Simulation de trajectoires complexes à l’aide d’un hexapode de mouvement : application aux sports de glisse

par Kévin Lestrade

Thèse de doctorat en Informatique temps-réel, robotique et automatique

Sous la direction de Philippe Viot, Sandra Bergonnier et de Patrick Lanusse.

Soutenue le 21-09-2016

à Paris, ENSAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux (laboratoire) et de Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux (laboratoire) .

Le président du jury était Michel Basset.

Le jury était composé de Philippe Viot, Sandra Bergonnier, Patrick Lanusse, Floren Colloud, Jérémy Legardeur.

Les rapporteurs étaient François Pierrot, Eric Markiewicz.


  • Résumé

    Le projet SIMUSURF consiste en l’utilisation d’un robot hexapode de mouvement pour l’analyse de la réponse biomécanique d’un sujet positionné sur un plateau mobile et soumis à des mouvements de translation et/ou de rotation. Ce robot permet l’apprentissage d’activités sportives nécessitant des conditions particulières d’équilibre. Les sports de glisse tels que le surf, le ski ou le snowboard sont des activités qui nécessitent la conduite de trajectoire du support (planche de surf, skis ou snowboard) et l’équilibre du sportif. Pour un simulateur de surf, l’hexapode équipé de plates-formes de forces permettra alors d’établir des relations entre figures et réponse biomécanique du surfeur, d’étudier la variabilité interindividuelle pour exécuter un mouvement donné et d’optimiser le geste sportif dans un but d’aide à la performance.L’étude concernant le développement de ce simulateur à partir de l’hexapode a été abordée sous deux aspects.- D’un point de vue instrumentation et acquisition, la simulation des trajectoires correspondant aux mouvements de l’ensemble {surfeur + planche} sur l’eau a nécessité la constitution d’une base de données expérimentales permettant notamment d’identifier un modèle dynamique de comportement d’interactions entre le surfeur, sa planche et la vague. Pour ces mesures in situ, l’instrumentation d’une planche a été nécessaire. La conception d’une planche instrumentée et la mise en place d’un protocole d’acquisition dans les conditions extrêmes que représente l’environnement marin ont été un des verrous technologiques associés à ce projet.- D’un point de vue mécanique et robotique, il a été indispensable d’optimiser le pilotage de cette machine (au total 6 vérins avec des vitesses potentielles de 5 m/s) pour atteindre les trajectoires désirées ou les efforts multiaxiaux à imposer dans le cas particulier d’un pilotage complexe en effort.Afin d’être réaliste, un simulateur de surf réalisé autour d’un hexapode devait être capable de reproduire les mouvements complexes et de dynamiques élevées d’une planche de surf sur une vague et soumis aux efforts du surfeur. Ces performances ont été atteintes en tenant compte des phénomènes de couplage dynamiques existants entre ses actionneurs et en mettant en œuvre une approche de commande multivariable efficace : une approche CRONE permettant de synthétiser des lois de commande à la fois performantes et robustes, c’est-à-dire résistant à une connaissance imparfaite du système commandé.

  • Titre traduit

    Simulation of complex trajectories using a Stewart platform : application to riding sports


  • Résumé

    The project SIMUSURF consists in using an hexapod to analyze the biomechanical response of a human subject positioned on the moving platform of the hexapod and submitted to a translation and/or rotation movement. This robot allows practice of sport activities where balanced specific conditions are required. Riding sports such as surf, ski or snowboard are sports for which special skills to steer the support (surfboard, snowboard or ski for instance) are needed. The development of a surf simulator, using the hexapod equipped with multi-axis force plates, will allow to study the relations between figure and biomechanical response of the surfer, the interindividual variability to execute a given movement and to optimise the actions of the person aiming at better performances.The development of this simulator from the hexapod has been approached from two aspects.- From an instrumentation and acquisition point of view, simulation of the trajectories corresponding to the movements of the set {surfer + board} on the ocean required the constitution of an experimental database to identify such a behavioral dynamic model of the interactions between the surfer, his board and the wave. For these in situ experimentations, instrumentation of a surfboard was required. The design of an instrumented board and the implementation of an acquisition protocol in the extreme conditions due to the marine environment have been one of the technological hurdles associated.- From a mechanical and robotics point of view, it was essential to optimize the control of the hexapode (a total of 6 actuators with the potential speed of 5 m/s) to reach the desired trajectory or multiaxial efforts to impose in the special case of a force complex command.To be realistic, a surfing simulator designed with an hexapod had to be able to reproduce the complex movements and high dynamic of a surfboard on a wave and submitted to the efforts of surfer. These specifications were reached by taking account of existing dynamic coupling phenomena between actuators and implementing effective multivariable control approach: CRONE approach synthesizing control laws both powerful and robust, that is resistant to imperfect knowledge of the controlled system.


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