Cette thèse présente une méthode de proprioception alternative pour les manipulateurs robotiques sériels. Cette méthode ne dépend pas de la position des actionneurs et ne nécessite donc pas d’hypothèse de corps rigides. Cela permet, d’une part, d’envisager un paradigme différent pour la conception de robots légers et flexibles, mieux adaptés aux applications d’interaction physique-humain robot. D’autre part, cela permet de transformer la déformation de la structure du robot, habituellement perçue comme un désavantage, en un outil de détection des intentions de l’usager pendant une tâche d’interaction.

Le premier chapitre présente la conception du système de rétroaction non colocalisée pour manipulateurs sériels flexibles. Le dispositif est une chaîne sérielle et passive d’encodeurs et de membrures légères, disposée en parallèle avec le manipulateur. Ce bras de mesure découple la proprioception du manipulateur de ses actionneurs en fournissant de l’information sur la pose réelle de son organe terminal, qui tient compte de la flexibilité des membrures et des articulations. Un schéma de commande dans l’espace des tâches, mettant à profit cette rétroaction additionnelle, est conçu et testé en simulation. Finalement, les résultats de simulation sont validés à l’aide d’un manipulateur expérimental léger à trois degrés de liberté, équipé d’un bras de mesure à cinq degrés de liberté.

Le second chapitre présente une méthode permettant l’interaction physique humain-robot de façon intuitive avec les manipulateurs flexibles grâce au système de mesure précédemment mentionné. En mesurant la déviation de l’organe terminal par rapport à la base, toute la structure du manipulateur devient une interface potentielle d’interaction, peu importe si la flexion provient des membrures ou des articulations. Le schéma de commande proposé est basé sur un simple asservissement des vitesses articulaires et ne requiert que la connaissance de la matrice jacobienne rigide du manipulateur. L’approche est validée en simulation sur un modèle simplifié, ainsi qu’expérimentalement sur un prototype physique de robot sériel à trois degrés de liberté avec articulations et membrures flexibles.

Le troisième et dernier chapitre présente une généralisation des concepts reliés aux actionneurs a élasticité en série (series elastic actuators, SEA) pour la commande en force de manipulateurs à articulations et membrures flexibles à plusieurs degrés de liberté. En utilisant la mesure de la pose de l’organe terminal, toute la structure d’un manipulateur peut être consdérée comme un SEA. Une approche par éléments de raideur localisés (lumped stiffness) est proposée pour modéliser la raideur du manipulateur. Ce faisant, les schémas de commande développés pour l’interaction physique humain-robot avec les SEA peuvent être transposés à la commande en impédance de manipulateurs flexibles. Un résultat connu sur la raideur maximale passivement réalisable avec les SEA à un degré de liberté est généralisé pour les structures flexibles à plusieurs degrés de liberté. Finalement, les schémas de commande proposés sont validés expérimentalement.

This thesis presents an alternative proprioception method for flexible serial robotic manipulators. This method is independent from the actuators and requires no rigid body assumption. This enables, on one hand, a different design paradigm for lightweight and flexible robots, that are better suited for physical human-robot interaction (pHRI) applications. On the other hand, this allows structural deflection, usually perceived as a disadvantage, to be transformed into a tool enabling user intent detection during an interaction task.

The first chapter presents the design of a non-collocated feedback system for flexible serial manipulators. The device is a passive serial chain of encoders and lightweight links, mounted in parallel with the manipulator. This measuring arm effectively decouples the manipulator’s proprioception from its actuators by providing information on the actual end-effector pose, accounting for both joint and link flexibility. With this additional feedback, a task-space position controller is devised and tested in simulation. Finally, the simulation results are validated with an experimental 3-DoF lightweight manipulator prototype equipped with a five-joint measuring arm.

The second chapter presents a method enabling intuitive pHRI with flexible robots using an end-point sensing device. The device is a passive serial chain of encoders and lightweight links, mounted in parallel with the manipulator. By measuring the deflection of the end-effector relative to the base, the whole body of the manipulator becomes a potential interaction interface, whether the compliance stems from the links or the joints. The proposed control scheme is a simple joint velocity control that only requires knowledge of the rigid-body Jacobian matrix of the manipulator. The approach is validated both in simulation on a simplified model and experimentally on a physical 3-DoF flexible-link flexible-joint serial robot.

The third and final chapter proposes a task-space generalisation of series elastic actuation concepts for flexible-link flexible-joint robots with any number of degrees of freedom. Using end-point sensing, the whole body of the flexible manipulator can effectively be considered a task-space series elastic actuator (SEA). A lumped stiffness approach based on the virtual joint method is used to establish an elastostatic model of the flexible manipulator. A simple methodology is proposed in order to identify the elastostatic model parameters. This allows force control of the robot, with notable applications in physical human-robot interaction through admittance and impedance control schemes. A known result on the maximum passively renderable stiffness for single degree-of-freedom (dof) SEAs is generalised to n-dof flexible structures, providing bounds on the renderable stiffness matrix that apply to any causal controller. Finally, the task-space control schemes derived from the SEA literature are implemented and validated on a 3-dof flexible-link flexible-joint manipulator prototype.