Prototype of a tensegrity manipulator to mimic bird necks

Matthieu Furet (1, 2) , Damien Chablat (1, 2) , Benjamin Fasquelle (1, 2) , Parag Khanna (3) , Christine Chevallereau (1, 2) , Philippe Wenger (1, 2)

1 LS2N - Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes
2 LS2N - équipe ReV - Robotique Et Vivant
3 ECN - École Centrale de Nantes

This paper deals with the building of a 2D tensegrity mechanism. The considered mechanism is derived from the Snelson's X-shape mechanism and is used as an elementary part of the bird neck modelling. Indeed, an n-dof manipulator can be obtained by stacking in series n X-shape mechanisms. This paper explains the design and building process of a 1-dof prototype, both on hardware and software aspects, and will be used further to have experimental results on the dynamic modelling, control laws and ac-tuation strategy.

Une structure de tenségrité est un assemblage d'éléments en compression (barres) et d'éléments en traction (câbles, ressorts) maintenus ensemble en équilibre [1],[2]. La tenségrité est connue en architecture et en art depuis plus d'un siècle [3] et est adaptée à la modélisation des organismes vivants [4]. Les mé-canismes de tenségrité ont été étudiés plus récemment pour leurs propriétés prometteuses en robotique telles que la faible inertie, la souplesse naturelle et la capacité de déploiement [5]. Un mécanisme de tenségrité est obtenu lorsqu'un ou plusieurs éléments sont actionnés. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre du projet AVINECK, auquel participent des biologistes et des roboticiens dans le but principal de modéliser et de concevoir des cous d'oiseaux. En conséquence, une classe de manipulateurs de tenségrité planaire composée d'un assemblage en série de plusieurs mécanismes en X de Snelson [6], c'est-à-dire des mécanismes à quatre barres croisées avec des ressorts sur leurs côtés latéraux, a été choisie comme candidat approprié pour un modèle préliminaire plan d'un cou d'oiseau. Le prototype consiste en un mecanisme en X de Snelson. Les barres sont assemblées selon différents plans pour éviter les collisions internes. Le manipulateur est entraîné par des câbles parallèles aux res-sorts et traversant les axes grâce à des perçages. Chaque câble est attaché à un tambour. Le manipulateur est actionné par deux câbles, ce qui en fait un mécanisme antagoniste, dont on peut contrôler la raideur. Les pièces structurelles (barres, supports, tambours) sont imprimées en 3D en ABS. Chaque liaison pivot entre les barres et les axes est construite avec deux roulements qui assurent un centrage long, et toutes les pièces sont arrêtées axialement avec des colliers d'arbre. Nous avons décidé d'avoir une lon-gueur de barre transversale de 100 mm et une longueur de barre supérieure de 50 mm. Ces dimensions sont adaptées à plusieurs jeux de ressorts disponibles, c'est-à-dire que les ressorts considérés sont tou-jours en tension et ne sont pas trop étendus pour toutes les positions accessibles du manipulateur. Une fois la longueur et la raideur du ressort définies, le modèle statique est calculé afin d'obtenir la force d'entrée maximale pour les câbles. Cette force doit être suffisante pour actionner le mécanisme dans un grand espace de travail et pour résister aux chargements externes. La force appliquée par les câbles est directement liée au rayon du tambour et au couple du moteur. Le rayon du tambour influe également sur la vitesse de translation du câble. Un compromis est fait pour avoir des efforts et vitesses de câbles suffisants. Deux variateurs interagissent avec un microprocesseur sur lequel est programmé la loi de commande. Chaque moteur est équipé d'un codeur pour connaître la position réelle du mécanisme. Le bon compor-tement du mécanisme est assuré par une commande dynamique.

Mots clés: Tensegrity; Bio-inspired design; Robotics; Dynamics

Domaines: Robotique [cs.RO]

Matthieu Furet, Damien Chablat, Benjamin Fasquelle, Parag Khanna, Christine Chevallereau, et al.. Prototype of a tensegrity manipulator to mimic bird necks. 24ème Congrès Français de Mécanique, Aug 2019, Brest, France. ⟨hal-02264288⟩