Étude théorique et expérimentale d'architectures innovantes de robots inspirées du cou des oiseaux : conception et commande

Theoretical and experimental study of innovative robot architectures inspired by the neck of birds : design and control

• Auteur / Autrice : Benjamin Fasquelle
• Direction : Philippe Wenger, Christine Chevallereau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique, Mécanique
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Anick Abourachid
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Wenger, Christine Chevallereau, Anick Abourachid, Philippe Poignet, Jean-Pierre Merlet, Christian Duriez, Matthieu Furet, Mohamed Amine Laribi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Poignet, Jean-Pierre Merlet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structures de tenségrité

Robotique

Bionique

Mots clés libres

Tenségrité

Bio-inspiration

Robotique

Robot à câbles

Commande

Tensegrity

Bio-inspiration

Robotics

Cable robot

Control

Résumé

Les systemes biologiques representent une grande source d’inspiration pour les roboticiens. Les systemes de tensegrite, composes d’elements rigides et d’elements en tension, sont particulierement adaptes pour la bio-inspiration puisque l’on retrouve ces systemes directement dans divers systemes biologiques. Dans cette these, nous etudions un manipulateur inspire du cou des oiseaux. Ce manipulateur est un empilement de modules qui possedent chacun un degre de liberte. Chaque module est un mecanisme de tensegrite compose de quatre barres et deux ressorts. Le manipulateur est actionne a l’aide de cables, ainsi tous les moteurs se situent a sa base. Le modele geometrique et le modele dynamique du manipulateur sont developpes, puis une analyse de l’actionnement et de l’espace de travail statique du manipulateur est menee. Un actionnement avec quatre cables est selectionne pour un prototype compose de trois modules. Ce prototype n’a pas de mesure directe des orientations des modules, deux methodes pour calculer ces orientations en fonction des positions moteurs sont donc proposees. Une identification des frottements moteurs et de l’elasticite des cables est menee afin d’ameliorer les performances de la commande du prototype, et d’avoir un simulateur efficace. Trois commandes sont developpees et testees sur le prototype : une commande articulaire, une commande dans l’espace des moteurs et une commande dans l’espace operationnel. Des trajectoires sont ensuite optimisees dans le but de produire des mouvements en minimisant les forces appliquees ou de produire des mouvements a grande vitesse, comme peut le faire le pic lorsqu’il frappe un tronc d’arbre avec son bec. La these se termine sur une ouverture vers un manipulateur sousactionne constitue d’une dizaine de modules.

Biological systems are a great source of inspiration for roboticists. Tensegrity systems, composed of rigidand tensile elements, are particularly suitable for bio-inspiration since these systems are found directly in various biological systems. In this thesis, we study a manipulator inspired by the neck of birds. This manipulator is a stack of modules that each have one degree of freedom. Each module is a tensegrity mechanism composed of four bars and two springs. The manipulator is operated by cables, so all the motors are located at its base. The geometric model and the dynamic model of the manipulator are developed, then an analysis of the actuation and the static workspace of the manipulator is conducted. An actuation with four cables is selected for a prototype composed of three modules This prototype has no direct measurement of the modules orientations, so two methods to calculate these orientations according to the motor positions are proposed. An identification of the motor friction and the elasticity of the cables is carried out in order to improve the performances of the prototype control, and to have an effective simulator. Three controls are developed and tested on the prototype: a joint control, a control in the space of the motors and a control in the operational area. Trajectories are then optimized in order to produce movements by minimizing the applied forces or to produce high speed movements, as the woodpecker can do when it hits a tree trunk with its beak. The thesis ends with an opening towards an underactuated manipulator made of about ten modules.