Analyse, conception et commande de manipulateurs en tenségrité : application à la manipulation magnétique

Analysis, design and control of tensegrity-based manipulators : application to magnetic manipulation

• Auteur / Autrice : Jérémy Begey
• Direction : Pierre Renaud, Nicolas Andreff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance le 25/11/2020
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : François Pierrot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Védrines
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Wenger, Clément Gosselin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génie mécanique

Manipulateurs (mécanismes)

Robotique

Mots clés libres

Mécanismes de tenségrité

Manipulateurs

Conception mécanique

Commande cinématique

Manipulation magnétique

Capteur d'effort

Mécanisme compliant

Tensegrity mechanisms

Manipulators

Mechanical design

Kinematic control

Magnetic manipulation

Force sensor

Compliant mechanism

Résumé

Un grand nombre de contextes nécessitent une gestion appropriée des interactions entre un robot et son environnement. Néanmoins, le développement de manipulateurs robotisés adaptés à ces interactions tout en répondant à des problématiques de légèreté et de compacité est toujours un problème ouvert.Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle solution à ce problème en exploitant des mécanismes de tenségrité, qui sont des mécanismes d’intérêt pour leur résistance, leur déployabilité et leur compliance. Nous visons ainsi le développement de manipulateurs en tenségrité.Pour discuter un tel développement, l’analyse, la conception, la commande et la perception sont abordées. Dans ce cadre, nous proposons tout d’abord des outils et des critères d’évaluation dédiés à ces systèmes particuliers. Deux méthodes de conception, la première basée sur un assemblage de blocs et la seconde sur une analogie avec les structures en ciseaux, sont ensuite élaborées pour effectuer le choix de l’architecture des manipulateurs. Ces méthodes sont exploitées pour concevoir deux manipulateurs respectant une contrainte de centre de rotation déporté, menant à la fabrication de prototypes et à des évaluations expérimentales. Après cela, nous mettons en place des commandes adaptées à la mise en mouvement de ces manipulateurs pour d’une part exploiter la redondance pouvant être présente en optimisant certaines performances d’intérêt, et d’autre part pour respecter les limites de fonctionnement. Suite à cela, ces contributions sont exploitées pour proposer une réponse préliminaire à un besoin dans le contexte biomédical. Ce travail mène ainsi au développement et à la fabrication d’un manipulateur dédié à une tâche de manipulation magnétique. Enfin, un capteur d’effort adapté à la gestion du contact est proposé. Pour cela, un transducteur avec une raideur nulle à la transition du contact est conçu et une nouvelle mesure optique exploitant des composants réalisés par fabrication additive est développée.

Many contexts require appropriate management of the interactions between a robot and its environment. However, the development of robotic manipulators suited for these interactions while fulfilling needs in terms of weight and compacity is still an open issue. In this thesis, we address this problem by exploiting tensegrity mechanisms, which are of interest for their resistance, their deployability and their compliance. We thus aim the development of tensegrity-based manipulators.To discuss this development, we study the analysis, the design, the control and the instrumentation of such manipulators. We then firstly propose tools and evaluation criteria dedicated to these particular systems. Two design methods are then elaborated to select the architecture of tensegrity-based manipulators. The first one is based on the assembly of elementary blocks while the second one uses an analogy with scissor structures. These methods are exploited to design two manipulators which respect a remote center of motion constraint, leading to the construction of prototypes and experimental evaluations. After that, we propose control laws which are adapted to these manipulators by exploiting the redundancy that can be obtained to optimize a given criterion of interest as well as guarantying that operating limits are not reached. Following this work, these contributions are used to address a need in the biomedical context. This work then leads to the development and the manufacturing of a manipulator dedicated to magnetic manipulation. Finally, a novel force sensor for contact management is proposed. A transducer with a null stiffness at the contact transition is designed and a new optical measurement cell exploiting components created by additive manufacturing is developed.