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Article de référence | Réf : S7817 v1

Définitions et intérêts des mécanismes de tenségrité
Mécanismes de tenségrité pour la robotique de manipulation

Auteur(s) : Quentin BOEHLER, Marc VEDRINES, Salih ABDELAZIZ, Philippe POIGNET, Pierre RENAUD

Relu et validé le 12 avr. 2021

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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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ABSTRACT

Tensegrity mechanisms for robotic manipulation

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)

  • Quentin BOEHLER : Chercheur postdoctoral - Multi-Scale Robotics Lab, ETH Zurich, Zurich, Suisse

  • Marc VEDRINES : Maître de conférences - Laboratoire ICube, INSA de Strasbourg, Strasbourg, France

  • Salih ABDELAZIZ : Maître de conférences - Laboratoire LIRMM, Université de Montpellier, CNRS, Montpellier, France

  • Philippe POIGNET : Professeur des universités - Laboratoire LIRMM, Université de Montpellier, CNRS, Montpellier, France

  • 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.

Nota

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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KEYWORDS

Robotics   |   Tensegrity mechanisms   |   Manipulation

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-s7817


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1. Définitions et intérêts des mécanismes de tenségrité

1.1 Des tenségrités aux mécanismes de tenségrité

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1.1.1 Introduction

Les tenségrités sont des assemblages mécaniques composés de deux types d’éléments : des éléments sollicités en compression, appelés usuellement « barres », et des éléments sollicités en traction, appelés « câbles ». Ces éléments sont connectés à leurs extrémités en des nœuds qui assurent une liaison de type sphérique entre eux. Le principe de tenségrité réside dans le fait que les barres sont maintenues en compression au sein d’un réseau de câbles en tension. Une tenségrité spatiale dite « T3 » est représentée en figure 1 afin d’illustrer simplement ce principe ; les efforts internes provenant des barres et des câbles assurent l’équilibre du système en chacun de ses nœuds comme schématisé en (b).

HAUT DE PAGE

1.1.2 Historique des tenségrités

L’invention du mot « tenségrité » revient à l’américain Richard Buckminser Fuller, par la contraction de « tension » et « intégrité », mot qui suggère bien que l’intégrité de la structure est garantie par la tension des câbles. Le français David Georges Emmerich expérimente des structures similaires qu’il qualifie alors de « systèmes autotendants ». Emmerich, Fuller ainsi que son étudiant Kenneth Snelson déposent tous les trois de nombreux brevets sur les tenségrités au cours des années 1960, ce qui donne par ailleurs sujet à controverse quant à la paternité du concept de tenségrité ...

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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)...

1 Outils logiciels

NASA Tensegrity Robotics Toolkit (NTRTsim), Logiciel en OpenSource : https://github.com/NASA-Tensegrity-Robotics-Toolkit/NTRTsim (page consultée le 31 janvier 2018)

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2 Sites Internet

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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