Soutenance mémoire
Le développement et l’étude de différents moyens de locomotion est un sujet qui passionne l’être humain depuis des temps immémoriaux. En commençant par l’étude de l’art de se déplacer sur ses deux pieds afin de mieux se comprendre, l’homme s’est peu à peu intéressé aux autres espèces l’entourant afin de mieux comprendre le monde qui l’entoure. C’est ainsi que pendant très longtemps, l’homme a rêvé de pouvoir voler comme les oiseaux dans le ciel, ce qui fût possible au XXème siècle. Aujourd’hui, les challenges ont quelque peu changé : l’homme est capable de se déplacer dans tous les milieux, mais il s’est rendu compte qu’avec toutes les machines qu’il pouvait construire, aucune d’elles ne pouvaient égaler le degré de perfectionnement que la nature a donné aux êtres vivants.
De ce constat, la communauté scientifique s’est tournée vers un domaine au combien passionnant, mais également extrêmement complexe baptisé le Biomimétisme. Cette science, repose sur le principe de la copie des systèmes vivants ou de la conception de systèmes basés sur l’étude de ceux-ci. Ces dernières années, beaucoup de recherches ont été effectuées dans le domaine du Biomimétisme sous-marin, car il constitue d’une part un environnement qu’on connait peu et d’autre part un domaine où les machines actuelles sont très peu performantes par rapport à ce que peu faire la nature. Ce large engouement pour l’étude des poissons provient d’une étude de Sir James Gray [Gray, 1935] (aussi appelé le paradoxe de Gray) sur les dauphins et qui montre que selon les calculs de l’époque, les muscles du dauphin devraient être 7 fois plus puissants pour lui permettre d’atteindre les vitesses auxquelles il nage. Les différentes études menées ont pu mettre en avant des capacités prodigieuses d’accélérations pouvant aller jusqu’à 20 fois la gravité et une extraordinaire manœuvrabilité : par comparaison, un poisson peut faire un virage à 180˚ sans perdre de vitesse et avec des rayons de courbure de l’ordre d’un dixième de sa longueur [Triantafyllou et Triantafyllou, 1995] alors qu’un bateau, dans les mêmes conditions, perdra la moitié de sa vitesse et aura besoin de 10 fois sa longueur pour faire ce demi-tour.
Les différentes catégories de poissons
Les poissons anguilliformes sont des poissons qui ne peuvent pas atteindre de grandes vitesses, mais qui possèdent de grandes capacités dans les possibilités de manœuvres complexes. De plus, ce type de poisson a la particularité très intéressante de pouvoir nager en marche arrière simplement en inversant le sens du mouvement de l’onde parcourant son corps (les poissons subcarangiforme peuvent également le faire mais plus difficilement). Que ce soit pour les poissons subcarangiformes ou anguilliformes, l’oscillation du corps commence au niveau de la nageoire dorsale. Les deux se distinguent par le fait que les poissons subcarangiformes ont une nagoire dorsale beaucoup plus courte et un peu plus éloignée de la tête.
Les poissons carangiformes sont généralement plus rapides que les poissons anguilliformes mais sont beaucoup moins performants en terme d’accélération et de manœuvrabilité à cause d’une plus grande rigidité de la partie avant du corps. Pour cette catégorie de poissons, l’oscillation du corps se produit à partir de l’arrière de la nageoire dorsale. C’est cette différence qui différencie les poissons subcarangiformes des poissons carangiformes.
Les poissons thunniformes constituent l’optimum en terme de rapidité de nage. Ils sont caractérisés par une large nageoire caudale qui permet de générer une force de poussée importante et leur corps est optimisé afin de réduire les efforts de traînés (ils sont généralement plus larges en hauteur et plus fins en épaisseur). Cependant, ce type de poisson n’est pas adapté pour la nage à faible vitesse et pour effectuer des virages très serrés.
Enfin les poissons ostraciiformes sont un cas particulier puisque l’utilisation de leur nageoire caudale n’est généralement pas considérée comme le mode principal de propulsion (le poisson utilise plutôt ses nageoires pectorales). Les observations montrent que la nageoire caudale est utilisée pour augmenter la vitesse de la nage.
Les robots existants et leurs applications
A partir des quatre catégories de poissons que nous avons pu voir, nous allons présenter quelques réalisations de robot pour chacune de ces catégories et voir les motivations de ce choix et les résultats obtenus .
– Poissons ostraciiformes :
Pour cette catégorie de poisson, on peut citer le robot BoxyBot de l’EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne) [Lachat et al., 2006].
Ce robot est conçu dans le but de pouvoir tester des générateurs de locomotion basés sur des systèmes proches des réseaux de neurones. Ce générateur de locomotion est spécifiquement étudié afin de réagir à différents stimuli (nager vers une source lumineuse par exemple) et d’être capable de changer son contexte suivant l’environnement dans lequel il se trouve. Les résultats sur l’étude de ce robot montrent que ce type poisson possède une très grande manœuvrabilité (notamment grâce aux nageoires pectorales) et permet très aisément de faire de la nage 3D. Cependant, ce genre de robot n’est pas fait pour atteindre des vitesses de déplacement élevées. Le point extrêmement intéressant de cette étude concerne la conception d’une loi de commande capable de réagir à l’environnement ce qui pourrait s’avérer utile dans le cadre du projet robot anguille.
– Poissons thunniformes :
Dans le domaine des poissons thunniformes, le robot le plus abouti est sans conteste le robot thon Robotuna du MIT [Barrett, 9996] .
Ce robot a pour but d’étudier les lois de nage permettant d’atteindre de grandes vitesses de déplacement avec la plus faible consommation d’énergie possible. Le mouvement du corps de ce robot thon est obtenu par l’intermédiaire de 8 vertèbres rigides actionnées par 6 moteurs électriques. Ce robot est également le premier à être équipé d’une peau complète et lisse afin d’être le plus proche du poisson qu’il mime. Les différentes études menées sur ce projet ont permis aux chercheurs de retrouver le paradoxe de Gray et de mettre en évidence le fait que le poisson utilise la création des tourbillons dans son sillage afin d’augmenter l’efficacité de la nage. Ainsi, ces études ont soulevé la question du type de loi de mouvements et du choix des coefficients qui permettent à coup sûr d’atteindre la vitesse maximum.
– Poissons carangiformes ou subcarangiformes :
Dans cette catégorie de poissons, on peut citer le robot Potuna du laboratoire POSTECH [Kim et Youm, 2004] de Corée et le robot G9 de l’université Essex en Angleterre [Hu et al., 2006] .
Le robot Potuna est un robot dont la queue dispose de deux degrés de liberté et dont les nageoires pectorales sont actionnées par un moteur. Deux types de modélisations ont été utilisées pour étudier le comportement dans l’eau : la théorie des écoulements potentiels (Potential flow theory) en fluide parfait et la modélisation dynamique par la méthode de Kane avec un modèle fluide simplifié de type Morison pour les efforts résistifs avec prise en compte des masses ajoutées. Les simulations réalisées ont pu montrer que l’utilisation de l’une ou l’autre des théories donnent des résultats similaires.
Le robot G9 est un robot qui possède une queue à 4 vertèbres actionnées par 3 moteurs. Le contrôle en altitude de ce robot est assez atypique puisqu’il utilise un système qui permet de modifier la position du centre de gravité. Le cadre d’étude de ce robot est la compréhension et la mise en place de différents modèles de nage qui permettent de réaliser plusieurs catégories de mouvements (virage, plongée,…). Le but de ces travaux est également d’utiliser les informations issues de capteurs afin de décider le type de nage approprié pour le contexte courant.
– Poissons anguilliformes :
Cette catégorie de poissons est celle qui est le plus étudiée dans la littérature. On peut citer le robot REEL 2 de l’université de Harvard [McIsaac et Ostrowski, 1999], le robot lamproie de la Northeastern University [Ayers et al., 2000], le robot lamproie Amphibot II de l’EPFL [Ijspeert et Crespi, 2007] et le robot anguille ACM R5 du laboratoire Hirose [Yamada et al., 2005].
Le robot REEL2 est un robot dont le but est de pouvoir tester les lois de commande et le problème de la génération de trajectoires, appliqué à un robot 2D nageant en surface.
Les auteurs ont essayé de résoudre les problèmes de la locomotion des systèmes hyperredondants en combinant les différentes allures de nage d’une anguille biologique (avance, virage, nage latérale) afin d’obtenir les objectifs de commande. Le robot réalisé est constitué de 5 corps en série et reliés par 4 liaisons rotoïdes (dont les axes sont parallèles) motorisées par des servos-moteurs. Bien que d’un aspect assez simple, les auteurs ont pu démontrer leur théorie et obtenir des résultats probants en terme de manœuvrabilité.
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Table des matières
Introduction générale
1 Etat de l’Art
1.1 Les différentes catégories de poissons
1.2 Les robots existants et leurs applications
1.3 Le robot Anguille de l’IRCCyN
1.4 Les enseignements tirés de la biologie
1.4.1 Le principe de la nage
1.4.2 Modélisation du contact entre le fluide et le poisson
1.4.3 Génération de mouvement
1.4.4 Les réseaux de neurones
1.5 Conclusion
2 Modèle Dynamique d’une Anguille à structure sérielle
2.1 Introduction
2.2 Description de la structure sérielle
2.3 Modèle cinématique de la structure
2.4 Forme générale des modèles dynamiques
2.4.1 Introduction
2.4.2 Solution pour le modèle dynamique inverse
2.4.3 Solution pour le modèle dynamique direct
2.5 Modèle dynamique inverse récursif
2.5.1 Introduction
2.5.2 Calcul récursif du modèle dynamique inverse de l’anguille
2.6 Modèle dynamique direct
2.6.1 Introduction
2.6.2 Calcul du modèle dynamique direct
2.7 Modèle d’interaction fluide-structure
2.8 Vérification des algorithmes
2.8.1 Calcul du torseur cinétique de l’anguille
2.8.2 Générateur de mouvements
2.8.3 Validation des calculs
2.8.4 Validation croisée des résultats
2.9 Exemples de simulations
2.9.1 Premier exemple : la nage plane
2.9.2 Deuxième exemple : nage 3D en looping
2.9.3 Analyse des résultats
2.10 Modélisation et résultats en ajoutant des ailerons
2.10.1 Modification des algorithmes de Newton-Euler
2.10.2 Loi de contrôle pour régler le roulis par les ailerons
2.11 Conclusion
3 Modélisation d’un module de l’anguille
3.1 Introduction
3.2 Modèle géométrique inverse du module
3.3 Modèles cinématiques du module
3.3.1 Définitions
3.3.2 Modèle cinématique opérationnel
3.3.3 Calcul de la matrice jacobienne inverse
3.4 Modèle cinématique inverse du second ordre
3.5 Modélisation dynamique inverse du module
3.5.1 Définition du modèle dynamique pour les robots à structures fermées
3.5.2 Modèle dynamique inverse du module
3.5.3 Simplification du modèle dynamique
3.6 Calcul de l’espace de travail
3.7 Conclusion
4 Modèle Dynamique du prototype hybride
Conclusion générale
