Design d'un manipulateur robotique à architecture anthropomorphique

Les robots à architecture anthropomorphique, c'est-à-dire inspirée des mécanismes du corps humain, sont des outils qui pourraient être d'une grande utilité dans le domaine de la robotique de réadaptation et d'assistance étant donné l'aspect intuitif, relativement à leur fonctionnement et leur comportement, que leur apporte leur forme familière. Toutefois, les robots anthropomorphiques actuellement existants sont généralement développés dans le cadre d'applications particulières et ne sont par conséquent pas appropriés pour un transfert vers le domaine de la robotique d'assistance et de réadaptation. Par conséquent, il n'existe pas de plateforme de développement robotique permettant le développement d'applications mettant à profit au maximum une architecture biomimétique pour des usagers sans formation en robotique comme les cliniciens en réadaptation et les bénéficiaires de robots d'assistance. Dans ce contexte, l'objectif de ce mémoire est de concevoir une plateforme robotique à architecture anthropomorphique suivant le plus fidèlement possible l'architecture du bras humain pour maximiser l'apport intuitif de la forme familière de l'appareil pour son fonctionnement et son interaction avec son environnement. Particulièrement, un effort est appliqué pour inclure dans le mécanisme la structure à deux os de l'avant-bras afin de rendre possible une reproduction réaliste du mouvement de pronation-supination du bras, le mouvement le plus complexe du membre supérieur puisqu'il implique une boucle cinématique fermée et de nombreux joints passifs. En premier lieu, un modèle biomécanique du membre supérieur a été choisi pour répondre à la problématique, puis ses caractéristiques principales ont été spécifiées. La chaîne cinématique du modèle biomécanique a par la suite été traduite en chaîne cinématique pour un robot, en s'assurant que chacun des sous-mécanismes reproduise bien les caractéristiques soulignées du modèle. Ces mécanismes ont permis de faire les plans entier du manipulateur robotique à l'aide d'un logiciel de dessin assisté par ordinateur. Afin de choisir les actionneurs nécessaires au fonctionnement du robot, une simulation de suivi de trajectoire avec contrôle par couple pré-calculé a été élaborée. Les modèles cinématiques et dynamiques du bras, étant nécessaires à la simulation, ont été développés. Enfin, un prototype de la plateforme a été conçu par impression 3D. En comparant les plages angulaires accessibles aux différents joints du mécanisme à celles des joints du modèle biomécanique, il a été déterminé que le bras pourrait reproduire toute la gamme des mouvements humains pour laquelle la position de l'épaule est près de la position de repos.

Abstract

Bio-inspired robots, more specifically, anthropomorphic robots, would be very suitable tools for assistance and rehabilitation robotics because they are, by design, very familiar and intuitive-looking both visually and in their behavior, which is ideal in a field where most users, such as patients and clinicians, do not possess an advanced knowledge of robotics. However, previously developed anthropomorphic robots are not well-suited for a direct use in such applications since they were generally designed for other industrial applications which makes them cumbersome and complex to use. It is not ideal for use in assistance robotics. Moreover, none of them actually correctly mimics the two-bones structure of the arm-forearm complex of the human arm and thus the designs are not biofidelic. Therefore, there is currently no robotic development platform dedicated to anthropomorphic robotics for the field of rehabilitation and assistance. Given this context, the objective of this study is to design the first robotic development platform with an anthropomorphic architecture which reproduces as best as possible the biomechanics of the human upper-limb for intuitive control and interaction. Specifically, the mechanism of the robotic arm will include the two-bones structure of the forearm for an accurate replication of the motion of pronation-supination, which is the most intricate motion of the arm. First, a biomechanical model of the upper-limb was chosen to fit the objective of the project and its key characteristics were analysed. This model was then translated into a robotic kinematic chain whose sub-mechanisms mimic the highlighted characteristics of the biomechanical model. The designed mechanisms were then included in a complete computer-assisted drawing of the robot. The choice of actuators on the robot was made based on the results of a path-following by computed-torque simulation of the robot, which required the kinematic and dynamic models of the robot to be developed. Finally, a physical prototype of the robot was built using rapid prototyping. Comparing the range of motion of each of its actuators, it appeared that the robot arm should be able to imitate accurately any human motion of the arm for which the shoulder is close to its resting position. Applications and research in rehabilitation and assistance robotics where accurate reproduction of the human motion of the arm is necessary. For example, determining the mathematical optimization criterion for humanlike path-planning can now be performed with the designed robot.