Laboratoire de Mécanique des Solides - UMR 6610

Système marcheur à taille humaine (105kg pour une taille de 1.80m), Bip comporte deux jambes, un pelvis et un tronc. Il est pourvu de 15 axes motorisés, autorisant une restitution réaliste et efficace des allures et postures de la marche humaine. Les systèmes de puissance et de commande sont embarqués dans le tronc du bipède, permettant la liberté de mouvement du robot. Il est équipé de capteurs internes (positions) et externes (forces de contact), et son architecture de contrôle est structurée de façon à lui conférer une certaine autonomie décisionnelle.

La figure 1 représente le schéma d’agencement cinématique de Bip. Chaque jambe est dotée de 6 degrés de liberté : 2 à la cheville, 1 au genou, 3 à la hanche. Le tronc est articulé sur le pelvis par une liaison à 3 degrés de liberté. La mobilité interne comprend donc 15 degrés de liberté (2 fois 6, plus 3). Cette mobilité permet à Bip de marcher sur sol plan horizontal ou légèrement incliné, de monter et descendre des escaliers, de tourner, et aussi d’adopter un certain nombre de postures anthropomorphes.

La figure 2 montre une vue CAO de la réalisation technologique. La répartition de masse qui favorise au mieux la dynamique intrinsèque du système a été recherchée. Le centre de masse global est relativement haut grâce à des jambes aussi légères que possible. Le centre de masse de chaque segment est situé dans sa partie supérieure : près du genou pour les tibias, près des hanches pour les cuisses. Les axes des moteurs sont parallèles aux " membres ".

La répartition favorable des masses est obtenue grâce à un système original de transmission de puissance associant vis, écrou et bielles. Le composant central de cette transmission est constitué d’une vis et d’un écrou à rouleaux-satellites. Ce composant de haute technologie possède les qualités requises par notre application en termes de puissance massique, de précision et de rendement mécanique. A l’origine conçu pour équiper des machines-outils, il nécessite a priori d’être supporté par des éléments rigides usinés avec une grande précision. Nous avons développé des solutions spécifiques pour pouvoir l’utiliser sans dégradation fonctionnelle sur les structures des jambes, très légères et de ce fait légèrement compliantes.

Un premier dispositif expérimental, réalisé en 1998, a permis de valider cette transmission type. Les résultats obtenus sont satisfaisants aussi bien en vitesse qu’en force, la première caractéristique correspondant à la phase de balancement de la jambe, la seconde à la phase d’appui (simple ou double support). La figure 3 montre un prototype de jambe à 4 degrés de liberté (2 à la cheville, 1 au genou et 1 à la hanche), supportant un tronc dont la masse est 85 kg. La masse de l’ensemble est donc équivalente à celle du bipède en appui sur un pied. Les mouvements de flexion-extension réalisés sur ce banc d’essai sont engendrés par des actions équivalentes à celles nécessaires au mouvement de montée d’escalier, le plus pénalisant en terme d’importance des actions motrices.

L’articulation "cheville" est dotée de 2 degrés de liberté, le premier permettant la flexion-extension dans le plan sagittal, le second l’inflexion latérale dans le plan frontal. Cette articulation a été traitée en s’inspirant des recherches effectuées dans le domaine des robots à structure parallèle, dont l’une des particularités tient au fait que les actionneurs sont disposés près de la base fixe, ce qui allège l’organe effecteur et lui permet d’être mû avec de grandes accélérations. Ici, l’agencement en parallèle permet de positionner les deux moteurs dans la partie supérieure du tibia.

Le pelvis comprend 2 degrés de liberté supplémentaires pour chaque hanche (abduction/adduction et rotation verticale s’ajoutant à la flexion), ainsi que 3 degrés de liberté pour la liaison avec le tronc. La flexion et l’inflexion latérale de cette dernière sont actionnées par un système utilisant le même principe que celui de la cheville (système parallèle). Les autres degrés de liberté sont mus par des réducteurs Harmonic-Drive classiques.

L’instrumentation est limitée pour l’instant à des codeurs de position incrémentaux associés aux moteurs électriques, à des codeurs de position absolue situés au niveau des articulations, à des capteurs de force insérés dans les semelles, et à des inclinomètres situés sur les pieds. D’autres dispositifs sensoriels sont à l’étude, tels que des proximètres à ultrasons pour reconstruire le profil du terrain, et pourquoi pas à l’avenir une tête stéréoscopique.