’un génotype
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Indicateurs et Commande
23 Septembre 2011 Contributions 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
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Résultats
23 Septembre 2011 Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
23 Septembre 2011 Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes
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Contexte Formulation Resolution Conclusion
Résultats
23 Septembre 2011 Contributions à la Commande de Robots sous Contraintes