Control Methods for Aerial Robotic Systems Physically Interacting with Humans

Méthodes de contrôle des systèmes robotiques aériens en interaction physique avec les humains Les robots aériens (ARs) connaissent un large intérêt pour diverses applications qui vont des opérations sans contact telles que la surveillance de zones ou les missions de recherche et de sauvetage, aux scénarios nécessitant un contact tels que l'inspection de surface ou l'installation de capteurs. Les véhicules aériens à rotors multiples (Multi-Rotor Aerial Vehicles (MRAVs)) suscitent une attention particulière de la communauté robotique en raison de leur conception personnalisable, de leur facilité de déploiement et de leur construction à base des composants standards disponible sur le marché. Leur agilité et leurs capacités de manoeuvre leur permettent d'atteindre des zones difficiles d'accès et d'accomplir une grande variété de tâches à l'aide de capteurs embarqués et d'effecteurs terminaux spécialisés. Ces dernières années, le montage d'outils fixes ou de bras articulés à plusieurs degrés de liberté sur des robots aériens a permis à ces robots d'interagir physiquement avec leur environnement et d'accomplir des tâches qui nécessitent d'exercer des forces et des couples. Cette nouvelle approche ouvre la voie vers l'intégration de ces robots dans des environnements quotidiens où ils pourront collaborer avec les humains ou les assister dans diverses tâches. Pour des applications en hauteur, par exemple, les robots aériens peuvent être utilisés pour surveiller les opérations à l'aide de capteurs embarqués et fournir des outils nécessaires aux opérateurs humains. Toutefois, le déploiement de robots aériens pour l'interaction humain-robot représente de nouveaux défis qui nécessitent des solutions appropriées. Du point de vue du contrôle, des algorithmes novateurs sont nécessaires pour que l'interaction physique entre l'opérateur humain et le robot soit sûre. Ces algorithmes de contrôle doivent garantir la sécurité des agents humains tout en les assistant de la manière la plus ergonomique possible, par exemple en réduisant la charge articulaire. Cette thèse aborde ces défis et propose différentes architectures de contrôle pour les robots aériens à rotors multiples afin de réaliser des interactions physiques avec les humains. L'accent principal est mis sur le problème du transfert d'un objet ou d'un outil entre un robot aérien et un opérateur humain. La méthodologie proposée combine des techniques de contrôle et d'estimation classiques issues des connaissances bien établies en interactions humain-robot dans le cas des manipulateurs terrestres et des algorithmes de contrôle basés sur l'optimisation prédictive. Les robots aériens posent des difficultés particulières par rapport aux bras manipulateurs industriels, dues notamment à des capacités d'actionnement limitées, à l'absence d'une base fixe, à l'interaction entre le mouvement et la vision, ainsi qu'à une dynamique rapide et hautement non linéaire. Cette thèse propose une formulation du problème de transfert d'objet basée sur une décomposition en sous-problèmes et l'élaboration de méthodes de contrôle pour aborder un sous-ensemble de ces sous-problèmes, puis elle fournit des éléments pour aborder le problème dans sa globalité. Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires, les résultats analytiques et expérimentaux présentés dans cette thèse démontrent la validité et la pertinence pratique de la méthodologie proposée. Ce travail a donné lieu à trois publications dans des conférences internationales évaluées par les pairs, et la plupart des logiciels associés ont été publiés en open source pour la communauté robotique.