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Robots Parallèles à Câbles pour des Opérations Industrielles Agiles – CRAFT

Robots parallèles entraînés par câble pour des opérations agiles dans l'industrie

Le projet CRAFT vise à concevoir, modéliser et contrôler des robots parallèles entraînés par câbles (RPCs) pour des opérations industrielles agiles. Les RPC développés dans CRAFT seront capables : (i) de travailler dans des environnements encombrés, (ii) d'être autonomes, (iii) de permettre à l'utilisateur de co-agir et de co-manipuler avec le robot. Un autre objectif de CRAFT est de définir des normes pour les RPCs qui seront soumises aux autorités réglementaires.

Conception, modélisation et commande des robots parallèles à câbles pour des opérations en entreprise

Les robots parallèles entraînés par câbles (RPC) constituent une classe particulière de robots parallèles dont la plate-forme mobile est reliée à un cadre de base fixe par des câbles. L'amélioration des performances des RPC reste un défi car l'unilatéralité des câbles (les câbles peuvent tirer mais ne peuvent pas pousser) rend leur analyse beaucoup plus complexe que celle des robots parallèles à pattes rigides. Pour relever ces défis, nous développerons un cadre logiciel approprié de méthodes de résolution numérique, dont la validité sera vérifiée sur des expériences réalistes. L'intégration de la modélisation théorique, de la résolution numérique et des expériences se traduira par de fortes avancées technologiques et scientifiques sur le sujet. <br /> <br />Nous visons donc à développer des RPC agiles, appelés robots parallèles reconfigurables commandés par câble (RRPC). D'un point de vue mécanique, changer la géométrie du RPC est relativement facile, soit en déplaçant les treuils, soit en utilisant des poulies pour modifier l'emplacement des points de sortie des treuils, soit en changeant l'emplacement des points d'attache des câbles sur la plateforme. Notre objectif est de développer un cadre de conception qui prend en compte les exigences de la tâche et une description de l'environnement du RPC. <br /> <br />Le projet CRAFT vise à concevoir, modéliser et contrôler des RPC pour des opérations agiles en milieu industriel. Les RPC développés dans le cadre de ce projet doivent être capables de travailler dans un environnement encombré et d'aider les opérateurs à transporter et manipuler des pièces lourdes et de grande taille. Par conséquent, les RPC à l'étude auront deux modes de fonctionnement. Les robots seront soit autonomes et réaliseront certaines tâches qui sont établies hors ligne, soit l'utilisateur co-manipulera en toute sécurité des objets grands et/ou lourds avec le cobot dans des environnements vastes et encombrés. Les robots développés dans le cadre du projet CRAFT fourniront à l'utilisateur une bonne agilité dans de grands espaces de travail tout en assurant la sécurité de l'opérateur humain. Un défi concernant la sécurité de l'utilisateur réside dans la conception de l'IHM (interface homme-machine), de sorte que la sécurité intégrée dans le RPC garantisse que le contrôle du RPC est effectué de manière sûre par l'utilisateur. Un autre obstacle important à la diffusion des RPC, malgré leur grand impact potentiel, est le manque de normes. En effet, les règles existantes concernant les appareils de levage ne sont généralement pas adaptées aux RPC qui utilisent une technologie très différente. Un autre objectif du projet CRAFT est donc de fournir les données nécessaires à la définition de normes pour les RPC qui seront soumises aux autorités réglementaires.

CRAFT vise à concevoir, modéliser et contrôler les RPC pour des opérations agiles dans les installations de fabrication. L'originalité et la pertinence du projet CRAFT par rapport à l'état de l'art résident principalement dans (i) l'intégration de la modélisation théorique, de la résolution numérique pour les RPC agiles tout en considérant des modèles de câbles complexes et des incertitudes et (ii) la détermination de normes pour que les RPC agiles puissent être acceptés dans l'industrie. Les objectifs scientifiques du projet CRAFT sont décrits ci-après :

1) Stratégie de conception de RPC reconfigurables : Les robots étudiés dans le cadre du projet CRAFT seront reconfigurables car ils devront être faciles à déployer et à installer et devront être adaptés à la tâche.

2) Modèles cinéto-statiques des RPC : La détermination des relations entre les longueurs de câble et la situation de la plateforme est cruciale pour le contrôle des RPC. Un modèle de câble plus réaliste sera envisagé. En outre, une analyse de l'influence des incertitudes sera effectuée.

3) Identification des paramètres physiques du RPC : La résolution des modèles cinéto-statiques et la conception d'une commande efficace basée sur le modèle nécessitent une estimation précise des paramètres du RPC tels que la géométrie et l'élasticité des câbles. Par conséquent, des méthodes originales seront développées dans le cadre du projet CRAFT pour identifier ces paramètres.

4) Stratégies de contrôle du RPC : Les RPC ont la propriété que leurs équations d'état changent en fonction de la configuration du robot. Des schémas de contrôle adaptatifs sont donc nécessaires et seront synthétisés dans le projet CRAFT. De plus, nous développerons des stratégies de contrôle qui permettront au robot de passer d'un mode «autonome« à un mode «co-manipulation«.

5) Action conjointe : L'acceptabilité des RPC par l'utilisateur et l'amélioration ergonomique des conditions de travail grâce aux robots développés dans le cadre du projet CRAFT seront étudiées.

6) Normalisation : Un obstacle important à la diffusion des RPC, malgré leur grand impact potentiel, est le manque de normes. Par conséquent, certaines normes à respecter par les RPC pour une agilité et une co-manipulation des pièces seront définies dans CRAFT.

7) Prototypage et expérimentations : Les solutions techniques développées pour assurer la sécurité (dans les modes «autonome« et «co-manipulation« des RPC) et pour améliorer l'aspect ergonomique (IHM) seront mises en œuvre sur les deux prototypes développés dans le cadre de CRAFT. Ainsi, nous tendrons vers des solutions techniques utilisables dans l'industrie, utilisant de nouveaux dispositifs de contrôle ergonomiques et sûrs. En outre, le retour d'information sur la mise en œuvre des dispositifs de sécurité (actuellement sur le marché ou nouveaux et développés dans ce projet) fournira directement des recommandations normatives.

L'une des principales applications des RPC est la manipulation industrielle, en particulier de pièces lourdes ou de grande taille, éventuellement avec une interaction avec des travailleurs humains. Cependant, les RPC offrent un fort potentiel pour des applications qui vont bien au-delà de la fabrication et un autre champ d'application important pour les RPC est la robotique de service. La stratégie de développement proposée dans le projet CRAFT peut être transposée dans ce domaine sans aucune modification, à l'exception de l'acceptation par l'utilisateur qui dépend davantage des domaines. D'autre part, la stratégie de reconfigurabilité proposée dans le projet CRAFT est particulièrement adaptée aux robots de service qui évoluent dans un environnement plus contraint que les robots industriels.

Associés à la dangerosité relativement faible des câbles, les RPC offrent à l'utilisateur un haut niveau de sécurité. De plus, les cobots habituels sont relativement chers même pour de petites charges avec un espace de travail relativement limité alors que les RPC peuvent offrir une charge beaucoup plus importante qui peut être déplacée sur de très grands espaces de travail pour le même prix.

La faible intrusion des câbles et leur dangerosité relativement faible sont un facteur de sécurité important pour les travailleurs humains qui travaillent à leur proximité. L'acceptation humaine peut également être améliorée en raison de la faible intrusion des câbles.

En outre, les RPC offrent un «banc d'essai« intéressant pour les câbles synthétiques qui ne sont pas encore utilisés dans les appareils de levage en raison d'un manque de normes. Ils contribueront donc à fournir des données réalistes concernant l'usure et l'évolution des performances sur une longue période et dans un ensemble d'environnements.

Les RPC offrent une agilité et une flexibilité à faible coût, même dans le cas de très grands systèmes. En effet, même en cas de défaillance d'un câble, les RPC ne perdront qu'un seul degré de liberté, ce qui constitue un facteur de sécurité supplémentaire. En outre, on estime que l'efficacité énergétique des RPC est supérieure d'au moins 25 % à celle des robots classiques et qu'ils comportent beaucoup moins de pièces, ce qui permet de réduire les coûts, surtout si l'on tient compte de la taille de l'espace de travail.

Un autre objectif de CRAFT est de montrer une fois de plus que les RPC sont efficaces dans des environnements réalistes, mais aussi de fournir des données et de contribuer à l'établissement de nouvelles normes. Les validations expérimentales nous permettront d'évaluer de manière objective les améliorations des nouveaux modèles de développés dans CRAFT.

Nous croyons sincèrement que la combinaison du travail théorique et des expériences est un atout pour créer une percée dans le domaine des appareils de levage. Notre contribution à la normalisation du RPC et à son acceptation par l'homme sera également une étape majeure pour sa diffusion.

Les résultats attendus sont des avancées significatives dans le développement d'outils pour la conception, la modélisation et la commande de RPC reconfigurables et agiles, capables de fonctionner à la fois en mode autonome et en mode de co-manipulation. Nos contributions à la normalisation des RPC et à leur acceptation par l'homme constitueront également une étape majeure pour leur diffusion.
Les résultats attendus sont des avancées significatives dans le développement d'outils pour la conception, la modélisation et la commande de RPC reconfigurables et agiles, capables de fonctionner à la fois en mode autonome et en mode de co-manipulation. Nos contributions à la normalisation des RPC et à leur acceptation par l'homme constitueront également une étape majeure pour leur diffusion.

Nos contributions à la normalisation des robots parallèles à câbles et à leur acceptation par l'homme constitueront également une étape majeure de diffusion. Ces résultats seront communiqués dans des articles évalués par des pairs et publiés dans des revues de premier plan telles que ASME Journal of Mechanisms and Robotics, Mechanism and Machine Theory, IEEE Transactions on Robotics, Journal of the Human Factors and Ergonomic Society (SAGE), ACM Transactions on Human-Robot Interaction (ACM), IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part B (Cybernetics) et des conférences internationales telles que la quatrième et la cinquième conférences internationales sur les robots parallèles actionnés par câble, ASME IDETC, IEEE ICRA et IEEE IROS.
De plus, les résultats obtenus seront communiqués aux étudiants de doctorat et de master par le biais d'écoles et d'ateliers dans lesquels les partenaires du projet enseigneront et l'Ecole Thématique du GdR Robotique.

Le projet CRAFT porte sur la conception, la modélisation et la commande de robots parallèles à câbles dédiés à des opérations industrielles agiles et précises. Les robots développés dans le projet CRAFT devront être capables d’opérer dans des environnements encombrés et d'assister des opérateurs à soulever et manipuler des pièces massives et/ou de grandes dimensions dans de grands espaces. En conséquence, ces robots auront deux modes de fonctionnement : (i) travail en autonomie et réalisation de tâches programmées hors ligne ; (ii) l'utilisateur co-manipule avec une bonne agilité des pièces massives et/ou de grandes dimensions dans de grands espaces pouvant être encombrés. Les normes existantes pour les appareils de levage classiques ne sont pas adaptées aux robots parallèles à câbles. Ainsi, un autre objectif du projet CRAFT sera de définir des normes pour la conception et la certification de robots parallèles à câbles. Ces normes seront ensuite transmises aux autorités de sûreté.

Les contributions principales attendues du projet CRAFT sont les suivantes :

1. Stratégie pour la conception de robots parallèles à câbles reconfigurables

2. Résolution du modèle géométrico-statique de robots parallèles à câbles en tenant compte de modèles complexes et réalistes de câbles

3. Mise en place de procédures pour l’étalonnage et l’auto-étalonnage des paramètres géométriques et élastiques de robots parallèles à câbles

4. Développement de lois de commande pour la commande de robots parallèles à câbles. Ces lois de commande devront permettre aux robots étudiés de
travailler aussi bien en mode « autonome », avec des opérateurs humains pouvant être présents dans l’espace de travail du robot, qu’en mode « co manipulation » où l’(les) opérateurs co-agit(ssent) avec le robot. La sécurité des opérateurs devra être bien entendu être garantie.

5. Commande partagée : l’acceptabilité des robots parallèles à câbles par les opérateurs sera également étudiée dans le projet CRAFT. A cet effet, des Interfaces Homme-Machine (IHM) pouvant intégrer de la réalité augmentée et/ou virtuelle seront étudiées pour améliorer l’ergonomie des dispositifs robotisés conçus.

6. Normalisation : des travaux sur l’analyse de risques et sur la normalisation sont essentiels pour pouvoir installer et utiliser dans des entreprises des robots parallèles à câbles travaillant aussi bien en mode « autonome » qu’en mode « co-manipulation »

7. Prototypes et validations expérimentales: des prototypes de robots parallèles à câbles existants et présents à l’INRIA et au LS2N seront utilisés dans CRAFT. Ces prototypes permettront de valider expérimentalement les résultats théoriques obtenues et les solutions technologiques développées pour améliorer l’ergonomie, l’acceptabilité et la sécurité des robots parallèles à câbles étudiés.

Coordinateur du projet

Monsieur Stéphane CARO (Laboraroire des Sciences du Numérique de Nantes)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Inria Centre de Recherche Inria Sophia Antipolis - Méditerranée
LS2N Laboraroire des Sciences du Numérique de Nantes
CETIM CENTRE TECHNIQUE INDUSTRIES MECANIQ

Aide de l'ANR 377 574 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2019 - 36 Mois

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