Designs mécaniques

Afin de rendre possibles les différentes tâches d’APhI de nombreux designs méca- niques ont été proposés. Nous nous concentrons sur les plateformes multi-rotor et leurs extensions en robot aérien (AR, pour Aerial Robot). Ces plateformes peuvent être séparées en deux grandes catégories, d’une part les designs à poussée uni- directionelle et d’autre part les designs à poussé multi-directionnelle Pour faire de ces plateformes des robots aériens, un manipulateur ou au moins un mécanisme de préhension doit être intégré sur le MAV.

Designs à poussée unidirectionnelle

Une conception dans laquelle tous les plans de rotation des hélices sont coplanaires. C’est le cas de la plateforme MAV la plus connue, le quadrotor planaire, consti- tué de quatre hélices réparties sur les sommets d’un rectangle (régulier ou non), toutes orientées dans la même direction. La simplicité de la conception mécanique se fait au détriment du sous-actionnement, i.e., du couplage entre les dynamiques de translation et de rotation. L’orientation de la poussée dans l’espace est réalisé via des commandes différentielles pour les hélices. La simplicité et la robustesse de se design l’ont également rendu célèbre parmi les amateurs. Globalement, la concep- tion est toujours bénéfique et est utilisée pour transporter des charges lourdes, par exemple un manipulateur à deux bras de 1.8 kg, comme dans [Suarez–2017a], ou des

(a) [Kondak–2014] (b) [Suarez–2017a] (c) [Danko–2015] Figure B.5 – Différents types de manipulateurs aériens : (a) version industrielles à 7 DoFs, (b) manipulateur à doubel bras et (c) manipulateur parallèle monté sous un MAV.

capteurs, dans des appications non APhI, tels que l’ALTA8 de Free Fly Systems 6

capables de soulever une charge utile 9.1 kg pour un poids à vide 6.2 kg. Le modèle général du MAV multi-rotors est développé en profondeur dans la Sec. 3.2 de cette thèse, en mettant l’accent sur le cas colinéaire, et une stratégie de contrôle possible pour les APhI est détaillée dansla Sec. 4.2 de cette thèse.

Designs à Poussées Multidirectionnelle

Une tendance récente dans la conception des manipulateurs aériens est l’apparition de MAV totalement actionnés, ce qui signifie que leurs dynamiques de translation et de rotation sont complètement découplées (jusqu’aux limites d’actionnement). Les plates-formes entièrement actionnées sont également appelées plateforme à poussée multidirectionnelle, leur poussée pouvant être orientée dans plusieurs directions. Ces plateformes peuvent suivre des trajectoires arbitraires dans SE(3). Mais plus important encore, aucun changement d’orientation n’est nécessaire pour exercer une force latérale, elles peuvent résister à des perturbations externes tout en suivant une trajectoire dans SE(3). Pour garantir l’actionnement total, la conception mécanique impose une disposition non colinéaire des hélices. De ce fait, l’actionnement total génère des forces internes, qui se traduisent par une perte d’efficacité énergétique. Pour arriver à un tel design, on peut choisir de partir d’une structure sous-actionnée bien connue et de la modifier, comme le travail présenté dans [Rajappa–2015] [Ryll– 2017] sur les hexarotors. Un autre travail dans ce sens est présenté dans [Brescianini– 2016], où une configuration à huit rotors qui maximise l’agilité du véhicule dans n’importe quelle direction est dérivée basée sur une analyse de force statique et de couple pour des configurations d’actionneur génériques.

Manipulateurs Aériens

Afin de mettre en œuvre les AR, il est nécessaire d’adjoinde aux plateformes vo- lantes un manipulateur qui soit à la fois léger (pour être emporter) et capable de

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B.1. Parardigmes de l’interaction aérienne physique 145

(a) [Gawel–2017] (b) [Kessens–2016] (c) [Mohammadi–2016]

Figure B.6 – Different prehensors for AM: (a) magnetic mechanism to grasp non flat ferrous objects, (b) vacuum based prehensor working with an airborne pump and (c) swarm grasping of a cylindrical object.

déplacer une charge suffisante pour être utile. L’idée principale est qu’un manipu- lateur augmente la dextérité des AR pour les tâches de manipulation, compensant éventuellement pour les plateformes sous-actionnées. Dans la littérature, plusieurs approches différentes sont proposées, voir figure B.5. De grandes catégories, selon le type de manipulateurs, peuvent être retrouver dans la littérature. Les manipulateurs à actionnement au niveau de leurs articulations, qui sont les manipulateurs standard de la robotique simplement monté sous un MAV, par example dans [Kondak–2014]. Les manipulateurs à actionnement déporté (généralement au niveau de leur base), qui utilisent des système de courroies de manière à réduire le moment que génère leur poids sur le MAV. Les manipulateurs parallèles, qui par leur simplicité mécanique et leur actionnement à la base peuvent permettre à un AR d’accomplir des tâches de précisions, voir [Danko–2015]. Les manipulateurs passifs, qui peuvent être utilisés dans certain tâches où le manipulateur ne doit pas nécessairement être actionné. En particulier on peut considérer que pour tous les designs où des câbles sont utilisés pour transporter une charge, ces câbles sont des manipulateurs passifs. Les manipu- lateurs compliants, qui possèdent une composante élastique, à rigidité variable ou non, qui assure une compliance mécanique en cas de collision avec l’environnement. Les manipulateurs à bras multiples, typiquement deux, qui utilisent plusieurs bras pour augmenter leur dextérité, e.g., dans [Suarez–2017a]. Enfin, certains designs ne comporte pas de manipulateurs à proprement parler mais une extension rigide sur laquelle est fixé une mécanisme de préhension ou avec laquelle l’AR interagit avec l’environnement.

Mécanismes de préhension

Finalement afin de réaliser des tâches de manipulation aérienne, il est nécessaire d’équiper les AR de capacités de préhension. Quelques exemples présentés dans la littérature sont décrit dans la figure B.6. Dans la littérature sur la manipulation aérienne quatre grandes catégories de mécanismes de préhension peuvent être dis- tinguées. Les pinces mécaniques, qui sont les préhenseurs classique de la robotique, composées de doigts qui se referment autour d’un objet. Les préhenseurs utilisant le phénomène de succion, que se soit avec des ventouses ou des pompes créant un vide,

e.g., [Kessens–2016]. Les préhenseurs magnétiques, qui permettent d’agripper des

objets ferreux, voir [Gawel–2017]. Et enfin les un mécanisme de préhension repo- sant sur la coopération de plusieurs AR, qui s’associent pour créer un main volante comme dans [Mohammadi–2016].