Projet ANR-14-CE27-0016 – SISCob : Capteur de Sécurité intelligente pour la Cobotique
Programme : Sciences et technologies de production, l'usine numérique (DS0302)
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Monsieur Marc ARSICAULT (PPRIME - Université de Poitiers)
Partenaires : Laboratoire public; Laboratoire public; Laboratoire public; SENSIX; Laboratoire public
Montant : 562435.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 54 mois
Résumé : SISCob: Safety Intelligent Sensor for Cobots. Une interface mécatronique communicante aux articulations des robots manipulateurs, garantissant la sécurité des interactions physiques homme/robot-robot.Un nouvel éco-concept, alliant conception mécanique et traitement biomimétique des mesures pour la commande, offrant de nouvelles potentialités aux robots collaboratifs et de nouvelles perspectives au domaine de la cobotique vis-à-vis de la sécurité de l’interaction physique homme-machine. Cette nouvelle technologie apportera de nouvelles solutions robotiques aux contraintes de l’isolement médical, du maintien au domicile et de la pénibilité en environnement industriel.
Un composant modulaire et intelligent, capable d’imiter les fonctions d’une articulation biologique et leur synergie, pour résoudre les contraintes liées à la sécurité des robots collaboratifs.Dans le contexte où les objectifs majeurs dans les secteurs de la manufacture et des services manuels concernent la recherche d'améliorations en termes de réduction des coûts financiers, d'augmentation de la qualité et de la productivité ; il faut aussi tenir compte de nouveaux enjeux sociétaux et environnementaux : la sécurité et l'impact environnemental ainsi que le manque de main d'œuvre qualifiée pour la réalisation de tâches pénibles ou hautement spécialisées. Pour répondre à ces challenges une voie possible concerne l'utilisation de robots collaboratifs (cobots) pour assister et collaborer avec des opérateurs humains. Mais la mise en proximité de robots et de personnes soulève des problèmes liés à la sécurité de fonctionnement des robots. Ces freins pourraient être levés grâce à des technologies adéquates à bas coût rendant les robots du marché intrinsèquement sûrs. La solution proposée dans ce projet est un dispositif mécatronique générique avec ses logiciels d'exploitation innovants réalisant la fonction d’articulation biomimétique. Ce système permettra aux cobots d'adopter un comportement sécurisant l'environnement et la tâche en assurant les fonctions d'amortissement adaptatif des impacts à l'image d'une articulation biologique, la modélisation des contacts physiques et la transmission rapide des données. Les objectifs scientifiques sont de proposer un dispositif compliant et compact pour gérer de façon adaptative les impacts sur les segments d’un robot, d’estimer en ligne l’impédance mécanique de contact pour une commande prédictive gérant la sécurité. Il s’agira de sélectionner, à partir des mesures, la meilleure structure de modèle puis d’en identifier les paramètres. Les phénomènes physiologiques seront considérés. Les verrous technologiques concernent la miniaturisation du produit par des choix adaptés de mécanismes et de matériaux, la recherche de compromis entre puissance de calcul, encombrement et dissipation thermique de l’électronique embarquée.
De la fonction de sécurité recherchée au produit final. Les étapes d’identification, synthèse de mécanismes, conception, optimisation des solutions, développements algorithmiques et de validations.Un examen des projets de recherche cobotique passés et actuels, ainsi que des normes en vigueur relatives aux exigences de sécurité pour les robots et dispositifs de mesure a mis en évidence les grandeurs et consignes utiles à la définition des besoins des utilisateurs et du capteur de sécurité SIS. A l’issue d’une étude bibliographique, le cahier des charges a été complété et deux types de courbes de réponses en couple répondant à la fonction de sécurité recherchée ont été identifiées. Pour chaque type de réponse, une cinématique a été proposée. Le premier dispositif compliant, utilise un mécanisme à six barres et un ressort de traction à comportement linéaire. Il a été développé en première version pour être intégré sur une liaison glissière. La synthèse dimensionnelle a conduit à l’identification des paramètres de conception optimaux permettant au mécanisme de reproduire la courbe de réponse en couple souhaitée. Le second dispositif utilise un mécanisme à came couplé à un réducteur et des ressorts de traction. La solution innovante proposée permet d’obtenir un dispositif compact compliant à intégrer sur une liaison pivot. Un paramètre réglable par actionnement permet d’obtenir des courbes de réponses multiples caractérisées par des valeurs seuils du couple d’entrée. Des travaux expérimentaux et leur analyse pour l’identification des paramètres mécaniques pour la conception optimale du SIS ont été réalisés. Un protocole expérimental capable de révéler des facteurs mécaniques significatifs d’interaction physique naturelle sans risque entre humains a été défini. Pour vérifier que les conditions expérimentales du protocole choisi correspondent à des situations « confortables » pour les sujets humains, nous avons inclus dans le protocole la mesure de paramètres physiologiques (fréquence cardiaque, volumes respiratoires) en utilisant le système Métamax. L’analyse des gestes des sujets a été réalisée avec le système de capture de mouvement Vicon-Nexus.
Résumé de la soumission : L’objectif de SISCob est de développer un nouveau composant robotique intelligent et modulaire imitant les fonctions d’une articulation biologique et leur synergie pour les robots collaboratifs (cobots). Le SIS pour "Safety Intelligent Sensor" sera conçu pour transmettre le mouvement d'un actionneur vers un segment du robot ou son effecteur et devra fournir les services suivants :- proposer un mécanisme compliant de sécurité passive pour l'interaction physique homme/robot,- sélectionner et identifier en temps réel un modèle d'impédance de l'interaction mécanique entre l'axe équipé du SIS et l'environnement externe à cet axe,- transmettre ses données à un taux adapté pour permettre le contrôle moteur du robot et faire émerger une stratégie globale de gestion de sécurité par la mise en réseau ad’ hoc des capteurs. Ce projet se positionne dans le contexte où les objectifs majeurs dans les secteurs de la manufacture et des services manuels s'appuient sur la recherche d'améliorations en termes de réduction des coûts financiers, d'augmentation de la qualité et de la productivité. Cependant cette course à la performance doit tenir compte de nouveaux enjeux sociétaux et environnementaux : la sécurité et l'impact environnemental ainsi que le manque de main d'œuvre qualifiée pour la réalisation de tâches pénibles ou hautement spécialisées. Pour répondre à ces challenges de nombreux projets de recherche et développement se sont axés sur l'utilisation de robots collaboratifs (cobots) pour assister et collaborer avec des opérateurs humains. Mais la mise en proximité de robots et de personnes soulève des problèmes liés à la sécurité de fonctionnement des robots. Ces freins pourraient être retirés si des technologies adéquates à bas coût  rendaient les robots du marché intrinsèquement sûrs. Nous pensons que la conception très spéciale du capteur SIS, pourrait être la solution.Du point de vue scientifique, les deux principales problématiques sont : 1. La conception d’une structure mécanique articulée, compliante et innovante pour gérer de façon adaptative les impacts sur le segment du robot attaché au SIS. Ce mécanisme devra être passif mais pourra adapter sa rigidité de manière active.2. Pour un contrôle robuste, précis et rapide du robot, le SIS devra intégrer une électronique pour estimer en ligne un modèle complet (structure et paramètres) de l’impédance mécanique de contact. Afin de traiter les insuffisances des méthodes de l’état de l’art concernant l’excitation permanente nous proposons une nouvelle approche en deux étapes : sélectionner en ligne à partir des mesures disponibles la meilleure structure de modèle par une méthode algébrique puis identifier les paramètres de cette structure.Les avantages du SIS seront de :- faciliter l’intégration sur un robot sans avoir à se soucier du redimensionnement des actionneurs permettant ainsi aux constructeurs d’obtenir, à faible coût, des robots intrinsèquement sécurisés ;- permettre une sécurité active par l'implémentation de boucles reflexes rapides de commande des actionneurs basées sur la capacité prédictive des modèles d'impédance estimés en temps-réel ;- permettre une stratégie globale de contrôle pour gérer la sécurité, grâce à la mise en réseau des capteurs SIS à chaque articulation du robot afin d’être capable de localiser les points d'impact et de contact sur le corps du robot ;- mettre en œuvre la technique de téléopération adaptative robuste dite à "médiation de modèles" de façon innovante à partir des modèles d'impédance délivrés par le SIS, afin de réaliser la téléopération avec retour haptique d'un robot au contact d'une personne.En collaboration avec notre partenaire industriel, un ensemble de "SIS" sera développé en version préindustrielle et testé sur un robot modulaire pour trois applications couvrant les principaux domaines de la robotique, à savoir la robotique industrielle, la robotique médicale et la robotique d'assistance.
Résultats : Une maquette de faisabilité du premier dispositif a été réalisée et répond de façon satisfaisante à un modèle de comportement compliant imposé, validant ainsi la méthodologie. Les études concernant ce dispositif se poursuivent pour adapter son fonctionnement aux liaisons pivots et améliorer son intégration sur un bras robotique. Une première conception du second dispositif, ainsi qu’une maquette de faisabilité réalisée par fabrication additive permettent la validation du principe. Les conceptions qui ont suivi s’appuient sur une étude de résistance et de choix des matériaux sur le logiciel ABAQUS tout en prenant en compte l’intégration du dispositif sur le bras robotique (SRA) qui sera conçu à partir des modules développés par PPRIME dans le cadre d’EQUIPEX ROBOTEX.
Les travaux expérimentaux qui ont permis l’identification de paramètres mécaniques pour la conception optimale du SIS ont fournis des résultats qui établissent des valeurs limites de déflection, vitesse, force, puissance dans deux fonctions du SIS : i) une fonction robustesse et performance requérant que le SIS soit capable d’endurer les facteurs mécaniques relevés sur de longues durées ; ii) une fonction sécurité requérant que le SIS ne dépasse pas les limites mécaniques afin d’assurer la sécurité des personnes.
Une plateforme de simulation a été développée pour étudier le comportement global d’un robot poly-articulé muni de dispositifs SIS. Les modèles et paramètres des SIS sont ajustables. Le travail est mené sur un robot  SCARA pour son aspect didactique. Il sera étendu au cas d’un robot 7ddl pour le médical. Une commande en admittance adaptative a été développée et validée sur le bras Kuka LWR/main Shadow. Cette commande ajuste automatiquement les paramètres d'impédance, afin de respecter la norme ISO10218 relative aux applications industrielles (seuils max de vitesse, puissance, et force, au niveau du « tool control point »). Le comportement du SIS a été simulé sur les articulations du Kuka LWR.
Perspectives : L’avancée des modèles CAO à T0+18 permet d’envisager la réalisation d’un ou deux prototypes de laboratoire dans les prochains mois. Le premier permettra de valider le comportement et d’arrêter le choix d’un dispositif. Nous dimensionnerons les futurs prototypes en fonction i) de leur implantation sur le robot et ii) de leurs applications cibles. L’électronique de commande du SIS et les logiciels d’exploitation seront développés. La commande en admittance adaptative sera étendue pour contrôler la main robotique Shadow et le bras LWR Kuka. La gravité sera prise en compte dans la simulation du SIS au niveau des articulations, sa compensation envisagée sous l’approche duale mécanique/commande. Cela permettra d’envisager la réalisation d’un prototype pour validation puis d’un ensemble de SIS en version préindustrielle. Cet ensemble de capteurs sera testé sur un robot modulaire (SRA) pour trois applications couvrant les principaux domaines de la robotique, à savoir la robotique industrielle, la robotique médicale et la robotique d'assistance. Un rapport d’évaluation des SIS montés sur le SRA sera fourni en fin de projet.
Publications et brevets : 1.	F. COURREGES, J. ABSI, M. A. LARIBI, M. ARSICAULT, S. ZEGHLOUL «Accounting for Respiratory Motions in Online Mechanical Impedance Estimation», 2015 IEEE 13th International Conference on Industrial Informatics (INDIN), 22-24 July 2015, Pages 1504 – 1509, DOI: 10.1109/INDIN.2015.7281956. 
2.	F. COURREGES, M. A. LARIBI, M. ARSICAULT, S. ZEGHLOUL «An in Vivo Experiment to Assess the Validity of the Log Linearized Hunt-Crossley Model for Contacts of Robots with the Human Abdomen» The Fourth IFTOMM International Symposium on Robotics and Mechatronics held in Poitiers, France 23-24 June 2015, Pages 209-218, DOI: 10.1007/978-3-319-22368-1.
3.	B. NAVARRO, P. KUMAR, A. FONTE, P. FRAISSE, G. POISSON and al. « Active calibration of tactile sensors mounted on a robotic hand ». IROS 2015: Intelligent Robots and Systems, IEEE/RSJ, Work-shop on Multimodal sensor-based robot control for HRI and soft manipulation, Hambourg, Germany, September 2015.
4.	B. NAVARRO, A. CHERUBINI, A. FONTE, R. PASSAMA, G. POISSON, P. FRAISSE. « An ISO10218-compliant adaptive damping controller for safe Physical Human-Robot Interaction », IEEE International Conference on Robotics and Automation, ICRA 2016, Stockholm, Sweden, May 2016.