Solutions for safe human-robot collaboration

Solutions for une collaboration humain-robot sûre

Benjamin Navarro (1, 2)

1 LIRMM - Laboratoire d'Informatique de Robotique et de Microélectronique de Montpellier
2 PRISME - Laboratoire pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique

Physical human-robot interaction is becoming crucial in an increasing number of applications, from health care to industrial processes, with many types of robots: serial manipulators, mobile platforms, mobile manipulators or humanoids. During the interactions phases, the robot must certainly not cause any harm to the human operator. To this end, some standardization efforts have been realized to provide guidelines (ISO 10218, ISO/TS 15066) when developing human-robot collaboration tasks but no generally accepted solution have been proposed so far to fulfill these requirements. Present day solutions focus on a limited set of features and so can’t be used, alone, to accommodate with a large variety of scenarios. In this thesis, we propose a two-layer safe damping control framework, alongside with its open source implementation OpenPHRI, that allows to describe a wide range of tasks while being able to respect multiple safety constraints. This respect for safety also imposes a good knowledge of the devices behavior. So, we also take a look at low level torque control in the presence of non-modelisable static frictions, the estimation of external torques and forces, as well as extensions to our framework to mobile manipulators, using a novel redundancy solution that mimics a human behavior. We finally study robotic hands equipped with tactile sensors allowing the extraction of contact forces and the detection of basic human intentions.

L’interaction physique humain-robot devient cruciale dans un nombre grandissant d’applications, de la santé à l’industrie, impliquant différents types de machines robo- tiques : manipulateurs sériels, plates-formes mobiles, manipulateurs mobiles ou humanoïdes. Dans les phases d’interactions, le robot ne doit assurément causer aucune blessure à l’opérateur humain. C’est dans ce but que des efforts de standardisation ont étés réalisés (ISO 10218, ISO/TS 15066) afin de fournir des guides lors de développements de tâches collaboratives entre un humain et un robot. Cependant, à l’heure actuelle, aucune solution globalement acceptée n’est en passe de répondre à ces problématiques. Les solutions disponibles ne se concentrent que sur un nombre limité de fonctionnalités et ne peuvent pas encore être utilisées seules pour répondre à la grande variété de scénarios collaboratifs. Dans cette thèse, nous proposons un «framework »de contrôle sûr en amortissement à deux niveaux, conjointement à son implémentation libre sur la plateforme ouverte OpenPHRI. Celui-ci permet de décrire une grande variété de tâches tout en offrant la capacité de respecter plusieurs critères de sécurité. Ce respect de la sécurité impose par ailleurs une maîtrise de différents niveaux matériels. Nous nous intéresserons ainsi au contrôle bas niveau en couple de robots présentant des frottements secs non modélisables, à l’estimation des forces et couples externes, mais aussi à des extensions de notre framework aux manipulateurs mobiles, grâce à une gestion de la redondance inspirée du comportement humain. Nous nous intéresserons enfin aux mains robotiques équipées de capteurs tactiles permettant l’estimation des forces de contact et la détection des intentions humaines simples.

Mots clés: robotics; control; safety

Mots clés: robotique; interaction; collaboration; contrôle; sécurité

Domaines: Robotique [cs.RO]

Benjamin Navarro. Solutions for safe human-robot collaboration. Robotics [cs.RO]. Université d'Orléans, 2017. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02120668⟩