Dynamique de la locomotion bio-inspirée en robotique

Malgré les progrès de la robotique, les capacités locomotrices des animaux, dont nous faisons partie, laissent rêveur . Pour ne citer que quelques exemples, il est remarquable qu’en dépit d’une géométrie extrêmement simple, les serpents soient non seulement capables de se déplacer dans tout type d’environnement solide grâce à plusieurs modes de reptation, mais qu’ils puissent aussi nager et même planer. Les poissons, quant à eux, jouissent d’une manœuvrabilité et d’une efficacité inégalée dans l’eau. Ils peuvent faire demi-tour sans même décélérer et nager dans des écoulements turbulents sans effort. Certains insectes sont capables de manœuvres aériennes rapides et précises et ont développé des stratégies subtiles pour récupérer l’énergie de leur environnement. Ces exemples expliquent à eux seuls pourquoi les roboticiens cherchent à concevoir des robots locomoteurs inspirés des animaux tel l’ACM-III , un robot pionnier capable de reproduire l’ondulation latérale des serpents. Long de 2 m, l’ACM-III est un système multicorps composé de 21 segments interconnectés par 20 articulations motorisées ; ses roues passives reproduisent l’anisotropie des forces de friction qui, chez l’animal, est réalisée par ses écailles ventrales , . Depuis lors, plusieurs robots serpents dédiés à la locomotion plane ou tridimensionnelle dans des milieux accidentés ont été développés , , . En robotique sous-marine, lorsque l’on cherche à concilier manœuvrabilité et efficacité énergétique, les poissons s’imposent comme une source naturelle d’inspiration. En quête de nouvelles solutions pour réduire la traînée des véhicules sous-marins, le MIT a ouvert la voie d’une robotique sous-marine bio-inspirée en réalisant le RoboTuna puis le RoboPike, dont les motivations respectives étaient d’égaler les vitesses de pointe du thon rouge et les accélérations du brochet. Inspirés par les poissons anguilliformes tels que l’anguille et la lamproie, d’autres robots, dont l’Amphibot , l’ACM-R5 ou le robot anguille du projet français RAAMO , ont utilisé l’ondulation du corps dans son ensemble pour se propulser dans l’eau . La recherche sur les robots aériens bio-inspirés a elle aussi connu une forte expansion ces dernières années. Parmi ces robots, communément appelés MAV pour « micro aerial vehicles », notons ceux du groupe de R. J. Wood , à l’origine d’un premier prototype qui pesait 60 mg et utilisait des actionneurs piézoélectriques pour mouvoir des ailes inspirées de l’insecte. Commandé par radio, l’ornithoptère DelFly de l’université technique de Delft possède des gouvernes de direction et de profondeur semblables à celles des avions. Le groupe d’Hao Liu de l’université de Chiba a quant à lui mis au point un MAV à ailes battantes inspirées des papillons sphinx. Avec ses quatre ailes réalisées par impression 3D, le robot insecte du Cornell Creative Machines Lab pèse 3,89 g et a pu effectuer un vol stationnaire de 85 secondes passivement stable, sans aucune attache. Inspirés par les hydrostats, qui produisent la rigidité nécessaire à l’efficacité des contacts en contractant des tissus iso-volume, certains chercheurs conçoivent aujourd’hui des robots aux corps mous inspirés des poulpes , des trompes d’éléphants ou autres chenilles . Bien que l’actionnement de ces systèmes mette à mal nos technologies actuelles, l’exploitation des déformations passives pourrait améliorer la locomotion d’une nouvelle génération de robots plus légers et plus versatiles. À mesure de ses progrès, la robotique bio-inspirée produit des robots locomoteurs aux modèles mathématiques de plus en plus complexes. À cet égard, la modélisation dynamique présente un intérêt particulier pour les roboticiens. Aussi, l’un des objectifs de l’article ici présenté est d’unifier le maximum de cas de locomotion existants en une image générale structurée, et de l’étendre aux préoccupations plus récentes dédiées aux systèmes continus hyperredondants et aux robots possédant des compliances. Remarquablement, les outils de mécanique géométrique introduits par H. Poincaré , V. I. Arnold et J. E. Marsden nous révèlent les structures géométriques communes que partagent des modes de locomotion apparemment très différents, et nous permettent ainsi de les classer selon les propriétés de leur modèle dynamique. Afin de présenter ces outils, nous avons tenté de privilégier l’intuition géométrique, sans pour autant renoncer à la technicité requise par leur application pratique. En particulier, l’article aborde également la question de la simulation de ces systèmes via la formulation de Newton-Euler des systèmes multicorps, telle que développée pour la locomotion bio-inspirée par les auteurs , , , , , . Au-delà de ces avantages numériques, cette formulation sera ici utilisée pour étendre nos investigations des systèmes discrets aux systèmes continus et finalement aux systèmes mous.