Mod Lisation Dynamique Et Commande D Un Robot Anguille
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Modélisation dynamique et commande d'un robot anguille
Cette thèse se place dans le cadre du projet Robot-Anguille, qui regroupe six laboratoires français. L'objectif du projet est de concevoir, étudier et réaliser un robot "anguille" ou "serpent-nageur" capable de se déplacer dans un espace à 3 dimensions. A travers cet objectif, la thèse se porte dans un premier temps sur la modélisation dynamique du robot sous la forme d'un mécanisme hybride (structures de robots parallèles montées en série) permettant ainsi d'être le plus proche possible du prototype construit. Pour cela nous avons utilisé les algorithmes récursifs de Newton-Euler pour les modèles dynamiques inverse et direct en les généralisant au cas des robots à base mobile. Nous avons également proposé un modèle de contact fluide-structure pour simuler le comportement du robot dans l'eau. Pour tester ces algorithmes, nous avons simulé le comportement du robot lors de différents types de nage et en avons tiré des conclusions qui nous ont guidées dans la conception du prototype. Dans un deuxième temps, à partir d'un générateur de mouvements à base de CPGs (ou réseau de neurones), nous avons étudié des lois de commande pour réaliser des simulations de nage en boucle fermée. Ainsi, nous avons abordé les problèmes de la nage vers des points cible et l'évitement d'obstacles pour la nage en milieu confiné
Modèle dynamique analytique de la nage tridimensionnelle anguilliforme pour la robotique
Le travail présenté dans ce manuscrit est consacré à l'élaboration d'un modèle dynamique de la nage pour la commande du futur "Robot Anguille" du projet ROBEA-CNRS du même nom. Dans l'absolu, le calcul des interactions entre un corps déformable et le fluide sur lequel il s'appuie pour se déplacer, est un problème complexe nécessitant l'intégration des équations de Navier-Stokes couplées aux équations non-linéaires de la dynamique du corps soumis à des transformations finies. Poursuivant des objectifs de commande pour la robotique, la solution proposée dans ce travail est basée sur la fusion de deux théories: celle du "corps mince" issue de la mécanique des fluides et celle des "poutres Cosserat" de la mécanique du solide. La première théorie permet de remplacer l'écoulement 3-D autour du poisson par la stratification "tranche par tranche" d'écoulements plans, transverses à l'axe principal du corps de l'animal. Quant à la seconde, elle assimile le poisson à l'assemblage continu de sections rigides modélisant ses vertèbres ou, dans un contexte plus technologique, les plate-formes parallèles de notre robot bio-mimétique. Sur la base de cette modélisation, le travail présenté a pour but d'établir les dynamiques de la tête et des vertèbres du poisson afin d'élaborer in fine un algorithme de simulation numérique basé sur le "formalisme de Newton-Euler" de la robotique, ici étendu aux robots locomoteurs continus. Finalement, le modèle élaboré réalise une généralisation du modèle de Lighthill au cas de la nage tridimensionnelle d'un corps élancé autopropulsé. Outre ce résultat purement analytique, le simulateur qui en résulte nous a permis de mettre au point des allures jamais étudiées jusqu'alors. Qui plus est, il tourne en "temps réel", tout en maintenant un bon niveau de précision (i.e. inférieur à 10%) comparé à la référence basée sur la résolution numérique des équations de Navier-Stokes.
Contribution à la modélisation dynamique des robots parallèles et des robots hybrides
Dans cette thèse, nous proposons des nouvelles méthodes de modélisation dynamique pour les robots parallèles et les robots hybrides. Ces méthodes sont essentiellement basées sur les algorithmes types Newton-Euler récursifs, faciles à programmer et efficaces lors de l’exécution en temps réel. Pour la modélisation dynamique des robots parallèles, la méthode proposée prend en compte la dynamique des jambes et de la plate-forme du robot ce qui procure des modèles complets de ces structures pouvant être exploités dans des algorithmes de commande et de simulation. La dynamique de la plate-forme est calculée en fonction des variables cartésiennes de la plate-forme, tandis que les modèles dynamiques des jambes sont calculés en fonction des variables articulaires, ce choix permet d’obtenir des relations moins compliquées que le calcul des deux dynamiques dans l’espace articulaire. Afin d’illustrer les différentes étapes de la méthode nous l’avons appliquée sur six robots parallèles à structures et mobilités différentes, chacun de ces robots présente des particularités qui nous ont guidés dans la mise au point de la méthode. Ensuite, nous avons étudié la modélisation des robots hybrides constitués de modules parallèles montés en série. La méthode proposée est une méthode récursive basée sur le calcul des efforts appliqués sur les différents modules de la structures les uns par rapport aux autres et par rapport à l’environnement. Le modèle dynamique inverse généralise, pour les robots hybrides, la formulation de Newton-Euler de Luh développé pour les robots série, tandis que le modèle dynamique direct généralise l’algorithme de Featherstone. En dernier lieu, la modélisation des robots hybrides a été étendue au cas où la base du robot est mobile, pour lequel nous avons exploité le principe d’un module généralisé composé des modules qui le succèdent, l’utilisation de ce principe nous a permis de calculer l’accélération de la base mobile du robot, afin d’illustrer la faisabilité de cette méthode nous l’avons appliqué sur deux modules du robot anguille