Control Methods for Aerial Robotic Systems Physically Interacting with Humans
Méthodes de contrôle des systèmes robotiques aériens en interaction physique avec les humains
Résumé
Aerial robots (ARs) are experiencing a large interest for various applications ranging from contact-less operations, like area monitoring and search-and-rescue missions, to contact-based scenarios such as surface inspection, sensor installation, and pick-and-place tasks. Multi-rotor aerial vehicles (MRAVs) are attracting particular attention from roboticists due to their customizable design, scalability, ease of deployment, and assembling from off-the-shelf materials. Their agility and maneuvering capabilities, along with a larger workspace compared to wheeled and ground manipulators, enable them to reach inaccessible areas and perform a large variety of tasks relying on onboard sensors and specialized end effectors. In recent years, mounting fixed tools or multi-degree-of-freedom robotic arms on aerial robots has enabled physical interaction with the environment, allowing them to accomplish tasks that require exerting forces and torques. This new trend paves the way for the integration of these robots into everyday-life settings, collaborating with humans, and assisting them in various tasks. In high-from-ground applications, for instance, ARs can be employed to monitor the operations using onboard sensors and provide the necessary tools to the human operators. Similarly, in industrial scenarios, aerial robots can swiftly move between locations to fetch the requested materials and tools. However, deploying aerial robots in human-robot interaction settings opens new challenges that require safe and appropriate solutions. From a control perspective, novel control algorithms are needed to enable aerial vehicles to interact physically and safely with human operators. These control algorithms must ensure the safety of the human agents while assisting them in am ergonomic manner, such as reducing their joint stress. This thesis addresses these challenges by proposing different control architectures for multi-rotor aerial robots to achieve physical and safe interaction with humans. The primary focus is on the handover problem consisting in an aerial robot handing over an object or a tool to a human operator. The proposed methodology combines classical control and estimation techniques derived from the well-established knowledge of Human-Robot interaction (HRI) with ground manipulators and the exploitation of predictive optimization-based algorithms. Aerial robots pose unique difficulties compared to industrial manipulator arms, due to their limited actuation capabilities, the absence of a fixed base, the interplay between motion and vision, and related to a rapid and highly nonlinear dynamics. This thesis provides a formulation of the handover problem as a decomposition into subproblems and it develops suitable control methods addressing a subset of these subproblems. Lastly, it sketches some considerations aimed at tackling the problem as a whole. While further research is necessary, the analytical and experimental results presented in this thesis demonstrate the validity and practical relevance of the proposed methodology. This work has resulted in three publications in international peer-reviewed conferences, and most of the related software productions have been published open-source for the robotics community.
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.
Origine : Version validée par le jury (STAR)