Cas client : projet SERVAL (télé-opération d’un bras robotique pour le démantèlement nucléaire)

Robot humanoïde d’inspection et d’assainissement en boite gants nucléaire

Extrait— Ce travail présente une évaluation de l’opportunité d’utiliser des robots humanoïdes en milieu nucléaire. Ce projet a utilisé la plateforme du DaRwIn-OP pour lui apporter les modifications nécessaires afin d’en faire un opérateur d’intervention en milieu nucléaire.

Les deux axes de travail ont consisté à équiper l’humanoïde d’un capteur de mesure radiologique et d’une commande des bras par une caméra en champ profond.

Les tests réalisés montrent la capacité de réaliser des mesures radiologiques au moyen du capteur intégré et la réalisation de frottis pour évaluer la contamination d’un objet.

Robot Darwin-OP en train de réaliser un frottis pour évaluer la contamination d’un objet

Une autre étude de ce type avait été réalisée par notre bureau d’études en robotique (le GR Lab) avec un robot à pattes, le le robot hexapode PhantomX.

Dernier projet CEA/Génération Robots en date : télé-opération d’un bras robotique pour le démantèlement nucléaire

Pour ce nouveau projet (2017), il s’agissait de permettre à un opérateur distant d’effectuer des opérations de démantèlement par télé-opération d’un bras robotique monté sur une plateforme mobile.

3 objectifs nous ont été assignés pour ce projet, correspondant à 3 types de tâches :

• Télé-opération : pilotage articulaire et cartésien du bras robot par interface graphique et joystick 6D
• Séquences : enregistrement et relecture de trajectoires et de séquences d’opérations complexes
• Surveillance : retour vidéo par caméra outil et d’ambiance, capteur d’effort 6D, planification sur modèle 3D

Ce projet a été découpé en 2 phases :

• Partie Hardware (architecture matérielle)
• Partie Software (architecture logicielle)

Assemblage et customisation du bras robotique (partie Hardware)

Bras robotique pour le démantèlement nucléaire

Nous avons utilisé un bras doté de 6 degrés de liberté , nécessaire pour les opérations de démantèlement (notamment pour les tâches de découpage au moyen d’une scie circulaire adaptée au bout du bras).

Ce bras avec 6 degrés de liberté est constitué de modules Schunk PRL. La raison de ce choix ? Un rapport masse/puissance très élevé par rapport aux autres bras robotisés du marché.

Le pilotage se fait en bus CAN , un système qui permet aux différents capteurs et actuateurs d’une plateforme robotique de communiquer entre eux grâce à l’intégration de cartes électroniques, ce qui limite grandement la quantité de câbles (essentiel pour un bras articulé afin que les câbles ne s’emmêlent pas et ne s’arrache pas).

Pour arriver à détecter des obstacles en temps réel, notre équipe a développé un script qui calcule la valeur du couple exercé sur chaque articulation du bras Schunk . Si la valeur est trop élevée, cela veut dire que le bras rencontre un obstacle.

Deux caméras ont été installées sur cette plateforme

• Une caméra outil , disposée sur le bras du robot, avec contrôle du focus/zoom/iris, nécessaire au bon accomplissement des tâches à réaliser.
• Une caméra d’ambiance , de type dôme, permettant à l’opérateur d’observer l’environnement dans lequel évolue le robot mobile. Cette caméra sera fixée au plafond de la pièce explorée ou à l’extrémité d’une tige montée sur le robot.

Ajout d’un capteur d’effort

Installation d’un capteur d’efforts , qui va mesurer des efforts X/Y/Z et des moments MX/MY/MZ sur l’outil.

Nécessaire pour que le bras robotique ajuste ses gestes à son environnement (obstacle, type de matériau, etc).

Deux types de téléopération ont été mis en place

• Un interface graphique (IHM – Interface Homme Machine) : avec possibilité d’un contrôle articulaire et cartésien (position/vitesse) à travers l’interface graphique.
• Un joystick 6D (avec 6 degrés de liberté, comme le bras robotique) : pour faire de la téléopération cartésienne (détermination de la position d’un point dans un espace grâce à un système de coordonnées – cartésiennes). Un système de retour d’effort en temps réel a été créé (système haptique) , afin que l’utilisateur puisse savoir quand il approche des limites physiques du robot, qui ont été définies dans l’interface.

Lumières et sécurité

Le robot doit pouvoir éclairer son environnement, des lumières contrôlables ont donc été installées sur l’outil et la base.

Plusieurs dispositifs de sécurité ont aussi été installés par nos ingénieurs, comme un système de heartbeat , qui vérifie qu’il y a toujours une connexion constante entre le PC de contrôle et le bras robotisé. Ils ont également ajouté un bouton d’arrêt d’urgence . Un c ontacteur de portes a été ajouté par les utilisateurs finaux , ce qui permet de vérifier l’état d’ouverture des portes (ouvert ou fermé).

Création de l’architecture logicielle (architecture Software)

Middleware ROS

L’ensemble du développement pour ce projet de bras téléopéré en milieu radioactif a été réalisé avec le middleware ROS , afin de maximiser la modularité du système et d’accélérer les développements en utilisant l’écosystème de librairies existant.

Si vous désirez en savoir plus sur le middleware ROS, avec lequel nous travaillons beaucoup, n’hésitez pas à consulter notre article de fond sur le sujet : Qu’est-ce-que ROS ?

Communication bas niveau

La communication bas niveau permet de compartimenter et de simplifier la transmission de données entre l’ordinateur principal et les différents composants comme les actionneurs, les LEDs, les capteurs et autres composants électroniques. Pour la communication avec le bras robotique, nous avons utilisé le protocole ROS_CANopen .

MoveIt est la librairie standard de planification de mouvement utilisée par ROS que nous avons utilisé pour la cinématique inverse et la planification des trajectoires. Cette librairie a été développée par Willow Garage (à qui l’on doit également ROS). MoveIt est totalement intégrée à ROS.

Nous avons effectué des modifications pour améliorer la planification de trajectoires cartésiennes difficiles et mieux gérer l’anticipation et l’évitement d’obstacles.

Interface de pilotage

Utilisation de la librairie PySide pour le développement de l’interface graphique avec une communication ROS vers l’ensemble des modules C++ gérant les aspects critiques. PySide est un module libre qui permet de lier le langage Python avec la bibliothèque Qt . Qt est une API orientée objet et développée en C++ qui offre des composants d’interface graphique , d’accès aux données, de connexions réseaux, etc.

• Enregistrement et lecture de séquences : possibilité d’enregistrer et rejouer des points ou trajectoires, de composer des séquences complexes avec manipulation de l’outil et du capteur d’effort.
• Mécanismes de réflexes : surveillance automatique des valeurs du capteur d’effort et des couples articulaires avec déclenchement de trajectoires réflexes paramétrées (retour en arrière jusqu’à un temps ou une distance cibles).

Base mobile : robot Husky

La base mobile sélectionnée pour ce projet est le robot Husky, une plateforme robotique performante même dans dans des conditions difficiles. Équipé d’un châssis quatre roues motrices puissant, il est rapidement personnalisable et peut évoluer sur des terrains accidentés, dans des conditions extrêmes (indice de protection IP44).