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Simulation avec matériel dans la boucle d'un robot en interaction avec un environnement réel

Hamelin, Philippe (2008). Simulation avec matériel dans la boucle d'un robot en interaction avec un environnement réel. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le développement de systèmes robotisés nécessite généralement plusieurs itérations, qui peuvent être basées sur une approche par simulation, par réalisation d'un prototype physique ou une combinaison des deux. D'une part, le développement à l'aide de la simulation doit tenir compte non seulement de la modélisation du robot, mais également de celle de son environnement. Malheureusement, le modèle de l'environnement n'est pas toujours bien connu et peut être imprécis. D'autre part, le développement basé sur la fabrication d'un prototype physique, permet de palier aux problèmes de mauvaise connaissance et d'imprécision du modèle de l'environnement, mais au détriment d'un coiit et d'un temps de prototypage élevés. La solution hybride qu'est la simulation avec matériel dans la boucle permet de remplacer, dans la simulation, seulement le sous-système dont le modèle n'est pas bien connu par un prototype physique. Cette solution est un compromis et permet de ne pas sacrifier la précision tout en réduisant les coûts et le temps de développement.

Ce mémoire propose d'utiliser l'approche de la simulation avec matériel dans la boucle dans le but de faciliter le développement futur d'un robot de meulage sous-marin à l'Institut de Recherche d'Hydro-Québec (IREQ). L'objectif est donc de comparer et de valider deux schémas de simulation d'un robot virtuel en interaction avec un environnement réel. Pour ce faire, un robot réel est utilisé pour reproduire la dynamique du robot simulé. Ceci permet au robot simulé d'interagir virtuellement avec l'environnement réel. Une contrainte rhéonomique est établie afin d'en déduire une loi de commande qui assure la synchronisation des mouvements de l'outil du robot réel avec ceux de l'outil du robot virtuel. Puis, les deux schémas sont étudiés pour la simulation du robot virtuel : le premier avec et le deuxième sans application de la contrainte rhéonomique. L'étude expérimentale présentée dans ce mémoire permet notamment de comparer ces deux schémas pour la simulation d'une loi de commande d'impédance. Pour faciliter la preuve de ce concept, un environnement simple et bien connu est utilisé pour comparer les résultats de simulation avec matériel dans la boucle avec ceux d'une simulation pure.

Ce mémoire présente également le développement d'une procédure de prototypage rapide de la simulation avec matériel dans la boucle. Cette méthode permet de générer automatiquement toutes les équafions et les programmes requis et ce, uniquement à partir des paramètres cinématiques et dynamiques des robots. Ainsi, en connaissant les paramètres d'un robot virtuel, il est possible en quelques minutes de connaître son comportement face à un environnement réel.

Les résultats expérimentaux démontrent que la simulation avec matériel dans la boucle donne des résultats fiables. Toutefois, la friction de coulomb présente sur les actionneurs linéaires perturbe visiblement la simulation. Elle se traduit respectivement par un effet d'oscillation de V type cycle-limite et une erreur en régime permanent pour le schéma avec et sans application de la contrainte. Une action intégrale est ajoutée à la loi de commande afin de compenser cette perturbation dans le schéma sans application de la contrainte. Il est démontré expérimentalement que cet ajout améliore considérablement les performances de ce schéma de simulation, ce qui en fait à priori la solution préférée, en considérant sa simplicité d'implantation à comparer le schéma avec application de la contrainte.

Titre traduit

Hardware-in-the-loop simulation of robots interacting with a real environment

Résumé traduit

The development of automated Systems generally requires several iterations. These may be based on a simulation approach, the manufacture of a physical prototype, or a combination of the two. Development using simulation must take into account not only the modeling of the robot, but also that of its environment. Unfortunately, modeling the environment can be a challenge in terms of the information known about it, and so the resuit may be imprecise. Development based on the manufacture of a physical prototype can counter the problem of insufficient information, but this is an expensive and time-consuming option. The hybrid solution, which is known as hardware-in-the-loop simulation, involves replacing in the simulation only the subsystem whose model is not well known in the form of a physical prototype. Although it is a compromise, accuracy is not sacrificed with this solution, and both costs and development time are reduced.

This Master's degree thesis proposes using the hardware-in-the-loop approach to facilitate the future development of an underwater grinding robot for Hydro Québec's Research Institute (IREQ). The objective is to compare and validate two simulation schemes involving a virtual robot interacting with a real environment. To achieve this, a real robot is used to reproduce the dynamics of the simulated robot, allowing the simulated robot to interact virtually with the real environment. A rheonomic constraint is applied to derive a control law which provides synchronization of the movements of the real robot tool with those of the virtual robot tool. Then, both schemes are studied to build the simulation of the virtual robot: the first with the application of the rheonomic constraint, and the second without. With the experimental study presented here, it is possible to compare these two schemes for the simulation of an impedance control law. To ease the proof of concept, a simple and well-known environment is used to compare the hardware-in-the-loop simulation results with those of the pure simulation.

Also proposed in this thesis is a procedure for the rapid prototyping of a hardware-in-theloop simulation. This method makes it possible to automatically generate all the equations and programs required for our simulation based only on the kinematic and dynamic parameters of the robots. Thus, by knowing the parameters of a virtual robot, it is possible to learn, in just a few minutes, how it behaves as it interacts with a real environment.

The experimental results show that the hardware-in-the-loop simulation gives reliable results. However, the Coulomb friction of the real robot apparently degrades the simulation. This is reflected in a cycle-limit oscillation and a steady-state error for the scheme with and without application of the constraint. An integral term is added to the real robot control law to compensate for this disturbance in the scheme without application of the constraint. It is demonstrated experimentally that this addition greatly improves the performance of the simulation method. This makes it the preferred option, considering its ease of implementation compared to the scheme involving application of the constraint.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie de la production automatisée". Bibliogr : f. [106]-108.
Mots-clés libres: boucle, environnement, interaction, ireq, materiel, meulage, modelisation, reel, robot, simulation, sous-marin, virtuel
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bigras, Pascal
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie de la production automatisée
Date de dépôt: 09 août 2010 14:22
Dernière modification: 17 déc. 2016 01:33
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/135

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