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Séminaire Les mardis du LEC - 18 OCTOBRE 2016

Dans le cadre des séminaires « Les mardis du LEC », Davinson Castano-Cano, CEA List, a présenté, le mardi 18 octobre 2016, un exposé intitulé :

Design of Multi-Axis Resonant Force/Torque Sensor for Robotics

Résumé :

L’utilisation de capteurs d’effort multi-axes rend possible la réalisation de tâches robotiques nécessitant un pilotage en effort du robot, en particulier lors de tâches de co-manipulation Homme/Robot.
Les tâches visées concernent notamment les opérations industrielles pénibles, pour lesquelles, d’une part, l’automatisation complète du processus n’est pas envisageable, et d’autre part lorsque le geste humain reste indispensable. Ces capteurs d’effort renseignent sur les composantes de force et/ou de couple à l’interface entre le robot et son environnement. Les travaux présentés dans cet exposé concerne un travail de doctorat conduit en collaboration entre le CEA List de Saclay (Mathieu Grossard), l’institut FEMTO-ST de Besançon et le laboratoire LEC de l’UTC (Arnaud Hubert).
Les objectifs de cette thèse ont été de concevoir, réaliser et caractériser un prototype de capteur résonant multi-axes à des fins applicatives de robotique en effort. Cette thèse a permis le développement d’un premier prototype de capteur sur une idée entièrement originale. Au-delà de la réalisation inédite d’un capteur résonant 6-axes, des modèles multiphysiques, des logiciels de calculs et de simulation numérique, ainsi qu’une plate-forme expérimentale de validation ont été développés. Ces travaux ont abouti à la proposition d’une méthodologie de conception propre au domaine des capteurs résonants dans un contexte robotique multi-axes sûr.
Aucuns travaux équivalents relatifs à la conception de capteurs résonants multi-axes n’ont été trouvés dans la littérature. Cette technologie offre cependant d’excellentes propriétés, en termes de performances et sûreté de fonctionnement, deux caractéristiques essentielles pour des applications de robotiques collaboratives. Ce travail de recherche a débuté par un développement théorique pour la modélisation multiphysique du comportement dynamique de structures mécaniques pré-contraintes intégrant des éléments d’actionnement et de mesure piézoélectriques distribués. Des contributions non-linéaires habituellement négligés ont été conservés pour tenir compte des phénomènes de pré-contraintes à la base des capteurs d’efforts résonants.
Une utilisation extensive de ces modèles (analytiques et numériques par éléments finis) nous a permis d’analyser, de comprendre et d’exploiter l’influence des différents paramètres de conception (matériaux, dimensions, formes modales, etc.) pour proposer des solutions innovantes. La conception du prototype de capteur a été scindée en deux problématiques distinctes : la conception de la structure mécanique et la conception de l’unité de contrôle du capteur (mesure et estimation embarquées).
La conception de la structure mécanique repose sur des plaques vibrantes encastrées, associées sous formes de modules et permettant de concevoir un capteur complet à 6 degrés de liberté.
Différentes stratégies de contrôle, simples et performantes (PLL et oscillateur astable), ont été explorées pour l’estimation simultanée des différentes fréquences de résonance de la structure mécanique. La prise en compte dès la phase amont de conception de critères liés au conditionnement numérique (calibration, bruits de mesure), au découplage et filtrage spatial (multi-axes) a permis de faciliter le développement de ces contrôleurs.
Plusieurs prototypes ont été réalisés (aspects mécanique, électronique et logiciel). Après calibration, leurs performances ont été mesurées et confrontées à celle d’un capteur industriel de référence. Ces essais expérimentaux ont prouvé la validité et la pertinence du nouveau capteur développé. Les performances du prototype final sont déjà très proches de celles des capteurs commerciaux actuels. Au-delà de la conception spécifique de ce capteur, la méthodologie de conception proposée se révèle extrêmement adaptée à la conception de dispositifs mécatroniques complexes.