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Modélisation et compensation des déficiences linéaires et non linéaires dans les transmissions électromécaniques des robots humanoïdes

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Viacheslav Khomenko
Viacheslav Khomenko

Modeling and compensation of linear and nonlinear defects in electromechanical transmissions of humanoid robots. Walking robots need precise control for legs articulations because it influence their equilibrium. It is necessary to compensate vibrational effects caused by imperfections in their articulations, like elasticities, mechanical backlashes, frictions and structural deformations and those appearing during shocks with the ground or when forces become significant. Our approach consists in correcting the inputs of the robot control system in a robust way according to variations of functional conditions and robot parameters. To reach this objective, we use adaptive and learning control methods, nonlinear oscillators. The research problematic, objectives, and state of the art are presented in the chapter 1. As it’s necessary to know exact torques of a robot, we present in the chapter 2 an approach of polyarticulated multi-masses systems modeling that takes into account its control system, mechanical transmissions and nonlinearities of transmissions. Experimental validations are carried on the biped robot ROBIAN. The chapter 3 explains the instrumentation of the non-direct articulation accelerations measurement method based on distributed accelerometer measurements on the body of the robot. The chapter 4 concerns experimental validation of compensation and control methods for ROBIAN for different kinds of flexion/extension movements.

Ingénierie
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MODÉLISATION ET COMPENSATION DES DÉFICIENCES LINÉAIRES ET NON LINÉAIRES DANS LES TRANSMISSIONS ÉLECTROMÉCANIQUES DES ROBOTS HUMANOÏDES Thèse de Doctorat en co-tutelle entre l’Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines et l’Université Nationale Technique de Donetsk soutenue par Viacheslav KHOMENKO 5 juillet 2013 Membres du jury Directeurs Patrick HENAFF Maître de Conférences HDR, UCP, FRANCE de thèse Volodymyr BORYSENKO Professeur, UNTD, UKRAINE Féthi BEN OUEZDOU Professeur, UVSQ , FRANCE Rapporteurs Gabriel ABBA Professeur, ENI de Metz, LCFC, FRANCE Frank PALIS Professeur, OVGUM, Magdeburg, ALLEMAGNE Examinateurs Yasser ALAYLI Professeur, UVSQ, FRANCE Thierry DHORNE Professeur, Ambassade de France en Ukraine, FRANCE Olivier BRUNEAU Maître de Conférences HDR, UVSQ , FRANCE Invitée Olga TOLOCHKO Professeure, UNTD, chef de la chaire, UKRAINE
I. Problématique et état de l’art II. Mise en évidence des phénomènes sur ROBIAN III. Modélisation multimasse des systèmes robotiques IV. Mesure des mouvements articulaires V. Compensation et contrôle des déficiences VI. Conclusions et perspectives PLAN DE LA PRÉSENTATION 2 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY
ROBOTS HUMANOÏDES ÉLECTROMÉCANIQUES NAO Aldebaran, France (industriel) iCub, iit, UE (recherche) Bipède DLR, Allemagne (industriel) HRP 4, AIST, Japon (industriel) ASIMO, Honda, Japon (industriel) Rollin' Justin, DLR, Allemagne (industriel) CHARLI, RoMeLa, États-Unis (recherche) KHR-2, KAIST, Corée du Sud (recherche) TAILLE ENFANT PARTIE SUPÉRIEURE TAILLE ADULTE PARTIE INFÉRIEURE 3 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (I) PROBLÉMATIQUE ET ÉTAT DE L’ART
OSCILLATIONS DES MEMBRES (JAMBES, BRAS) ET DU CORPS (BASSIN, TORSE, TÊTE) → INFLUENCE L’ÉQUILIBRE → LIMITE LA VITESSE MAXIMALE DE LA MARCHE → NON ESTHÉTIQUE PROBLÉMATIQUE 4 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (I) PROBLÉMATIQUE ET ÉTAT DE L’ART
[Y.-H. Chang 2008] → correcteurs CoM et ZMP ne compensent pas le phénomène [J.-Y. Kim 2006] et [Y.-H. Chang 2011] → compensations en phase de simple support à base d’observateur des vitesses articulaires et mesure des forces d’interaction avec le sol (correction par les chevilles) [X. Ren 2010] → rejet des perturbations d’un bras 2 d.d.l. [M. Vukobratovic 2004] → imperfections articulaires → élasticité série et frottements [S. Lohmeier 2010] → flexibilités structurelles ÉTAT DE L’ART • NATURE DES OSCILLATIONS DES ROBOTS HUMANOÏDES PEU ÉTUDIÉE • ABSENCE DE LA MÉTHODE ADAPTABLE À LA VARIABILITÉ DE LA MARCHE • SEULEMENT SIMPLE SUPPORT CONSIDÉRÉ 5 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (I) PROBLÉMATIQUE ET ÉTAT DE L’ART
OBJECTIFS ET MÉTHODES OBJECTIFS • Comprendre l’origine des oscillations • Mesurer ces oscillations • Compenser ces oscillations MÉTHODES • Modélisation, identification, simulation • Compliance contrôlée • Adaptation et apprentissage VALIDATION EXPÉRIMENTALE RObot BIpède ANthropomorphique • 1,20 m; 30 kg • 6 d.d.l. actifs par jambe (hanche : 3, genou : 1, cheville : 2) • Mécanisme parallèle pour la hanche • Accès aux paramètres des boucles d’asservissement [R. Sellaouti 2005] 6 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (I) PROBLÉMATIQUE ET ÉTAT DE L’ART
7 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY II MISE EN ÉVIDENCE DES PHÉNOMÈNES SUR ROBIAN
ÉLASTICITÉS ET FLEXIBILITÉ DE LA STRUCTURE Transfert du bassin de droite à gauche Transfert du bassin de gauche à droite MARCHE DU ROBOT (ALGORITHME DE LA THESE DE P.F. DOUBLIEZ, 2011) Force pied gauche Accélération jambe gauche • Asservissement trop raide, perte d’équilibre • Contrôle de compliance améliore l’équilibre CONTRÔLE D’ÉQUILIBRE Choc Oscillations Accélération frontale pelvis Force pied droit 2,1 Hz Levé Transfert Posé jambe gauche Levé Transfert Posé jambe droite t, (s) 8 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (II) MISE EN ÉVIDENCE DES PHÉNOMÈNES SUR ROBIAN
ÉLASTICITÉS ET FLEXIBILITÉ DE LA STRUCTURE FLEXIONS/EXTENSIONS VERTICALES DÉBATTEMENTS GAUCHE/DROIT En l’air Au sol Cuisse gauche Cuisse droite Au sol Cuisse gauche Cuisse droite En l’air Arrêt Arrêt Arrêt Arrêt 9 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (II) MISE EN ÉVIDENCE DES PHÉNOMÈNES SUR ROBIAN
OSCILLATIONS DE LA JAMBE EN L’AIR DANS LE PLAN SAGITTAL 3,6 Hz Hanche gauche ÉLASTICITÉS ET FROTTEMENTS ARTICULAIRES Élasticité Frottements Hanche droite 3.15 Nm, 0.5 Hz 12.6 Nm, 1 Hz 9.8 Nm, 0.5 Hz 6.3 Nm, 0.5 Hz t, (s) 2 Arrêt Démarrage Mouvements périodiques Cm φ . φ MÊME PHÉNOMÈNE IMPACT DIFFÉRENT 10 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (II) MISE EN ÉVIDENCE DES PHÉNOMÈNES SUR ROBIAN
NATURE DES DÉFICIENCES Mécanique Électrique • Frottements, élasticités, jeux mécaniques • Grande variabilité • Interactions périodiques avec le sol (chocs) • Chaîne cinématique alternée du système (ouverte et fermée) • Flexibilités structurelles • Charge des moteurs variable • Augmentation du couple au lever du pied et toucher contre le sol • Surchauffe des moteurs • Couple articulaire différent du couple du moteur DÉFICIENCE – imperfection intrinsèque qui perturbe les mouvements du robot Logicielles • ROBOTS MANUFACTURIERS : EN PARTIE RÉSOLU • ROBOTS HUMANOÏDES : PEU ÉTUDIÉ Électroniques Non abordées 11 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (II) MISE EN ÉVIDENCE DES PHÉNOMÈNES SUR ROBIAN
DÉFICIENCES MÉCANIQUES : CAS DE ROBIAN Statique Dynamique Jeu mécanique, non linéarité géométrique f = 20 – 60 Hz (rotation verticale) Élasticité articulaire f = 2 – 6 Hz (flexion) Inexactitude de positionnement • Erreur 5° (plan frontal) • Erreur 2° (plan sagittal) Vibrations haute fréquence f > 100 Hz Frottement (hanche, genou) et grippage (cheville) DÉPENDANCE DES PHASES PRINCIPALES DE LA MARCHE DÉFICIENCE PHÉNOMÈNE Oscillations Appui latéral droit (simple support) Appui latéral gauche (simple support) Double appui MODÉLISATION ? 12 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (II) MISE EN ÉVIDENCE DES PHÉNOMÈNES SUR ROBIAN
13 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY III MODÉLISATION MULTIMASSE DES SYSTÈMES ROBOTIQUES
MODÉLISATION MULTIMASSE      DuCxy BuAxx  T résCC1=u vecteur d’entrée  T ωCω 2121=y vecteur de sortie  T xxx 321=x vecteur des variables                                                      00 00 00 = 100 001 = 1 0 00 0 1 =101= 121212 2 1 2 12 2 12 2 12 1 12 1 12 1 12 DC BA    r T T TT r T TT r T M M MMM MMM 12 12r raideur articulaire amortissement NOMBRE D’ARTICULATIONS IMPORTANT ? Mouvement libre Oscillations élastiques C1(t)=δ(t) 14 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (III) MODÉLISATION MULTIMASSE DES SYSTÈMES ROBOTIQUES SYSTÈME DE BASE À 2 MASSES
MODÉLISATION MULTIMASSE                                  10000000 00000 00100000 00010000 00000 00000100 00000 00000001 ,1,1,1 232323 121212 nnnnnn r r r       C EXTENSION EN SÉRIE                                                          Mn nn Mn nn Mn nn Mn nn Mn nn Mn nnnn MMM MMMMM MMM TT r T TT r T TT r T TT r TT r T TT r T ,1,1,1 1 ,1 1 ,1 1 ,11,2 3 3423 3 23 3 23 2 23 2 23 2 2312 2 12 2 12 1 12 1 12 1 12 00000 10100000 00000 00000 00010100 000 00000101 00000         A                                           0 1 0000 100000 00 1 000 000 1 00 000000 0000 1 0 000000 00000 1 1 3 2 1 Mn Mn M M M T T T T T    B Liaison encastrée (impédance infinie) Liaison libre (impédance nulle ) ≈≈ CAS PARTICULIERS                               000000 00000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 ,1 nn   D 15 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (III) MODÉLISATION MULTIMASSE DES SYSTÈMES ROBOTIQUES
MODÉLISATION MULTIMASSE BRANCHEMENT DIVERGEANT BRANCHEMENT CONVERGEANT                                                                                                                                      0000000 000000 0000000 000000 0000000 000000 0000000 1000000 0000 0010000 0000 0000100 0000 0000001 00 1 000 1000000 000 1 00 0100000 0000 1 0 0010000 000 1 0000 1000001 0000 0010001 0000 0000101 ,1 13 12 ,1,1,1 131313 121212 ,1 3 13 3 2 12 2 ,11312 1 ,1,1,1 3 13 3 13 3 13 2 12 2 12 2 12 1 ,1 1 ,1 1 13 1 13 1 12 1 12 1 2 ,1 nnnn nM n nM MM MM n M Mn n Mn n Mn n MMM MMM M n M n MMMMM n l l r r r TT TT TT T TT r T TT r T TT r T TT r TT r TT r T                           DC BA                                                                                                                                                                     1 1 , ,1 ,2 ,1 1 1 ,,1,1,2,2,1,1 ,1,1,1 ,2,2,2 ,1,1,1 1 1 , 1 ,1 1 2 ,2 2 1 ,1 1 1 1 ,,1,1,2,2,1,1 1 ,1 1 ,1 1 ,1 2 ,2 2 ,2 2 ,2 1 ,1 1 ,1 1 ,1 0000 00000 0000 00000 0000 00000 0000 00000 1000000 0000 0010000 0000 0000100 0000 0000001 1 000 10000 0 1 00 10000 00 1 0 10000 000 1 1010000 0000 1000100 0000 1000001 0000 n l nl nn n n n l nlnnnnnnnn nnnnnn nnn nnn nM n l nl nM nM nn nM M n M M n M nM n l nl nM nn nM nn nM n nM n nM n nM n nM nn nM nn nM nn M n M n M n M n M n M n rrr r r r TT TT TT TT TT r TT r TT r T TT r T TT r T TT r T                             DC BA 16 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (III) MODÉLISATION MULTIMASSE DES SYSTÈMES ROBOTIQUES
h1 h2 x q3 q2 q1 z MODÉLISATION MULTIMASSE DE ROBIAN CHAINE FERMÉE HANCHE PARALLÈLE CHAINE OUVERTE δ jeu mécanique dans la hanche x q1 h1 q3 q2 y z h2 Hanche droite Sandyc Industries y [R. Sellaouti 2005] FROTTEMENTS ? 17 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (III) MODÉLISATION MULTIMASSE DES SYSTÈMES ROBOTIQUES
HANCHE GAUCHE HANCHE DROITE IDENTIFICATION DES FROTTEMENTS ARTICULAIRES MODÈLE NON LINÉAIRE DE FROTTEMENT 𝐶 𝐶𝑝= 1,883 Nm 𝐶 𝐶𝑛=1,962 Nm 𝐶𝑣𝑝=18,53 Nm∙s rad 𝐶𝑣𝑛=14,18 Nm∙s rad 𝐶 𝐶𝑝=1,155Nm 𝐶 𝐶𝑛=1,415 Nm 𝐶𝑣𝑝=12,27 Nm∙s rad 𝐶𝑣𝑛=10,48 Nm∙s rad 𝐶𝑓𝑟 𝜑 = 𝐶 𝐶𝑝 + 𝐶𝑣𝑝 ∙ 𝜑 + 𝐶𝑆𝑝 ∙ 𝑒 − 𝜑 𝜑 𝑆𝑝 𝑑 𝑝 , pour 𝜑 > 0 −𝐶 𝐶𝑛 + 𝐶𝑣𝑛 ∙ 𝜑 − 𝐶𝑆𝑛 ∙ 𝑒 − −𝜑 𝜑 𝑆𝑛 𝑑 𝑛 , autrement , pour 𝜑 ≥ 𝜑 𝑚𝑖𝑛 𝜑 ∙ 𝐶 𝐶𝑝 + 𝐶𝑣𝑝 ∙ 𝜑 𝑚𝑖𝑛 + 𝐶𝑆𝑝 ∙ 𝑒 − 𝜑 𝑚𝑖𝑛 𝜑 𝑆𝑝 𝑑 𝑝 𝜑 𝑚𝑖𝑛 , pour 𝜑 > 0 𝜑 ∙ −𝐶 𝐶𝑛 + 𝐶𝑣𝑛 ∙ 𝜑 𝑚𝑖𝑛 − 𝐶𝑆𝑛 ∙ 𝑒 − −𝜑 𝑚𝑖𝑛 𝜑 𝑆𝑛 𝑑 𝑛 𝜑 𝑚𝑖𝑛 , autrement , autrement PROBLÈME DE LA MESURE DES MOUVEMENTS ARTICULAIRES? Sec VisqueuxStribeck Mesure Simulation 18 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (III) MODÉLISATION MULTIMASSE DES SYSTÈMES ROBOTIQUES [B. Armstrong-Hélouvry 1994]
19 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY IV MESURE DES MOUVEMENTS ARTICULAIRES
a) b) c) d) e) MESURE DES MOUVEMENTS ARTICULAIRES a) c) d) Position articulaire MOUVEMENT DE LA JAMBE DANS LE PLAN SAGITTAL c) 1ère dérivation 2ème dérivation 3me dérivation a) b) DÉVIATION DE L’AXE DE ROTATION QUI CRÉER UNE ERREUR DE MESURE MOUVEMENT DE LA JAMBE DANS LE PLAN FRONTAL CRÉER UNE ERREUR DE MESURE DE L’ANGLE ARTICULAIRE SAGITTAL Capteur d'angle magnétique sans contact monté sur l’axe de rotation Contelec Vert-X 13 ARTICULATION SAGITTALE DE LA HANCHE SOLUTION PROPOSÉE : UTILISATION D’ACCÉLÉROMÈTRES 20 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (IV) MESURE DES MOUVEMENTS ARTICULAIRES
UTILISATION D’ACCÉLÉROMÈTRES Principe de positionnement des capteurs sur un corps (cuisse) 𝑎 𝐶𝑥 = 𝑔 𝑥 + 𝑎 𝐵𝑥 𝑎 𝐶𝑦 = 𝑔 𝑦 − 𝑎 𝐴𝑦 𝛼 = 𝑎 𝐴𝑦 − 𝑎 𝐵𝑦 𝑟𝐴𝑥 𝒂 𝐵 𝓡 𝑂 = 𝒂 𝐴 𝓡 𝑂 + 𝝎 𝓡C × 𝝎 𝓡C × 𝒓 𝐵 − 𝒓 𝐴 + 𝜶 𝓡C × 𝒓 𝐵 − 𝒓 𝐴 𝑎 𝐶𝑥 = 𝑔 𝑥 + 𝑎 𝐵𝑥 + 𝛼 ∙ 𝑟𝐵𝑦 − 𝜔2 ∙ 𝑟𝐵𝑥 𝑎 𝐶𝑦 = 𝑔 𝑦 − 𝑎 𝐴𝑦 ∙ 𝑟𝐴𝑥 − 𝑎 𝐵𝑦 ∙ 𝑟𝐴𝑥 + 𝜔2 ∙ 𝑟𝐴𝑦 ∙ 𝑟𝐵𝑥 − 𝑟𝐴𝑥 ∙ 𝑟𝐵𝑦 𝑟𝐴𝑥 − 𝑟𝐵𝑥 𝛼 = 𝑎 𝐴𝑦 − 𝑎 𝐵𝑦 + 𝜔2 ∙ 𝑟𝐴𝑦 − 𝑟𝐵𝑦 𝑟𝐴𝑥 − 𝑟𝐵𝑥 Dépendance entre les accélérations mesurées aux points A et B Alignement 𝑟𝐴𝑦 = 𝑟𝐵𝑦 Accélération angulaire Accélérations linéaires Sur l’axe de rotation 𝑟𝐵𝑥 = 0 QUELLES SONT LES ERREURS DE MESURE ? PROBLÈME 2D Accélération angulaire Accélérations linéaires 21 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (IV) MESURE DES MOUVEMENTS ARTICULAIRES Sur l’axe du corps
SOURCES D’ERREURS DE LA MESURE D’ACCÉLÉRATION • Résolution d’échantillonnage, erreur inférieure à 2% (pour CAN 12 bits) • Bruit de mesure o réduit pour l’accélération angulaire (mesure différentielle 𝑎 𝐴𝑦 − 𝑎 𝐵𝑦) o non réduit pour les accélérations linéaires • Alignement des capteurs sur l’axe du corps PROBLÈME DE LA MESURE EN 3 DIMENSIONS ? 22 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (IV) MESURE DES MOUVEMENTS ARTICULAIRES Éloignement Désalignement 𝜀 𝛼 ≡ 𝑟𝐴𝑦 − 𝑟𝐵𝑦 𝑟𝐴𝑥 𝛼 = 𝑎 𝐴𝑦 − 𝑎 𝐵𝑦 + 𝜔2 ∙ 𝑟𝐴𝑦 − 𝑟𝐵𝑦 𝑟𝐴𝑥 − 𝑟𝐵𝑥
PROBLÈME DE MESURE D’ACCÉLÉRATIONS À TROIS DIMENSIONS    BApppBAppppCpBAp qq ,, * , rωωrαgaa   ∆= 1 0 0 0 −𝑟𝑝𝐴𝑦 −𝑟𝑝𝐴𝑧 0 1 0 𝑟𝑝𝐴𝑥 0 𝑟𝑝𝐴𝑦 0 0 1 𝑟𝑝𝐴𝑧 −𝑟𝑝𝐴𝑥 0 1 0 0 0 −𝑟𝑝𝐵𝑦 −𝑟𝑝𝐵𝑧 0 1 0 𝑟𝑝𝐵𝑥 0 𝑟𝑝𝐵𝑦 0 0 1 𝑟𝑝𝐵𝑧 −𝑟𝑝𝐵𝑥 0 = 0 2 accélérations angulaires et 3 linéaires              px zyxpApBxzyxpBpAx zyxCp px yzpAyzpB zyp r arar a r aa ,,,, ,, ,, , Vitesse angulaire selon l’axe verticale négligeable 0pzω Singularité COMPARAISON AUX APPROCHES HABITUELS ? PROBLÈME 3D 23 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (IV) MESURE DES MOUVEMENTS ARTICULAIRES
RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX Méthode par double dérivation d'un inclinomètre (SCA102T) Méthode par dérivation d'un gyroscope (LPR530AL) Méthode proposée avec accéléromètres • Meilleure bande passante • Moins du bruit de mesure • Mesure sur des axes non physiques 24 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (IV) MESURE DES MOUVEMENTS ARTICULAIRES
ANALYSE DES MOUVEMENTS HUMAINS ET ROBOTIQUES Lentes Rapides Flexions/extensions d’une personne (UNTD, mai 2013) PRINCIPE RÉSULTAT MÉTHODE 25 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (IV) MESURE DES MOUVEMENTS ARTICULAIRES Accélération angulaire Position articulaire Être humain
CALIBRAGE – APPRENTISSAGE DU MODÈLE DIRECT AVEC SYSTÈME DE CALIBRAGE PAR MOTION CAPTURE Mouvement de flexion/extension 0.3 Hz Arrêt de la flexion/ extension ε = 𝑛 𝑎 𝑀𝐶 𝑛 − 𝑎 𝑅𝑁 𝑛 2 Mouvement de flexion/extension Arrêt du mouvement Mouvements à 0,1 Hz Mouvements à 0.15 Hz Repos F/E Rotation du bassin Balancement gauche/droit APPRENTISSAGE COMMENT COMPENSER LES DÉFICIENCES ? Jambe de ROBIAN 26 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (IV) MESURE DES MOUVEMENTS ARTICULAIRES Erreur sur la base d’apprentissage Erreur sur la base de test ERREUR SUR LA BASE DE TESTERREUR SUR LA BASE D’APPRENTISSAGE
27 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY V COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES
COMPENSATION DES FROTTEMENTS ET DE LA GRAVITÉ POUR LA JAMBE Schéma de compensation du frottement « feed back / feed forward » [J.-P. Hauschild 2004] Compensation : mouvement « forcé » sinusoïdal Mouvement « libre » COMPENSATION POUR 2 ARTICULATIONS (HANCHE ET GENOU) Cm φ . φ φréf Cm φ . φ 28 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (V) COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES
COMPLIANCE CONTRÔLÉE À BASE D’ACCÉLÉROMÈTRES 𝐶𝑒𝑥𝑡 = 𝐾 𝑃 ∙ 𝜑m𝑑 − 𝜑m − 𝐽m 𝑑𝜔m 𝑑𝑡 − 𝐽2 𝑎2 − 𝑎1 𝑟12 Mesure de la force externe appliquée au robot Loi de contrôle proposée 𝐾 𝑃 ∙ 𝜑1𝑑 − 𝜑1 Compliance par variation des gains du PID → [H. Serhan 2010] 29 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (V) COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES ∆𝐾 𝑝 = 𝐺 𝐶𝑒𝑥𝑡 𝑝 𝑇𝑓 𝑝 + 1 Ajustement des gains d’asservissement
TOLÉRANCE PAR RAPPORT AUX FORCES EXTERNES Impact provoqué par le choc Déplacement manuel lent Déplacement manuel rapide • ABSORPTION DES IMPACTS EN INTERACTION AVEC L’ENVIRONNEMENT • RAPIDITÉ 30 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (V) COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES 𝜑non comp. 𝜑, (rad) 𝜑/5, (rad/𝑠) ∆𝐾, (%)
STABILISATION DE L’ÉQUILIBRE DANS LE PLAN SAGITTAL Sans compliance Avec compliance t fin = 1,4 s AVEC COMPLIANCESANS COMPLIANCE • PRISE EN COMPTE DE LA VARIABILITÉ DES PHÉNOMÈNES ? 𝜑 𝐻 = −𝜑 𝐺 2 𝐶 𝐺𝑚 = −(𝜑 𝐺𝑑−𝜑 𝐺) ∙ 𝐾 𝑃 −( 𝜑 𝐺𝑑− 𝜑 𝐺) ∙ 𝐾 𝐷 + 𝐶 𝐺𝑓𝑟 + 𝐾𝐴 ∙ 𝑎 𝑥 𝜑 𝐶ℎ = −𝜑 𝐺 2 𝐶 𝐺𝑚 = 𝑓(𝑎 𝑥) 𝑎 𝑥 31 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (V) COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES
COMPENSATION DES DÉFICIENCES PAR RÉSEAUX DE NEURONES NON OSCILLANTS Structure du contrôle neuronal « feedback-feedforward » Loi d’adaptation des poids synaptiques [X. Ren 2009] : 𝜔 = −Γ ∙ Φ 𝑥 ∙ 𝑒 𝑣 𝑇 − 𝜎 ∙ Γ ∙ 𝑒 𝑣 ∙ 𝜔 32 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (V) COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES
COMPENSATION DES OSCILLATIONS PAR RÉSEAUX DE NEURONES Non compensé Compensé Hanche Genou Hanche Genou Poids synaptiques Poids synaptiques (normalisés) du genou 20 mouvements périodiques 0.25 Hz Non compensé Compensé EXPÉRIMENTATION SIMULATION Accélérations articulaires Accélérations articulaires du genou 33 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (V) COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES
EXPÉRIMENTATION SUR ROBIAN PLANS DE PHASES D’OSCILLATION DE LA JAMBE Point de départ = point d’arrivée SANS COMPENSATION AVEC COMPENSATION Point de départ = point d’arrivée PHÉNOMÈNES OSCILLATOIRES UTILISATION DES OSCILLATEURS NON LINÉAIRES ? 34 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (V) COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES
COMPENSATION DES DÉFICIENCES PAR OSCILLATEURS NON LINÉAIRES Oscillateur de Hopf 𝑑𝑥 𝑑𝑡 = −𝜇 − 𝑥2 − 𝑦2 𝑥 − 𝜔𝑦 + 𝐾𝑭 𝒕 𝑑𝑦 𝑑𝑡 = −𝜇 − 𝑥2 − 𝑦2 𝑦 − 𝜔𝑥 SYNCHRONISATION DE L’OSCILLATEUR DE HOPFAVEC UN SIGNAL PÉRIODIQUE f = 3 Hz 𝑑𝜔 𝑑𝑡 = −𝐾𝐹 𝑡 𝑦 𝑥2 + 𝑦2 Loi de synchronisation début fin début fin MODÈLE [L. Righetti 09] et [A. Ahmadi 09] 𝑭 𝒕 35 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (V) COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES 𝒙 𝒕
SYNCHRONISATION DE L’OSCILLATEUR AVEC LE SYSTÈME À DEUX MASSES Système dissipatif couplé avec l’oscillateur de Hopf Système dissipatif auto-couplé Accélérations de la deuxième masse Couplé avec l’oscillateur K=200 Auto couplé K=0.4 Sans compensation K=0 • Système auto couplé → modification de l’atténuation • Couplage par oscillateur → modification de la fréquence et de l’atténuation Couplé avec l’oscillateur K=30 Auto couplé K=0.05 Sans compensation K=0 Couplé avec l’oscillateur K=200 Auto couplé K=0.4 Sans compensation K=0 Couples élastiques 36 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (V) COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES
EXPÉRIMENTATION POUR DES MOUVEMENTS DE FLEXION – EXTENSION PRINCIPE DENSITÉ SPECTRALE DU SIGNAL D’OSCILLATEUR Sans couplage Avec couplage 37 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (V) COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES Évolution de la fréquence Corrélation entre le signal d’accéléromèt re et l’oscillateur de Hopf APPRENTISSAGE DE L’OSCILLATEUR DE HOPF Synchronisation non réalisée Réalisée 2,5 Hz
Avec couplage EXPÉRIMENTATION POUR DES MOUVEMENTS DE FLEXION – EXTENSION Évaluation temporelle des composantes fréquentielles d’accélération sagittal du pelvis du robot • Oscillateur retrouve les fréquences propres du système • Adaptation en continu aux évolutions des fréquences 38 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (V) COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES Portraits de phase de la fréquence de l’oscillateur de Hopf Sans couplage
CONCLUSIONS Comprendre l’origine des oscillations • Expérimentations sur ROBIAN montrent la variabilité des phénomènes • Modèle multimasse générique avec application à ROBIAN • Identification des frottements articulaires • MGI non linéaire de la hanche d’ordre 2 diminue l’erreur de positionnement du pied Mesurer les oscillations • Système à base d’accéléromètres o Mesures des accélération articulaires (diminue la bruit, augmente la bande passante et sensibilité) o Accès aux axes articulaires virtuels o Mesure des couples externes appliqués au robot Compenser les oscillations • Compliance contrôlée • Approche par apprentissage robuste : o Architecture « feedback – feedforward » o Architecture à base d’oscillateur non linéaire 39 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (VI) CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
PERSPECTIVES Extensions immédiates • Plusieurs oscillateurs par jambe • Analyse du mouvement humain • Validation de la méthode pendant la marche du robot • Application dans l’industrie en Ukraine (machines multimasses de séparation par vibrations) Long terme • Intégration d’une architecture complète d’accéléromètres dans les robots humanoïdes • Interaction physique « homme – robot » • Commande dynamique intégrant les mesures des accélérations articulaires et le calcul du modèle dynamique en ligne 40 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (VI) CONCLUSION ET PERSPECTIVES
MERCI DE VOTRE ATTENTION 41 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY
BIBLIOGRAPHIE [B. Armstrong-Hélouvry 1994] Armstrong-Hélouvry B., Dupont P., de Wit C.C. A survey of models, Analysis Tools and Compensation Methods for the Control of Machines with Friction / Automatica, Vol. 30, No. 7, P. 1083-1138. 1994. [M. Vukobratovic 2004] Vukobratovic M., Potkonjak V., Tzafestas S. Human and Humanoid Dynamics // Journal of Intelligent & Robotic Systems. – Springer Netherlands. – Vol. 41. – N. 1. – 2004. – P. 65-84. [J.-P. Hauschild 04] Hauschild,J.-P.,Heppler,G.and Mc Phee,J.(2004), “Friction compensation of harmonic drive actuators”, paper presented at 6th International Conference on Dynamics and Control of Systems and Structures in Space. [R. Sellaouti 2005] Sellaouti R., Ouezdou F.B. Design and control of a 3DOFs parallel actuated mechanism for biped application / Mechanism and Machine Theory 40 (2005) 1367–1393. [J.-Y. Kim 2006] Kim J.-Y., Park I.-W., Oh J.-H. Experimental realization of dynamic walking of the biped humanoid robot KHR-2 using zero moment point feedback and inertial measurement / Advanced Robotics, Vol. 20, No. 6, pp. 707–736 (2006) [Y.-H. Chang 2008] Chang Y.-H., Oh Y., Kim D., Hong S., “Vibration Suppression and Balance Control for Biped Humanoid Walking,” 17th IFAC World Congress 2008. [X. Ren 2009] Ren X., Lewis F. L., and Zhang J., “Neural network compensation control for mechanical systems with disturbances,” Automatica, vol. 45, no. 5, pp. 1221–1226, May 2009. [A. Ahmadi 2009] Ahmadi A., Mangieri E., Maharatna K., and Zwolinski M., Physical realizable circuit structure for adaptive frequency Hopf oscillator, 2009 Joint IEEE North-East Workshop on Circuits and Systems and TAISA Conference, no. 3, pp. 1- 4, Jun. 2009. [L. Righetti 2009] Righetti L., Buchli J., and Ijspeert A. J., Adaptive Frequency Oscillators and Applications, The Open Cybernetics and Systemics Journal, vol. 3, no. 2, pp. 64-69, Oct. 2009. [S. Lohmeier 2010] Lohmeier S. Design and realization of a humanoid robot for fast and autonomous bipedal locomotion [Elektronische Ressource] = Entwurf und Realisiserung eines humanoiden Roboters für schnelles und autonomes Laufen / Sebastian Lohmeier, München, Techn. Univ., Diss., 2010, 200p. [H Serhan 2010] Serhan H., Nasr C. et Hénaff P. Muscle emulation with dc motor and neural networks for biped robots. International Journal of Neural Systems, 10:341–353, 2010. [Y.-H. Chang 2011] Chang Y.-H., Oh Y.H., Kim D., Choi Y., You B.-J. Apparatus and method for balancing and damping control in whole body coordination framework for biped humanoid robot / Patend Application Publication US 2011/0196532 A1, Aug. 11, 2011. [P.F. Doubliez 2011] Doubliez P.-F., “Marche de robots bipèdes anthropomorphes, simulation et validation expérimentale”. Thèse de doctorat de l’UVSQ, soutenu le 6 juillet 2011. 42V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY
1. Melnyk A., Khomenko V., Borisenko V., Henaff P., “Physical human–robot interaction in the handshaking case: learning of rhythmicity using oscillators neurons” , Proceedings of 2013 IFAC Conference on Manufacturing Modeling, Management, and Control, IFAC MIM '2013, St Petersburg, Russia, 19-21 June 2013. 2. Pugach G., Khomenko V., Pitti A., Melnyk A., Henaff P., Gaussier Ph., “Electronic hardware design of a low cost tactile sensor device for physical Human-Robot Interactions”, Proceedings of 2013 IEEE XXXIII International Scientific Conference on Electronics and Nanotechnology, IEEE ELNANO ‘2013, Kiev, Ukraine, 16-19 April 2013. 3. Khomenko V., Melnyk A., Mesnil A., Henaff P., Borysenko V., “Adaptive behavior of electromechanical anthropomorphic robots during physical interaction with environment and with human being”, Theoretical and Applied Aspects of Cybernetics, Proceedings of the 2nd International Scientific Conference of Students and Young Scientists, Cybernetics Faculty of T. Shevchenko National University of Kyiv, V.M. Glushkov Institute of Cybernetics of National Academy of Sciences of Ukraine, 12-16 November 2012. 4. Riabchenko V., Nikitin A., Khomenko V., Melnyk A., “Application of the computer vision technology to control of robot manipulators”, Theoretical and Applied Aspects of Cybernetics, Proceedings of the 2nd International Scientific Conference of Students and Young Scientists, Cybernetics Faculty of T. Shevchenko National University of Kyiv, V.M. Glushkov Institute of Cybernetics of National Academy of Sciences of Ukraine, 12-16 November 2012, pp. 168-172. 5. Sniegina I., Melnyk A., Khomenko V., “Control of compliant electromechanical robots with complexe kinematics and oscillatory occurrences in joints”, Donbass-2020: perspectives de développement par regarde des jeunes chercheurs: Travaux de VIème conférence scientifique et pratique à Donetsk, 24-26 avril 2012 р., Donetsk, DonNTU, 2012, pp. 326-331 6. Khomenko V., Henaff P., Borysenko V., Melnyk A., Bruneau O., B. Ouezdou F., “Non-Invasive Low Cost Method for Linear and Angular Accelerations Measurement in Biped Locomotion Mechanisms”, Proceedings of the IEEE International Conference SENSORS 2011, October 2011, Limerick, Ireland, pp. 1756-1759. 7. Snegina E., Pougatch A., Khomenko V., Melnyk A., Henaff P., Borysenko V., “Practical aspects of Rowat-Selverston bio-inspired oscillator simulation”, Scientific works of the Donetsk National Technical University, № 11(186), Donetsk, Ukraine, 2011, pp. 369-373. 8. Khomenko V., Henaff P., Borysenko V., “Measurement and compensation of mechanical vibrations in articulations of electromechanical biped robot”, Bulletin of Kharkov National technical University, Vol. 28’ 2010, Kharkov: KPI, 2010, pp. 316-317. 9. Khomenko V., Hénaff P., Borysenko V., “Generalized model of articulated electromechanical systems with elasticities in transmissions”, Special issue of Journal of Technical Electrodynamics, Institute of Electrodynamics of the National Academy of Sciences of Ukraine., Vol. 1, 2010, pp. 141-146. LISTE DES PUBLICATIONS 43V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY
PROBLÈME GÉOMÉTRIQUE POUR LA HANCHE PARALLÈLE Balayage du mouvement par centrale inertielle MGD approximé d’ordre 2 MGI approximé d’ordre 2 ℎ1 𝑞1, 𝑞2 = −0,7274 ∙ 𝑞1 + 1,4107 ∙ 𝑞2 − 0,0077 ∙ 𝑞1 2 + 0,0135 ∙ 𝑞1 𝑞2 − 0,0043 ∙ 𝑞2 2 ℎ2 𝑞1, 𝑞2 = 0,7182 ∙ 𝑞1 + 0,5169 ∙ 𝑞2 + 0,0066 ∙ 𝑞1 2 − 0,0117 ∙ 𝑞1 𝑞2 + 0,0067 ∙ 𝑞2 2 𝑞1 ℎ1, ℎ2 = −0,3627 ∙ ℎ1 + 1,0060 ∙ ℎ2 − 0,0118 ∙ ℎ1 2 + 0,0152 ∙ ℎ1ℎ2 − 0,0050 ∙ ℎ2 2 𝑞2 ℎ1, ℎ2 = 0,5168 ∙ ℎ1 + 0,5244 ∙ ℎ2 + 0,0001 ∙ ℎ1 2 − 0,0017 ∙ ℎ1ℎ2 − 0,0002 ∙ ℎ2 2 Axes de la hanche droite Algorithme d’identification rotation q1 h1 q3 q2 y z h2 x abduction flexion • [P.F. Doubliez 2011] → modèle linéarisé • Modèle d’ordre 2 par rapport à l’ordre 1 diminue l’erreur de facteur de 10 • Implémentation simple dans la baie de commande • [R. Sellaouti 2005] → modèle autorégressif 44V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY
Courbes de la marche du robot sur le sol (consignes et mesures de la position du moteur de la hanche dans le plan sagittal) Structure du contrôle articulaire des jambes du robot bipède ROBIAN STRUCTURE DE LA BAIE DE COMMANDE DE ROBIAN 45V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY

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Modélisation et compensation des déficiences linéaires et non linéaires dans les transmissions électromécaniques des robots humanoïdes

  • 1. MODÉLISATION ET COMPENSATION DES DÉFICIENCES LINÉAIRES ET NON LINÉAIRES DANS LES TRANSMISSIONS ÉLECTROMÉCANIQUES DES ROBOTS HUMANOÏDES Thèse de Doctorat en co-tutelle entre l’Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines et l’Université Nationale Technique de Donetsk soutenue par Viacheslav KHOMENKO 5 juillet 2013 Membres du jury Directeurs Patrick HENAFF Maître de Conférences HDR, UCP, FRANCE de thèse Volodymyr BORYSENKO Professeur, UNTD, UKRAINE Féthi BEN OUEZDOU Professeur, UVSQ , FRANCE Rapporteurs Gabriel ABBA Professeur, ENI de Metz, LCFC, FRANCE Frank PALIS Professeur, OVGUM, Magdeburg, ALLEMAGNE Examinateurs Yasser ALAYLI Professeur, UVSQ, FRANCE Thierry DHORNE Professeur, Ambassade de France en Ukraine, FRANCE Olivier BRUNEAU Maître de Conférences HDR, UVSQ , FRANCE Invitée Olga TOLOCHKO Professeure, UNTD, chef de la chaire, UKRAINE
  • 2. I. Problématique et état de l’art II. Mise en évidence des phénomènes sur ROBIAN III. Modélisation multimasse des systèmes robotiques IV. Mesure des mouvements articulaires V. Compensation et contrôle des déficiences VI. Conclusions et perspectives PLAN DE LA PRÉSENTATION 2 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY
  • 3. ROBOTS HUMANOÏDES ÉLECTROMÉCANIQUES NAO Aldebaran, France (industriel) iCub, iit, UE (recherche) Bipède DLR, Allemagne (industriel) HRP 4, AIST, Japon (industriel) ASIMO, Honda, Japon (industriel) Rollin' Justin, DLR, Allemagne (industriel) CHARLI, RoMeLa, États-Unis (recherche) KHR-2, KAIST, Corée du Sud (recherche) TAILLE ENFANT PARTIE SUPÉRIEURE TAILLE ADULTE PARTIE INFÉRIEURE 3 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (I) PROBLÉMATIQUE ET ÉTAT DE L’ART
  • 4. OSCILLATIONS DES MEMBRES (JAMBES, BRAS) ET DU CORPS (BASSIN, TORSE, TÊTE) → INFLUENCE L’ÉQUILIBRE → LIMITE LA VITESSE MAXIMALE DE LA MARCHE → NON ESTHÉTIQUE PROBLÉMATIQUE 4 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (I) PROBLÉMATIQUE ET ÉTAT DE L’ART
  • 5. [Y.-H. Chang 2008] → correcteurs CoM et ZMP ne compensent pas le phénomène [J.-Y. Kim 2006] et [Y.-H. Chang 2011] → compensations en phase de simple support à base d’observateur des vitesses articulaires et mesure des forces d’interaction avec le sol (correction par les chevilles) [X. Ren 2010] → rejet des perturbations d’un bras 2 d.d.l. [M. Vukobratovic 2004] → imperfections articulaires → élasticité série et frottements [S. Lohmeier 2010] → flexibilités structurelles ÉTAT DE L’ART • NATURE DES OSCILLATIONS DES ROBOTS HUMANOÏDES PEU ÉTUDIÉE • ABSENCE DE LA MÉTHODE ADAPTABLE À LA VARIABILITÉ DE LA MARCHE • SEULEMENT SIMPLE SUPPORT CONSIDÉRÉ 5 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (I) PROBLÉMATIQUE ET ÉTAT DE L’ART
  • 6. OBJECTIFS ET MÉTHODES OBJECTIFS • Comprendre l’origine des oscillations • Mesurer ces oscillations • Compenser ces oscillations MÉTHODES • Modélisation, identification, simulation • Compliance contrôlée • Adaptation et apprentissage VALIDATION EXPÉRIMENTALE RObot BIpède ANthropomorphique • 1,20 m; 30 kg • 6 d.d.l. actifs par jambe (hanche : 3, genou : 1, cheville : 2) • Mécanisme parallèle pour la hanche • Accès aux paramètres des boucles d’asservissement [R. Sellaouti 2005] 6 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (I) PROBLÉMATIQUE ET ÉTAT DE L’ART
  • 7. 7 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY II MISE EN ÉVIDENCE DES PHÉNOMÈNES SUR ROBIAN
  • 8. ÉLASTICITÉS ET FLEXIBILITÉ DE LA STRUCTURE Transfert du bassin de droite à gauche Transfert du bassin de gauche à droite MARCHE DU ROBOT (ALGORITHME DE LA THESE DE P.F. DOUBLIEZ, 2011) Force pied gauche Accélération jambe gauche • Asservissement trop raide, perte d’équilibre • Contrôle de compliance améliore l’équilibre CONTRÔLE D’ÉQUILIBRE Choc Oscillations Accélération frontale pelvis Force pied droit 2,1 Hz Levé Transfert Posé jambe gauche Levé Transfert Posé jambe droite t, (s) 8 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (II) MISE EN ÉVIDENCE DES PHÉNOMÈNES SUR ROBIAN
  • 9. ÉLASTICITÉS ET FLEXIBILITÉ DE LA STRUCTURE FLEXIONS/EXTENSIONS VERTICALES DÉBATTEMENTS GAUCHE/DROIT En l’air Au sol Cuisse gauche Cuisse droite Au sol Cuisse gauche Cuisse droite En l’air Arrêt Arrêt Arrêt Arrêt 9 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (II) MISE EN ÉVIDENCE DES PHÉNOMÈNES SUR ROBIAN
  • 10. OSCILLATIONS DE LA JAMBE EN L’AIR DANS LE PLAN SAGITTAL 3,6 Hz Hanche gauche ÉLASTICITÉS ET FROTTEMENTS ARTICULAIRES Élasticité Frottements Hanche droite 3.15 Nm, 0.5 Hz 12.6 Nm, 1 Hz 9.8 Nm, 0.5 Hz 6.3 Nm, 0.5 Hz t, (s) 2 Arrêt Démarrage Mouvements périodiques Cm φ . φ MÊME PHÉNOMÈNE IMPACT DIFFÉRENT 10 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (II) MISE EN ÉVIDENCE DES PHÉNOMÈNES SUR ROBIAN
  • 11. NATURE DES DÉFICIENCES Mécanique Électrique • Frottements, élasticités, jeux mécaniques • Grande variabilité • Interactions périodiques avec le sol (chocs) • Chaîne cinématique alternée du système (ouverte et fermée) • Flexibilités structurelles • Charge des moteurs variable • Augmentation du couple au lever du pied et toucher contre le sol • Surchauffe des moteurs • Couple articulaire différent du couple du moteur DÉFICIENCE – imperfection intrinsèque qui perturbe les mouvements du robot Logicielles • ROBOTS MANUFACTURIERS : EN PARTIE RÉSOLU • ROBOTS HUMANOÏDES : PEU ÉTUDIÉ Électroniques Non abordées 11 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (II) MISE EN ÉVIDENCE DES PHÉNOMÈNES SUR ROBIAN
  • 12. DÉFICIENCES MÉCANIQUES : CAS DE ROBIAN Statique Dynamique Jeu mécanique, non linéarité géométrique f = 20 – 60 Hz (rotation verticale) Élasticité articulaire f = 2 – 6 Hz (flexion) Inexactitude de positionnement • Erreur 5° (plan frontal) • Erreur 2° (plan sagittal) Vibrations haute fréquence f > 100 Hz Frottement (hanche, genou) et grippage (cheville) DÉPENDANCE DES PHASES PRINCIPALES DE LA MARCHE DÉFICIENCE PHÉNOMÈNE Oscillations Appui latéral droit (simple support) Appui latéral gauche (simple support) Double appui MODÉLISATION ? 12 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (II) MISE EN ÉVIDENCE DES PHÉNOMÈNES SUR ROBIAN
  • 13. 13 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY III MODÉLISATION MULTIMASSE DES SYSTÈMES ROBOTIQUES
  • 14. MODÉLISATION MULTIMASSE      DuCxy BuAxx  T résCC1=u vecteur d’entrée  T ωCω 2121=y vecteur de sortie  T xxx 321=x vecteur des variables                                                      00 00 00 = 100 001 = 1 0 00 0 1 =101= 121212 2 1 2 12 2 12 2 12 1 12 1 12 1 12 DC BA    r T T TT r T TT r T M M MMM MMM 12 12r raideur articulaire amortissement NOMBRE D’ARTICULATIONS IMPORTANT ? Mouvement libre Oscillations élastiques C1(t)=δ(t) 14 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (III) MODÉLISATION MULTIMASSE DES SYSTÈMES ROBOTIQUES SYSTÈME DE BASE À 2 MASSES
  • 15. MODÉLISATION MULTIMASSE                                  10000000 00000 00100000 00010000 00000 00000100 00000 00000001 ,1,1,1 232323 121212 nnnnnn r r r       C EXTENSION EN SÉRIE                                                          Mn nn Mn nn Mn nn Mn nn Mn nn Mn nnnn MMM MMMMM MMM TT r T TT r T TT r T TT r TT r T TT r T ,1,1,1 1 ,1 1 ,1 1 ,11,2 3 3423 3 23 3 23 2 23 2 23 2 2312 2 12 2 12 1 12 1 12 1 12 00000 10100000 00000 00000 00010100 000 00000101 00000         A                                           0 1 0000 100000 00 1 000 000 1 00 000000 0000 1 0 000000 00000 1 1 3 2 1 Mn Mn M M M T T T T T    B Liaison encastrée (impédance infinie) Liaison libre (impédance nulle ) ≈≈ CAS PARTICULIERS                               000000 00000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 ,1 nn   D 15 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (III) MODÉLISATION MULTIMASSE DES SYSTÈMES ROBOTIQUES
  • 16. MODÉLISATION MULTIMASSE BRANCHEMENT DIVERGEANT BRANCHEMENT CONVERGEANT                                                                                                                                      0000000 000000 0000000 000000 0000000 000000 0000000 1000000 0000 0010000 0000 0000100 0000 0000001 00 1 000 1000000 000 1 00 0100000 0000 1 0 0010000 000 1 0000 1000001 0000 0010001 0000 0000101 ,1 13 12 ,1,1,1 131313 121212 ,1 3 13 3 2 12 2 ,11312 1 ,1,1,1 3 13 3 13 3 13 2 12 2 12 2 12 1 ,1 1 ,1 1 13 1 13 1 12 1 12 1 2 ,1 nnnn nM n nM MM MM n M Mn n Mn n Mn n MMM MMM M n M n MMMMM n l l r r r TT TT TT T TT r T TT r T TT r T TT r TT r TT r T                           DC BA                                                                                                                                                                     1 1 , ,1 ,2 ,1 1 1 ,,1,1,2,2,1,1 ,1,1,1 ,2,2,2 ,1,1,1 1 1 , 1 ,1 1 2 ,2 2 1 ,1 1 1 1 ,,1,1,2,2,1,1 1 ,1 1 ,1 1 ,1 2 ,2 2 ,2 2 ,2 1 ,1 1 ,1 1 ,1 0000 00000 0000 00000 0000 00000 0000 00000 1000000 0000 0010000 0000 0000100 0000 0000001 1 000 10000 0 1 00 10000 00 1 0 10000 000 1 1010000 0000 1000100 0000 1000001 0000 n l nl nn n n n l nlnnnnnnnn nnnnnn nnn nnn nM n l nl nM nM nn nM M n M M n M nM n l nl nM nn nM nn nM n nM n nM n nM n nM nn nM nn nM nn M n M n M n M n M n M n rrr r r r TT TT TT TT TT r TT r TT r T TT r T TT r T TT r T                             DC BA 16 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (III) MODÉLISATION MULTIMASSE DES SYSTÈMES ROBOTIQUES
  • 17. h1 h2 x q3 q2 q1 z MODÉLISATION MULTIMASSE DE ROBIAN CHAINE FERMÉE HANCHE PARALLÈLE CHAINE OUVERTE δ jeu mécanique dans la hanche x q1 h1 q3 q2 y z h2 Hanche droite Sandyc Industries y [R. Sellaouti 2005] FROTTEMENTS ? 17 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (III) MODÉLISATION MULTIMASSE DES SYSTÈMES ROBOTIQUES
  • 18. HANCHE GAUCHE HANCHE DROITE IDENTIFICATION DES FROTTEMENTS ARTICULAIRES MODÈLE NON LINÉAIRE DE FROTTEMENT 𝐶 𝐶𝑝= 1,883 Nm 𝐶 𝐶𝑛=1,962 Nm 𝐶𝑣𝑝=18,53 Nm∙s rad 𝐶𝑣𝑛=14,18 Nm∙s rad 𝐶 𝐶𝑝=1,155Nm 𝐶 𝐶𝑛=1,415 Nm 𝐶𝑣𝑝=12,27 Nm∙s rad 𝐶𝑣𝑛=10,48 Nm∙s rad 𝐶𝑓𝑟 𝜑 = 𝐶 𝐶𝑝 + 𝐶𝑣𝑝 ∙ 𝜑 + 𝐶𝑆𝑝 ∙ 𝑒 − 𝜑 𝜑 𝑆𝑝 𝑑 𝑝 , pour 𝜑 > 0 −𝐶 𝐶𝑛 + 𝐶𝑣𝑛 ∙ 𝜑 − 𝐶𝑆𝑛 ∙ 𝑒 − −𝜑 𝜑 𝑆𝑛 𝑑 𝑛 , autrement , pour 𝜑 ≥ 𝜑 𝑚𝑖𝑛 𝜑 ∙ 𝐶 𝐶𝑝 + 𝐶𝑣𝑝 ∙ 𝜑 𝑚𝑖𝑛 + 𝐶𝑆𝑝 ∙ 𝑒 − 𝜑 𝑚𝑖𝑛 𝜑 𝑆𝑝 𝑑 𝑝 𝜑 𝑚𝑖𝑛 , pour 𝜑 > 0 𝜑 ∙ −𝐶 𝐶𝑛 + 𝐶𝑣𝑛 ∙ 𝜑 𝑚𝑖𝑛 − 𝐶𝑆𝑛 ∙ 𝑒 − −𝜑 𝑚𝑖𝑛 𝜑 𝑆𝑛 𝑑 𝑛 𝜑 𝑚𝑖𝑛 , autrement , autrement PROBLÈME DE LA MESURE DES MOUVEMENTS ARTICULAIRES? Sec VisqueuxStribeck Mesure Simulation 18 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (III) MODÉLISATION MULTIMASSE DES SYSTÈMES ROBOTIQUES [B. Armstrong-Hélouvry 1994]
  • 19. 19 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY IV MESURE DES MOUVEMENTS ARTICULAIRES
  • 20. a) b) c) d) e) MESURE DES MOUVEMENTS ARTICULAIRES a) c) d) Position articulaire MOUVEMENT DE LA JAMBE DANS LE PLAN SAGITTAL c) 1ère dérivation 2ème dérivation 3me dérivation a) b) DÉVIATION DE L’AXE DE ROTATION QUI CRÉER UNE ERREUR DE MESURE MOUVEMENT DE LA JAMBE DANS LE PLAN FRONTAL CRÉER UNE ERREUR DE MESURE DE L’ANGLE ARTICULAIRE SAGITTAL Capteur d'angle magnétique sans contact monté sur l’axe de rotation Contelec Vert-X 13 ARTICULATION SAGITTALE DE LA HANCHE SOLUTION PROPOSÉE : UTILISATION D’ACCÉLÉROMÈTRES 20 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (IV) MESURE DES MOUVEMENTS ARTICULAIRES
  • 21. UTILISATION D’ACCÉLÉROMÈTRES Principe de positionnement des capteurs sur un corps (cuisse) 𝑎 𝐶𝑥 = 𝑔 𝑥 + 𝑎 𝐵𝑥 𝑎 𝐶𝑦 = 𝑔 𝑦 − 𝑎 𝐴𝑦 𝛼 = 𝑎 𝐴𝑦 − 𝑎 𝐵𝑦 𝑟𝐴𝑥 𝒂 𝐵 𝓡 𝑂 = 𝒂 𝐴 𝓡 𝑂 + 𝝎 𝓡C × 𝝎 𝓡C × 𝒓 𝐵 − 𝒓 𝐴 + 𝜶 𝓡C × 𝒓 𝐵 − 𝒓 𝐴 𝑎 𝐶𝑥 = 𝑔 𝑥 + 𝑎 𝐵𝑥 + 𝛼 ∙ 𝑟𝐵𝑦 − 𝜔2 ∙ 𝑟𝐵𝑥 𝑎 𝐶𝑦 = 𝑔 𝑦 − 𝑎 𝐴𝑦 ∙ 𝑟𝐴𝑥 − 𝑎 𝐵𝑦 ∙ 𝑟𝐴𝑥 + 𝜔2 ∙ 𝑟𝐴𝑦 ∙ 𝑟𝐵𝑥 − 𝑟𝐴𝑥 ∙ 𝑟𝐵𝑦 𝑟𝐴𝑥 − 𝑟𝐵𝑥 𝛼 = 𝑎 𝐴𝑦 − 𝑎 𝐵𝑦 + 𝜔2 ∙ 𝑟𝐴𝑦 − 𝑟𝐵𝑦 𝑟𝐴𝑥 − 𝑟𝐵𝑥 Dépendance entre les accélérations mesurées aux points A et B Alignement 𝑟𝐴𝑦 = 𝑟𝐵𝑦 Accélération angulaire Accélérations linéaires Sur l’axe de rotation 𝑟𝐵𝑥 = 0 QUELLES SONT LES ERREURS DE MESURE ? PROBLÈME 2D Accélération angulaire Accélérations linéaires 21 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (IV) MESURE DES MOUVEMENTS ARTICULAIRES Sur l’axe du corps
  • 22. SOURCES D’ERREURS DE LA MESURE D’ACCÉLÉRATION • Résolution d’échantillonnage, erreur inférieure à 2% (pour CAN 12 bits) • Bruit de mesure o réduit pour l’accélération angulaire (mesure différentielle 𝑎 𝐴𝑦 − 𝑎 𝐵𝑦) o non réduit pour les accélérations linéaires • Alignement des capteurs sur l’axe du corps PROBLÈME DE LA MESURE EN 3 DIMENSIONS ? 22 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (IV) MESURE DES MOUVEMENTS ARTICULAIRES Éloignement Désalignement 𝜀 𝛼 ≡ 𝑟𝐴𝑦 − 𝑟𝐵𝑦 𝑟𝐴𝑥 𝛼 = 𝑎 𝐴𝑦 − 𝑎 𝐵𝑦 + 𝜔2 ∙ 𝑟𝐴𝑦 − 𝑟𝐵𝑦 𝑟𝐴𝑥 − 𝑟𝐵𝑥
  • 23. PROBLÈME DE MESURE D’ACCÉLÉRATIONS À TROIS DIMENSIONS    BApppBAppppCpBAp qq ,, * , rωωrαgaa   ∆= 1 0 0 0 −𝑟𝑝𝐴𝑦 −𝑟𝑝𝐴𝑧 0 1 0 𝑟𝑝𝐴𝑥 0 𝑟𝑝𝐴𝑦 0 0 1 𝑟𝑝𝐴𝑧 −𝑟𝑝𝐴𝑥 0 1 0 0 0 −𝑟𝑝𝐵𝑦 −𝑟𝑝𝐵𝑧 0 1 0 𝑟𝑝𝐵𝑥 0 𝑟𝑝𝐵𝑦 0 0 1 𝑟𝑝𝐵𝑧 −𝑟𝑝𝐵𝑥 0 = 0 2 accélérations angulaires et 3 linéaires              px zyxpApBxzyxpBpAx zyxCp px yzpAyzpB zyp r arar a r aa ,,,, ,, ,, , Vitesse angulaire selon l’axe verticale négligeable 0pzω Singularité COMPARAISON AUX APPROCHES HABITUELS ? PROBLÈME 3D 23 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (IV) MESURE DES MOUVEMENTS ARTICULAIRES
  • 24. RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX Méthode par double dérivation d'un inclinomètre (SCA102T) Méthode par dérivation d'un gyroscope (LPR530AL) Méthode proposée avec accéléromètres • Meilleure bande passante • Moins du bruit de mesure • Mesure sur des axes non physiques 24 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (IV) MESURE DES MOUVEMENTS ARTICULAIRES
  • 25. ANALYSE DES MOUVEMENTS HUMAINS ET ROBOTIQUES Lentes Rapides Flexions/extensions d’une personne (UNTD, mai 2013) PRINCIPE RÉSULTAT MÉTHODE 25 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (IV) MESURE DES MOUVEMENTS ARTICULAIRES Accélération angulaire Position articulaire Être humain
  • 26. CALIBRAGE – APPRENTISSAGE DU MODÈLE DIRECT AVEC SYSTÈME DE CALIBRAGE PAR MOTION CAPTURE Mouvement de flexion/extension 0.3 Hz Arrêt de la flexion/ extension ε = 𝑛 𝑎 𝑀𝐶 𝑛 − 𝑎 𝑅𝑁 𝑛 2 Mouvement de flexion/extension Arrêt du mouvement Mouvements à 0,1 Hz Mouvements à 0.15 Hz Repos F/E Rotation du bassin Balancement gauche/droit APPRENTISSAGE COMMENT COMPENSER LES DÉFICIENCES ? Jambe de ROBIAN 26 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (IV) MESURE DES MOUVEMENTS ARTICULAIRES Erreur sur la base d’apprentissage Erreur sur la base de test ERREUR SUR LA BASE DE TESTERREUR SUR LA BASE D’APPRENTISSAGE
  • 27. 27 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY V COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES
  • 28. COMPENSATION DES FROTTEMENTS ET DE LA GRAVITÉ POUR LA JAMBE Schéma de compensation du frottement « feed back / feed forward » [J.-P. Hauschild 2004] Compensation : mouvement « forcé » sinusoïdal Mouvement « libre » COMPENSATION POUR 2 ARTICULATIONS (HANCHE ET GENOU) Cm φ . φ φréf Cm φ . φ 28 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (V) COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES
  • 29. COMPLIANCE CONTRÔLÉE À BASE D’ACCÉLÉROMÈTRES 𝐶𝑒𝑥𝑡 = 𝐾 𝑃 ∙ 𝜑m𝑑 − 𝜑m − 𝐽m 𝑑𝜔m 𝑑𝑡 − 𝐽2 𝑎2 − 𝑎1 𝑟12 Mesure de la force externe appliquée au robot Loi de contrôle proposée 𝐾 𝑃 ∙ 𝜑1𝑑 − 𝜑1 Compliance par variation des gains du PID → [H. Serhan 2010] 29 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (V) COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES ∆𝐾 𝑝 = 𝐺 𝐶𝑒𝑥𝑡 𝑝 𝑇𝑓 𝑝 + 1 Ajustement des gains d’asservissement
  • 30. TOLÉRANCE PAR RAPPORT AUX FORCES EXTERNES Impact provoqué par le choc Déplacement manuel lent Déplacement manuel rapide • ABSORPTION DES IMPACTS EN INTERACTION AVEC L’ENVIRONNEMENT • RAPIDITÉ 30 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (V) COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES 𝜑non comp. 𝜑, (rad) 𝜑/5, (rad/𝑠) ∆𝐾, (%)
  • 31. STABILISATION DE L’ÉQUILIBRE DANS LE PLAN SAGITTAL Sans compliance Avec compliance t fin = 1,4 s AVEC COMPLIANCESANS COMPLIANCE • PRISE EN COMPTE DE LA VARIABILITÉ DES PHÉNOMÈNES ? 𝜑 𝐻 = −𝜑 𝐺 2 𝐶 𝐺𝑚 = −(𝜑 𝐺𝑑−𝜑 𝐺) ∙ 𝐾 𝑃 −( 𝜑 𝐺𝑑− 𝜑 𝐺) ∙ 𝐾 𝐷 + 𝐶 𝐺𝑓𝑟 + 𝐾𝐴 ∙ 𝑎 𝑥 𝜑 𝐶ℎ = −𝜑 𝐺 2 𝐶 𝐺𝑚 = 𝑓(𝑎 𝑥) 𝑎 𝑥 31 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (V) COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES
  • 32. COMPENSATION DES DÉFICIENCES PAR RÉSEAUX DE NEURONES NON OSCILLANTS Structure du contrôle neuronal « feedback-feedforward » Loi d’adaptation des poids synaptiques [X. Ren 2009] : 𝜔 = −Γ ∙ Φ 𝑥 ∙ 𝑒 𝑣 𝑇 − 𝜎 ∙ Γ ∙ 𝑒 𝑣 ∙ 𝜔 32 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (V) COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES
  • 33. COMPENSATION DES OSCILLATIONS PAR RÉSEAUX DE NEURONES Non compensé Compensé Hanche Genou Hanche Genou Poids synaptiques Poids synaptiques (normalisés) du genou 20 mouvements périodiques 0.25 Hz Non compensé Compensé EXPÉRIMENTATION SIMULATION Accélérations articulaires Accélérations articulaires du genou 33 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (V) COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES
  • 34. EXPÉRIMENTATION SUR ROBIAN PLANS DE PHASES D’OSCILLATION DE LA JAMBE Point de départ = point d’arrivée SANS COMPENSATION AVEC COMPENSATION Point de départ = point d’arrivée PHÉNOMÈNES OSCILLATOIRES UTILISATION DES OSCILLATEURS NON LINÉAIRES ? 34 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (V) COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES
  • 35. COMPENSATION DES DÉFICIENCES PAR OSCILLATEURS NON LINÉAIRES Oscillateur de Hopf 𝑑𝑥 𝑑𝑡 = −𝜇 − 𝑥2 − 𝑦2 𝑥 − 𝜔𝑦 + 𝐾𝑭 𝒕 𝑑𝑦 𝑑𝑡 = −𝜇 − 𝑥2 − 𝑦2 𝑦 − 𝜔𝑥 SYNCHRONISATION DE L’OSCILLATEUR DE HOPFAVEC UN SIGNAL PÉRIODIQUE f = 3 Hz 𝑑𝜔 𝑑𝑡 = −𝐾𝐹 𝑡 𝑦 𝑥2 + 𝑦2 Loi de synchronisation début fin début fin MODÈLE [L. Righetti 09] et [A. Ahmadi 09] 𝑭 𝒕 35 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (V) COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES 𝒙 𝒕
  • 36. SYNCHRONISATION DE L’OSCILLATEUR AVEC LE SYSTÈME À DEUX MASSES Système dissipatif couplé avec l’oscillateur de Hopf Système dissipatif auto-couplé Accélérations de la deuxième masse Couplé avec l’oscillateur K=200 Auto couplé K=0.4 Sans compensation K=0 • Système auto couplé → modification de l’atténuation • Couplage par oscillateur → modification de la fréquence et de l’atténuation Couplé avec l’oscillateur K=30 Auto couplé K=0.05 Sans compensation K=0 Couplé avec l’oscillateur K=200 Auto couplé K=0.4 Sans compensation K=0 Couples élastiques 36 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (V) COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES
  • 37. EXPÉRIMENTATION POUR DES MOUVEMENTS DE FLEXION – EXTENSION PRINCIPE DENSITÉ SPECTRALE DU SIGNAL D’OSCILLATEUR Sans couplage Avec couplage 37 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (V) COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES Évolution de la fréquence Corrélation entre le signal d’accéléromèt re et l’oscillateur de Hopf APPRENTISSAGE DE L’OSCILLATEUR DE HOPF Synchronisation non réalisée Réalisée 2,5 Hz
  • 38. Avec couplage EXPÉRIMENTATION POUR DES MOUVEMENTS DE FLEXION – EXTENSION Évaluation temporelle des composantes fréquentielles d’accélération sagittal du pelvis du robot • Oscillateur retrouve les fréquences propres du système • Adaptation en continu aux évolutions des fréquences 38 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (V) COMPENSATION ET CONTRÔLE DES DÉFICIENCES Portraits de phase de la fréquence de l’oscillateur de Hopf Sans couplage
  • 39. CONCLUSIONS Comprendre l’origine des oscillations • Expérimentations sur ROBIAN montrent la variabilité des phénomènes • Modèle multimasse générique avec application à ROBIAN • Identification des frottements articulaires • MGI non linéaire de la hanche d’ordre 2 diminue l’erreur de positionnement du pied Mesurer les oscillations • Système à base d’accéléromètres o Mesures des accélération articulaires (diminue la bruit, augmente la bande passante et sensibilité) o Accès aux axes articulaires virtuels o Mesure des couples externes appliqués au robot Compenser les oscillations • Compliance contrôlée • Approche par apprentissage robuste : o Architecture « feedback – feedforward » o Architecture à base d’oscillateur non linéaire 39 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (VI) CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
  • 40. PERSPECTIVES Extensions immédiates • Plusieurs oscillateurs par jambe • Analyse du mouvement humain • Validation de la méthode pendant la marche du robot • Application dans l’industrie en Ukraine (machines multimasses de séparation par vibrations) Long terme • Intégration d’une architecture complète d’accéléromètres dans les robots humanoïdes • Interaction physique « homme – robot » • Commande dynamique intégrant les mesures des accélérations articulaires et le calcul du modèle dynamique en ligne 40 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY (VI) CONCLUSION ET PERSPECTIVES
  • 41. MERCI DE VOTRE ATTENTION 41 / 41V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY
  • 42. BIBLIOGRAPHIE [B. Armstrong-Hélouvry 1994] Armstrong-Hélouvry B., Dupont P., de Wit C.C. A survey of models, Analysis Tools and Compensation Methods for the Control of Machines with Friction / Automatica, Vol. 30, No. 7, P. 1083-1138. 1994. [M. Vukobratovic 2004] Vukobratovic M., Potkonjak V., Tzafestas S. Human and Humanoid Dynamics // Journal of Intelligent & Robotic Systems. – Springer Netherlands. – Vol. 41. – N. 1. – 2004. – P. 65-84. [J.-P. Hauschild 04] Hauschild,J.-P.,Heppler,G.and Mc Phee,J.(2004), “Friction compensation of harmonic drive actuators”, paper presented at 6th International Conference on Dynamics and Control of Systems and Structures in Space. [R. Sellaouti 2005] Sellaouti R., Ouezdou F.B. Design and control of a 3DOFs parallel actuated mechanism for biped application / Mechanism and Machine Theory 40 (2005) 1367–1393. [J.-Y. Kim 2006] Kim J.-Y., Park I.-W., Oh J.-H. Experimental realization of dynamic walking of the biped humanoid robot KHR-2 using zero moment point feedback and inertial measurement / Advanced Robotics, Vol. 20, No. 6, pp. 707–736 (2006) [Y.-H. Chang 2008] Chang Y.-H., Oh Y., Kim D., Hong S., “Vibration Suppression and Balance Control for Biped Humanoid Walking,” 17th IFAC World Congress 2008. [X. Ren 2009] Ren X., Lewis F. L., and Zhang J., “Neural network compensation control for mechanical systems with disturbances,” Automatica, vol. 45, no. 5, pp. 1221–1226, May 2009. [A. Ahmadi 2009] Ahmadi A., Mangieri E., Maharatna K., and Zwolinski M., Physical realizable circuit structure for adaptive frequency Hopf oscillator, 2009 Joint IEEE North-East Workshop on Circuits and Systems and TAISA Conference, no. 3, pp. 1- 4, Jun. 2009. [L. Righetti 2009] Righetti L., Buchli J., and Ijspeert A. J., Adaptive Frequency Oscillators and Applications, The Open Cybernetics and Systemics Journal, vol. 3, no. 2, pp. 64-69, Oct. 2009. [S. Lohmeier 2010] Lohmeier S. Design and realization of a humanoid robot for fast and autonomous bipedal locomotion [Elektronische Ressource] = Entwurf und Realisiserung eines humanoiden Roboters für schnelles und autonomes Laufen / Sebastian Lohmeier, München, Techn. Univ., Diss., 2010, 200p. [H Serhan 2010] Serhan H., Nasr C. et Hénaff P. Muscle emulation with dc motor and neural networks for biped robots. International Journal of Neural Systems, 10:341–353, 2010. [Y.-H. Chang 2011] Chang Y.-H., Oh Y.H., Kim D., Choi Y., You B.-J. Apparatus and method for balancing and damping control in whole body coordination framework for biped humanoid robot / Patend Application Publication US 2011/0196532 A1, Aug. 11, 2011. [P.F. Doubliez 2011] Doubliez P.-F., “Marche de robots bipèdes anthropomorphes, simulation et validation expérimentale”. Thèse de doctorat de l’UVSQ, soutenu le 6 juillet 2011. 42V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY
  • 43. 1. Melnyk A., Khomenko V., Borisenko V., Henaff P., “Physical human–robot interaction in the handshaking case: learning of rhythmicity using oscillators neurons” , Proceedings of 2013 IFAC Conference on Manufacturing Modeling, Management, and Control, IFAC MIM '2013, St Petersburg, Russia, 19-21 June 2013. 2. Pugach G., Khomenko V., Pitti A., Melnyk A., Henaff P., Gaussier Ph., “Electronic hardware design of a low cost tactile sensor device for physical Human-Robot Interactions”, Proceedings of 2013 IEEE XXXIII International Scientific Conference on Electronics and Nanotechnology, IEEE ELNANO ‘2013, Kiev, Ukraine, 16-19 April 2013. 3. Khomenko V., Melnyk A., Mesnil A., Henaff P., Borysenko V., “Adaptive behavior of electromechanical anthropomorphic robots during physical interaction with environment and with human being”, Theoretical and Applied Aspects of Cybernetics, Proceedings of the 2nd International Scientific Conference of Students and Young Scientists, Cybernetics Faculty of T. Shevchenko National University of Kyiv, V.M. Glushkov Institute of Cybernetics of National Academy of Sciences of Ukraine, 12-16 November 2012. 4. Riabchenko V., Nikitin A., Khomenko V., Melnyk A., “Application of the computer vision technology to control of robot manipulators”, Theoretical and Applied Aspects of Cybernetics, Proceedings of the 2nd International Scientific Conference of Students and Young Scientists, Cybernetics Faculty of T. Shevchenko National University of Kyiv, V.M. Glushkov Institute of Cybernetics of National Academy of Sciences of Ukraine, 12-16 November 2012, pp. 168-172. 5. Sniegina I., Melnyk A., Khomenko V., “Control of compliant electromechanical robots with complexe kinematics and oscillatory occurrences in joints”, Donbass-2020: perspectives de développement par regarde des jeunes chercheurs: Travaux de VIème conférence scientifique et pratique à Donetsk, 24-26 avril 2012 р., Donetsk, DonNTU, 2012, pp. 326-331 6. Khomenko V., Henaff P., Borysenko V., Melnyk A., Bruneau O., B. Ouezdou F., “Non-Invasive Low Cost Method for Linear and Angular Accelerations Measurement in Biped Locomotion Mechanisms”, Proceedings of the IEEE International Conference SENSORS 2011, October 2011, Limerick, Ireland, pp. 1756-1759. 7. Snegina E., Pougatch A., Khomenko V., Melnyk A., Henaff P., Borysenko V., “Practical aspects of Rowat-Selverston bio-inspired oscillator simulation”, Scientific works of the Donetsk National Technical University, № 11(186), Donetsk, Ukraine, 2011, pp. 369-373. 8. Khomenko V., Henaff P., Borysenko V., “Measurement and compensation of mechanical vibrations in articulations of electromechanical biped robot”, Bulletin of Kharkov National technical University, Vol. 28’ 2010, Kharkov: KPI, 2010, pp. 316-317. 9. Khomenko V., Hénaff P., Borysenko V., “Generalized model of articulated electromechanical systems with elasticities in transmissions”, Special issue of Journal of Technical Electrodynamics, Institute of Electrodynamics of the National Academy of Sciences of Ukraine., Vol. 1, 2010, pp. 141-146. LISTE DES PUBLICATIONS 43V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY
  • 44. PROBLÈME GÉOMÉTRIQUE POUR LA HANCHE PARALLÈLE Balayage du mouvement par centrale inertielle MGD approximé d’ordre 2 MGI approximé d’ordre 2 ℎ1 𝑞1, 𝑞2 = −0,7274 ∙ 𝑞1 + 1,4107 ∙ 𝑞2 − 0,0077 ∙ 𝑞1 2 + 0,0135 ∙ 𝑞1 𝑞2 − 0,0043 ∙ 𝑞2 2 ℎ2 𝑞1, 𝑞2 = 0,7182 ∙ 𝑞1 + 0,5169 ∙ 𝑞2 + 0,0066 ∙ 𝑞1 2 − 0,0117 ∙ 𝑞1 𝑞2 + 0,0067 ∙ 𝑞2 2 𝑞1 ℎ1, ℎ2 = −0,3627 ∙ ℎ1 + 1,0060 ∙ ℎ2 − 0,0118 ∙ ℎ1 2 + 0,0152 ∙ ℎ1ℎ2 − 0,0050 ∙ ℎ2 2 𝑞2 ℎ1, ℎ2 = 0,5168 ∙ ℎ1 + 0,5244 ∙ ℎ2 + 0,0001 ∙ ℎ1 2 − 0,0017 ∙ ℎ1ℎ2 − 0,0002 ∙ ℎ2 2 Axes de la hanche droite Algorithme d’identification rotation q1 h1 q3 q2 y z h2 x abduction flexion • [P.F. Doubliez 2011] → modèle linéarisé • Modèle d’ordre 2 par rapport à l’ordre 1 diminue l’erreur de facteur de 10 • Implémentation simple dans la baie de commande • [R. Sellaouti 2005] → modèle autorégressif 44V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY
  • 45. Courbes de la marche du robot sur le sol (consignes et mesures de la position du moteur de la hanche dans le plan sagittal) Structure du contrôle articulaire des jambes du robot bipède ROBIAN STRUCTURE DE LA BAIE DE COMMANDE DE ROBIAN 45V. KHOMENKO, 30/07/2017 VÉLIZY