Conception de systèmes mécaniques auto-adaptatifs pour la locomotion

Les mécanismes auto-adaptatifs (ou sous-actionnés) permettent d'accomplir des tâches complexes en utilisant un nombre minimal d'actionneurs. Leur caractéristique principale est la division de l'actionnement, à l'aide de mécanismes souvent différentiels, entre plusieurs mouvements de sortie dont la séquence de déclenchement peut être contrôlée à l'aide d'éléments passifs. Actuellement, ils sont majoritairement employés pour fabriquer des doigts ou de mains robotiques capables de s'adapter mécaniquement à la forme de l'objet à saisir, sans utiliser de contrôle en boucle fermée. Il est ainsi possible d'effectuer des économies substantielles en générant de manière purement mécanique un comportement qui nécessiterait autrement un grand nombre de moteurs et de capteurs. Dans ce projet, deux thèmes distincts, liés à l'application de cette philosophie de conception au domaine de la locomotion, sont explorés avec comme but principal de transférer l'expertise développée avec les doigts auto-adaptatifs vers de nouveaux cas d'utilisation. En premier lieu, un mécanisme de patte mécanique à deux degrés de liberté, actionné par un seul moteur, a été développé. En cas de collision avec un obstacle durant la phase de vol, le ratio de transmission de l'actionnement est altéré, combinant ainsi les deux degrés de liberté pour permettre à la patte de glisser le long de l'obstacle à la recherche d'un nouveau point d'appui. Ce mécanisme a été analysé en profondeur, notamment par le biais de la théorie des visseurs, afin de quantifier sa capacité d'adaptation. Il a ensuite été possible de procéder à une optimisation multi-objectifs visant à mettre en évidence le compromis entre les capacités d'adaptation de la patte et la qualité de la trajectoire générée. La validation expérimentale de ce mécanisme est également présentée. Le second thème relève du domaine de la réadaptation. Le mécanisme développé correspond à celui d'une orthèse entièrement passive, capable de générer des couples correcteurs sur les articulations de la hanche et du genou. Pour ce faire, un système de poulies non-circulaires et de câbles relie les rotations de ces deux articulations à l'allongement de deux ressorts. La synthèse des profils des poulies, par le biais d'une méthode graphique innovante, est décrite, de même que les résultats expérimentaux obtenus à l'aide du prototype réalisé. Les travaux réalisés dans le cadre du présent projet ont par ailleurs mené à d'autres contributions dans le domaine des poulies non-circulaires, soit un mécanisme d'équilibrage statique et un autre permettant de guider une plateforme suspendue le long d'une trajectoire de type « pick-and-place ».

Abstract

Self-adaptive mechanisms (also referred to as underactuated) allow to perform complex tasks using only a minimal number of actuators. Their main characteristic is their ability to distribute actuation, often using differential mechanisms, between several output motions which can be triggered sequentially through the use of passive elements. As of now, they are mostly used in fingers and hands able to mechanically adapt to the shape of the grasped object, without relying on closed-loop control. Indeed, they allow for significant cost savings by generating purely mechanically a behavior which would otherwise require several motors and sensors. In this project, two separate themes, both linked to the application of this design philosophy to the field of locomotion, are explored. The main goal is to transfer existent expertise developed for self-adaptive fingers to new use cases. First, a two degree of freedom mechanical leg, driven by a single motor, has been developed. In case of an unexpected collision with an obstacle during the swing phase, the actuation transmission ratios are altered, thus combining both degrees of freedom to generate a sliding motion along the obstacle in search of the next foothold. This mechanism is here analyzed in depth through the application of screw theory, in order to quantify this adaptation capability. A multi-objective optimization was subsequently performed to highlight the trade-off between the mechanism's adaptation to obstacles and the quality of the generated leg endpoint trajectory. Experimental results validating the increased reachable ground clearance for the proposed linkage are provided. The second theme belongs to the field of rehabilitation. The developed mechanism is a fully passive orthosis able to generate correcting torques to the hip and knee joints of the leg. This behavior is obtained by relating the elongations of two springs to these articular rotations by the means of cables and non-circular pulleys. The synthesis of the pulley profiles, through an innovative graphical method, as well as initial experimental results are presented. This project has also yielded relevant contributions to the field of non-circular pulleys, with one mechanism developed to achieve static balancing of a pendulum, and another guiding a suspended platform through a pick-and-place trajectory.