Contribution à la modélisation et à la commande intelligente d'un bras de robot manipulateur flexible

Abstract

Les travaux présentés dans cette thèse portent, essentiellement, sur la proposition de quelques approches de modélisation mathématique fine et complète d’un bras de robot planaire à liaison flexible basées sur les théories des poutres d’Euler-Bernoulli et de Timoshenko avec prise en compte des effets d’amortissement structural viscoélastique interne (amortissement de Kelvin-Voigt) et visqueux externe de l’air. Les modèles dynamiques développés sont établis par l’association du formalisme énergétique lagrangien et la méthode des modes supposés. Deux schémas de commande intelligente ont été appliqués à ce système complexe: un contrôleur flou de type Mamdani, puis, ce même contrôleur est optimisé par algorithmes génétiques. Une simulation numérique montre les réponses du système commandé aux structures de commande proposées que nous discutons à travers les performances réalisées. Les divers travaux effectués font l'objet de six chapitres, succinctement présentés ci-après: Le premier chapitre présente quelques généralités sur les principales méthodes de modélisation et de commande des bras de robots flexibles. Une bibliographie consistante, brassant une grande partie des travaux relatifs à ces différentes méthodes, est donnée. Dans le deuxième chapitre, nous présenterons deux configurations physiques différentes des bras manipulateurs flexibles à modéliser ainsi que leur caractérisations cinématiques. Le troisième chapitre traite de la modélisation dans le cadre de la théorie des poutres d'Euler-Bernouli. Deux modèles dynamiques, incluant les effets d'amortissement de Kelvin-Voigt et de l'air, sont développés. Le premier concerne le cas bras encastré-chargé et le deuxième celui d'un bras articulé-chargé. Les résultats de simulation du comportement en boucle ouverte des deux systèmes modélisés sont présentés et discutés. La même démarche que celle du chapitre trois fera l'objet du quatrième chapitre, mais, en utilisant la théorie des poutres de Timoshenko. Une étude par simulation analogue est aussi réalisée et ses résultats présentés et discutés également. Dans le cinquième chapitre, les notions de base de sous-ensembles flous et de logique floue ainsi qu'un ensemble de méthodologies concernant la commande floue seront passées en revue. Nous exposerons, également, les principes de base des algorithmes génétiques, en explicitant les notions essentielles inspirées de la théorie de l'évolution qui interviennent dans ces algorithmes d'optimisation stochastique. Le sixième chapitre est consacré à la proposition et la synthèse de deux schémas de commande intelligente incluant la logique floue et les algorithmes génétiques. Les détails de la conception d'un premier contrôleur flou classique, de type Mamdani, sont présentés. Ce contrôleur est, ensuite, mis en oeuvre pour la commande en position du bras de robot flexible. Les résultats de cette application sont montrés et commentés. Ce même contrôleur, souffrant de subjectivité dans sa conception est, ensuite, optimisé, au niveau de plusieurs de ses composantes (paramètres) de base, par une métaheuristique évolutive à savoir la méthode des algorithmes génétiques. Les détails de cette nouvelle conception mettant, notamment, en évidence deux propositions d'extension et d'amélioration de la méthode de Park [PAR 95] sont exposés. Divers tests sont effectués pour exhiber les capacités de ce deuxième schéma de commande intelligente. Les performances réalisées sont analysées à travers les résultats obtenus par simulation numérique. Enfin, une conclusion générale couronnant les travaux réalisés et présentés dans le cadre de cette thèse de doctorat d'état est donnée. Elle inclura, aussi, divers axes de perspectives envisagées.