Cette thèse présente deux nouvelles architectures de commande pour les interactions physiques humain-robot (pHRIs). Ces architectures sont spécifiquement développées dans une vision d'implantation en industrie pour les manipulations d'assemblage. En effet, deux types de robots collaboratifs adaptés à différentes contraintes de l'industrie et ayant des interfaces d'interactions physiques différentes sont étudiés en utilisant chacun leur propre architecture de commande.

Le premier robot collaboratif développé est un manipulateur entièrement actionné permettant des pHRIs dans son espace libre, c.-à-d., des interactions unilatérales, et des pHRIs lorsque ses mouvements sont contraints par un environnement quelconque, c.-à-d., des interactions bilatérales. Les interactions de l'humain peuvent s'effectuer sur n'importe quelles parties du robot grâce aux capteurs de couples dans les articulations. Cependant, si une amplification des forces de l'humain sur l'environnement est désirée, alors il est nécessaire d'utiliser le capteur d'efforts supplémentaire attaché au robot. Ceci permet à la commande, en combinant les lectures du capteur d'efforts à l'effecteur, d'utiliser le ratio des forces appliquées indépendamment par l'opérateur et par l'environnement afin de générer l'amplification désirée. Cette loi de commande est basée sur l'admittance variable qui a déjà démontré ses bénéfices pour les interactions unilatérales. Ici, l'admittance variable est adaptée aux interactions bilatérales afin d'obtenir un seul algorithme de commande pour tous les états. Une loi de transition continue peut alors être définie afin d'atteindre les performances optimales pour chaque mode d'interaction qui, en fait, nécessitent chacun des valeurs de paramètres spécifiques.

Le cheminement et les résultats pour arriver à cette première architecture de commande sont présentés en trois étapes. Premièrement, la loi de commande est implémentée sur un prototype à un degré de liberté (ddl) afin de tester le potentiel d'amplification et de transition, ainsi que la stabilité de l'interaction. Deuxièmement, un algorithme d'optimisation du régulateur pour les interactions bilatérales avec un robot à plusieurs ddls est développé. Cet algorithme vérifie la stabilité robuste du système en utilisant l'approche des valeurs singulières structurées (µanalysis), pour ensuite faire une optimisation des régulateurs stables en fonction d'une variable liée à la configuration du manipulateur. Ceci permet d'obtenir une loi de commande variable qui rend le système stable de façon robuste en atteignant des performances optimales peu importe la configuration des articulations du robot. La loi de commande trouvée utilise un séquencement de gain pour les paramètres du régulateur par admittance durant les interactions bilatérales. La stabilité et la performance du système sont validées avec des tests d'impact sur différents environnements. Finalement, la loi de commande en admittance variable optimale est implémentée et validée sur un robot manipulateur à plusieurs ddls (Kuka LWR 4) à l'aide de suivis de trajectoire pour des interactions unilatérales et bilatérales.

Le deuxième robot collaboratif développé est un manipulateur partiellement actif et partiellement passif. L'architecture mécanique du robot est appelée macro-mini. Tous les degrés de liberté actionnés faisant partie du macro manipulateur sont doublés par les articulations passives du mini manipulateur. Le robot est alors sous-actionné. L'opérateur humain interagit uniquement avec le mini manipulateur, et donc, avec les articulations passives ce qui élimine tous délais dans la dynamique d'interaction. Ce robot collaboratif permet de définir une loi de commande qui génère une très faible impédance lors des interactions de l'opérateur, et ce, même pour des charges utiles élevées. Malgré que des amplifications de force ne peuvent être produites, les interactions bilatérales ont une stabilité assurée peu importe la situation. Aussi, les modes coopératif et autonome du robot utilisent les mêmes valeurs de paramètres de commande ce qui permet une transition imperceptible d'un à l'autre. La nouvelle loi de commande est comparée sur plusieurs aspects avec la commande en admittance variable précédemment développée. Les résultats démontrent que cette nouvelle loi de commande combinée à l'architecture active-passive du macro-mini manipulateur, appelé uMan, permet des interactions intuitives et sécuritaires bien supérieures à ce qu'un système entièrement actionné peut générer. De plus, pour l'assistance autonome, une détection de collision avancée et une planification de trajectoire adaptée à l'architecture du robot sont développées. Des validations expérimentales sont présentées afin d'évaluer la facilité à produire des manipulations fines, de démontrer la sécurité du système et d'établir la viabilité du concept en industrie.

This thesis presents two novel control architectures for physical human-robot interactions (pHRIs) which are specifically designed for the assembly industry. Indeed, two types of pHRI manipulators, each adapted to different industrial constraints and with different physical interaction interfaces, are studied each with their own control architecture.

The first pHRI manipulator designed is fully actuated and allows pHRIs in its free space, i.e., unilateral interactions, as well as pHRIs when its motion is constrained by the environment, i.e., bilateral interactions. The human force input can be applied on any of the manipulator's links because of the torque sensors in the robot joints. However, if a human force amplification is desired on the environment, then it is required to use the additional force sensor appended to the robot. Using this approach, combined with the signal of the force sensor at the endeffector, it is then possible to use the ratio between the human and environment forces in order to generate the desired amplification. This control law is based on the concept of variable admittance control which has already demonstrated its great benefits for unilateral interactions. Here, this concept is extended to bilateral interactions in order to obtain a single control algorithm for both states. A continuous transition can thus be implemented between both interaction modes which require different parameter values in order to achieve their optimal performance.

The workflow and results to achieve this first control architecture are presented in three steps. Firstly, the control law is implemented on a single-degree-of-freedom (dof) prototype in order to test the amplification and transition potential, as well as the stability of the interaction. Secondly, a control optimisation algorithm is developed for bilateral interactions with a multidof robot. This algorithm assesses the system's robust stability using the structured singular value approach (µ-analysis), to afterwards, optimize the stable controllers in relation to a manipulator's configuration-dependent variable. This approach leads to a variable control law yielding a robustly stable system that can reach optimal performances for any robot configuration. In fact, the admittance regulator parameters follow a gain scheduling paradigm for bilateral interactions. The stability and performance of the system are assessed using impact tests on different environments. Finally, the optimal variable admittance control law is implemented and validated on a multi-dof robot (Kuka LWR 4) using different trajectory tracking tasks for unilateral and bilateral interactions.

The second pHRI manipulator designed is partially active and partially passive. The robot's mechanical architecture is known as a macro-mini. All actuated dofs — which are part of the macro manipulator — are doubled with passive joints — which are part of the mini manipulator. This robot is therefore underactuated. The human operator interacts solely with the mini manipulator and, thereby, solely with the passive joints which leads to an interaction dynamics free of any delay. It is possible with this pHRI manipulator to define a control law that yields an extremely low interaction impedance, even for heavy payloads. Despite the fact that force amplification is impractical with this kind of mechanism, bilateral interactions are stable for all sorts of contact. Moreover, the robot's cooperative and autonomous modes use similar control parameter values which enables an imperceptible transition from one mode to the other. The new control law is compared on different aspects with the previously-defined variable admittance control law. Results show that this new control law combined with the active-passive macro-mini manipulator, also known as uMan, leads to intuitive and safe interactions that are considerably superior to any interaction using a fully actuated manipulator. Furthermore, for the autonomous mode, an advanced collision detection and a specificallyadapted trajectory planning are developed. Experimental validations are presented in order to assess the ease of fine manipulation, to demonstrate the system's safety, and to establish the viability of the concept for the industry.