Analyse cinéto-statique de mécanismes de tenségrité : Application à la modélisation de cous d'oiseaux et de manipulateurs bio-inspirés

Kinetostatic analysis of tensegrity mechanisms : Application to the modelling of bird necks and bio-inspired manipulatos

• Auteur / Autrice : Matthieu Furet
• Direction : Philippe Wenger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique, Mécanique
• Date : Soutenance le 13/11/2020
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Caro
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Wenger, Stéphane Caro, Mohamed Amine Laribi, Pierre Renaud, Christine Chevallereau, David Daney, Anick Abourachid
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed Amine Laribi, Pierre Renaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robotique

Structures de tenségrité

Animaux -- Biotechnologie

Bionique

Mots clés libres

Bio-inspiration

Cinéto-statique

Tenségrité

Bio-inspiration

Kinetostatic

Tensegrity

Résumé

Une structure de tenségrité est un assemblage d'éléments en compression (barres) et d'éléments en traction (câbles, ressorts) maintenus ensemble en équilibre. La tenségrité est connue en architecture et en art depuis plus d'un siècle et est adaptée à la modélisation des organismes vivants. Les mécanismes de tenségrité ont été étudiés plus récemment pour leurs propriétés prometteuses en robotique telles que leur faible inertie, leur compliance naturelle et la capacité de déploiement. Un mécanisme de tenségrité est obtenu lorsqu'un ou plusieurs éléments sont actionnés. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet AVINECK, auquel participent des biologistes et des roboticiens dans un but double : avoir une meilleure compréhension de la nature et des cous d’oiseaux, et également de s’inspirer de la nature afin de concevoir des manipulateurs bioinspiré innovants. En premier lieu, une étude a été menée sur la cinématique des vertèbres d’oiseaux. Une modélisation des contacts entre surface articulaire a permis de reconstruire en 3D le mouvement d’une vertèbre d’oiseau quelconque par rapport à une autre, à partir de scans 3D de vraies vertèbres. Ensuite, plusieurs mécanismes simples ont été comparés afin de déterminer le meilleur candidat à la modélisation de la cinématique des cous d’oiseaux. En second lieu, deux mécanismes de tenségrité à 1 degré de liberté (DDL) potentiellement intéressants pour la modélisation de cous d’oiseaux et la réalisation de manipulateurs ont été modélisées. A partir d’une démarche de conception optimale, deux mécanismes optimaux selon un critère donné ont été dimensionnés, puis comparés afin de déterminer le mécanisme le plus intéressant d’un point de vue conception de manipulateurs. Le mécanisme à 1 DDL retenu a été un antiparallélogramme actionné de manière antagoniste, appelé mécanisme en X. Un prototype de manipulateur à 2 DDL a ensuite été conçu et réalisé. Une étude du modèle géométrique d’un tel manipulateur a mis en évidence des phénomènes intéressants comme le comportement cuspidal du robot sous certaines conditions. Une étude cinéto-statique du manipulateur a ensuite été effectué. Le comportement du manipulateur dépendant fortement de la stratégie d’actionnement, celles-ci ont été énumérées et certaines d’entre elles comparées. Les résultats obtenus ont été vérifiés et mis en évidence sur un prototype. Enfin, la modélisation de manipulateurs plans a été étendue aux manipulateurs à N DDL. Un modèle dynamique complet a été obtenu, et une démarche de conception a été menée afin d’obtenir les dimensions et spécifications d’un manipulateur plan bio-inspiré à 10 DDL.

A tensegrity structure is an assembly of elements in compression (bars) and elements in tension (cables, springs) held together in equilibrium. Tensegrity has been known in architecture and art for more than a century and is adapted to the modeling of living organisms. More recently, tensegrity mechanisms have been studied for their promising properties in robotics such as low inertia, natural flexibility and deployment capability. A tensegrity mechanism is obtained when one or more elements are actuated, in our case by cables. This thesis is part of the AVINECK project, in which biologists and roboticians are involved with a dual goal: to have a better understanding of nature and bird necks, and also to draw inspiration from nature in order to design innovative bio-inspired manipulators. First, a study was conducted on the kinematics of bird vertebrae. A modeling of the contacts between articular surfaces allowed to reconstruct in 3D the movement of any bird vertebra with respect to another, based on 3D scans of real vertebrae. Then, several simple mechanisms were compared in order to determine the best candidate for modeling the kinematics of bird necks. Secondly, two 1-degree of freedom (DDL) tensegrity mechanisms potentially interesting for bird neck modeling and manipulator realization were modeled. Starting from an optimal design approach, two optimal mechanisms according to a given criterion were dimensioned and then compared in order to determine the most interesting mechanism from a manipulator design point of view. The 1 DDL mechanism chosen was an antagonistically actuated anti-parallelogram, called the X mechanism. A prototype of a 2 DDL manipulator was then designed and built. A study of the geometrical model of such a manipulator revealed interesting phenomena such as the cuspidal behaviour of the robot under certain conditions. A kinetostatic study of the manipulator was then carried out. As the behavior of the manipulator strongly depends on the actuation strategy, these were listed and some of them were compared. The results obtained were verified and highlighted on a prototype. Finally, the modeling of plane manipulators was extended to N DDL manipulators. A complete dynamic model was obtained, and a design process was carried out to obtain the dimensions and specifications of a 10 DDL bio-inspired planar manipulator.