COMPENSATION ET CONTRÔLE DESDÉFICIENCES : APPLICATION AU SYSTÈME LOCOMOTEUR DU ROBOTBIPÈDE ROBIAN

Les frottements, les élasticités ainsi que les jeux mécaniques sont des phénomènes non linéaires [Merzouki 04, Merzouki 02] qui peuvent provoquer un mauvais positionnement du pied d’un robot bipède dans l’espace de travail. Ainsi, le terme de « compensation des déficiences » entend la commande d’un système non linéaire dans une large gamme des paramètres d’entrée, sachant que les propriétés du système peuvent varier en fonction de son interaction avec l’environnement, de l’usure, du vieillissement des éléments, ou de détériorations imprévues. L’objectif de la compensation consiste à assurer la trajectoire articulaire idéale. Pour la commande des moteurs en position et/ou en vitesse le compensateur assure une erreur minimale entre la consigne et la position et/ou la vitesse articulaire. Quand le robot est commandé en couple, il faut que le couple à la sortie d’une articulation suive bien le couple désiré. Le « compensateur » est donc un nœud particulier de la commande qui doit être capable d’assurer le fonctionnement correct des articulations du robot avec des déficiences. Les caractéristiques des déficiences articulaires sont souvent variables et leurs valeurs changent d’une articulation à l’autre. Par exemple, pour les jeux, ce sont la distance (linéaire ou angulaire) pendant laquelle le passage du couple n’est pas transmis d’un arbre à un autre et sa caractéristique (symétrie, valeur du couple etc…). Pour les couplages ayant des élasticités, c’est la fréquence des oscillations qui peut varier en fonction de nombreuses conditions. Nous avons présenté au chapitre 2 les méthodes pour modéliser ces phénomènes en robotique.

L’influence des perturbations rythmiques sur la précision du suivi de la trajectoire de l’articulation au cours de la marche d’un robot électromécanique est importante. Des principales raisons sont des vibrations mécaniques qui apparaissent en raison des déficiences articulaires et des flexibilités structurelles, de la réaction mécanique de transmission et des cycles du fonctionnement en charge / à vide lors du contact contre le sol. Cela peut provoquer des erreurs de suivi jusqu’à 5 degrés à la sortie d’une articulation, donc quelques centimètres à l’extrémité de la jambe du robot marcheur. Ces phénomènes sont essentiels et peuvent provoquer la chute du robot. Les modes rythmiques peuvent être distingués selon leur fréquence en relation avec la bande passante ΩB du système. De 0,01 à 0,1 ΩB ce sont des fréquences basses ; de 0,1 à 0,8 ΩB ce sont les fréquences moyennes, supérieure à 0,8 ΩB ce sont les fréquences élevées. Ces modes dépendent aussi de l’origine mécanique de leur apparition : les oscillations externes sont dues à l’application de la force ou d’un couple externe (quand le pied touche le sol par exemple) et les oscillations internes existent en raison de la souplesse dans la transmission et des déformations de la structure du robot. Dans ce travail, Pour compenser les vibrations mécaniques, une des solutions possibles consiste à former des trajectoires articulaires spéciales de la marche avec limitation de l’accélération et du jerk. Mais cette approche limite la vitesse de marche et n’est pas toujours efficace [Gomand 08]. L’atténuation des vibrations est largement utilisée dans les machines-outils pour supprimer le phénomène appelé « chattering » ou vibration d’outil [Barre 04], mais dans le cas d’un bipède, les jambes doivent suivre une trajectoire complexe en interaction périodique et discontinue avec le sol, alors que dans une machine-outil l’outil est toujours en contact avec la matière.

Dans ce chapitre, nous utilisons les méthodes de compensation basées sur les modèles mathématiques pour compenser les frottements articulaires. Pour compenser les oscillations dues aux jeux et aux élasticités, nous utilisons des méthodes par apprentissage et des oscillateurs non linéaires. Afin que le robot puisse résister efficacement aux actions externes (chocs) nous proposons une méthode de commande de la raideur d’actionnement (compliance contrôlée). le couple du frottement ; la masse du segment en mouvement de la jambe ; la gravité ; la vitesse articulaire ; la longueur du segment de la jambe et l’angle articulaire ; l’inertie du segment de la jambe. Les moteurs sont asservis en courant, les couples sinusoidaux ont été appliqués aux deux articulations des hanches gauche et droite du robot. Le signal sinusoïdal du courant provoque les mouvements en avant et en arrière de la jambe en l’air. Les positions angulaires des moteurs ont été mésurées, et les vitesses obtenues par dérivation numérique (fig. 4.2 – 4.5). Sur ces figures, le couple articulaire appliqué n’est pas le même pour la jambe gauche et droite parce que la valeur du frottement est différente pour chaque articulation. Nous avons choisi expérimentalement le couple nécessaire pour voir plus en détails l’effet du frottement (fig. 4.2 et 4.3). Les discontinuités en vitesse sont provoquées à la fois par le frottement articulaire et la force de la gravité. En augmentant la valeur du couple appliqué (fig. 4.4 et 4.5), les discontinuités en vitesse disparaissent grâce à l’inertie, la jambe arrive à conserver une énergie lors de son mouvement pour réaliser le mouvement sans arrêt. Aussi, le coefficient du frottement sec diminue avec l’augmentation du couple [Hamon 11].