Online generation of time- optimal trajectories for industrial robots in dynamic environments

• Main Author: Homsi, Saed Al
• Other Authors: Grenoble Alpes
• Language: en
• Published: 2016
• Subjects: Trajectoires réactives; Programmation quadratique; Modèle prédictif de contrôle; Contrôle optimal; Convexité; L'évitement d'obstacles; Reactive Trajectory; Quadratic Programming; Model Predictive control; Optimal Control; Convexity; Obstacle avoidance; 620
• Online Access: http://www.theses.fr/2016GREAT027/document

Nous observons ces dernières années un besoin grandissant dans l’industrie pour des robots capables d’interagir et de coopérer dans des environnements confinés. Cependant, aujourd’hui encore, la définition de trajectoires sûres pour les robots industriels doit être faite manuellement par l’utilisateur et le logiciel ne dispose que de peu d’autonomie pour réagir aux modifications de l’environnement. Cette thèse vise à produire une structure logicielle innovante pour gérer l’évitement d’obstacles en temps réel pour des robots manipulateurs évoluant dans des environnements dynamiques. Nous avons développé pour cela un algorithme temps réel de génération de trajectoires qui supprime de façon automatique l’étape fastidieuse de définition d’une trajectoire sûre pour le robot.La valeur ajoutée de cette thèse réside dans le fait que nous intégrons le problème de contrôle optimal dans le concept de hiérarchie de tâches pour résoudre un problème d’optimisation non-linéaire efficacement et en temps réel sur un système embarqué aux ressources limitées. Notre approche utilise une commande prédictive (MPC) qui non seulement améliore la réactivité de notre système mais présente aussi l’avantage de pouvoir produire une bonne approximation linéaire des contraintes d’évitement de collision. La stratégie de contrôle présentée dans cette thèse a été validée à l’aide de plusieurs expérimentations en simulations et sur systèmes réels. Les résultats démontrent l’efficacité, la réactivité et la robustesse de cette nouvelle structure de contrôle lorsqu’elle est utilisée dans des environnements dynamiques. === In the field of industrial robots, there is a growing need for having cooperative robots that interact with each other and share work spaces. Currently, industrial robotic systems still rely on hard coded motions with limited ability to react autonomously to dynamic changes in the environment. This thesis focuses on providing a novel framework to deal with real-time collision avoidance for robots performing tasks in a dynamic environment. We develop a reactive trajectory generation algorithm that reacts in real time, removes the fastidious optimization process which is traditionally executed by hand by handling it automatically, and provides a practical way of generating locally time optimal solutions.The novelty in this thesis is in the way we integrate the proposed time optimality problem in a task priority framework to solve a nonlinear optimization problem efficiently in real time using an embedded system with limited resources. Our approach is applied in a Model Predictive Control (MPC) setting, which not only improves reactivity of the system but presents a possibility to obtain accurate local linear approximations of the collision avoidance constraint. The control strategies presented in this thesis have been validated through various simulations and real-world robot experiments. The results demonstrate the effectiveness of the new control structure and its reactivity and robustness when working in dynamic environments.