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RÉSUMÉ
Les mécanismes de tenségrité sont issus des tenségrités, une classe de structures précontraintes pouvant supporter des charges importantes tout en restant légères et compliantes. Leur exploitation en robotique de manipulation présente de nombreux intérêts, tout particulièrement pour la robotique d’interaction. L’article introduit ces systèmes, en fournissant des éléments d’analyse, de conception et de commande indispensables à leur exploitation dans ce contexte. Leurs différentes applications en robotique de manipulation, ainsi que les défis technologiques et fondamentaux associés à leur exploitation sont également introduits.
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Tensegrity mechanisms derive from tensegrities, a class of prestressed structures that are able to withstand significant payloads while being lightweight and compliant. Their exploitation in robotics for handling offers several major advantages, specifically in interaction robotics. This article introduces these systems, providing analysis, design and control elements essential for their application in robotics. Their exploitation in this context, together with the main fundamental and technological challenges related to their exploitation are also covered.
Auteur(s)
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Quentin BOEHLER : Chercheur postdoctoral - Multi-Scale Robotics Lab, ETH Zurich, Zurich, Suisse
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Marc VEDRINES : Maître de conférences - Laboratoire ICube, INSA de Strasbourg, Strasbourg, France
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Salih ABDELAZIZ : Maître de conférences - Laboratoire LIRMM, Université de Montpellier, CNRS, Montpellier, France
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Philippe POIGNET : Professeur des universités - Laboratoire LIRMM, Université de Montpellier, CNRS, Montpellier, France
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Pierre RENAUD : Professeur des universités - Laboratoire ICube, INSA de Strasbourg, Strasbourg, France
INTRODUCTION
La manipulation est au cœur de nombreux processus industriels et constitue historiquement l’une des premières applications de la robotique. Un manipulateur robotique est constitué d’une base reliée à un effecteur par une chaîne cinématique motorisée. Les robots industriels sont traditionnellement constitués d’une ou de plusieurs chaînes cinématiques (suivant une architecture série ou parallèle) reliant la base à l’effecteur par des corps solides et rigides articulés entre eux par des liaisons mécaniques. De par les hautes dynamiques recherchées et la puissance de ces robots industriels, les espaces de travail de l’homme et de la machine sont généralement rendus distincts pour des raisons évidentes de sécurité. Ces architectures de robots industriels sont donc peu adaptées pour des applications en robotique d’interaction où homme et robot travaillent côte à côte, voire en partageant la tâche de manipulation dans le cas de la comanipulation. Dans ce cas, il est nécessaire de considérer des architectures robotiques alternatives afin de concevoir des robots à la fois légers et robustes, permettant de réaliser une tâche de manipulation efficacement tout en assurant la sûreté de l’interaction avec le travailleur humain.
L’utilisation de mécanismes de tenségrité dans ce contexte est l’objet de cet article. Ces mécanismes sont issus des tenségrités [C 2 471], une classe de structures composées de barres maintenues en compression par un réseau de câbles en tension. Les mécanismes de tenségrité sont obtenus en actionnant l’un ou plusieurs des éléments de la structure. Ces mécanismes peuvent supporter des charges importantes tout en restant légers, compliants et capables de s’adapter à leur environnement. Leur application présente ainsi de nombreux intérêts dans le domaine de la robotique d’interaction. Cet article fournit des éléments spécifiques à leur exploitation dans ce contexte, et également les défis technologiques et fondamentaux associés à leur utilisation.
La première section introduit les principes de base des mécanismes de tenségrité et leurs conséquences sur leur comportement et leur modélisation, alors réalisée dans un cas statique. La deuxième section est focalisée sur les méthodes de modélisation et les outils de simulation spécifiques à ces systèmes. Les outils d’analyse permettant l’évaluation de leurs performances sont présentés dans la troisième section. La quatrième section met en avant les problématiques de conception propres à l’exploitation des mécanismes de tenségrité dans le contexte de la robotique de manipulation. La cinquième section introduit les stratégies de commande disponibles afin de contrôler la pose du mécanisme, mais également sa caractéristique intrinsèque qu’est la raideur. Les applications des mécanismes de tenségrité en robotique de manipulation sont finalement présentées dans la sixième et dernière section.
le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des termes et expressions importants de l’article, ainsi qu’un tableau des sigles, notations et symboles utilisés tout au long de l’article.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
Robotics | Tensegrity mechanisms | Manipulation
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3. Analyse
L’analyse des données simulées au regard de l’application souhaitée requiert l’usage d’outils spécifiques. L’analyse d’un mécanisme de tenségrité consiste à déterminer et à étudier les poses x que son effecteur peut atteindre en considérant le changement d’état ρ de ses éléments actionnés.
Les configurations obtenues sont cependant soumises à des conditions d’équilibre statique. Les méthodes de form-finding n’assurent de plus pas que les configurations trouvées soient stables. L’étude de la stabilité de ces configurations est donc indispensable.
En tant que systèmes déformables, les mécanismes de tenségrité exhibent également des propriétés de raideur que l’on cherche à connaître et à moduler.
3.1 Stabilité et raideur
Considérons un mécanisme perturbé par une sollicitation extérieure depuis une configuration d’équilibre initiale. La stabilité de la configuration est définie comme suit .
Un mécanisme de tenségrité est dans une configuration d’équilibre stable lorsqu’il retourne à cette configuration initiale après la suppression de la sollicitation qui a perturbé cette configuration.
Afin de s’assurer de la stabilité des poses obtenues, on considère alors généralement la relation suivante entre des forces perturbatrices δ f et des déplacements infinitésimaux δ d au niveau des nœuds du système :
( 7 )
où K s est la matrice de raideur du système qui peut être exprimée en fonction des caractéristiques...
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Analyse
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MOTRO (R.) - Tensegrity: Structural Systems for the Future. - Elsevier (2003).
-
(2) - SKELTON (R. E.), HELTON (J. W.), ADHIKARI (R.), PINAUD (J.), CHAN (W.) - An Introduction to the Mechanics of Tensegrity Structures, - in The Mechanical Systems Design Handbook, CRC Press (2001).
-
(3) - PELLEGRINO (S.) - Analysis of prestressed mechanisms, - Int. J. Solids Struct., vol. 26, no 12, pp. 1329–1350 (1990).
-
(4) - OPPENHEIM (I. J.) , WILLIAMS (W. O.) - Geometric effects in an elastic tensegrity structure - in Advances in Continuum Mechanics and Thermodynamics of Material Behavior, Springer, pp. 51–65 (2000).
-
(5) - ARSENAULT (M.) - Développement et analyse de mécanismes de tenségrité, - Université Laval (2006).
-
(6)...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
NASA Tensegrity Robotics Toolkit (NTRTsim), Logiciel en OpenSource : https://github.com/NASA-Tensegrity-Robotics-Toolkit/NTRTsim (page consultée le 31 janvier 2018)
HAUT DE PAGE
Page Wiki dédiée à l’étude des systèmes de tenségrité : http://tensegritywiki.com (page consultée le 31 janvier 2018)
Documentation du simulateur NTRTsim : http://ntrtsim.readthedocs.io/en/latest/ (page consultée le 31 janvier 2018)
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