Processus de stabilisation d’un robot serpentiforme à la surface de l’eau : modélisation, contrôle et stabilité

Stabilization process of a serpentiform robot on the water surface : modeling, control and stability

• Auteur / Autrice : Xiao Xie
• Direction : Frédéric Boyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie industriel, productique, automatique et robotique
• Date : Soutenance le 13/12/2023
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et le numérique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Robotique Et Vivant - Département Automatique, Productique et Informatique - Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Anthony Herrel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Boyer, Franck Ruffier, Médéric Argentina, Laetitia Giraldi, Johann Herault, Vincent Lebastard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Ruffier, Médéric Argentina

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Serpents

Mimétisme

Robots

Mots clés libres

Bio-inspiration

Modélisation dynamique

Robot serpent

Contrôle basé sur un modèle

Bio-inspiration

Dynamic modeling

Snake-like robot

Model-based control

Résumé

Les robots nageurs élancés, inspirés par des serpents aquatiques ou des anguilles, gagnent en popularité au milieu académique. Ils sont manœuvrable et écoénergétiques par rapport aux navires autonomes de surface. Cependant, ils souffrent d’instabilité sur la surface de l’eau dans des conditions extrêmes (houle, vent, débris de surface). Le processus de stabilisation pour ces nageurs multicorps élancés reste une question ouverte. Le projet SSSNAEQ cherche à résoudre ce problème en s’inspirant des serpents pour stabiliser ces robots de manière active. À travers cet objectif, un nouveau robot serpentiforme, nommé NATRIX, a été développé, équipé des “organes” bio-inspiré localisés dans le cou et le long du corps pour réaliser une stabilisation active. Dans ce cadre, cette thèse reporte l’exploration de la stabilité statique et dynamique du robot sur la surface de l’eau sous l’aspect de simulation numérique. Elle porte d’abord sur la modélisation géométrique, cinématique et dynamique du robot. Basées sur ces modèles, deux nouvelles stratégies en boucle ouverte et boucle fermée sur le contrôle postural ont été proposées. Ces lois de contrôle permettent de calculer les trajectoires articulaires qui stabilisent la posture du robot sur la surface de l’eau pour des poses statiques ou lors de la nage. Ensuite, nous reportons une résonance paramétrique auto-excitée au cours de la nage cyclique, provoquant le chavirement du robot à travers un mouvement de roulis illimité. Le processus physique de cette instabilité est lié aux mouvements internes du robot, différents de celui des navires monocoque [69]. Un template de stabilité, différent de celui pour les locomoteurs bipèdes [123], a été développé pour prédire cette instabilité. À la fin, on a confirmé que, en exploitant les organes additionnels, cette instabilité est considérablement atténuée. Ces travaux représentent des premières briques méthodologiques, ouvrant la voie à un contrôle actif de la stabilisation des robots serpents nageurs sur la surface de l’eau.

Slender swimming robots, inspired by aquatics nakes or eels, are gaining popularity in academia. They are maneuverable and energy efficient compared to autonomous surface ships. However, they suffer from surface instability under extreme conditions (swell, wind and surface debris). The stabilization process for these multibody swimmers remains an open question. The SSSNAEQ project seeks to solve this problem by taking inspiration from snakes to actively stabilize these robots. Through this objective, a new serpentiform robot prototype, named NATRIX, was developed, equipped with bioinspired “organs” located in the neck and along the body to achieve active stabilization. In this context, this thesis reports the exploration of the static and dynamic stability of the robot on the surface from a numerical aspect. It focuses at first on the geometric, kinematic and dynamic modeling of the robot. Based on these models, two new open-loop and closed-loop strategies on postural control were proposed. These control laws make it possible to calculate the joint trajectories which stabilize the robot’s posture on the water surface for static poses or when swimming. Then, we report a self-excited parametric resonance during cyclic swimming, causing the robot to capsize through an unrestricted rolling motion. The physical process of this instability is associated with the internal movements of the robot, which are different from those of monobody vessels [69]. A stability template, different from that for bipedal locomotors [123], was developed to predict this instability. In the end, it was confirmed that, by exploiting the additional organs, this instability is considerably reduced. This work represents the first methodological blocks, paving the way for the development of active control for the stabilization of swimming snake robots on the water surface.