Ce travail de doctorat se veut une contribution aux domaines des mécanismes et des pré- henseurs robotiques. Durant ce projet, il a été possible de faire ressortir quelques apports intéressants au domaine de la robotique et d’en communiquer l’importance au cours de di- verses conférences. Premièrement, l’utilisation de distributions élémentaires de forces pour concevoir un doigt sous-actionné est une innovation appréciable puisque l’architecture ob- tenue permet d’éviter l’éjection de l’objet à saisir. Ce progrès a d’ailleurs fait l’objet d’une présentation à l’ICRA 2009 (Demers et Gosselin, 2009).
La seconde contribution d’importance de cette thèse est l’étude du problème général pour obtenir la pose d’un axe de rotation en connaissant les poses initiale et finale du vecteur à pivoter. L’intérêt de ces résultats est qu’ils permettent de simplifier la conception de méca- nismes devant décrire des trajectoires hors du plan. Cette analyse a d’ailleurs été appliquée dans la conception du mécanisme effectuant la rotation du pouce. Le système obtenu est une avancée importante dans le domaine de la préhension sous-actionnée puisqu’il permet de placer le pouce en soutien palmaire ainsi qu’en opposition avec les doigts. De plus, il est com- pact et peut être aisément fabriqué, en plus de ne comporter qu’un degré de liberté. L’analyse du problème général et le système de rotation du pouce en découlant ont été présentés à la conférence ASME IDETC 2010 (Demers et Gosselin, 2010b).
Finalement, le système d’abduction plan est notable par sa robustesse et sa simplicité. Il est d’ailleurs le premier système effectuant l’abduction simultanée des doigts d’une main robotique. Cette innovation est le sujet de la communication effectuée durant l’atelier UG
2010 (Demers et Gosselin, 2010a) ainsi que de l’article paru dans le journal Mechanical Sciences (Demers et Gosselin, 2011a). Le mécanisme hybride conçu par la suite conserve les
qualités du système plan en permettant d’obtenir en plus le creusement de l’arche métacar- pienne ; il est le sujet de présentations à l’ICRA 2011 (Demers et Gosselin, 2011b) ainsi qu’au
Analyse statique d’un doigt sous-actionné
Nous sommes des nains juchés sur des épaules de géant.
Bernard de Chartres
Dans ce chapitre, le comportement statique d’un doigt sous-actionné est étudié. Les équations décrivant les forces de contact à ses phalanges en fonction de la configuration du doigt et des systèmes de transmission de puissance utilisés sont d’abord établies. Par la suite, les analyses statiques de doigts ayant deux ou trois phalanges actionnées par un ou deux réseaux de tendons sont conduites. Plus particulièrement, les conditions permettant d’atteindre une prise stable où toutes les forces de contact sont positives sont établies. Finalement, l’un des réseaux du doigt à trois phalanges et deux réseaux de tendons est optimisé pour obtenir une prise typique de la main humaine tandis que le second réseau est conçu pour qu’il n’y ait pas d’éjection de l’objet à saisir, quelle que soit la configuration du doigt.
2.1
Motivation
Cette étude s’inspire de nombreux travaux traitant des préhenseurs sous-actionnés (Hi- rose et Umetani, 1978; Shimojima et al., 1987; Bartholet, 1992; Routhier, 1996; Laliberté et Gosselin, 1998; Gosselin et al., 1999; Fukaya et al., 2000; de Visser et Herder, 2000; Herder et de Visser, 2000; Laliberté et al., 2002; Sie, 2002; Massa et al., 2002; Birglen et Gosse- lin, 2004; Birglen, 2004; Nasser et al., 2006; Dollar et Howe, 2006; Boudreault, 2006; Rizk
et al., 2007; Gosselin et al., 2008; Birglen et al., 2008; Takaki et Omata, 2009; Kragten et al.,
2009). L’analyse d’un doigt sous-actionné a ainsi été conduite sous divers angles ; toujours dans l’intention d’utiliser un actionneur pour commander la fermeture, et parfois l’ouverture, d’un doigt ou d’un préhenseur combinant plusieurs de ces doigts.
La stabilité de la prise d’un doigt sous-actionné est aussi l’objet de ces recherches. Un doigt sous-actionné est instable localement lorsqu’une force de contact sur une des phalanges doit être négative (traction) pour maintenir l’équilibre statique. Dans ce cas, la phalange asso- ciée à la force de contact négative s’éloigne de l’objet à saisir et les différents points de contact glissent jusqu’à atteindre une configuration stable ou jusqu’à l’éjection de l’objet1. Entre
autres résultats, il a été démontré par Birglen et Gosselin (2004) qu’un doigt sous-actionné à trois phalanges souffrira toujours d’un problème d’éjection dans certaines configurations. Ainsi, il est intéressant d’analyser le comportement d’un doigt sous-actionné utilisant plus d’un système d’actionnement afin d’éviter l’éjection de l’objet à saisir. Bien entendu, l’utili- sation de coussinets ayant un certain niveau d’adhérence peut limiter ce problème (Kragten
et al., 2009), mais il est préférable de concevoir une main robotique en négligeant la fric-
tion et donc le recours à ces artifices. Les forces de contact ainsi obtenues sont normales à la surface des phalanges et les forces de cisaillement sont minimisées, ce qui augmente la robustesse des prises, la stabilité générale et la durée de vie du revêtement utilisé.
L’objectif de ce chapitre est d’abord d’établir le modèle statique d’un doigt sous-actionné ayant n phalanges et m systèmes d’actionnement, tel que présenté à la section 2.2. À partir des équations établies dans cette section, il est possible d’analyser les différentes architectures de doigts sous-actionnés couramment utilisées, c’est-à-dire les doigts à deux ou à trois pha- langes. Ces études sont développées respectivement à la section 2.3 pour un doigt utilisant un actionneur, puis à la section 2.4 pour un doigt muni de deux systèmes d’actionnement. L’analyse statique d’un doigt sous-actionné à trois phalanges et deux systèmes d’actionne- ment retrouvée à la sous-section 2.4.2 établit finalement une architecture de doigt permettant d’éviter l’éjection de l’objet à saisir.
1L’éjection survient lorsque le dernier contact entre le doigt et l’objet à saisir glisse jusqu’au bout de la