Mécanisme à jambes

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Un mécanisme à jambes (mécanisme de marche) est un mécanisme, souvent un assemblage de barres liées par des articulations (liaisons mécaniques) destiné à simuler le mouvement de marche des humains ou des animaux. Les jambes mécaniques peuvent avoir un ou plusieurs actionneurs, et peuvent effectuer des mouvements planaires simples ou complexes.

Par rapport à une roue, un mécanisme de jambe est potentiellement mieux adapté à un terrain inégal, car il peut franchir les obstacles.[1]

Objectifs de conception[modifier | modifier le code]

La conception d'un mécanisme marcheur doit souvent répondre aux critères ci-dessous, bien que cette liste ne soit pas exhaustive.

Équilibrage statique[modifier | modifier le code]

  • Lorsque le pied ne touche pas le sol, il doit se déplacer aussi vite que possible, afin d'augmenter le ratio temps du pied au sol/temps dans les airs.
  • Le pied doit toucher le sol pour au moins la moitié du cycle pour un mécanisme à deux / quatre jambes[1] ou un tiers du cycle pour un mécanisme trois / six jambes, pour pouvoir être à l'équilibre statique à tout instant.
  • La verticale du centre de masse doit toujours rester à l'intérieur de la surface de sustentation[1]

Énergétique[modifier | modifier le code]

  • L'accélération verticale du centre de gravité du robot doit être aussi constante que possible lorsqu'une patte touche le sol (phase de support)[1],[2]
  • Couple / force constant (ou au moins sans pic et/ou changement extrême)
  • Masses mobiles réduites

Cahier des charges[modifier | modifier le code]

  • La hauteur de foulée doit être suffisante pour ne pas trébucher mais pas trop importante pour conserver l'énergie
  • La vitesse de chaque jambe ou groupe de jambes doit être contrôlable séparément afin d’ajuster la direction[2]
  • Le mécanisme de jambes doit permettre la marche vers l'avant et vers l'arrière[2]

Un autre objectif de conception peut être que la taille et la longueur de foulée etc. puissent être contrôlées par l'opérateur[2]. Cela peut être facilement réalisé avec un mécanisme à jambe hydraulique, mais n'est pas possible avec un mécanisme à jambe à manivelle[2].

L'optimisation doit être faite pour tout l’ensemble du mécanisme; idéalement, la variation force / couple pendant une rotation devrait s'annuler[1].

Histoire[modifier | modifier le code]

En 1770, Richard Lovell Edgeworth essaya de construire une machine qu'il appelait « cheval de bois », mais n'y parvient pas. [3],[4]

En 1878, Pafnouti Tchebychev créa un mécanisme plantigrade, conçu à partir de son mécanisme lambda, utilisant une manivelle comme actionneur. Cependant, le but de ce mécanisme était de démontrer l'efficacité du mécanisme lambda pour convertir un mouvement de rotation en translation rectiligne, le plantigrade ne fut pas plus développé.

En 1960, le professeur Joseph E. Shigley publie une étude théorique sur l'intérêt que présente un mécanisme à jambes dans un contexte militaire. Il essaye de nombreuses configurations n'utilisant que des pivots et une manivelle pour actionneur, et défini les critères principaux de choix d'un mécanisme marcheur[2].

À partir des années 90[5], Theo Jansen commence la conception de ses "strandbeesten", des mécanismes à jambes fonctionnant sur la plage, avec l'ambition qu'ils deviennent un jour autonomes. En 1991[6], il développe le mécanisme de Jansen, utilisé comme architecture d'une patte pour une partie de ses inventions, qui est aujourd'hui l'une des architectures les plus connues parmi les mécanismes à jambes, du fait de la fluidité du mouvement obtenu et des bons rendements énergétiques. Il inspire d'autre mécanismes, comme le mécanisme de Ghassaei, présenté en 2011 dans la thèse de Ghassaei[1].

Conçu en 1994, le mécanisme de Klann est un autre mécanisme populaire : ne possédant que quatre barres, il est simple et robuste, mais son mouvement est plus saccadé que le Jansen pour un même nombre de pattes.

À partir de 2015[7], l'"équipe TrotBot", dirigée par Wade Wagle, développe les mécanismes Strider et TrotBot, et les améliore, en s'inspirant des travaux de Shigley[8]. Le mécanisme Strider est parfois considéré comme plus polyvalent que le mécanisme de Jansen[9] car il est conçu pour fonctionner sur des terrains accidentés, contrairement au mécanisme de Jansen, conçu pour marcher sur la plage.

Galerie[modifier | modifier le code]

Stationnaire[modifier | modifier le code]

En marche[modifier | modifier le code]

4 jambes 6 jambes
Strandbeest Strandbeest walking with four legs.gif Strandbeest walking with six legs.gif
Mécanisme de Ghassaei Ghassaei Beest Walking Paths traced.gif Ghassaei Beest walking with six legs.gif
Mécanisme de Klann 1 Klann Linkage Walking with four legs.gif Klann Linkage six legs.gif
Mécanisme de Klann 2 Klann Linkage Walking with four legs - alternative measures.gif
Mécanisme plantigrade Plantigrade walking 4 legs.gif
Mécanisme TrotBot[15] Trotbot-Walking.gif
TrotBot with 6 Legs Moving.gif
Mécanisme Strider[16]
Strider Linkage in Motion.gif

Mécanismes complexes[modifier | modifier le code]

Les mécanismes ci-dessus ne sont que des mécanismes planaires, mais il existe également des mécanisme plus complexes, comme les robots hexapodes. Ci-dessous quelques mécanismes complexes.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Références[modifier | modifier le code]

  1. a b c d e f et g (en) Amanda Ghassaei, « The Design and Optimization of a Crank-Based Leg Mechanism » [« La conception et l'amélioration des mécanismes à jambe à manivelle »] [archive du ] [PDF], Pomona College, (consulté le 17 mars 2019)
  2. a b c d e et f (en) Shigley, Joseph E., The Mechanics of Walking Vehicles: A Feasibility Study, University of Michigan Department of Mechanical Engineering, (lire en ligne[archive du ])
  3. (en) Daniel Giesbrecht (trad. Conception et optimisation d'un mécanisme à jambe, une degré de liberté, huit barres, pour une machine marchante), « Design and optimization of a one-degree-of-freedom eight-bar leg mechanism for a walking machine », Université du Manitoba, (consulté le 27 juillet 2016)
  4. (en) Jenny Uglow (trad. Les hommes lunatiques: cinq hommes dont la curiosité changea le monde), The Lunar Men: Five Friends Whose Curiosity Changed the World, New York, New York, Farrar, Strauss and Giroux, (ISBN 0-374-19440-8, lire en ligne)
  5. (en) « Theo Jansen Strandbeest », sur strandbeest.com, (consulté le 9 février 2019)
  6. (en) « Explains – Strandbeest » [« Explications – Strandbeest »], sur strandbeest.com (consulté le 27 avril 2019)
  7. (en) « DIY Walkers - Home », sur diywalkers.com (consulté le 27 avril 2019)
  8. (en) « Walking Tanks? Applying Prof. Shigley's Pioneering Study of Mechanical Walkers to Strider's Linkage » [« Des chars marcheurs ? Application de l'étude pionière du professeur Shigley sur les mécanismes marcheurs au mécanisme Strider »], sur diywalkers.com (consulté le 27 avril 2019)
  9. (en) « Move Over Strandbeest, Here’s Strider! » [« Fais place strandbest, ici vient le Strider ! »], sur hackaday.com (consulté le 27 avril 2019)
  10. (en) (20–24 juin 1999) « Kinematic and kinetostatic simulation of a leg mechanism » dans 10th World Congress on the Theory of Machines and Mechanisms : 572–577 p.. Consulté le 27 juillet 2016. 
  11. (en) (20–24 juin 1999) « Development of a walking chair with a self-attitude-adjusting mechanism for stable walking on uneven terrain » dans 10th World Congress on the Theory of Machines and Mechanisms : 1164–1169 p.. 
  12. (en) (21–24 August 2016) « MeKin2D: Suite for Planar Mechanism Kinematics » dans ASME 2016 Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference : 1–10 p.. Consulté le 7 janvier 2017. 
  13. (en) P.A. Simionescu, Computer Aided Graphing and Simulation Tools for AutoCAD Users, Boca Raton, FL, CRC Press, (ISBN 978-1-4822-5290-3)
  14. (en) « Plantigrade machine », sur Mechanisms by Tchebyshev (consulté le 8 septembre 2020).
  15. a et b (en) Wade Vagle, « TrotBot Linkage Plans », sur diywalkers.com (consulté le 27 avril 2019)
  16. a et b (en) Wade Vagle, « Strider Linkage Plans », sur diywalkers.com (consulté le 27 avril 2019)

Liens externes[modifier | modifier le code]

Comparaison de mécanismes à jambes utilisant une manivelle (en)