Conception et optimisation de mécanismes compliants pour la locomotion et la saisie

Les mécanismes compliants sont utilisés en robotique depuis relativement peu de temps, les avancées en termes d'impression 3D ont permis une intégration plus poussée ces dernières années. Il reste toutefois beaucoup à faire dans ce domaine tant sur l'intégration que sur l'optimisation aux mécanismes déjà existants. Dans ce travail de recherche, deux thèmes distincts sont abordés du point de vue de l'utilisation des mécanismes compliants. Le premier aborde le thème de la locomotion, plus précisément l'analyse et l'optimisation d'une version compliante de la patte de Klann spécialement conçue pour distribuer de façon efficace la puissance nécessaire au mouvement d'un robot tout au long d'un cycle de pas, évitant ainsi les pics d'énergie demandés à la batterie. Bien que le mécanisme de Klann soit un mécanisme simple ayant un seul degré de liberté, il est intéressant de combiner la génération de la trajectoire complexe en bout de patte compatible avec un mouvement de pas avec une charge et décharge en énergie potentielle pour obtenir une patte efficace en termes de puissance. De plus la patte de Klann étant pourtant bien connue, une revue de littérature montre qu'elle ne fait l'objet que de peu de travaux de recherche. Pour combler ce manque, une étude cinématique complète utilisant la théorie des visseurs plans suivie de l'étude des singularités, de la relation force-déplacement et d'une partie optimisation ont été réalisées dans ce mémoire. Pour finir, une validation expérimentale est présentée montrant clairement l'amélioration de l'efficacité en puissance. L'amplitude maximale des pics de courant du moteur sur la patte optimisée étant réduite de 2.5 par rapport à une patte avec la même géométrie mais non-compliante. Le second thème aborde la saisie avec l'optimisation et la conception d'un doigt robotique compliant à raideur variable (deux modes). Directement inspiré des doigts à Fin Ray Effect (FRE) de Festo, le doigt conçu a été optimisé de telle sorte à maximiser l'écart de raideur entre les deux modes de raideur possibles. Ceux-ci sont accessibles par l'engagement ou non d'une barre interne modifiant la cinématique du doigt et donc sa raideur. Une technique de clips, novatrice dans le domaine des mécanismes à raideur variable, a été utilisée permettant de changer facilement de mode. Comme auparavant, une étude cinématique suivie du calcul de la relation force-déplacement ont été réalisées pour mener à bien l'optimisation par un algorithme génétique. Une validation expérimentale et une caractérisation du doigt conçu ont ensuite pu être faites montrant une différence de raideur de l'ordre de 450% entre les deux modes. Au final ce travail de recherche montre à travers deux applications robotiques concrètes des mécanismes compliants, comment leurs caractéristiques peuvent être mises à profit pour améliorer l'efficacité et la versatilité d'un système.

Abstract

Compliant mechanisms have been used in robotics for a relatively short time, technological advancements in 3D printing have allowed a more advanced integration in recent years. However, much remains to be done in this area, both on integration and on optimisation of existing mechanisms. This research work contains two separate themes related to the use of compliant mechanisms. The first one deals with locomotion, more precisely with the analysis and optimization of a compliant version of the Klann's leg specifically designed to efficiently distribute its power requirement over its complete motion cycle, avoiding large peaks in the energy drawn from the battery. Although the Klann's linkage is a simple mechanism with a single degree of freedom, it's interesting to combine in a single structure both a complex trajectory generation compatible with step motion and energy storage/release to obtain a power efficient leg. In addition, despite the Klann's linkage is well known, a literature review shows that there are relatively few papers addressing the design of this simple leg. To fill this gap, a complete kinematic analysis of that mechanism using planar screw theory followed by a singularities analysis, a force input-output relationship and an optimization section were carried out in this work. Finally, an experimental validation is presented to support the approach, showing the improvement of the efficiency in power by reducing the load peaks on the motor with the optimized leg. The second theme focuses on grasping with the optimization and design of a compliant dual stiffness robotic finger. Inspired by the Fin Ray Effect (FRE) fingers from Festo, the designed finger has been optimized to maximize the stiffness gap between the two modes. These modes are selected by the engagement of an internal bar modifying the kinematics of the finger and thus, its stiffness. An innovative (in the field of variable stiffness) snap-fit joint technique was used to easily change mode. As before, a kinematic study followed by the computation of a force input-output relationship were carried out in order to perform an optimization by a genetic algorithm. An experimental validation and characterization of the designed finger could then be made showing a difference of stiffness of approx. 450% between the two modes. Finally, this work shows through two concrete applications of compliant mechanisms, how the characteristics of the latter can be used to improve the overall efficiency and versatility of a robotic system.