Soutenance de thèse de Evandro BERNARDES

Ce travail de thèse est organisé autour de deux axes bien distincts : la conception et la réalisation d’une structure 3D multistable et la conception et la réalisation d’un drone monorotor. Le point de rencontre de ces deux axes est l’origami qui permet de mettre en œuvre des structures mécaniques à la cinématique complexe tout en conservant une simplicité de mise en œuvre et une grande légèreté. Les mécanismes souples ont une grande variété d'applications pour la robotique : du biomimétisme à l'assistance chirurgicale, de nombreux systèmes peuvent bénéficier de l'utilisation de mécanismes souples. Les structures en origamis sont une sous-classe des mécanismes souples qui peuvent être construits à partir d'une fine plaque de matériau. Le projet OrigaBot a été lancé dans le but d'étudier des structures en origamis et leurs applications en robotique. En particulier, pour la création de robots volants autonomes. Dans cette thèse, j'ai d'abord réalisé une étude exhaustive de différents origamis. En particulier, la "Magic Ball" a été étudiée pour sa capacité à changer de forme, d'un sphéroïde à un cylindre, et la "tour de Kresling" pour ses propriétés bistables. Le manque d'une structure origami à flexion bistable dans la littérature nous a conduits à la conception de "l'Origami Bendy Straw". Cet origami présentant des propriétés de multistabilité unique pourra trouver de nombreuses applications robotiques, notamment pour des grippers. Dans un but de concevoir un nouveau type de robot volant autonome, nous avons décidé de concevoir un drone monorotor et donc extrêmement minimaliste. L'absence d'un second rotor fournissant un contre-couple fait tourner le robot constamment dans une direction, ce qui constitue un vrai défi en termes de contrôlabilité. Cependant, l'utilisation d'ailettes qui profitent du flux d'air du rotor pour ralentir la rotation a été étudiée. La structure origami appelée "tour de Kresling" a été choisie pour orienter ces ailettes. Nous avons étudié un système sans pas cyclique basé sur un rotor qui utilise une vitesse sinusoïdale pour contrôler la direction des forces appliquées au robot. Nous avons fait une étude théorique approfondie du monorotor et analysé les équations du mouvement du drone avec l'équation de Poincaré, une alternative à la méthode d'Euler-Lagrange. Nous avons aussi proposé une décomposition de l'orientation du robot qui dissocie la rotation incontrôlable de la composante contrôlable d'attitude réduite. Un contrôleur non linéaire agissant sur l'attitude réduite est dérivé et démontré avec une fonction de Lyapunov. Enfin, j'ai développé une simulation du système complet. Nous avons analysé des simulations dans lesquelles l'estimation du lacet est imprécise, un problème réel avec des gyroscopes et compas peu fiables. Nous avons aussi proposé un observateur qui utilise la composante d'orientation réduite contrôlable pour estimer l'erreur dans la composante de rotation incontrôlable. Enfin, nous avons montré l’utilité d’un tel observateur dans le but de détecter une instabilité introduite par le manque de fiabilité de l’estimation de l’angle de lacet.

This work focuses on two distinct problems: the design of a multistable 3D structure and the design of a single-rotor drone. The intersection of these two very distinct ideas is origami, which makes it possible to implement mechanical structures with complex kinematics while being lightweight and maintaining ease of implementation. Soft mechanisms have a wide variety of applications for robotics: from biomimicry to surgical assistance, many systems can benefit from the use of soft mechanisms. Origami-based structures can be seen as a subclass of compliant mechanisms: they are soft structures that can be assembled by folding a thin sheet of material. The OrigaBot project was born with the goal of studying origami-based structures and their applications in robotics. In particular, unmanned aerial vehicles (UAVs). In this thesis, first, an extensive study of the different kinds of origami has been carried on. In particular, the "Magic Ball" was studied for its ability to change its shape from a spheroid to a cylinder, and the "Kresling Tower" for its bi-stable properties. The lack of a bi-stable bending origami structure in the literature led to the design of the "Origami Bendy Straw". This origami structure with unique multistable properties could find many robotic applications, especially for grippers. In order to design a new type of autonomous flying robot, we decided to design a monorotor and thus extremely minimalist drone. The lack of a second rotor providing counter-torque makes the robot constantly spin in one direction, which is a real challenge in terms of controllability. However, the use of passive "fins" that take advantage of the rotor's airflow to slow down the rotation has been investigated. The origami structure called "Kresling tower" was chosen to control the orientation of these fins. We have studied a swashplateless rotor system based on the use of a sinusoidal speed to control the direction of the thrust forces applied to the robot. We made a thorough theoretical analysis of the monorotor and analyzed the Equations of Motion of the UAV with the Euler-Poincaré equation, an alternative to the Euler-Lagrange method. We also proposed a novel decomposition of the robot's orientation that uncouples the uncontrollable spin from the reduced controllable attitude component. A non-linear controller acting on the reduced attitude is derived and demonstrated with a family of Lyapunov functions. A closed-loop simulation of the complete system is implemented. We analyzed simulations in which the yaw estimation is inaccurate, a real problem with unreliable gyroscopes and compasses. An observer that uses the controllable reduced orientation component to estimate the error in the uncontrollable spin component was studied. We have demonstrated the usefulness of such an observer for the purpose of detecting an instability introduced by the unreliability of the yaw angle estimate.