Contribution à la conception d'une colonne vertébrale pour robot humanoïde

Conception of vertebral column of humanoid robot

• Auteur / Autrice : Mouna Souissi
• Direction : Pierre Blazevic, Vincent Hugel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Versailles-St Quentin en Yvelines

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robots -- Systèmes de commande

Robots -- Mouvements

Conception et construction

Conception assistée par ordinateur

Robots humanoïdes

Résumé

L’objectif principal de la thèse est l’étude et la conception d’une structure de colonne vertébrale pour robot humanoïde. Dans un premier temps l’état de l’art en matière de robots humanoïdes dotés d’une colonne vertébrale a permis de classer les robots humanoïdes en quatre catégories : Robots marcheurs : KHR2, Hubo, Asimo, Johnnie, HRP-2/3/4, REEM B, Wabian ; Robots non marcheurs, à partie inférieure fixe ou mobile : Justin, ARMAR, Twendy ; Robots à colonne vertébrale flexible : CLA, Kenta, Kotaro, Kojiro, TRON-X ; Robots parallèles et robots continuum. Dans un deuxième temps pour justifier l’importance d’une colonne vertébrale chez un robot humanoïde, le robot est modélisé sous Matlab dans le plan sagittal. Notre but dans cette partie est de simuler les mouvements classiques comme le fait de s’asseoir, de redresser le tronc et de se pencher vers le sol afin de déterminer l’influence du nombre de vertèbres sur le mouvement et sur les travaux mis en oeuvre. Troisièmement quelques prototypes de colonne vertébrale pour un robot humanoïde sont proposés. La réalisation de prototypes dans cette étape a permis de cibler leurs avantages et leurs inconvénients. Le premier prototype est constitué d’une tige centrale flexible reliée à la partie supérieure et à la partie inférieure par un système de haubans (4 câbles) centré sur une plate forme au milieu de la tige. Dans le deuxième prototype, la tige centrale est remplacée par une superposition de diabolos, chaque étage étant actionné par une double vis. Le troisième prototype est un mécanisme parallèle. Il est inspiré du mécanisme à deux bras articulés avec tige centrale articulée utilisée pour un simulateur de vol. La plate forme supérieure peut se déplacer en tangage et roulis autour du sommet de la tige centrale qui reste fixe. Quatrièmement, ce mécanisme intervertébral parallèle est optimisé et ajusté au volume disponible dans la partie lombaire du robot. Le placement et l’orientation des bras sont modifiés afin de trouver la meilleure solution en matière de couple mécanique. Enfin, le travail se termine par le dimensionnement des moteurs et la réalisation de ce mécanisme intervertébral parallèle.

The main objective of this thesis is the study and design of a mechanical structure for the spine to be incorporated into a humanoid robot. The first chapter is dedicated to the state of the art of humanoid robots equipped with a vertebral column, or at least with degrees of freedom in the trunk. A classification of such humanoids into four categories is proposed: walking robots : KHR2, Hubo, Asimo, Johnnie, HRP-2/3/4, REEM B, Wabian ; non walking robots with a lower part fixed or mobile (wheeled base): Justin, ARMAR, Twendy ; robots with a flexible column : CLA, Kenta, Kotar,o Kojiro, TRON-X ; parallel robots and continuum robots. The second chapter is about the importance of a spine in a humanoid robot. The robot is modeled in Matlab in the sagittal plane. Our goal is to simulate the classical movements such as sitting down, straightening the trunk and bending towards the ground in order to determine the influence of the number of vertebrae on the movements. The third chapter describes some prototypes of spine for humanoid robots that have been built. The first prototype consists of a flexible central rod that connects the upper part and the lower part through a system of four cables centered on a platform in the middle of the rod. In the second prototype, the central rod is replaced by a superposition of diabolos (silent blocks), each stage being actuated by a double screw. The third prototype is a parallel mechanism. It is inspired by the mechanism with two hinged arms and a central rod used for a flight simulator. The upper platform can move in pitch and roll around the top of the central rod that is fixed. The fourth chapter focuses on the optimization of the mechanism and its adjustment into the available volume in the lumbar part of the robot. The placement and orientation of the arms are modified to find the best solution in terms of mechanical torque. The last chapter is devoted to the design of engines and the realization of this intervertebral parallel mechanism.