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Article

1 - NAGE DE L’ANGUILLE

2 - CONCEPTION DU PROTOTYPE

3 - MODÉLISATION DU PROTOTYPE

4 - MODÉLISATION DU CONTACT FLUIDE-STRUCTURE

5 - COMMANDE

6 - IMPLÉMENTATION INFORMATIQUE

7 - CONCLUSION ET PERSPECTIVES

Article de référence | Réf : S7856 v1

Modélisation du contact fluide-structure
Robot anguille sous-marin en 3D

Auteur(s) : Frédéric BOYER, Mazen ALAMIR, Damien CHABLAT, Wisama KHALIL, Alban LEROYER, Philippe LEMOINE

Relu et validé le 05 févr. 2015

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RÉSUMÉ

Le domaine de la robotique tente à grands renforts d’études de comprendre et de reproduire les performances des poissons en matière d’accélération, de vitesse et de flexion. Cet article présente un projet de réalisation d’un prototype de robot anguille. Basée sur l’empilement de plateformes gainées par un organe continu flexible, la conception de l’architecture de ce robot biomimétique a d’abord nécessité une approche biomécanique. La modélisation du contact fluide-structure a été conduite suivant trois niveaux hiérarchiques : modèles stationnaires, modèles de type fluide parfait et modèles plus complets avec les équations de Navier-Stockes.

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Auteur(s)

  • Frédéric BOYER : Maître assistant à l’École des mines de Nantes - Institut de recherche en communications et cybernétique de Nantes (IRCCyN, UMR CNRS 6597)

  • Mazen ALAMIR : Chargé de recherche CNRS, laboratoire d’automatique de Grenoble

  • Damien CHABLAT : Chargé de recherche CNRS, Institut de recherche en communications et cybernétique de Nantes

  • Wisama KHALIL : Professeur à l’École centrale de Nantes - Institut de recherche en communications et cybernétique de Nantes

  • Alban LEROYER : Maître de conférences à l’École centrale de Nantes - Laboratoire de mécanique des fluides (LMF, UMR CNRS 6598)

  • Philippe LEMOINE : Ingénieur de recherche à l’École centrale de Nantes - Institut de recherche en communications et cybernétique de Nantes

INTRODUCTION

Comparées à nos réalisations technologiques, les performances des poissons font rêver. Au nombre de celles-ci, on compte leurs prodigieuses capacités d’accélération pouvant atteindre jusqu’à vingt fois la gravité, leur vitesse excédant 70 km/h, leur extraordinaire manœuvrabilité : virage à 180o sans ralentir et sur des rayons de courbure de l’ordre du dixième de leur longueur, tandis que les véhicules actuels doivent ralentir de moitié et prendre des rayons de courbure de l’ordre de dix fois leur longueur. En termes d’efficacité, leur rendement est de l’ordre de dix fois supérieur à ceux de nos meilleurs sous-marins, etc. Ces chiffres motivent à eux seuls les efforts actuels pour comprendre et reproduire les solutions des poissons sur nos systèmes robotiques. Dans ce domaine, relevant de la biomimétique, la première des difficultés rencontrées est décrite en ces termes :

« Reproduire les performances d’un poisson par simple imitation de sa forme et de sa fonction serait impossible car la mise au point d’un véhicule fléchissant de façon lisse et continue est au-delà des possibilités actuelles de la robotique » .

Aussi le caractère continu des poissons constitue-t-il la difficulté essentielle de la recherche dans ce domaine. C’est l’objet de ce projet que de renforcer le biomimétisme en réalisant un prototype de robot anguille « plus continu » que ses homologues actuels. Pour cela, l’architecture mécanique du prototype est basée sur l’empilement en série de plates-formes parallèles gainées par un organe continu flexible jouant le rôle de la peau. La modélisation elle-même s’appuie sur des modèles dynamiques dits macrocontinus (macro pour macroscopiques) basés sur la théorie des poutres Cosserat actionnées de manière continue.

Afin d’atteindre cet objectif, nous avons débuté le projet par une étude biomécanique. Sur la base de cette étude, la conception assistée d’une modélisation macroscopique de type continu (macrocontinue) a été lancée et menée en parallèle d’une modélisation polyarticulée plus fidèle à la réalité technologique du futur prototype. Enfin, dès le départ, une modélisation du contact entre le fluide et la structure a été initiée. Soulignons que nous avons d’emblée adopté une approche hiérarchisée de modélisation tant pour la mécanique du robot que pour le contact fluide-structure. Sur la base de ces modèles et simulateurs associés, la commande est en cours d’étude et sera implémentée in fine sur une architecture informatique.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-s7856


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4. Modélisation du contact fluide-structure

Comme annoncé, la modélisation du contact fluide-structure procède également selon trois niveaux hiérarchiques, du plus simple au plus sophistiqué. Avant d’entrer dans les détails de ces trois niveaux, il est important de noter que, contrairement à la modélisation solide, celles du fluide et de son influence sur la nage de l’anguille ne peuvent trouver de solution aussi « satisfaisante ». En effet, l’anguille, comme tout autre poisson, utilise activement les phénomènes instationnaires, tels que les vortex qu’elle lâche dans son sillage, de manière à « optimiser » le rendement de sa propulsion. Or, les modèles et simulateurs associés à ces problèmes d’optimisation de la propulsion d’un corps déformable plongé dans un fluide sont à ce jour un sujet émergent de la mécanique des fluides. Voici à présent les trois niveaux de la modélisation du contact et leur fonction dans le projet :

  • modèles stationnaires 4.1 : ce sont des modèles explicites simplifiés dédiés à la commande et la simulation rapide ;

  • modèles de fluide parfait 4.2 : ils assurent le lien entre les niveaux 1 et 3 et rendent compte de l’influence des lâchers de vortex sur la nage (phénomènes de synchronisation, etc.) ;

  • modèles de Navier-Stokes 4.3 : ce sont les modèles les plus fidèles à la réalité du fluide. Ils constituent le socle de référence de toute tentative de modélisation simplifiée du contact fluide-structure.

4.1 Modèles stationnaires

Les modèles de contact dits stationnaires ne tiennent pas compte de l’évolution de l’écoulement autour de l’anguille. Ils sont de ce fait uniquement dépendants du mouvement relatif des sections par rapport au fluide et, de par leur simplicité, constituent une alternative pertinente pour les besoins de la commande...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - TRIANTAFYLLOU (M.S.) -   An efficient swimming machine  -  . Scientific American, mars 1995.

  • (2) - MERLET (J.P.) -   Parallel Robots  -  . Kluwer Academic Publishers (2000).

  • (3) - KAROUIA (M.) -   Conception structurale de mécanismes parallèles sphériques  -  . Thèse de doctorat, École centrale de Paris (2003).

  • (4) - GOSSELIN (C.), HAMEL (J.F.) -   The agile eye : a high performance three-degree-of- freedom camera-orienting device  -  . IEEE Int. Conference on Robotics and Automation, 781-787, San Diego, 8-13 mai 1994.

  • (5) - BIRGLEN (L.), GOSSELIN (C.), POULIOT (N.), MONSARRAT (B.), LALIBERTÉ (T.) -   SHaDe, a new 3-dof haptic device  -  . IEEE Transactions on Robotics and Automation, 18, no 2, 166-175 (2002).

  • (6) - AGRAWAL (S.K.), DESMIER (G.), LI (S.) -   Fabrication and analysis of a novel 3 dof parallel wrist mechanism  -  ....

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