Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Doté de performances remarquables, le cou de l’oiseau peut servir de modèle d’inspiration intéressant pour un bras manipulateur innovant. Cet article décrit le fruit d’une collaboration entre roboticiens et biologistes spécialistes du cou des oiseaux. On montre comment, en partant d’analyses morphologiques et fonctionnelles issues de la biologie, on aboutit à un modèle biomécanique suffisamment réaliste mais simplifié pour permettre la simulation et la conception d’un prototype fonctionnel. Ce modèle repose sur l’utilisation de mécanismes de tenségrité empilés et pilotés par des câbles. L’article fournit des éléments de modélisation, conception, identification et commande. Il analyse enfin les résultats expérimentaux effectués sur le prototype.
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With its remarkable performance, the bird’s neck can serve as an interesting inspiration for an innovative manipulator arm. This article describes the result of a collaboration between roboticists and biologists specialised in the neck of birds. It is shown how, starting from morphological and functional analyses from biology, a sufficiently realistic but simplified biomechanical model is obtained to allow the simulation and design of a functional prototype. This model is based on the use of stacked tensegrity mechanisms driven by cables. The paper provides elements of modelling, design, identification and control. Finally, it analyses the experimental results performed on the prototype.
Auteur(s)
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Philippe WENGER : Directeur de recherche CNRS - Laboratoire des sciences du numérique de Nantes, UMR CNRS 6004, Nantes, France
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Benjamin FASQUELLE : Docteur ingénieur - Laboratoire des sciences du numérique de Nantes, UMR CNRS 6004, Nantes, France
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Anick ABOURACHID : Professeure du Muséum national d’histoire naturelle - MECADEV – Mécanismes adaptatifs et évolution, Muséum national d’histoire naturelle, UMR 7179 MNHN – CNRS, Paris, France
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Christine CHEVALLEREAU : Directrice de recherche CNRS - Laboratoire des sciences du numérique de Nantes, UMR CNRS 6004, Nantes, France
INTRODUCTION
Les robots industriels actuels sont construits à partir d’éléments rigides articulés et actionnés par un ensemble de moteurs et de systèmes de transmission. Cette architecture mécanique leur confère une masse importante qui limite leur dynamique et leur dextérité. De plus, elle rend dangereuses les interactions physiques avec l’environnement. À l’inverse, certains animaux possèdent des organes flexibles aux performances exceptionnelles qui leur permettent d’accomplir un grand nombre de tâches difficiles avec facilité. Le tentacule de la pieuvre ou la trompe de l’éléphant, par exemple, fascinent les roboticiens depuis de nombreuses années. Ces organes, totalement mous car dénués de toute ossature, ont inspiré certains roboticiens et donné naissance à une communauté appelée « soft robotics » (« robotique molle ») , qui vise à concevoir des robots déformables sans partie rigide. Cependant, il est très difficile de mettre en œuvre de telles architectures, tant sur le plan de leur construction que de leur commande. Il existe des organes qui possèdent aussi des performances remarquables mais qui, contrairement aux précédents, ne sont pas totalement mous car constitués d’os ou de vertèbres articulés. C’est le cas par exemple du cou de l’oiseau. L’oiseau utilise son cou comme un bras dextre pour des tâches de la vie quotidienne ou plus spécialisées. Le cou du vautour peut se contorsionner pour pénétrer à l’intérieur de carcasses, tout en exerçant des efforts importants pour en arracher les restes de nourriture. Le perroquet est capable de se suspendre par son bec en utilisant son cou comme une troisième patte pour se déplacer. Enfin, d’autres oiseaux utilisent leur cou comme une catapulte pour attraper des poissons ou pour percer un tronc d’arbre. Ces performances remarquables incitent le roboticien à utiliser le cou de l’oiseau comme modèle d’inspiration pour concevoir un robot innovant. Le cou est construit autour d’une colonne cervicale constituée de vertèbres articulées et mues par un ensemble de muscles et de tendons. En mécanique, il existe des structures qui sont particulièrement bien adaptées à la modélisation de systèmes musculo-squelettiques : il s’agit des tenségrités (voir définition plus loin). Composée de barres rigides, de ressorts et de câbles, une tenségrité peut présenter des mobilités contrôlées ; on parle alors de « mécanisme de tenségrité ».
Cet article développe la démarche scientifique ayant permis d’aboutir à la mise en œuvre d’un prototype de robot inspiré du cou de l’oiseau, et plus particulièrement du cou d’un pic. En partant d’analyses morphologiques et fonctionnelles issues de la biologie, on montre comment on peut élaborer un modèle biomécanique simplifié mais suffisamment réaliste pour permettre la simulation puis la conception d’un prototype fonctionnel. La figure 1 illustre le principe de la démarche. On montre aussi en quoi ce prototype peut aider le biologiste à mieux comprendre certains aspects d’évolution fonctionnelle chez les oiseaux.
L’article s’articule autour des points suivants :
-
rappels sur les tenségrités et liens avec la biomécanique ;
-
biologie du cou de l’oiseau ;
-
mise en œuvre du prototype et modélisation ;
-
mise en œuvre de lois de contrôle ;
-
expérimentations et analyses.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
tensegrity | Robot | bio-inspiration | bird neck
DOI (Digital Object Identifier)
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Expérimentations
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7. Lois de commande
Le prototype étudié a quatre câbles pour trois modules. Cet actionnement permet de choisir, dans les limites de l’espace de travail, la configuration α des différents modules. Le modèle dynamique du prototype a été établi et nous allons l’utiliser dans la loi de commande. Celle-ci est décrite sur la figure 22. Notre objectif sera de calculer le vecteur des quatre forces appliquées par les moteurs dans les câbles en sortie de l’enrouleur, pour que les trois modules suivent leur consignes αd . Pour mettre en évidence l’apport de la modélisation sur la commande de notre système, on comparera les résultats obtenus avec différents modèles.
7.1 Commande dynamique dans l’espace articulaire
Soit αd (t) la trajectoire désirée. Soit e l’erreur de suivi :
( 96 )
L’objectif de la commande est qu’en boucle fermée, les variables α tendent vers αd comme un système du second ordre dont on peut régler la dynamique. Pour cela, on veut que l’accélération du robot w soit :
( 97 )
Les gains utilisés sont : ki = ω 3, kv = 3ω et kp = 3ω 2 et on choisira pour les expérimentations ω = 11.
Connaissant le modèle dynamique avec frottements et élasticité, l’équation (97) sera obtenue si les forces satisfont :
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Lois de commande
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ABOURACHID (A.) et al - Modeling inter-vertebral articulation: the rotule à doigt mechanical joint (RAD) in birds and mammals. - Journal of Anatomy 239.6, p. 1287-1299. DOI: DOI: 10.1111/ joa.13517 (cf. p. 6) (2021).
-
(2) - ARSENAULT (M.), GOSSELIN (C.M.) - Kinematic, static and dynamic analysis of a planar 2-DOF tensegrity mechanism. - Mechanism and Machine Theory 41.9, p. 1072-1089 (cf. p. 5), septembre 2006.
-
(3) - ARSENAULT (M.) - Développement et analyse de mécanismes de tenségrité. - Thèse de doctorat, université Laval (cf. p. 5, 9) (2006).
-
(4) - BARATTA (R.) et al - Muscular coactivation, The role of the antagonist musculature in maintaining knee stability. - The American Journal of Sports Medicine 16.2 (cf. p. 9, 10) (1988).
-
(5) - BOHMER (C.) et al - Gulper, ripper and scrapper: anatomy of the neck in three species of vultures. - Journal of anatomy 236.4, p. 701-723. DOI: DOI: 10.1111/joa.13129 (cf. p. 7, 8) (2020).
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