Conception et analyse de manipulateurs inspirés par la tenségrité

Design and analysis of tensegrity-inspired manipulators

• Auteur / Autrice : Vimalesh Muralidharan
• Direction : Philippe Wenger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance le 06/12/2023
• 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 : Pierre Renaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Quentin Boehler, Christine Chevallereau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Clément Gosselin, Marc Gouttefarde

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amplitude articulaire

Robots -- Mouvements

Bionique

Structures de tenségrité

Mots clés libres

Tenségrité

Conception bio-inspirée

Anti-parallélogramme

Actionnement antagoniste

Espace de travail

Conception optimale

Tensegrity

Bio-inspired design

Anti-parallelogram

Antagonistic actuation

Workspace

Optimal design

Résumé

Cette thèse étudie les articulations et les manipulateurs inspirés de la tenségrité, équipés de ressorts et actionnés de manière redondante par des câbles antagonistes. La redondance de l’actionnement est exploitée pour moduler leur rigidité dans une configuration donnée. La condition pour obtenir une corrélation positive entre les forces d’actionnement et la rigidité est obtenue pour une articulation générale à un seul degré de liberté (1-DDL). Ce phénomène, appelé coactivationdans les articulations biologiques, permet d’améliorer l’efficacité énergétique. Parmi les articulations à pivot (R) et les mécanismes symétriques à quatre barres, l’antiparallélogramme (X) offre la plus grande amplitude de mouvement avec coactivation. C’est pourquoi un manipulateur planaire 2-DDL avec deux articulations X est conçu. Deux schémas d’actionnement avec quatre et trois câbles, respectivement, sont examinés pour ce manipulateur. Les performances en termes d’espace de travail, de vitesse, de force et de rigidité sont comparées pour les deux schémas. Les considérations de conception de tels manipulateurs, à savoir les limites des articulations, la faisabilité mécanique des ressorts et la resistancedes barres, sont abordées. L’optimisation de la conception et la comparaison des manipulateurs 2-X et 2-R sont effectuées avec des spécifications identiques en matière de charge utile et d’espace de travail. Enfin, une articulation X modifiée est développée avec seulement des articulations sphériques, et un manipulateur spatial 3-X inspiré de la tenségrité est construit et étudié.

This thesis studies tensegrityinspired joints and manipulators equipped with springs and redundantly actuated by antagonisticcables. The actuation redundancy is leveraged to modulate their stiffness at a given configuration. The condition to achievea positive correlation between actuation forces and stiffness is derived for a general singledegree-of-freedom (1-DoF) joint. This phenomenon is called coactivation in biological joints, which leads to energy efficiency. Among the revolute joint (R-joint) and symmetric fourbar mechanisms, the anti-parallelogram (Xjoint) offers the maximum range of movement with coactivation. Hence, a planar 2-DoF manipulator with two X-joints is conceived. Two actuation schemes with four and three cables, respectively, are examined for this manipulator. The workspace, velocity, force, and stiffness performances are compared for the two schemes. The design considerations for such manipulators, namely, the joint limits, mechanical feasibility of springs, and safety of bars,are addressed. Design optimization and comparison of 2-X and 2-R manipulators are performed with identical payload and workspace specifications. Finally, a modified X-joint is developed with only spherical joints, and a spatial 3-X tensegrity-inspired manipulator is constructed and studied.