Vous trouverez ci-dessous un sujet de thèse proposé par le LURPA en collaboration avec EADS IW . Merci d’en faire la plus large diffusion auprès des candidats potentiels.

Personnes à contacter :

Nabil Anwer anwer(at)lurpa.ens-cachan.fr

Luc Mathieu luc.mathieu(at)lurpa.ens-cachan.fr

Marc Douilly Marc.Douilly(at)eads.net

Bien cordialement,

Nabil ANWER

****** Sujet de Thèse *********************************

Métrologie par Coordonnées Multi-Capteurs et Multi-éChelles (MC3) Applications au recalage de trajectoires en perçage robotisé

Les applications de la robotique industrielle en aéronautique sont récentes. L’utilisation de robots anthropomorphes, polyvalents et reconfigurables, munis d’effecteurs adaptés est une solution de plus en plus déployée chez AIRBUS et BOEING surtout pour des opérations très répétitives de perçage et de pose de fixations qui nécessitent des outillages spécifiques adaptés à des opérations multiples (perçage, sertissage, mesurage, ‘).

Dans le contexte aéronautique, les dimensions des pièces (peau, cadres, lisses) impliquent des dispersions géométriques de l’ordre du millimètre, les robots anthropomorphes doivent donc être programmés en coordonnées cartésiennes. Ce type de programmation impose toutefois la maîtrise de la pose géométrique (position et orientation) de la pièce aéronautique par rapport à la base du robot. Ainsi la plupart des robots intègrent sur leurs effecteurs une caméra permettant de viser des balises de référence (fixations, temporaires ou définitives, localisées en différents endroits de la pièce). Afin de minimiser les défauts induits par les dispersions géométriques, des fenêtres de travail sont définies pour le recalage de la position et de l’orientation de la pièce par rapport au robot. Dans le cadre du perçage robotisé, les coordonnées cartésiennes des points de perçage programmés sont alors définies dans le repère de chacune des fenêtres de travail ce qui présente plusieurs limitations. En effet, la programmation hors ligne des robots est basée sur la définition des coordonnées des points de perçage dans un environnement de maquette numérique. Le modèle géométrique de la pièce est un modèle CAO qui ne représente pas l’état réel de la pièce déformée sous l’effet de la gravité, des montages et des réglages et autres phénomènes physiques impliquant des modifications locales ou globales de la géométrie de la pièce. Les variabilités et les dispersions géométriques inhérentes au processus de fabrication sont également à considérer pour une meilleure caractérisation de la géométrie de la pièce. La prédiction réaliste de la géométrie de la pièce est loin d’être garantie malgré les travaux de recherche dans le domaine [Bre09] [Mou09]. Une alternative à cette approche réside dans les techniques ou les méthodes inverses largement utilisées en métrologie par coordonnées et en reconstruction de formes [SDS07].

Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la métrologie par coordonnées multi-capteurs pour le recalage de trajectoires dans le cadre du perçage robotisé. Des travaux antérieurs ont permis de valider et de réduire les temps de visée des balises de référence par l’utilisation d’un capteur, de type caméra numérique, et de réaliser le calcul de la position des balises de références par rapport au robot en quelques prises de vue avec une estimation fiable des incertitudes de mesure [Dou09].

Dans un premier temps, on s’intéressera à définir puis déployer un système de mesure multi-capteurs à configuration variable (coopérative, complémentaire, concurrente) [WJS09] permettant d’extraire une représentation de la pièce mesurée. La fusion des données issues des différents capteurs est une étape incontournable pour laquelle les méthodes de pré-traitement (débruitage, filtrage, construction de la topologie) et de recalage doivent être validées dans un contexte multi-capteurs et multi-échelles. Le nuage de points obtenu présente ainsi une densité non homogène et une répartition spatiale non uniforme de points. Il contient également un ensemble d’éléments géométriques à forte sémantique pour les applications considérées à savoir les bords libres de la pièce, les contours et position des centres des balises de référence ainsi que les lignes de courbure et autres formes caractéristiques. Nous chercherons dans un second temps à identifier ces éléments géométriques tout en s’intéressant en particulier à définir quelques indicateurs pour caractériser la géométrie et le mesurage de nuages de points [Hop94]. Les travaux développés à ce jour n’intègrent pas les dimensions multi-capteurs et multi-échelles et manquent de fondements géométriques et statistiques [Con02].

Le recalage du nuage de points mesuré sur la définition numérique de la pièce permettra d’adapter les méthodes de recalage non rigide dans le contexte de la métrologie par coordonnées multi-capteurs et multi-échelles. Les méthodes de recalage non rigides sont largement utilisées en informatique graphique et vision ainsi qu’en modélisation géométrique [HTB03]. Les modèles utilisés sont plus ou moins complexes dès que les modèles de déformation et autres hypothèses mécaniques sont bien explicites [HAW08]. Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéresserons à exploiter des modèles prédictifs et à développer de nouveaux modèles à base d’invariants géométriques et topologiques issus de l’estimation robuste des courbures discrètes et des indicateurs définis dans l’étape précédente [Zha10].

Ce travail de thèse devrait également aboutir au développement logiciel d’une maquette permettant le traitement géométrique de nuage de points pour la fusion des données, l’analyse de nuage de points, l’identification et l’extraction d’éléments géométriques et le recalage non rigide. Une partie expérimentale couvrant le déploiement d’un système multi-capteurs, le mesurage de pièces aéronautiques et le perçage robotisé permettra de valider les concepts développés dans cette thèse.

Bibliographie

[Bre09] P. BRETEAU, Simulation d’assemblage flexible par la mesure - Application au domaine de l’aéronautique, Thèse de doctorat, ENS de Cachan, janvier 2009

[Con02] A. CONTRI, Qualité géométrique de la mesure de surfaces complexes par moyens optiques, Thèse de Doctorat, ENS de Cachan, Novembre 2002

[Dou09] M. DOUILLY, Contribution à l’amélioration de la qualité géométrique de positionnement d’un robot anthropomorphe dans le cas d’assemblage de structures aéronautiques, Thèse de doctorat, ENS de Cachan, mars 2009

[HAW08] Qi-Xing Huang, Bart Adams, Martin Wiche, and Leonidas J. Guibas. Non-Rigid Registration under Isometric Deformations. Proc. 6th Eurographics Symposium on Geometry Processing, Copenhagen, Denmark, 2008

[Hop94] H. Hoppe, Surface reconstruction from unorganized points, PhD Thesis, University of Washington, June 1994

[HTB03] HÄHNEL D., THRUN S., BURGARD W. An extension of the ICP algorithm for modeling non rigid objects with mobile robots. In IJCAI Acapulco, Mexico, 2003

[Mou09] M. MOUNAUD, Contribution à l’analyse des défauts géométriques dans le routage d’un réseau hydraulique en aéronautique : Incidences sur la conception, Thèse de doctorat, ENS de Cachan, juillet 2009

[SDS07] E. Savio, L. De Chiffre, R. Schmitt. Metrology of freeform shaped parts, Journal of CIRP Annals ‘ Manufacturing Technology, 56 (2) : 810-835, 2007

[WJS09] A. Weckenman, X. Jiang, K.-D. Sommer, et al. Multisensor data fusion in dimensional metrology, Journal of CIRP Annals ‘ Manufacturing Technology, 58 (2) : 701-721, 2009

[Zha10] ZHAO H., Multisensor Integration and Discrete Geometry Processing for coordinate Metrology , Thèse de Doctorat, ENS de Cachan, janvier 2010

Etablissement d’accueil : ENS de Cachan

Laboratoire d’accueil : Laboratoire Universitaire de Recherche en Production Automatisée (LURPA)

Collaboration industrielle : EADS IW ‘ AEROLIA Méaulte

Directeur de thèse : Luc MATHIEU, PR

Encadrants : Nabil ANWER, MCF ‘ Marc DOUILLY, EADS IW ‘ Patrice RABATE, EADS IW

**** Fin *****************************************

Dr. Nabil ANWER

Director Sino French PLM Innovation Center Tsinghua University - 100084 Beijing - China

Deputy Director - China AIP-PRIMECA Network

Researcher Ecole Normale Superieure de CACHAN 61, av. du Président Wilson - 94235 Cachan Cedex - France