Retour au début

Activités en robotique-mécanique

Cette page est consacrée à une partie des activités en robotique du Département d'Études et Recherches en Automatique (DERA) du CERT (Centre d'Études et Recherches de Toulouse, actuellement centre de Toulouse de l'Onera) dans les années 1975 à 2005 et de la société AOIP Kremlin Robotique où j'ai travaillé de 1984 à 1988.

Les prémices de la robotique mobile

Les premières études de robotique effectuées au DERA furent consacrées à des systèmes de localisation pour chariots industriels et aux lois de commande associées. La localisation des chariots était effectuée par triangulation à partir de balises catadioptriques, fixées dans l'environnement et détectées par les capteurs optiques embarqués. Je pense que les intervenants dans ces études furent Alain Gaillet, Vincent Fuertes, Gérard Bel et moi-même. C'était les prémices de la robotique mobile au département.

La commande des robots manipulateurs et le programme ARA

Au DERA, dès 1975, Jean-Pierre Krief travaille sur les problèmes d'énergie consommée par les moteurs électriques des orthèses dans le cadre du projet SPARTACUS piloté par l'IRIA et supervisé par le professeur Pierre Rabischong de l'INSERM. En 1976 il quitte le département pour la division navigation de la société AOIP (mesures, téléphonie, navigation inertielle,...) dirigée par Maurice Lande. Cette division se diversifie vers la robotique en association avec le fabricant de systèmes à peindre Kremlin (ensemble ils deviendront AKR : AOIP-Kremlin Robotique). Elle se lance dans la conception d'un robot hydraulique pour cabines de peinture et nous confie une étude sur le réglage des asservissements hydrauliques de leur robot, sur la définition de méthodes pour comprimer les trajectoires de consignes (version française, version anglaise) et sur le système de commande du robot. L'équipe qui mena ces études au DERA était constituée de Gérard Bel, Vincent Fuertes, Alain Gaillet, Jacques Gillon, Michel Grau et moi-même. D'autres études suivirent, menées par Roger Mampey (notre théoricien) et moi-même pour définir la commande cartésienne du robot. Cette photo montre le robot AKR 3000 qui fut commercialisé à plus de 400 exemplaires en Europe et aux États-Unis, son armoire de commande sur laquelle on devine les deux entrées verticales pour disquettes souples sur lesquelles étaient enregistrées les programmes de peinture, et sa console de commande affichant le nom de son système de programmation : Advanced Analytic Programming (AAP).

Dans les années qui suivirent, la société AKR nous prêta un robot hydraulique AKR 3000 et la Régie Renault nous donna un robot ACMA CRIBIER RV80. C'est sur eux que nous commençâmes à expérimenter nos travaux de recherches dans le domaine de la commande des robots. Nous développions et mettions en pratique les études théoriques des thèses de nos collègues du CNRS Alain Liégeois, Alain Fournier du LIRMM et Marc Renaud du LAAS. Je dirige Oussama Khatib qui passe en 1980 la première thèse de docteur-ingénieur de Supaero dans le domaine de la robotique. Nos travaux de recherches furent principalement financés par le programme gouvernemental de recherches ARA (Automatisation et Robotique Avancée) initié et dirigé par Georges Giralt du LAAS. Les vidéos présentées ci-dessous montrent des expérimentations réalisées à l'aide de ces deux robots, entre 1979 et 1984 par l'équipe de robotique du DERA.

Un détour par l'industrie chez AKR

Robot AKR C 4000

En 1984, Jean-Bernard Dubois, que j'ai co-dirigé avec Jean-Pierre Chrétien passe magistralement la centième thèse de docteur-ingénieur Supaero. Je quitte le CERT pour la société AKR qui démarrait la conception d'un nouveau robot électrique de manipulation : le robot AKR C 4000 (vue d'artiste et photo). La société était alors dirigée par Maurice Lande assisté de Jean-Pierre Krief. L'équipe de conception mécanique était dirigée par Christian Guibert. Coté électrotechnique, informatique et commande, l'équipe dirigée par Alex Renault était constituée de Christian Buquant, Robert Perrolles, José Pirlot et moi-même. Ce robot, constituait une véritable avancée. C'est le premier robot industriel à redondance interne (7 axes d'articulation entre la base et l'organe terminal). Son informatique de commande était basée sur des cartes Motorolla 68000 à bus VME. Alex Renault avait conçu et mis en oeuvre pour ce système matériel un moniteur multi-processeurs multi-tâches temps réel parfaitement opérationnel, programmable à travers le réseau. Dans le cadre de ce projet, j'ai écrit les bibliothèques de calcul flottant, les modèles géométriques et cinématiques du robot avec gestion de sa redondance et j'ai défini un système de description et programmation des trajectoires de consignes cartésiennes en position et en orientation, basé sur des segments rectilignes, circulaires ou splines parcourus à vitesse curviligne programmée. J'ai participé à la mise au point des programmes de peinture des 205 par 6 robots AKR 3000, aux usines Peugeot de Mulhouse. Trois robots étaient placés d'un coté de la ligne de convoyage et trois placés de l'autre. Les deux robots amont peignaient la demi partie avant de la voiture, les deux robots aval peignaient la demi partie arrière et les robots centraux ouvraient et fermaient les portes pour permettre aux quatre autres de peindre l'intérieur. Des difficultés de trésorerie amenèrent la société à la faillite en 1988. Elle fut reprise par son actionnaire Kremlin. Toute l'activité conception fut déménagé dans la filiale américaine de Détroit, AKR Robotics. Je quittais la société pour revenir au CERT-DERA.

Entre-temps au DERA la robotique continuait et se diversifiait

Un système d'exploitation temps réel, multi-processeurs, multi-tâches pour cartes Motorolla 68000 à bus VME avait été conçu et mis au point par Patrick Carton et Jacques Gillon. Ce système baptisé CESAR a été distribué gratuitement à d'autres laboratoires universitaires de robotique et il fut plus tard vendu par la société AICO (créée en très grande partie par des personnels du DERA). 

Coté mécanique, Claude Reboulet se lança dans l'étude et la réalisation de robots à structure parallèle, avec le concours d'André Dillinger, Alain Gaillet, Vincent Fuertes et Claude Lambert. La page de l'Onera qu'il a créée sur les robots parallèles n'existant plus, voici un lien sur l'essentiel de son contenu : Les robots parallèles au CERT/DERA par Claude Reboulet.

Le système d'exploitation temps réel CESAR et le capteur d'effort furent utilisés pour des expérimentations d'assemblage en commande hybride position-force, en particulier pour le montage de gyroscopes.

A cette époque, à la jonction de la mécanique et de l'automatique, Jean-Pierre Chrétien devient l'expert en commandes active des structures flexibles (panneaux de satellites, ailes d'avions, ...).

D'un autre coté, la robotique mobile s'était déplacé de la commande vers la planification avec les travaux de Claude Barrouil et Roger Mampey. Jean-Claude Barral se spécialisait en traitement d'images.

Retour au DERA

A mon retour au DERA, en 1988 les financements de recherche en robotique sont de plus en faibles alors que le domaine spatial manque de personnel. Je me convertis donc et effectue quelques études où j'applique à la conduite en attitude des satellites agiles les méthodes de programmation de trajectoires que j'ai développées pour les robots.

Robot NTH

Mais AKR continue. Parallèlement je suis contacté par mes anciens collègues d'AKR pour tenir ma place dans la conception d'un nouveau robot. J'effectue ce travail dans le cadre d'un contrat passé entre le CERT-DERA et AKR Robotics, ce qui me donne l'occasion de faire plusieurs séjours de travail dans le Michigan. Le nouveau robot baptisé NTH avait la particularité de pouvoir positionner son organe terminal dans une situation déterminée avec 8 postures différentes, et ceci dans un domaine de travail relativement grand. Cette capacité est partiellement illustrée sur deux photos. Sur la première photo le robot est en posture dite coude bas, alors que sur la deuxième photo le robot est en posture dite coude haut. On peut voir sur ces photos que le robot est sur une plate-forme mobile qui est en fait l'organe terminal d'un robot porteur à 3 ddl de type SCARA. Le robot complet baptisé Mushroom avait ainsi 9 ddl qui étaient complètement coordonnés. Il balayait un domaine de travail de plus de 9 m de rayon. Alex Renault développa pour ce robot un langage de programmation doté d'un interpréteur en langage structuré qui offrait toutes les fonctionnalités d'un langage évolué (boucles, sauts conditionnels, sous-programmes, ...). Là aussi, le client potentiel annula sa participation. Mushroom ne fut pas fabriqué en série.

Les vidéos présentées ci-dessous montrent des expérimentations réalisées par Alex Renault d'AKR.

Dans les années 1990-2000, l'ONERA devient l'Onera et se restructure. Les départements sont réorganisés. Le DERA devient le DCSD (Département de Commande des Systèmes et Dynamique du vol) et le CERT devient le Centre de Toulouse de l'Onera.

Les Gyrodynes

Au milieu de la décennie 1990-2000, le DCSD obtient des contrats auprès de la DGA et du CNES pour l'étude de la commande d'attitude de satellites au moyen d'actionneurs gyroscopiques également appelés gyrodynes (control moment gyro ou CMG en anglais). Ces actionneurs délivrent un couple gyroscopique autour d'un axe fâcheusement mobile, qui tourne d'autant plus vite que le couple à réaliser est élevé. Leur utilisation est extrêmement complexe. Ainsi, pour réaliser un couple autour d'une direction fixe, il faut au minimum deux gyrodynes montés en ciseaux (les moments réalisés sont les lames des ciseaux, qui pivotent en sens inverse et dont la somme est toujours selon la bissectrice). Pour réaliser des moments dynamiques dans n'importe quelle des 3 directions de l'espace, on utilise une architecture à 4 gyrodynes. Ces systèmes ont une propension à se mettre dans des configurations singulières dans lesquelles ils perdent une partie de leur capacité. Avec Jean-Pierre Chrétien, nous effectuons plusieurs études théoriques sur la topologie des configurations singulières et les méthodes pour les éviter dans le cadre du pilotage en attitude de satellite agiles. Pour étayer ces études, nous avons réalisé, avec l'aide majeure de Patrick Carton et d'André Dillinger, les deux bancs d'essais qui figurent sur les clips vidéos suivants :

La suspension active pour soufflerie SACSO

photo
SACSO en test en SV4
Sacso est un Projet de Recherches Fédérateur (PRF) de l'Onera, proposé par Claude Reboulet en 1999 et dirigé par Michel Llibre à partir de 2000 qui s'est conclu en 2005 par l'installation du nouveau type de suspension active dans la soufflerie verticale SV4 de l'Onera Lille. Cette suspension robotisée à câbles permet d'effectuer la commande hybride position-force des 6 degrés de liberté d'un corps : en translation et en rotation. Elle est décrite dans cette page.

Conduite d'un rover martien - Simulation de la dynamique

Un de mes derniers travaux en robotique-mécanique, au cours des années 2005-2010, fut ma participation à l'étude du guidage d'un rover martien, effectuée pour le CNES. Dans le cadre de cette étude j'ai mis en oeuvre une simulation de la dynamique du rover qui prenait en compte la dynamique visco-élastique du terrain au niveau des contacts roue-sol.