Contribution à la manipulation dextre

 Organe terminal d’un robot manipulateur L

a robotique industrielle existe depuis plus de 55 ans. Elle est apparue avec Unimate, le premier robot industriel à avoir été déployé dans les chaines d’assemblage de General Motors en 1961 [Nof (1999)]. Ce robot à 4 degrés de liberté (d.d.l.) dans sa version de base, disposait en bout de bras de différentes terminaisons, appelées organes effecteurs ou organes terminaux, parmi lesquelles une pince à 1 ou 2 degrés de liberté et une ventouse (Fig. 1.1). Ces organes terminaux servaient à la saisie d’éléments dans la chaine d’assemblage. De manière générale, l’organe terminal est une partie du robot qui a pour but d’interagir avec l’environnement : saisie et manipulation d’objets, forage, soudure, découpe, etc. Dans ce manuscrit, nous nous concentrerons sur les organes terminaux dédiés à la saisie et manipulation d’objets. La robotique industrielle a largement évolué, avec des bras robotiques désormais plus complexes, plus précis et plus rapides – il suffit de s’intéresser aux normes ISO pour s’apercevoir des conditions rigoureuses de fonctionnement imposées à la robotique industrielle actuelle (ISO 9283 :1998). Quant aux organes terminaux dédiés à la saisie ou la manipulation, la plupart d’entre eux sont restés des pinces à 1 ou 2 d.d.l. Malheureusement, ce type d’organe terminal présente des limitations [Murray et Sastry (1994)] : — Manque de dextérité : les pinces sont adaptées pour la saisie d’un objet mais elles n’ont pas assez de d.d.l. pour manipuler ou reconfigurer l’objet saisi. — Limitations des possibilités : la pince peut saisir de manière sûre un objet de forme cubique, mais la saisie d’une sphère ou d’une tige peut devenir une tâche complexe. Il faut alors envisager d’utiliser un autre organe effecteur. — Nécessité d’effectuer de grands mouvements du bras pour reconfigurer l’objet saisi : le nombre de d.d.l. de l’organe effecteur étant limité, il faut utiliser les d.d.l. du bras robotique pour réorienter l’objet, occasionnant des mouvements amples de l’ensemble de la structure robotique et pouvant constituer un danger si un opérateur se trouve à proximité. — Manque de finesse du contrôle en force : les pinces peuvent présenter des actionneurs puissants, pouvant délivrer un couple moteur élevé. Ces pinces sont alors limitées à la prise en force d’objet rigide, et elles ne permettent pas la manipulation d’objet fragile. Figure 1.2 – Belgrade Hand. 1.1. Contexte 5 Dès les années 60, la recherche scientifique se penche sur l’amélioration des capacités de préhension et de manipulation des organes terminaux. Cela passe par la conception de systèmes mécaniques plus complexes, on voit apparaitre des organes terminaux avec plus de d.d.l. que de simples pinces, on peut citer le préhenseur de Tomovic et Boni datant de 1963 (Fig. 1.2 et [Tomović et Boni (1962)]). On nomme cette nouvelle gamme d’organes terminaux par le terme de préhenseur multidigital (multifingered hand). L’amélioration des capacités de préhension et de manipulation des organes terminaux ne passe pas uniquement par la conception mécanique, mais aussi par l’intégration de capteurs pour de meilleurs capacités de perception, ainsi que par le développement d’algorithmes rendant le contrôle plus efficace et le système plus intelligent. Ces développements visent à atteindre les buts suivants [Bicchi (2000)] : — La dextérité : il s’agit de la capacité du préhenseur à manipuler des objets afin de les relocaliser arbitrairement dans l’espace de la paume pour la réalisation d’une tâche précise. — La robustesse de la saisie : c’est la capacité à garder la saisie de l’objet en présence de perturbations (forces extérieures, estimation erronée des caractéristiques de l’objet saisi, etc.) tout en maintenant une saisie adaptée aux caractéristiques de l’objet afin d’éviter tout dommage. — L’opérabilité humaine : cette capacité permet une interface facile du préhenseur avec l’opérateur humain. Cette définition est à prendre au sens large : l’opérateur peut être le programmateur du préhenseur, il s’agit alors de faciliter la programmation de la tâche à réaliser par le préhenseur. L’opérateur peut aussi être un patient qui a besoin du préhenseur comme prothèse. D’autres sous-objectifs optionnels, inclus dans la désignation d’ « opérabilité humaine », sont parfois recherchés : — Anthropomorphisme : Il s’agit de l’attribution de la morphologie humaine au préhenseur multidigital. Cette qualité est parfois recherchée car la plupart des outils sont conçus pour la main humaine, un préhenseur anthropomorphe peut ainsi manipuler ces objets. — Capacité sensorielle : On cherche à avoir une bonne connaissance de l’environnement du préhenseur en utilisant des capteurs (capteurs des positions articulaires, capteurs des courants des moteurs, capteurs de force et capteurs tactiles, vision). — Compliance : Les préhenseurs peuvent être amenés à interagir avec un opérateur, et leur comportement doit alors être maitrisé et sûr. Cette sûreté peut être assurée en jouant sur la raideur et l’amortissement du système et en adoptant un comportement dit souple (soft robotics) pour le préhenseur. De nombreuses avancées ont ainsi permis le développement des préhenseurs multidigitaux et de la manipulation dextre [Okamura et al. (2000)], et aujourd’hui, de plus en plus d’applications industrielles cherchent à intégrer ces technologies

 Intérêt de la préhension et de la manipulation dextre

 Afin d’évaluer l’intérêt qu’ont la recherche et l’industrie pour les préhenseurs et la manipulation robotique, on peut s’intéresser à la feuille de route multi-annuelle des projets européens [SPARC (2015)]. Ce document définit les axes privilégiés pour la recherche européenne, décrit les technologies à développer et les marchés clés dans lesquelles ces technologies pourraient être intégrées. Cette feuille de route montre que la capacité de manipulation en robotique est un axe de recherche particulièrement important puisqu’il pourrait intervenir à l’avenir dans de nombreux secteurs industriels. Trois catégories de manipulation y sont définies : — La capacité de saisie : il s’agit de la capacité d’un mécanisme à saisir un objet ; — La capacité de maintien : il s’agit de la capacité d’un système robotique à maintenir la saisie d’un objet dans le but de réaliser une tâche ; — La capacité de manipulation : il s’agit de la capacité d’un système robotique à saisir et déplacer un objet dans le but de réaliser une tâche. Chacune de ces capacités est découpée en différents niveaux traduisant la difficulté de mise en œuvre d’une telle technologie (Fig. 1.3). Le niveau 0 définit l’incapacité à saisir, maintenir ou manipuler un objet. Les niveaux suivants établissent des jalons technologiques à déverrouiller afin d’atteindre une certaine maitrise de la capacité. Pour la capacité de manipulation, le niveau 1 est défini comme la manipulation simple d’un objet, avec la dépose de l’objet à une localisation mais sans maitrise de l’orientation. Les niveaux suivants étendent les aptitudes demandées au système robotique : maitrise de l’orientation, du placement, manipulation avec compliance, manipulation d’un objet en présence d’incertitudes (objet mal connu), réalisation d’une tâche complexe de manipulation, manipulation d’objet inconnu, identification de l’objet à partir de la manipulation. Ces niveaux permettent donc d’évaluer et quantifier la dextérité, la robustesse et l’opérabilité du système robotique. Le document donne aussi des compétences cibles que le système robotique doit être capable de réaliser en terme de manipulation. On peut mettre en évidence les compétences suivantes : — La manipulation dextre et la re-saisie d’un objet. — La manipulation d’outils, et plus généralement, le système robotique doit être capable de manipuler différents objets, avec différents niveaux de serrage, et une forte capacité de réorientation de l’objet. — La manipulation d’objets mal connu ou inconnu. Ce dernier point est en outre stratégique car il est défini comme le point bloquant pour le développement de la capacité de manipulation dans des applications industrielles. Plus précisément, les incertitudes environnementales provoquant des erreurs de manipulation représentent un défi technique qu’il faudra relever afin d’intégrer les préhenseurs et la manipulation dextre dans les secteurs industriels

L’industrie manufacturière 

 Les tâches réalisées dans le secteur de l’industrie manufacturière sont très variées et mettent en œuvre une large gamme de saisies et de manipulations dextres. Dans [Cutkosky (1989)], un machiniste d’une usine manufacturière a été suivi au cours de son travail afin d’évaluer ses différentes tâches de manipulation et les différentes saisies mises en œuvre. Un classification des différentes saisies a pu être réalisée, ce qui donne une taxonomie partielle des saisies faites dans l’industrie manufacturière (Fig. 1.4). On voit que cette taxonomie présente une grande variété de prise, avec une différenciation entre les saisies en force et les saisies en précision : — La saisie en force utilise toute la paume de la main et a pour but de contraindre tout mouvement entre l’objet et la main ; — La saisie en précision utilise uniquement les phalanges distales de la main (les extrémités des doigts) pour pouvoir repositionner ou réorienter l’objet dans l’es- 8 Chapitre 1. Introduction pace de la main. Figure 1.4 – Taxonomie partielle des saisies dans l’industrie manufacturière [Cutkosky (1989)]. Dans le cas où l’on souhaite automatiser les tâches de manipulation dans une usine manufacturière, un préhenseur spécialisé n’est pas adapté au vu de la grande variété de saisies à réaliser. Il est donc nécessaire d’utiliser un préhenseur ayant de fortes capacités de manipulation satisfaisant les contraintes de dextérité et de robustesse de l’application. On peut citer le projet européen dont une partie des études concerne les préhenseurs et la manipulation robotique. Ce projet propose un robot mobile capable de réaliser des manipulations dans un environnement non structuré. Ce projet a permis de développer un préhenseur compliant disposant d’une nouvelle technologie d’actionneurs pneumatiques [Deimel et Brock (2013)]. Ce préhenseur est conçu pour la saisie robuste d’objet. En outre, d’autres études portant sur l’évaluation de saisie par un préhenseur anthropomorphique ont été menées [De Souza et al. (2012)]. Parmi les exemples d’industries manufacturières intéressées par la manipulation robotique et les préhenseurs, on peut citer le secteur de l’alimentaire. Les applications dans ce secteur présentent souvent de la manipulation avec un niveau de qualité requis, où des éléments de différentes formes et textures sont assemblés (par exemple l’élaboration d’un sandwich). L’industrie alimentaire pourrait bénéficier largement des progrès de la manipulation robotique. Par exemple, ces systèmes pourraient réaliser des tâches complexes dans une atmosphère inerte afin de stopper l’oxydation des produits [SPARC (2015)]. Le secteur médical : La robotique médical est un domaine en pleine expansion, avec de nombreuses applications qui voient le jour. Les préhenseurs et la manipulation robotique pourraient intervenir dans ce secteur avec les robots d’assistance. Ces robots pourraient assister les patients dans leurs déplacements et leurs manipulations ; ils doivent donc être une interface naturelle pour les patients tout en garantissant leur sécurité. Afin de respecter ces exigences, le système robotique doit disposer des compétences suivantes en manipulation : — Manipulation dextre avec des outils d’encombrement limité ; — Reconnaissance d’outils et manipulation d’objet ; — Saisie et manipulation d’objets souples et fragiles. Par rapport à la figure 1.3, les capacités exigées sont de niveau 4/5. L’agriculture : L’agriculture est un domaine prêt au transfert de technologies liées à la robotique. La manipulation robotique doit d’ailleurs jouer un rôle important : les futurs systèmes doivent par exemple être capables de sélectionner les produits mûrs, de les récolter et les manipuler. Ce type de manipulation fait intervenir plusieurs compétences : — Manipulation robuste de produits souples ; — Contrôle des forces de serrage des produits Par rapport à la figure 1.3, les capacités exigées sont de niveau 5/6. On peut citer le projet européen CROPS qui a pour but de développer un système robotique de manipulation et perception intelligent pour la production et la récolte durable. Des études ont été menées concernant le développement de bras manipulateurs dédiés à l’agriculture dans le but de réaliser de la manipulation dextre [Baur et al. (2012)]. Dans le cadre de ce projet, l’organe effecteur en bout de bras est une structure mécanique simple (1 ou 2 d.d.l.), mais des développements ont été menés afin de rendre ces systèmes plus intelligents, avec de meilleurs capacités de préhension et de manipulation : dans [Ohev-Zion et Shapiro (2011)], un algorithme pour la saisie d’objet fragile déformable est proposé, l’objectif de l’algorithme étant de déterminer les points de contact pour la saisie qui minimisent les forces à appliquer sur l’objet. Le domaine civil : Le domaine civil couvre les applications dirigées par les autorités gouvernementales civiles, nationales et locales. De nombreuses applications robotiques sont présentes dans l’ensemble des services proposés par ces autorités, ceux-ci couvrant le développement des infrastructures civiles, des routes, égouts, bâtiments publics, etc. Au vu des progrès technologiques en matière de surveillance et d’inspection, il sera à l’avenir intéressant de développer des systèmes d’intervention capables de réaliser de la maintenance et des tâches de manipulation dans ces environnements. Parmi les domaines concernés, on peut citer l’exploration sous-marine. Le projet européen TRIDENT porte sur le développement d’un système permettant l’intervention en milieu sous-marin. Une partie de ce projet se focalise sur la manipulation dextre en milieu sous-marin [Sanz et al. (2010)]. On peut également mentionner le projet ANR SEAHAND, qui porte sur le développement d’une main marinisée mobile pour la saisie robuste en environnement sous-marin.

 Difficulté de mise en œuvre de la préhension et manipulation dextre

 La mise en œuvre de la préhension et manipulation dextre représente un véritable défi technique : — Dextérité : la relocalisation de l’objet dans l’espace du préhenseur ne peut se faire qu’en augmentant, dans une certaine mesure, le nombre de d.d.l. du préhenseur. L’article [Mason et Salisbury Jr (1985)] montre qu’il faut en théorie un minimum de 9 d.d.l. pour réaliser une tâche dextre dans l’espace à trois dimensions avec un préhenseur rigide sans roulement ni glissement des points de contact. On voit alors apparaître une première difficulté lors de la conception des préhenseurs multidigitaux : proposer une mécanique avec suffisamment de d.d.l., tout en gardant une taille suffisamment réduite. Il y a donc un compromis à trouver entre dextérité et complexité mécanique. Mais le nombre de d.d.l. ne suffit pas à assurer un haut niveau de dextérité du préhenseur, et d’autres éléments doivent être pris en compte, tel que le débattement des doigts, l’espace de travail, les frottements du mécanisme, le poids global du système. La commande du préhenseur joue également un rôle très important pour la dextérité. D’après [Biagiotti et al. (2008)], un préhenseur avec peu de d.d.l. mais avec une commande adaptée peut être plus dextre qu’un préhenseur avec de nombreux d.d.l. et une commande désadaptée (Figure 1.5). Par le terme de «commande adaptée», on entend ici des solutions de commande améliorant les capacités de manipulation dextre du préhenseur. Ces solutions sont nombreuses : commande prenant en compte le roulement et le glissement entre l’objet et le préhenseur, commande en impédance, commande robuste aux incertitudes environnementales, etc. Le rôle de la commande est donc très important pour assurer une grande dextérité du préhenseur, qu’il soit multidigital ou simple. — Robustesse : On constate que les applications qui mettent en œuvre des manipulateurs dextres les font évoluer dans des environnements peu structurés. Le préhenseur peut être amené à interagir avec des objets de géométries très différentes et aux propriétés dynamiques très variables. Le préhenseur peut aussi être amené à saisir plusieurs fois un objet identique, mais à chaque saisie l’objet est placé différemment. On voit donc qu’il y a des incertitudes sur la localisation de l’objet, sa géométrie et sa dynamique ; ces incertitudes s’ajoutent parfois aux incertitudes de modélisation du préhenseur lui-même. Il est donc nécessaire de définir des critères de robustesse pour la manipulation dextre, afin d’assurer la saisie et la manipulation ferme d’un objet sans le détériorer en présence d’incertitudes. Afin de robustifier le système, deux possibilités peuvent être mises en œuvre : 1. L’ajout de capteurs : en récoltant plus d’informations sur son environnement, le préhenseur peut identifier les incertitudes en ligne. Deux types de capteurs existent : les capteurs extéroceptifs et les capteurs proprioceptifs. Les capteurs extéroceptifs sont externes au préhenseur, tel que la vision, alors que les capteurs proprioceptifs sont internes aux préhenseurs. Nous avons vu précédemment qu’il y avait un dilemme entre dextérité et complexité mécanique ; l’ajout de capteurs peut aussi complexifier la conception mécanique. Il peut donc devenir difficile d’ajouter des capteurs sur un préhenseur : comme le montre le tableau 1.1, aucun préhenseur ne dispose actuellement d’une instrumentation complète. De plus, les capteurs ne peuvent pas identifier certaines incertitudes environnementales : il parait difficile d’évaluer l’inertie d’un objet avant de l’avoir manipulé. 2. Définir des critères de robustesse dans la commande : la stratégie de commande peut prendre en compte les incertitudes de modèle et de saisie afin d’assurer la bonne réalisation de la tâche de manipulation en présence de ces incertitudes. Cette méthode évite de reprogrammer un nouveau correcteur à chaque fois que l’on change d’objet ou que l’objet est saisi différemment. La commande intègre ces changements comme des incertitudes environnementales et le préhenseur réalise la tâche dans un environnement incertain. — Opérabilité : La mise en œuvre de préhenseur dextre est complexe pour deux raisons : 1. l’augmentation du nombre de d.d.l. implique des stratégies de commande plus complexes, qui doivent gérer de nouveaux aspects tels que la redondance (un robot est redondant lorsque le nombre de d.d.l. du mécanisme est inférieur au nombre d’articulations motorisées). La redondance autorise donc des mouvements internes, c’est-à-dire que le préhenseur peut se déplacer sans modifier la position de l’objet saisi. Ceci implique qu’il peut exister une infinité de saisies pour une position donnée de l’objet. La modélisation du système et la commande doivent alors prendre en compte cet aspect et une stratégie doit être proposée afin de déterminer la saisie la plus adaptée. 2. Le préhenseur interagit avec un objet, il est donc nécessaire de gérer le contact entre le préhenseur et l’objet. En effet, si le préhenseur saisit l’objet de manière inappropriée, celui-ci peut glisser, voir tomber. La commande du préhenseur doit donc intégrer des contraintes liées à la saisie et au contact afin d’éviter toute instabilité de la prise. Ces nouvelles contraintes ont tendance à complexifier la stratégie de commande du préhenseur. Si l’opérateur doit reconfigurer le système pour une nouvelle tâche, il devra peut-être synthétiser un nouveau correcteur. L’ajout de nouvelles contraintes et une structure de commande plus élaborée peut rendre cette synthèse difficile et plus longue. Ainsi, les commandes de préhenseurs multidigitaux peuvent s’avérer difficile à reprogrammer ou à modifier, ce qui va à l’encontre du critère d’opérabilité demandé au préhenseur dextre. Récemment, de nouvelles commandes cherchent à améliorer l’opérabilité, par exemple en gérant la redondance [Bicchi et al. (2011)]. Au-delà de la structure mécanique du préhenseur, on constate que les trois fonctions (dextérité, robustesse, opérabilité) permettant de réaliser de la préhension et de la manipulation dextre sont fortement dépendantes de la commande du préhenseur. 

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