Modélisation dynamique d'arborescence - application à la robotique et à l'étude du mouvement humain

Tree structure dynamics modelling - application to robotics et to human movement study

• Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Riccoboni
• Direction : Tony Monnet, Antoine Eon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, productique, transport
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Matériaux, Mécanique, Énergétique (Poitiers)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers) - Institut Pprime / PPRIME
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Sophie Sakka
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Bonneau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Watier, David Daney

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optimisation globale

Biomécanique

Robotique

Dynamique

Mécanique

Mots clés libres

Modélisation

Dynamique

Robotique

Biomécanique

Mécanique

Optimisation

Identification conception

Synthèse de mouvement

Modelling

Dynamics

Robotics

Biomechanics

Mechanics

Optimisation

Identification

Design

Motion synthesis

Résumé

Bien qu’un consensus sur les conséquences du balancement des bras dans la marche humaine semble s’établir, ce n’est pas encore le cas pour ses causes. Ceci est principalement dû à la difficulté de dissocier les parties passives et actives de la génération du balancement des bras, notamment liée à la complexité de l’identification des paramètres nécessaires à la modélisation du corps humain. L’hypothèse que l’étude de la bipédie d’un robot humanoïde, plus simple, pourrait apporter des éléments de réponse à la problématique est le point de départ de cette thèse. Par ailleurs, une optimisation dimensionnelle des bras des robots humanoïdes permettrait d’améliorer la performance dynamique de leur marche et constituerait une aide à la conception.La conduite de ces deux études nécessite de disposer d’un modèle de dynamique directe et inverse permettant la modification à la volée des paramètres inertiels et géométriques afin de pouvoir qualifier leurs impacts. Compte tenu de son utilisation dans les contextes d’identification et d’optimisation, l’évaluation d’un tel modèle doit être la plus rapide possible pour considérer de grands nombres de configurations dans des temps de simulation raisonnables et ainsi pouvoir accorder de la confiance aux valeurs obtenues.Un algorithme de génération de modèles dynamiques symboliques pour les structures polyarticulées ouvertes répondant à ces exigences a donc été écrit et testé sur plusieurs exemples dont deux sont présentés dans cette thèse :• La figure du passement filé effectuée par une gymnaste à la barre, dont la réalisation est très sensible à la finesse du modèle et à la précision des calculs, afin d’évaluer la fidélité du modèle en comparaison à une référence mesurée optoélectroniquement.• La marche du robot humanoïde ORHRO, équipé en simulation de bras aux paramètres modifiables, afin d’étudier le balancement des bras généré passivement par le déplacement de la partie locomotrice ainsi que l’impact de ce balancement sur des critères de stabilité et de déterminer les valeurs optimales des paramètres de conception.Cet algorithme de modélisation dynamique d’arborescence a montré son efficacité à modéliser et simuler des mouvements dynamiques sur des architectures complexes et variées permettant son utilisation dans la synthèse de mouvement et l’optimisation dimensionnelle de mécanismes.

Summary proposal: Although there seems to be a consensus on the consequences of arm swing in human walking, this is not yet the case for its causes. This is mainly due to the difficulty of dissociating the passive and active parts of the generation of the arm swing, notably linked to the complexity of identifying the parameters necessary to model the human body. The starting point of this work is the hypothesis that the study of the bipedalism of a humanoid robot, which is simpler, could provide some answers to the problem. In addition, a dimensional optimization of the arms of humanoid robots would improve the dynamic performance of their walking and would constitute an assistance to design.The conduct of these two studies requires a direct and inverse dynamics model allowing the modification on the fly of inertial and geometrical parameters in order to qualify their impacts. Given its use in identification and optimization contexts, the evaluation of such a model must be as fast as possible in order to consider large numbers of configurations in reasonable simulation times and thus be able to give confidence to the values obtained.A symbolic dynamic model generation algorithm for open polyarticulated structures meeting these requirements was therefore written and tested on several examples, two of which are presented in this thesis:• The clear hip circle figure performed by a gymnast at the bar, which execution is very sensitive to the model fineness and to the precision of the calculations, in order to evaluate the fidelity of the model in comparison to an optoelectronically measured reference.• The walking of the humanoid robot ORHRO, equipped in simulation with arms with editable parameters, in order to study the arm swing generated passively by the displacement of the locomotor part as well as the impact of this swing on stability criteria and to determine the optimal values of the design parameters.This tree structure dynamics modelling algorithm has shown its effectiveness in modelling and simulating dynamic movements on complex and varied architectures allowing its use in motion synthesis and dimensional optimization of mechanisms.