CE33 - Interaction, robotique

Processus de stabilisation en robotique marine de surface inspiré de la nage des serpents – SSSNAEQ

Une nouvelle génération de robot serpent se stabilisant à la surface de l'eau

Une nouvelle génération de robots inspirés de la nage des serpents aquatiques a récemment émergé dans les contextes académiques. Grâce à leur exceptionnelle manœuvrabilité, ils pourraient intervenir en urgence dans des situations complexes. Cependant, malgré ce potentiel, ils souffrent d'une stabilité en surface trop précaire. Le projet SSSNAEQ vise à lever les verrous scientifiques de l’instabilité de surface en s’inspirant des serpents,

Processus de stabilisation en robotique marine de surface inspiré de la nage des serpents

Afin de développer une approche réellement bio-inspirée, la force de SSSNAEQ repose sur une étude multi-disciplinaire à la croisée de la biologie, la physique et la robotique. <br /> <br />Le défi scientifique consiste ici à développer de nouveaux modèles d'interactions fluide-structure à la surface d'un fluide, suffisamment concis pour être exploités pour la conception et le contrôle de la stabilisation du robot. Quant aux défis technologiques, ils consistent à développer de nouveaux stabilisateurs actifs préservant tous les avantages des robots serpents, ainsi que de nouveaux capteurs intégrés inspirés des sens du serpent (le sens du toucher ou l'oreille <br />interne, comprenant le système vestibulaire) nécessaires à sa stabilisation. <br /> <br />Pour attaquer ces défis, SSSNAEQ se distingue des études antérieures, en ce qu’il combine <br /> <br />- Une approche scientifique véritablement pluridisciplinaire reposant sur le développement d'une plate-forme robotique pour l'étude hydrodynamique, et réciproquement, amélioration <br />des modèles hydrodynamiques pour la robotique maritime (WP1-WP2-WP3). <br /> <br />- Une collaboration avec les herpétologistes du Muséum d'Histoire Naturelle de Nantes et de Paris pour bénéficier de l’expertise de biologistes. <br /> <br />- Une approche mathématique novatrice pour l’étude de la stabilité des corps déformables grâce à l'introduction d'outils issus de l'approche géométriquement exacte Cosserat (WP1). <br /> <br />- Une conception du robot réellement orientée vers le contrôle de la stabilisation avec des technologies fortement intégrées (WP2).

Pour atteindre ces objectifs, l’approche de SSNAEQ s'articule autour de trois workpackages (WP), le WP0 étant dédié au management de projet

- WP1 : Analyse et modélisation des mécanismes de stabilisation grâce à des études théoriques,
numériques et expérimentales des interactions entre un corps serpentiforme et une surface libre.

- WP2 : Conception et caractérisation d'une plateforme robotique instrumentée et développée pour étudier le mécanisme de stabilité de surface.

- WP3 : Développement et validation de lois de contrôle de la stabilité de surface basées sur les modèles physiques du WP1 et tirant parti de l'intelligence incarnée (action+perception) dans la morphologie du robot conçu dans le WP2

Le projet SSSNAEQ a pour but de concevoir un robot marin inspiré de la locomotion serpentiforme à la surface de l'eau. La conception (WP2) et la commande (WP3) du robot sont étayées par une réelle compréhension des comportements des serpents semi-aquatiques et des contraintes physiques du milieu (WP1)

Aussi, la première tâche du WP1 (WP1/T1) porte sur une étude préliminaire des mécanismes de stabilisation des serpents afin de transposer ces connaissances à la conception du robot. Nous avons effectué une revue de la biologie des serpents aquatiques et semi-aquatiques comprenant les aspects morphologiques, le contrôle de flottabilité et leur perception de leur environnement.
Nous travaillons dans le cadre du WP1 à développer des modèles concis de forces hydrodynamiques adaptées à la nage en surface validées par des mesures physiques (WP1/T2-T3). Dans ce contexte, il nous adaptons des modèles de générations de sillage, les comparer à des simulations par la méthodes des éléments de frontières (Boundary element method, BEM) et les valider par des mesures dans un canal. Ces différentes étapes sont en cours.

L'objectif du WP2 est de développer un robot capable de se stabiliser en surface. Nous avons développé un robot poly-articulé nommé NATRIX (WP2/T1), qui est aujourd'hui opérationnel avec six modules comprenant le système ARIM et couple cou-tête.

La partie du commande du WP3 a aussi progressé grâce au développement d'un algorithme de contrôle de la posture d'un modèle géométriquement exact du serpent. Après avoir établi un modèle de stabilité statique (WP1-T2), le principe du contrôle repose sur la décomposition d'un mouvement comme une séquence d'équilibres statiques pilotés par les flexions et la torsion..

Au vu des objectifs identifiés, le projet a validé toutes les étapes prévues dans le diagramme de Gantt pour les trois premiers semestres. Le principal jalon est le développement du robot. 2 articles sont publiés, 2 soumis et 4 conférences à venir.

Durant cette année 2020, nous avons pu atteindre nos objectifs, même si la crise sanitaire ne nous a pas permis d'être en avance sur notre agenda. Ce robot est le premier robot serpent conçu pour se stabiliser en surface. Nous avons donc une opportunité extraordinaire d'avoir des résultats inédits durant cette année 2021.

Des résultats fondamentaux en physique et géométrie riemannienne produits durant le projet ouvrent la voie vers une meilleures compréhension des processus de stabilisation des corps serpentiforme à la surface.


Nous avons aussi établi plusieurs résultats sur l'étude des serpents semi-aquatiques, ce qui permet d'inscrire notre étude dans une démarche réellement bio-inspirée. En effet, l'émergence d'une technologie bio-inspirée doit aller de pair avec notre connaissance de l'animal modèle: le serpent. On le sait trop bien, cet animal souffre d'une mauvaise image. Nous souhaitons contribuer à une meilleure connaissance de ces animaux, qui sont fortement menacés par les activités humaines.

Il reste encore plusieurs chantiers à terminer, sur les parties loi de commande et instrumentation. Nous sommes relativement confiant car ces domaines sont au cœur même de l'expertise de l'équipe de recherche.

Par ailleurs, nous avons commencé à communiquer autour de cette plateforme expérimentale et je reçois déjà des propositions de collaborations provenant de la communauté des physiciens (E. Eloy et F. Candelier, Univ. Marseille) et des biologistes (M. Segall, American Museum of Natural History, New York).

Nos résultats seront présentés à plusieurs conférences internationales (on-line) : ICTAM 2020+1 (aout 2021), dynamics-day (aout 2021) et IROS (octobre 2021).

Parallèlement, je me suis lancé dans l'écriture d'une ERC (mentionnée dans le projet ANR SSSNAEQ), pour une soumission en 2022 (et un début en 2023, à la fin de l'ANR)

Article accepté

-> Herault, J. (2020). A geometrically exact approach for floating slender bodies with finite deformations. Applied Ocean Research, 101, 102220.

-> Herault, J., Clement, \'E., Brossillon, J., LaGrange, S., Lebastard, V., \& Boyer, F. (2020, July). Standing on the Water: Stability Mechanisms of Snakes on Free Surface. In Conference on Biomimetic and Biohybrid Systems (pp. 165-175). Springer, Cham.


Article Soumis

- Herault J., Xiao, X., Clement, \'E., Boyer, F., ., Lebastard, V, , Stability mechanism of aquatic snakes on water: from the biological aspects to the bio-inspired robot. For a special issue on «Living Machines: From Biological Role Models to Soft Machines« in IOP Bioinspiration \& Biomimetics, soumis mars 2021.


-> Xiao, X., Clement, \'E., Boyer, F., ., Lebastard, V, Herault J., Quasi-static motion of a new serial snake-like robot on a water surface: a geometrical approach. For The IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS)}, soumis février 2021.

Article en cours de rédaction

J. Herault, V. Lebastard, and F. Boyer, L. Paez, K. Melo, and A. Ijspeert, R. Thandiackal, Gait transition induced by hydrodynamic sensory feedback and central pattern
generators in an anguilliform swimming robot. Potentially submitted to Physical Review Letter.

Une nouvelle génération de robots inspirés de la nage des serpents aquatiques a récemment émergé dans les contextes académiques. Ces robots sont plus compacts, maniables et économes en énergie que les navires autonomes de surface. Ainsi, grâce à leur exceptionnelle manœuvrabilité, ils pourraient intervenir en urgence dans des situations complexes (chavirement, débris de surface, marée noire) grâce à leur exceptionnelle manœuvrabilité. Cependant, malgré ce potentiel, ils souffrent d'une stabilité en surface trop précaire dans des conditions extrêmes (houle, vent), la poussée d’Archimède associée à certaines formes de corps pouvant les renverser. Le projet SSSNAEQ vise à lever les verrous scientifiques de l’instabilité de surface en s’inspirant des serpents, utilisant l'ensemble de leur corps comme organe stabilisateur pour contrôler dynamiquement la distribution des moments de flottabilité. Aussi, SSSNAEQ sera la première étude théorique et expérimentale des processus d'équilibre statique et dynamique en surface des corps hyper-redondants autopropulsés. Les progrès de SSSNAEQ s’articuleront autour des questions suivantes pour les robots et les serpents. Quelles sont les conditions de stabilité statique d'un corps hyper-redondant flottant en surface? Quelles sont les forces hydrodynamiques qui agissent sur un corps autopropulsé pouvant affecter sa stabilité de surface? Comment utiliser la physique de ces interactions et la morphologie serpentine pour contrôler la stabilité d'un robot hyper-redondant? Ainsi, SSSNAEQ poursuivra les trois objectifs principaux que sont l’analyse des mécanismes de stabilisation à la surface des corps hyper-redondants, la conception d’un prototype innovant d'un robot bio-inspiré serpentiforme, et le développement de lois de commande à la fois sur un modèle hydrodynamique et sur les réflexes sensoriels, en s’appuyant pleinement sur la morphologie du robot. Cette approche bio-inspirée bénéficiera d’une collaboration avec le Muséum d’Histoire Naturelle de Nantes. Le défi scientifique consistera ici à développer de nouveaux modèles d'interactions fluide-structure à la surface d'un fluide, suffisamment concis pour être exploités par le contrôle de la stabilisation du robot. Pour cela, le projet poursuivra une étude théorique et expérimentale des interactions fluide-structure à la surface du fluide. Dans un second temps, une plateforme robotique sera développée afin d’améliorer notre compréhension du processus de stabilisation qui sera mis en œuvre dans la commande. L’originalité de cette phase repose sur le développement de deux technologies inédites: un nouveau type d’actionnement : le système ARIM, basé sur un contrôle de la morphologie du robot, et un nouveau type de perception l’E-sense of touch, permettant au robot de percevoir son niveau d’immersion grâce au sens électrique. La synthèse de ces concepts et technologies s’effectuera par une loi de commande exploitant les synergies action/perception, afin de piloter localement les effets dé/stabilisants en surface pour in-fine contrôler la stabilité globale. En rupture avec les technologies actuelles, l'intelligence incarnée dans le corps du robot soulagera la partie commande en intégrant des grands principes de la bio-inspiration: redondance, agilité et résilience. SSSNAEQ est une occasion unique d’apporter une solution technologique innovante et bio-inspirée à des problèmes environnementaux et sociétaux.

Coordinateur du projet

Monsieur Johann HERAULT (Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LS2N Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes

Aide de l'ANR 243 950 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2019 - 48 Mois

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