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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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Lire l’articleAuteur(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 :
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rappels sur les tenségrités et liens avec la biomécanique ;
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biologie du cou de l’oiseau ;
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mise en œuvre du prototype et modélisation ;
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mise en œuvre de lois de contrôle ;
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expérimentations et analyses.
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Architecture matérielle
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2. Quelques informations biologiques sur le cou des oiseaux
2.1 Le cou : lien entre le tronc et la tête
Chez les animaux vertébrés, le système nerveux comprend le cerveau et la moelle épinière d’où partent les nerfs qui innervent l’ensemble du corps. La moelle épinière est protégée par la colonne vertébrale. Elle est plus ou moins longue et plus ou moins flexible suivant le groupe, différente par exemple chez les poissons, les mammifères ou les oiseaux. Elle est aussi différente, dans chaque groupe, suivant les espèces, leur mode et leur milieu de vie. La flexibilité est différente aussi suivant la zone du corps, le cou et le tronc par exemple. La colonne vertébrale est un système articulé qui doit s’ajuster à la fois :
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aux contraintes de protection de la moelle épinière (ni rupture ni élongation) ;
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à la flexibilité/rigidité nécessaire au fonctionnement du corps ;
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aux contraintes de liaison avec le reste du squelette, côtes et membres ;
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aux contraintes d’ancrage de la musculature.
Les membres s’articulent sur le tronc. Les côtes protègent les organes contenus dans le tronc. La tête protège le cerveau et porte les organes sensoriels, yeux, oreilles, nez et la bouche, mobile grâce à la mandibule. La tête porte aussi les orifices qui permettent les échanges de fluides (air et eau) et les aliments solides. Dans ce système, le cou est le lien entre le tronc et la tête ; sa fonction est d’assurer la mobilité de cette dernière tout en préservant l’intégrité de la moelle épinière. Chez tous les mammifères, dont les humains, le cou comporte sept vertèbres cervicales. Elles sont plus ou moins longues, très allongées chez les girafes, courtes chez les humains. Les vertèbres cervicales sont toujours plus nombreuses chez les oiseaux que chez les mammifères. Au minimum dix chez des perroquets, leur nombre peut atteindre 26 chez des cygnes.
Par ailleurs, le bec des oiseaux est l’équivalent fonctionnel de la main humaine. Il permet d’atteindre la nourriture, de porter des matériaux, de construire des nids, qui peuvent être très complexes, et de toiletter l’ensemble du corps, jusqu’au bout des plumes de la queue. Le bec est une pince avec un degré de liberté. Toute la flexibilité fournie par le poignet et le bras chez les humains est fournie par le cou. Les plumes forment un épais fourreau qui cache la forme du cou, sauf dans de rares cas. Sous les...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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(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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