Contribution à la modélisation géométrique,cinématique et dynamique des robots continuum bioniques
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Date
2021
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Abstract
Cette thèse étudie le robot continuum bioniques en particulier ceux actionnés par câbles et le robot continuum qui s'appelle Compact Bionic Handling Assistant (CBHA).
En premier lieu, nous avons développé une approche simplificatrice du modèle géométrique direct (MGD) d'un robot continuum flexible à courbure variable (CV).
Cette simplification consiste à établir une relation entre les angles de flexion de toutes les unités de la même section en fonction de l'angle de flexion de la première unité appartenant à la même section. Le but est la réduction du nombre de degré de liberté du robot.
En ce qui concerne le modèle géométrique inverse (MGI) du robot continuum multisections, il s'avère complexe et cela s'est confirmé par l'inexistence d'une solution analytique dans les travaux de recherches existants actuellement. Pour résoudre ce problème, on s'est orienté vers des méthodes méta-heuristiques pour la résolution du MGI. En particulier notre contribution se base sur l'utilisation et la comparaison des trois méthodes d'optimisation PSO, GA et ABC. Ces trois méthodes utilisent une fonction objectif minimisant une distance désirée entre le robot et la cible sous différentes contraintes d'orientation du robot.
Pour donner un aspect pratique au modèle développé, une conception d'un robot flexible continuum à deux section a été proposée avec tout le calcul de dimensionnent, à savoir corps du robot ainsi que les mécanismes de commande.
Cette thèse se termine par la proposition d'un modèle dynamique préalable pour le robot continuum à courbure variable qui pourra servir pour une future mise en ouvre d'un banc d'essai pratique. L'établissement de ce modèle dynamique s'appuie sur les approximations de Taylor. Afin de dériver le lagrangien du modèle dynamique, on a utilisé les approximations de Taylor et puis l'équation différentielle obtenue a été résolue par la méthode de Runge-Kutta d'ordre 4.
Globalement, toutes les simulations réalisées ont été faites sous l'environnement
MATLAB.
This thesis studies the robot bionic continuum in particular those actuated by cables and the robot continuum which is called Compact Bionic Handling Assistant (CBHA).
First, we have developed a new method allowing the simplification of the forward kinematic model (FKM) of a flexible continuum robot with variable curvature (CV).
This simplification consists in establishing a relationship between the bending angles of all units of the same section as a function of the bending angle of the first unit belonging to the same section. The goal is to reduce the number of the robot's degrees of freedom.
Regarding the inverse kinematic model (IKM) of the multi-section continuum robot is complex and this is confirmed by the lack of an analytical solution in the currently existing research work. To figure out this problem, we have turned to meta-heuristic methods for the resolution of IKM. In particular our contribution is based on the use and comparison of the three optimization methods PSO, GA and ABC. These three methods use an objective function that minimizes a desired distance between the robot and the target using different constraints.
To give a practical aspect to our work, a design of a flexible two-section continuum robot has been proposed with all the dimensioning calculation, namely the robot body as well as the control mechanisms.
This thesis is conluded with the proposal of a preliminary dynamic model for the continuum robot with variable curvature which can be used for future improvements. The establishment of this dynamic model is based on Taylor approximations. In order to derive the Lagrangian of the dynamic model, we used Taylor's approximations and then the obtained differential equation was solved by the Runge-Kutta method of fourth order.
Overall, all the simulations were carried out through MATLAB.
تركز هذه الأطروحة على الروبوتات المرنة و على وجه الخصوص تلك التي يتم تشغيلها بواسطة الاسلاك وسلسلة الروبوت (CBHA).
أولاً ، قمنا بتطوير طريقة جديدة تسمح بتبسيط النموذج الحركي المباشر (FKM) للروبوت المرن المستمر ذي الانحناء المتغير.
يكمن هذا التبسيط في إنشاء علاقة بين زوايا الانحناء لجميع الوحدات في نفس القسم بدلالة زاوية الانحناء للوحدة الأولى التي تنتمي إلى نفس القسم. الهدف هو تقليل عدد درجات حرية الروبوت.
فيما يتعلق بالنموذج الحركي العكسي (IKM) للروبوت المتصل متعدد الأقسام هو في الحقيقة معقد وهذا يؤكده عدم وجود حل تحليلي في البحوث السابقة. لحل هذا هذه المشكلة ، لجأنا إلى طرق مستوحاة من سلوك الحيوانات لحله. تعتمد مساهمتنا بشكل خاص على استخدام ومقارنة طرق PSO و GA و ABC
لإعطاء جانب تطبيقي لهذا العمل تم اقتراح تصميم روبوت مرن من قسمين مع كل حسابات الأبعاد. تم انهاء هذه الأطروحة باقتراح نموذج ديناميكي أولي للروبوت المتصل ذي الانحناء المتغير والذي يمكن استخدامه للتحسينات المستقبلية. يعتمد إنشاء هذا النموذج الديناميكي على معادلات تايلور. من أجل اشتقاق لاغرانج من النموذج الديناميكي ، استخدمنا تقديرات تايلور ومن ثم تم حل المعادلة التفاضلية التي تم الحصول عليها بطريقة رونج-كوتا من الدرجة الرابعة..
بشكل عام ، تم تنفيذ جميع عمليات المحاكاة من خلال MATLAB.
Description
Keywords
Robots flexible continuum, modèle géométrique direct, modèle géométrique inverse, modèle dynamique, méthodes méta-heuristiques