Ghiath ABDULMALEK soutient sa thèse de doctorat le lundi 11 décembre 2023, 9h30 sur le site Pelvoux, salle Ax101.
Titre: Développement de l’électronique et de la commande des actionneurs servo-électrohydrauliques (SEHA)
Résumé
Les robots humanoïdes réalisent un pont remarquable entre l’ingénierie, la technologie et les aspirations humaines. Cependant. Leur développement présente une série de défis importants qui vont au-delà des simples obstacles techniques. Ces défis englobent des aspects fondamentaux, comme les exigences en matière de puissance et d’énergie ou les capacités de détection et de perception. Ils nécessitent également des algorithmes complexes de contrôle et de prise de décision. Ils font appel au domaine interdisciplinaire de l’interaction homme-robot.
À ce titre, les systèmes d’actionnement apparaissent comme des composants essentiels dans le paysage complexe des robots humanoïdes. Les actionneurs sont le cœur de ces machines, car ils leur permettent d’effectuer des mouvements précis, fiables et efficaces. En outre, ils ont la responsabilité de reproduire les complexités et la flexibilité inhérentes à la musculature et aux articulations humaines. Relever le défi des actionneurs constitue une étape essentielle vers la réalisation de robots humanoïdes avancés capables de s’engager dans le monde, de manière naturelle et utile.
Pour répondre à ces objectifs multiples, nous avons proposé une technologie d’actionnement révolutionnaire connue sous le nom d’actionneur servo-électrohydraulique (SEHA) (WO2020173933A1). SEHA introduit un changement de paradigme dans les systèmes d’actionnement grâce à des avantages très spécifiques. Il génère de manière autonome de l’énergie hydraulique à chaque articulation, optimisant ainsi l’utilisation de l’énergie. En outre, SEHA intègre une fonction de compensation de la force d’asservissement, ce qui renforce la sécurité des interactions humaines.
La mise en œuvre de SEHA nécessite une constellation de composants clés, notamment la couche EtherCAT pour une communication transparente, une instrumentation et des mesures précises pour un retour d’information en temps réel, un micrologiciel et un logiciel intégré en temps réel pour garantir l’efficacité et la réactivité. La conception de SEHA nécessite également une analyse complète du système pour l’optimisation des performances.
Le chemin pour concrétiser le potentiel de SEHA et des innovations connexes a abouti à la création de la startup KALYSTA, soutenue par un financement de la SATT-Paris Saclay. Dans une approche modulaire de ses produits, prochainement proposés à la vente, KALYSTA a introduit une suite de sous-produits, dont le Mini Groupe Hydraulique (MGH) pour la génération efficace d’énergie hydraulique, le Vérin Servo Instrumenté (SIC) pour les tests de la boucle de contrôle, et le Kit de Développement, une solution intégrée pour l’expérimentation de la technologie d’actionnement.
Cette thèse a pour objectif d’explorer la partie électronique des actionneurs, abordant les facettes complexes de leur développement, depuis les défis fondamentaux jusqu’aux technologies d’actionnement de pointe. À travers l’objectif de SEHA et les efforts de KALYSTA, elle cherche à ouvrir une nouvelle ère de technologies d’actionnement, permettant la création de systèmes robotiques plus efficaces et plus sûrs pour diverses applications.
La thèse comprend une introduction et sept chapitres principaux, chacun contribuant à la compréhension globale des robots humanoïdes et de la technologie d’actionnement. Le chapitre 2 passe en revue l’état actuel des connaissances dans le domaine. Le chapitre 3 se penche sur une étude biomédicale du muscle humain en lien avec l’actionnement mécatronique. Les chapitres 4 à 7 constituent le cœur des contributions pour le développement du système SEHA : retour sur ses principes de fonctionnement, sa simulation, sa commande, son électronique et un nouveau pilote dynamique. Le chapitre 7 est consacré à la présentation des résultats expérimentaux. Le dernier chapitre revient sur les réalisations et donne un aperçu des orientations et des recherches futures.
Composition du jury de thèse
| Membre du jury | Titre | Lieu d’exercice | Fonction dans le jury |
|---|---|---|---|
| Iftikhar AHMAD | Professeur | National University of Sciences and Technology-Pakistan | Rapporteur |
| Naïma AITOUFROUKH-MAMMAR | Maître de conférences-HDR | Université Paris-Saclay, Univ. Évry | Co-encadrante |
| Samer ALFAYAD | Professeur des Universités | Université Paris-Saclay, Univ. Évry | Co-encadrant |
| Faïz BEN AMAR | Professeur des Universités | Université Pierre et Marie Curie | Rapporteur |
| Fouzia BOUKOUR | Directrice de Recherche | Université Gustave Eiffel | Examinatrice |
| Barthélemy CAGNEAU | Maître de conférences-HDR | Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines | Examinateur |
| Saïd MAMMAR | Professeur des Universités | Université Paris-Saclay, Univ. Évry | Directeur de thèse |
Ghiath ABDULMALEK defends his doctoral thesis on Monday December 11, 2023, 9:30 a.m. on the Pelvoux site, room Ax101.
Title: Electronics and Control Development of Servo Electro-Hydraulic Actuators(SEHA)
Abstract:
Humanoid robots represent a remarkable intersection of engineering, technology, and human aspiration. However, their development presents a series of formidable challenges that extend beyond mere technical hurdles. These challenges encompass fundamental aspects, including power and energy requirements, sensing and perception capabilities, intricate control and decision-making algorithms, the nuanced domain of human-robot interaction, and the aesthetic complexities of design and fabrication.
Notably, actuation systems emerge as pivotal components within the complex landscape of humanoid robots. Actuators serve as the lifeblood of these machines, endowing them with the capability to perform precise, reliable, and efficient movements. Furthermore, they bear the responsibility of replicating the intricate complexities and flexibility inherent in human musculature and joints. Successfully overcoming the actuator challenge stands as a critical milestone toward the realization of advanced humanoid robots capable of engaging with the world in natural and useful ways.
To address these multifaceted objectives, we introduced and patented a groundbreaking actuation technology known as the Servo Electro-Hydraulic Actuator (SEHA) (WO2020173933A1). SEHA introduces a paradigm shift in actuation systems with its distinctive advantages. It autonomously generates hydraulic energy at each joint, thereby optimizing energy utilization. Moreover, SEHA incorporates a servo force compensation feature, bolstering safety for human interactions.
The implementation of SEHA necessitates a constellation of key components, including the EtherCAT Slave for seamless communication, precise instrumentation and measurement for real-time feedback, real-time firmware and embedded software to ensure efficiency and responsiveness, and comprehensive system analysis for performance optimization.
The journey to realize the potential of SEHA and related innovations has culminated in the establishment of the startup KALYSTA, supported by funding from SATT-Paris Saclay. KALYSTA‘s modular approach introduces a suite of sub-products, including the Mini Groupe Hydraulique (MGH) for efficient hydraulic energy generation, the Servo Instrumented Cylinder (SIC) for control loop testing, and the Development Kit, an integrated solution for experimentation with the actuation technology.
This thesis comprehensively explores humanoid robots, addressing the intricate challenges of their development, from foundational concepts to cutting-edge actuation technology. Through the lens of SEHA and the efforts of KALYSTA, it aims to usher in a new era of actuation technologies, enabling the creation of more efficient and secure robotic systems for a wide range of applications.
The SEHA system was studied, and an instrumentation system was proposed and implemented. An EtherCAT real-time protocol was established for communication, real-time feedback instruments, responsive firmware, and system analysis for performance optimization. The electronic and control board was optimized and industrialized, and electronic tests were conducted.
The thesis encompasses an introduction and seven chapters, each contributing uniquely to the comprehensive understanding of humanoid robots and actuation technology. Chapter 2 reviews the current state of knowledge in the field, while Chapter 3 delves into a biomedical study of human muscle. Chapters 4 through 7 dissect SEHA, including its working principles, simulation, control, electronics, and a novel dynamic driver. Chapter 8 culminates in presenting experimental results and offering insights into future directions and possibilities.
- Date : lundi 11/12/2023, 9h30
- Lieu : Site Pelvoux, salle Ax101
- Doctorant : Ghiath ABDULMALEK (Université d’Évry, Université Paris Saclay, IBISC équipes SIAM et IRA2)
- Directeur de thèse: Saïd MAMMAR (PR Univ. Évry, IBISC équipe SIAM)
- Co-encadrants de thèse : Samer ALFAYAD (PR Univ. Évry, IBISC équipe IRA2), Naïma AITOUFROUKH-MAMMAR (MCF HDR Univ. Évry, IBISC équipe SIAM)
- Voir le projet de maturation SATT Paris-Saclay SEHA 2019-2021
- Le document de thèse est sur HAL
