Subhi JLEILATY soutient sa thèse de doctorat le mardi 20 février 2024 : "Architecture de contrôle pour un robot humanoïde de type électro hydraulique (HYDROïD)" (see English version above)

Subhi JLEILATY soutient sa thèse de doctorat le mardi 20 février 2024, 10h30 sur le site Pelvoux, salle Ax101.

Titre: Architecture de contrôle pour un robot humanoïde de type électro hydraulique (HYDROïD)

Résumé

Alors que le monde de la robotique continue de mettre au point des produits dotés de capacités semblables à celles de l’homme, les robots humanoïdes ont connu une expansion remarquable dans les applications du monde réel et les environnements industriels. Les robots humanoïdes sont destinés à interagir avec les humains, à naviguer et à travailler dans des environnements adaptés aux humains. Ils doivent donc imiter non seulement l’anthropomorphisme, la locomotion, les manipulations et les comportements des humains, mais aussi la manière dont ces derniers les gèrent afin d’atteindre le plus haut degré d’émulation humaine. Malgré les améliorations significatives apportées jusqu’à présent au contrôle de ces robots, ils sont encore loin de présenter de manière fiable des comportements semblables à ceux de l’homme. Dans le cadre de cette thèse, notre équipe de recherche a breveté (WO2020173933A1) et développé un actionneur servo-électrohydraulique (SEHA). Cet actionneur hybride combine les avantages des technologies électriques et hydrauliques, tentant de répondre à certains défis fondamentaux dans le domaine. Alors que le SEHA facilite la conception mécanique et les systèmes d’actionnement en remplaçant la pompe hydraulique centrale par des actionneurs électro-hydrauliques locaux qui intègrent les tubes hydrauliques et contribuent aux mouvements dynamiques du robot, l’architecture de contrôle est la clé pour gérer ces mouvements et déterminer les capacités du robot afin d’améliorer ses comportements. Cette thèse se concentre sur le développement d’une architecture de contrôle humanoïde basée sur SEHA qui émule la fonctionnalité du système nerveux humain. Les architectures classiques traitent des cycles sensorimoteurs mais pas de la distribution de l’intelligence. Qu’elles soient centralisées, où tous les composants sont connectés à une unité centrale, ou décentralisées avec une coordination très limitée entre les unités de contrôle, ou même le système de contrôle distribué qui utilise les unités comme une interface entre les E/S et le contrôleur principal sans aucune capacité de prendre une décision. La solution proposée est une architecture de contrôle distribuée en temps réel. Les contrôleurs d’articulation ont l’intelligence de prendre une décision, de dominer les actionneurs d’articulation et d’informer le contrôleur principal de l’état de l’articulation. Les boucles sensorimotrices pourraient être déployées à la fois dans le contrôleur de l’articulation et dans le contrôleur principal. Les capacités en temps réel sont assurées dans le contrôleur principal par l’utilisation d’un système d’exploitation en temps réel (RTOS) à côté d’un intergiciel exploitant un système de communication en temps réel dur, accompagné de contrôleurs articulaires personnalisés exploités par RTOS pour les systèmes embarqués. Les validations expérimentales ont été effectuées sur notre robot humanoïde électro-hydraulique (HYDROïD). Les résultats ont démontré une avancée de 50 % dans le taux de mise à jour par rapport à d’autres humanoïdes et de 30 % dans la latence du processeur principal et des tâches de contrôle.

Principales contributions de cette thèse:

Architecture de contrôle humanoïde basée sur SEHA: émulation du système nerveux humain dans la distribution de l’intelligence. Elle simplifie la reproduction des mouvements humains en utilisant les données biomédicales mesurées des mouvements humains dans ses algorithmes de mouvement.
Conception mécatronique de l’architecture de contrôle: La recherche a permis d’identifier et de décrire les spécifications et les contraintes des principaux composants.
Validation expérimentale: Fabrication de prototypes de contrôleurs pour l’actionneur SEHA et ses modules séparément. Conception d’une interface utilisateur graphique à des fins de test.
Démonstration: Pour une expérience de marche du bas du corps de l’HYDROïD avec quatre DoFs, le contrôle du mécanisme de la hanche est présent.

Composition du jury de thèse/Doctoral thesis jury composition

Membre du jury	Titre	Lieu d’exercice	Fonction dans le jury
Lama AL BASSIT	Ingénieure de Recherche	INRAE	Examinatrice
Samer ALFAYAD	Professeur des Universités	Université Paris-Saclay, Univ. Évry	Co-directeur de thèse
Antoine DEQUIDT	Maître de Conférences	Université Polytechnique Hauts-de-France	Examinateur
Mohamad KHALIL	Professeur	Université Libanaise	Rapporteur
Éric MONACELLI	Professeur des Universités	Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines	Examinateur
Lydie NOUVELIERE	Maître de conférences-HDR	Université Paris-Saclay, Univ. Évry	Directrice de thèse
Thibaut RAHARIJAONA	Professeur des Universités	École Nationale d’Ingénieurs de Metz	Rapporteur

Subhi JLEILATY defends his doctoral thesis on Tuesday February 20, 2024, 10:30 a.m. on the Pelvoux site, room Ax101.

Title: Control Architecture for electro-hydraulic humanoid robot (HYDROïD)

Abstract:

As the world of robotics continues to develop products with human-like capabilities, humanoid robots have seen remarkable expansion in real-world applications and industrial environments. Humanoid robots are intended to interact with humans, navigate, and work in human-friendly environments. Therefore, they must imitate not only the anthropomorphism, locomotion, manipulations, and behaviors of humans but also how humans manage them to achieve the highest degree of human emulation. Despite significant improvements in the control of these robots so far, they are still far from reliably exhibiting human-like behaviors. As part of this thesis, our research team patented (WO2020173933A1) and developed a servo-electrohydraulic actuator (SEHA). This hybrid actuator combines the advantages of electric and hydraulic technologies, attempting to address some fundamental challenges in the field. While SEHA facilitates mechanical design and actuation systems by replacing the central hydraulic pump with local electro-hydraulic actuators that integrate the hydraulic tubes and contribute to the robot’s dynamic movements, the control architecture is the key to managing these movements and determining the capabilities of the robot to improve its behavior. This thesis focuses on developing a SEHA-based humanoid control architecture that emulates the functionality of the human nervous system. Classical architectures deal with sensorimotor cycles but not with the distribution of intelligence. Whether centralized, where all components are connected to a central unit, or decentralized with very limited coordination between control units, or even distributed control system, which uses the units as an interface between I/O and the main controller without any ability to make a decision. The proposed solution is a real-time distributed control architecture. Joint controllers have the intelligence to make a decision, dominate the joint actuators, and inform the main controller of the joint status. Sensorimotor loops could be deployed in both the joint controller and the main controller. Real-time capabilities are provided in the main controller through the use of a real-time operating system (RTOS) alongside middleware operating a hard real-time communications system, accompanied by custom joint controllers operated by RTOS for embedded systems. The experimental validations were conducted on our electro-hydraulic humanoid robot (HYDROïD). The results demonstrated a 50% improvement in update rate compared to other humanoids and a 30% improvement in main processor and control task latency.

Main contributions of this thesis :

SEHA-based humanoid control architecture: emulation of the human nervous system in intelligence distribution. It simplifies the reproduction of human movements by using measured biomedical data of human movements in its movement algorithms.
Mechatronic design of the control architecture: The research made it possible to identify and describe the specifications and constraints of the main components.
Experimental validation: Manufacturing controller prototypes for the SEHA actuator and its modules separately. Designed a graphical user interface for testing purposes.
Demonstration: Control of the hip mechanism is present for a lower body walking experience of the HYDROïD with four DoFs.

Date: mardi 20/02/2024, 10h30
Lieu: Site Pelvoux, salle Ax101
Doctorant : Subhi JLEILATY (Université d’Évry, Université Paris Saclay, IBISC équipes SIAM et IRA2)
Directrice de thèse: Lydie NOUVELIERE (MCF HDR Univ. Évry, IBISC équipe SIAM)
Co-directeur de thèse : Samer ALFAYAD (PR Univ. Évry, IBISC équipe IRA2)
Voir le projet de maturation SATT Paris-Saclay SEHA 2019-2021