Introduction
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Les robots marcheurs ont la capacité de se
déplacer dans des environnements encombrés, et sont donc
appelés à avoir un rôle de plus en plus important
dans la robotique d'intervention. Leur utilisation est actuellement
limitée par la difficulté d'obtenir des lois de commande,
des consignes de mouvements des pattes, des stratégies d'évitement
d'obstacles, permettant d'avoir des déplacements rapides et autonomes
du robot.
Les robots marcheurs sont étudiés depuis
de nombreuses années en Russie, au Japon et aux USA. En France, ils
sont étudiés dans différents laboratoires qui ont
constitué un groupe de travail PrC-GdR " Commande des
robots marcheurs " qui a donné naissance à un projet
STIC Robéa " Commande pour la marche et la course d'un robot
bipède ". Nous animons actuellement ce groupe de travail qui
implique les laboratoires suivants : LAG (Grenoble), LMS (Poitiers),
LIRMM (Montpellier), LGIMP (Metz), LVR (Bourges), LRV (Versailles) et
IRCCyN.
Notre travail s'inscrit aussi dans le cadre de collaborations internationales :
-
participation au réseau européen de recherche CLAWAR;
-
coopération franco-russe entre le CNRS et l'institut Lomonossov
" Conception de commande pour les systèmes mécaniques
sous-actionnés : robots à pattes, manipulateurs flexibles ",
et en particulier avec A. Formal'sky;
-
coopération NSF-CNRS " Fondements non linéaires
pour la commande de Robots marcheurs " avec l'Université
du Michigan et l'équipe " Commande " de l'IRCCyN.
Après avoir commencé nos travaux par
l'étude des modèles dynamiques de robots marcheurs et des
modèles d'impact, nos études concernent actuellement la recherche
de mouvements de référence et la commande pour des robots adoptant
des allures statiquement instables. Nous nous intéressons aux bipèdes
et aux quadrupèdes. Les robots bipèdes plans sont des robots
relativement simples mécaniquement, qui se prêtent bien aux recherches
exploratoires que nous désirons mener. D'autre part la compréhension
de la marche humaine permettra des applications dans le développement de
prothèses, d'orthèses. Les robots quadrupèdes ont quant
à eux des applications très larges puisqu'ils peuvent adopter
successivement des allures statiquement stables ou dynamiquement stables selon
la phase de leur utilisation : déplacement rapide, évitement
d'obstacles, actions en un lieu donné, etc. Nos travaux seront testés
sur deux prototypes de robot : un robot bipède " Rabbit "
développé dans le cadre du projet STIC Robéa, et un prototype
à deux pattes "Semi-Quad" développé à l'IRCCyN et
correspondant à une simplification d'un robot quadrupède employant
une allure de courbette. Ils n'ont pas de chevilles articulées. Ces deux
robots donc sont dynamiquement stables. Nous pouvons donc mieux mettre en
évidence l'effet de la gravité sur la marche.
Le robot "Semi-Quad"
Le robot "Rabbit"
Génération de mouvements pour les robots marcheurs
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Commande des robots marcheurs
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(C. Chevallereau, Y. Aoustin, Ph. Lemoine, A. Formal'sky, C. Rengifo, D. Tlalolini Romero)
Comme dans la recherche de mouvements de consigne,
l'objectif de la commande est de permettre le déplacement du robot
mais avec des coûts énergétiques raisonnables. Il
nous semble que la meilleure solution pour atteindre cet objectif est
de tirer parti de la dynamique du mouvement, et d'éviter de
contraindre le robot à faire des mouvements qui ne lui sont pas
naturels. Dans ce cadre, l'effet de la présence de chevilles
actionnées peut permettre d'empêcher un basculement du robot.
Pourtant en pratique cette possibilité est assez réduite,
du fait de la petite taille des pieds. Pour tirer parti du basculement
possible du robot, nous avons choisi de nous intéresser plus
particulièrement au cas des robots sans pieds (ou sans chevilles
motorisées).
D'une part, la plupart des robots marcheurs existant
au monde utilisent des allures statiquement stables. Ces allures statiques
ne sont possibles que pour des robots équipés de pieds.
D'autre part de nombreux chercheurs testent expérimentalement leur
commande sans s'intéresser à l'étude théorique
de la stabilité du mouvement. Pour ces deux raisons, les études
que nous menons avec nos partenaires cités précédemment
sont originales. Des travaux plus proches concernent la commande et la
stabilité des systèmes sous-actionnés et des systèmes
hybrides. Les robots marcheurs doivent être vus comme des systèmes
hybrides, car dans la marche plusieurs phases (simple support, impact)
interviennent, et à chaque phase correspond un modèle différent.
Mais les allures de locomotion étant cycliques, notre objectif est
de définir des commandes qui vont assurer la convergence vers un cycle
limite. Les travaux concernant cet aspect sont rares en dehors de l'étude
des robots marcheurs.
Nous avons développé différentes approches pour la
commande de robots marcheurs :
La démarche pour laquelle les résultats les
plus avancés ont été obtenus consiste à développer
un suivi géométrique de trajectoire de consigne au lieu de faire
un traditionnel suivi de mouvement. Dans ce contexte, pour chaque variable
motorisée, nous avons défini une trajectoire de référence
comme une fonction polynomiale de la variable de configuration non asservie.
Nous avons alors démontré numériquement la stabilité
asymptotique de la marche au sens de Poincaré, la robustesse de cette
approche vis-à-vis du modèle du sol a été testée.
Nous avons amélioré la convergence de l'allure de marche vers cette
trajectoire cyclique en modifiant l'inclinaison finale du tronc ou la longueur
de l'enjambée.
Une autre façon de réaliser un suivi de
trajectoire consiste à écrire les mouvements de référence
en fonction d'un temps virtuel ou d'une abscisse curviligne. Dans ce contexte,
une condition analytique de convergence a été obtenue lorsque la
trajectoire cyclique est connue. Il est aussi possible de définir
analytiquement les conditions d'existence d'une trajectoire cyclique. Cette
démarche peut s'appliquer pour un robot bipède ou pour le
" trot " d'un quadrupède. Son utilisation pour les
allures " d'amble " ou de " courbette "
doit faire l'objet d'une étude plus poussée du fait de
caractéristiques physiques de ces deux allures comme l'annulation au
cours du mouvement du moment angulaire du robot calculé au point
d'appui.
Nous travaillons actuellement à l'extension de ces
travaux pour des allures contenant des phases de double support ou de vol et
sur le paramétrage des trajectoires à l'aide de plusieurs
variables.
Pour des allures avec un double support instantané,
ces techniques ne permettent pas un démarrage direct du robot depuis
l'arrêt, une phase spécifique de démarrage doit être
introduite. Par contre pour des allures de marche comportant des phases de
doubles support, nous avons démontré par simulation qu'il est
possible d'atteindre une trajectoire cyclique à partir d'une position
d'arrêt du bipède sur les 2 pattes en laissant ''faire'' la
commande.
Disposant de n moteurs pour n+1 variables de configuration
indépendantes, une deuxième approche a été de
définir de façon pertinente les n sorties qui seront asservies.
En choisissant les n sorties comme des fonctions arbitraires des variables de
configuration, la dynamique de zéro est d'ordre 2 et cette dynamique de
zéro peut être instable. L'objectif du choix des sorties a
été de réduire la dimension de cette dynamique de
zéro, pour pouvoir imposer plus facilement une dynamique de zéro
stable, alors que pour les robots étudiés il n'existe pas de
sorties plates. Ces travaux pour la marche d'un robot bipède ont
été menés en collaboration avec l'équipe
" Commande " de l'IRCCyN. Ces travaux ont permis une
stabilisation du robot autour d'une configuration d'équilibre instable.
Dans le suivi de trajectoire de marche, l'apparition de configuration
singulière demande un traitement qui est en cours
d'étude.
Nous avons aussi effectué des travaux de simulation
pour stabiliser des robot bipèdes avec 2 corps, 3 corps, 4 corps et 5
corps autour d'une position verticale à l'aide d'une commande linéaire
en prenant en compte les limites des actionneurs dans
la commande.
Comme ceci a été mentionné dans
l'introduction, deux prototypes seront utilisés pour tester les commandes
développées. Concernant le prototype Semi-Quad, nous avons
implanté avec succès une loi de commande intuitive qui n'utilise
pas le modèle dynamique du robot. Nous allons améliorer cette loi
de commande de manière à avoir un meilleur comportement en double
support. Pour ce robot, nous travaillons aussi sur une commande quadratique
optimale construite sur un modèle linéarisé variant dans
le temps, et établi pour une trajectoire de référence
connue ainsi que sur une commande en effort.
Vidéo Semi-Quad
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