Les Robots Parallèles à Câbles (RPC) sont constitués d’une partie mobile appelée la plate-forme reliée par des câbles à une structure fixe. La position et l’orientation de la plate-forme sont contrôlées par l’intermédiaire des longueurs des câbles. Les RPC suspendus, pour lesquels tous les câbles sont situés au-dessus de la plate-forme et qui utilisent leur propre poids pour maintenir les câbles en tension, sont étudiés dans cette thèse.

Leur architecture confère aux RPC de nombreux avantages : un espace de travail important, une charge utile importante et un rapport entre masse propre et charge utile faible, qui permet des dynamiques rapides, une faible consommation d’énergie et un coût très faible. Il est également possible de construire des RPC de très grandes dimensions. De plus, ne pas avoir de câbles en-dessous de la plate-forme permet aux RPC suspendus de se servir de l’espace ainsi libéré sous la plate-forme à d’autres fins. Il est donc possible d’utiliser des RPC dans de grands volumes encombrés ou encore pour déplacer des objets au sol. Cependant, le contrecoup de ces avantages est dû à l’utilisation de câbles pour réaliser l’actionnement du RPC. Les câbles doivent rester en tension, un câble ne pouvant exercer un effort que dans un seul sens. L’actionnement par câbles présente donc une difficulté de commande supplémentaire puisqu’il faut veiller à la faisabilité de la tension demandée. En outre, le modèle des câbles est aussi un paramètre à prendre en compte dans le comportement des RPC. En effet, un câble pesant est soumis à l’effet de sagging, il s’affaisse sous son propre poids. Cet effet est en général négligé, les câbles étant le plus souvent considérés comme des solides au comportement linéaire élastique. Enfin, les câbles étant flexibles ; la raideur des RPC est de ce fait limitée, ce qui les rend sujets à des vibrations parasites potentiellement très importantes. Ce défaut réduit la capacité des RPC à effectuer certaines tâches. Cet inconvénient peut être atténué par l’augmentation de la tension dans les câbles pour certaines configurations de RPC, mais dans le cas suspendu cette solution n’est pas envisageable.

Le travail de recherche exposé dans la présente thèse a été réalisé dans le cadre du projet DexterWide [DexterWide]. Ce projet, financé par l’Agence Nationale de la Recherche sous la convention d’aide ANR-15-CE10-0006, regroupe un consortium de quatre parties : les laboratoires ICUBE – laboratoire des sciences de l’Ingénieur, de l’Informatique et de l’Imagerie (UMR7357) – et LIRMM – Laboratoire d’Informatique de Robotique et de Microélectronique de Montpellier (UMR5506) – ainsi que les entreprises Reel NFM et Tecnalia France.

Un des principaux objectifs du projet est d’embarquer sur la plate-forme d’un RPC de grandes dimensions un manipulateur industriel afin de cumuler les bénéfices du grand espace de travail d’un RPC et de la dextérité des robots sériels. Le manipulateur choisi est un bras robotique sériel SIA20F du fabricant Yaskawa.

Ce système composé de deux robots répond au besoin de certaines applications qui nécessitent l’exécution de tâches précises sur un grand espace de travail, par exemple pour des applications de manipulation ou d’inspection dans les secteurs de la construction navale, de l’aéronautique, du nucléaire et du génie civil. Dans le cadre de ce projet, trois applications ont été retenues pour des démonstrations expérimentales : une application sans contact, la peinture à la bombe, et deux applications en contact qui sont la découpe et le perçage de matériaux. La faible raideur de la plate-forme mobile du RPC constitue l’un des principaux défis de ce projet. En effet, à cause de celle-ci, l’influence du robot industriel embarqué sur la plate-forme mobile du RPC ne peut pas être négligée. Deux des tâches retenues pour les démonstrations expérimentales, la découpe et le perçage, font interagir le système avec son environnement. Ces actions génèrent un torseur d’effort sur le robot industriel qui est transmis au RPC. Compte tenu de la faible raideur du RPC, ce torseur d’effort provoque les vibrations de la plate-forme mobile.

Le projet DexterWide est consacré aux RPC pourvus d’actionneurs embarqués. Parmi les moyens fournis par Tecnalia et le LIRMM se trouve le RPC de grandes dimensions CoGiRo. Il s’agit d’un RPC suspendu à 8 câbles pour 6 degrés de liberté (DDL), ce qui en fait un robot à redondance d’actionnement.

Le robot CoGiRo est le résultat du précédent projet de recherche du même nom – pour Control of Giant Robots –, financé par l’ANR. La plate-forme de CoGiRo est un cube de 1 m de côté. La disposition des câbles de ce RPC est le fruit d’une optimisation [Gouttefarde et al., 2015a], visant à maximiser la distance entre le centre géométrique de la plate-forme et son CDG au travers d’un espace de travail donné. Le RPC ainsi conçu présente l’avantage d’avoir une charge utile importante.

Les dimensions de CoGiRo sont importantes, de même que ses autres caractéristiques physiques, les principales sont :
• longueur : 15 m
• largeur : 11 m
• hauteur : 6 m
• masse de la plate-forme : 300 kg
• charge utile : 200 kg

À noter que la masse importante de la plate-forme provient du fait qu’elle est chargée du robot sériel SIA20F, du stabilisateur et de leurs contrôleurs respectifs. À cause de la configuration particulière de CoGiRo, sa plate-forme est sujette à des vibrations dont la fréquence propre est faible, de l’ordre de grandeur du Hertz [Yuan et al., 2017].

Le but de cette thèse est de concevoir un système actif permettant de compenser les vibrations de la plate-forme mobile des RPC suspendus. Dans cette thèse, le robot industriel série embarqué n’est pas étudié, seuls les problèmes engendrés par les vibrations de la plate-forme le sont. Puisque ces vibrations sont inhérentes à la nature des RPC, il est nécessaire d’utiliser des techniques d’amortissement des vibrations pour stabiliser le système. Il existe trois techniques d’amortissement des vibrations :
• l’amortissement passif, qui consiste à ajouter un ensemble masse-raideur dimensionné pour amortir les vibrations à une fréquence donnée ;
• l’amortissement actif qui consiste à inclure dans la commande des enrouleurs un signal de correction des erreurs de positionnement dues aux vibrations. Cette technique nécessite une bonne connaissance du modèle du RPC;
• l’amortissement actif qui consiste à générer sur la plate-forme du RPC un torseur d’efforts produit à l’aide de dispositifs actionnés embarqués dédiés .

Les autres solutions ne permettant que partiellement de compenser les vibrations, le moyen choisi pour amortir les vibrations est l’ajout de dispositifs actionnés embarqués sur la plate-forme du RPC. L’ensemble de ces dispositifs est nommé stabilisateur. Les emplacements des dispositifs constituant le stabilisateur doivent être déterminés afin de permettre de compenser au mieux les vibrations de la plate forme. Ceci constitue un problème d’optimisation qui vise à trouver le meilleur emplacement et la meilleure orientation des dispositifs selon un critère choisi pour représenter l’influence du stabilisateur et en respectant des contraintes de faisabilité de la solution. À cause du grand nombre de solutions et de la complexité des relations entre les paramètres, les techniques d’optimisation déterministes ne peuvent permettre d’atteindre la solution optimale qu’au terme d’un temps de calcul prohibitif. La résolution de ce problème se fait par l’utilisation d’une méta-heuristique évolutionniste. Ensuite, une fois le stabilisateur totalement défini, une commande doit être synthétisée pour l’utilisation du RPC muni de son stabilisateur. Ce système, composé de deux sous systèmes effectuant des tâches à des échelles de temps différentes – temps long pour le déplacement de la plate-forme du RPC et rapide pour le stabilisateur – peut être analysé au moyen des outils de la théorie des perturbations singulières. Enfin, une validation en simulation permet de démontrer l’intérêt d’utiliser un stabilisateur composé de dispositifs embarqués sur la plate forme du RPC pour la compensation active des vibrations.

Glossaire

BOZ Bloqueur d’Ordre Zéro
CDG Centre de Gravité
DDL Degré de Liberté
EMQ Erreur Moyenne Quadratique
ETC Espace de Travail du Câble
OEP Optimisation par Essaim de Particules
PD Correcteur Proportionnel-Dérivé
PFD Principe Fondamental de la Dynamique
RPC Robot Parallèle à Câbles