Prototype of a tensegrity manipulator to mimic bird necks

International audienceThis paper deals with the building of a 2D tensegrity mechanism. The considered mechanism is derived from the Snelson's X-shape mechanism and is used as an elementary part of the bird neck modelling. Indeed, an n-dof manipulator can be obtained by stacking in series n X-shape mechanisms. This paper explains the design and building process of a 1-dof prototype, both on hardware and software aspects, and will be used further to have experimental results on the dynamic modelling, control laws and ac-tuation strategy.Une structure de tenségrité est un assemblage d'éléments en compression (barres) et d'éléments en traction (câbles, ressorts) maintenus ensemble en équilibre [1],[2]. La tenségrité est connue en architecture et en art depuis plus d'un siècle [3] et est adaptée à la modélisation des organismes vivants [4]. Les mé-canismes de tenségrité ont été étudiés plus récemment pour leurs propriétés prometteuses en robotique telles que la faible inertie, la souplesse naturelle et la capacité de déploiement [5]. Un mécanisme de tenségrité est obtenu lorsqu'un ou plusieurs éléments sont actionnés. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre du projet AVINECK, auquel participent des biologistes et des roboticiens dans le but principal de modéliser et de concevoir des cous d'oiseaux. En conséquence, une classe de manipulateurs de tenségrité planaire composée d'un assemblage en série de plusieurs mécanismes en X de Snelson [6], c'est-à-dire des mécanismes à quatre barres croisées avec des ressorts sur leurs côtés latéraux, a été choisie comme candidat approprié pour un modèle préliminaire plan d'un cou d'oiseau. Le prototype consiste en un mecanisme en X de Snelson. Les barres sont assemblées selon différents plans pour éviter les collisions internes. Le manipulateur est entraîné par des câbles parallèles aux res-sorts et traversant les axes grâce à des perçages. Chaque câble est attaché à un tambour. Le manipulateur est actionné par deux câbles, ce qui en fait un mécanisme antagoniste, dont on peut contrôler la raideur. Les pièces structurelles (barres, supports, tambours) sont imprimées en 3D en ABS. Chaque liaison pivot entre les barres et les axes est construite avec deux roulements qui assurent un centrage long, et toutes les pièces sont arrêtées axialement avec des colliers d'arbre. Nous avons décidé d'avoir une lon-gueur de barre transversale de 100 mm et une longueur de barre supérieure de 50 mm. Ces dimensions sont adaptées à plusieurs jeux de ressorts disponibles, c'est-à-dire que les ressorts considérés sont tou-jours en tension et ne sont pas trop étendus pour toutes les positions accessibles du manipulateur. Une fois la longueur et la raideur du ressort définies, le modèle statique est calculé afin d'obtenir la force d'entrée maximale pour les câbles. Cette force doit être suffisante pour actionner le mécanisme dans un grand espace de travail et pour résister aux chargements externes. La force appliquée par les câbles est directement liée au rayon du tambour et au couple du moteur. Le rayon du tambour influe également sur la vitesse de translation du câble. Un compromis est fait pour avoir des efforts et vitesses de câbles suffisants. Deux variateurs interagissent avec un microprocesseur sur lequel est programmé la loi de commande. Chaque moteur est équipé d'un codeur pour connaître la position réelle du mécanisme. Le bon compor-tement du mécanisme est assuré par une commande dynamique

Combining precision and power to maximize performance: a case study of the woodpecker's neck

National audienc

Modelling, design and control of a bird neck using tensegrity mechanisms

International audienceIn birds, the neck exhibits remarkable performances and serves as a dextrous arm for performing various tasks. Accordingly, it is an interesting bioinspiration for designing new manipulators with enhanced performances. This paper proposes a preliminary bird neck model using several stacked tensegrity crossed bar mechanisms. It addresses several issues regarding kinetostatic and dynamic modelling, design and control

Tmprss3 loss of function impairs cochlear inner hair cell Kcnma1 channel membrane expression

Before acquiring their mature state, cochlear hair cells undergo a series of changes in expression of ion channels. How this complex mechanism is achieved is not fully understood. Tmprss3, a type II serine protease expressed in hair cells, is required for their proper functioning at the onset of hearing. To unravel the role of Tmprss3 in the acquisition of mature K+ currents, we compared their function by patch-clamp technique in wild-type Tmprss3WT and Tmprss3Y260X-mutant mice. Interestingly, only outward K+ currents were altered in Tmprss3Y260X-mutant mice. To determine by which mechanism this occurred, we compared the protein network of Tmprss3WT and Tmprss3Y260X-mutant mice using proteomic analysis. This led to the identification of a pathway related to potassium Kcnma1 channels. This pathway was validated by immunohistochemistry, focusing on the most downregulated protein that was identified as a cochlear Kcnma1-associated protein, APOA1. Finally, we show that, in contrast to Tmprss3WT, Kcnma1 channels were absent at the neck of inner hair cells (IHCs) in Tmprss3Y260X-mutant mice. In conclusion, our data suggest that lack of Tmprss3 leads to a decrease in Kcnma1 potassium channels expression in (IHCs

Knock Down of Heat Shock Protein 27 (HspB1) Induces Degradation of Several Putative Client Proteins

Hsp27 belongs to the heat shock protein family and displays chaperone properties in stress conditions by holding unfolded polypeptides, hence avoiding their inclination to aggregate. Hsp27 is often referenced as an anti-cancer therapeutic target, but apart from its well-described ability to interfere with different stresses and apoptotic processes, its role in non-stressed conditions is still not well defined. In the present study we report that three polypeptides (histone deacetylase HDAC6, transcription factor STAT2 and procaspase-3) were degraded in human cancerous cells displaying genetically decreased levels of Hsp27. In addition, these proteins interacted with Hsp27 complexes of different native size. Altogether, these findings suggest that HDAC6, STAT2 and procaspase-3 are client proteins of Hsp27. Hence, in non stressed cancerous cells, the structural organization of Hsp27 appears to be a key parameter in the regulation by this chaperone of the level of specific polypeptides through client-chaperone type of interactions

Étude théorique et expérimentale d'architectures innovantes de robots inspirées du cou des oiseaux : conception et commande

Biological systems are a great source of inspiration for roboticists. Tensegrity systems, composed of rigidand tensile elements, are particularly suitable for bio-inspiration since these systems are found directly in various biological systems. In this thesis, we study a manipulator inspired by the neck of birds. This manipulator is a stack of modules that each have one degree of freedom. Each module is a tensegrity mechanism composed of four bars and two springs. The manipulator is operated by cables, so all the motors are located at its base. The geometric model and the dynamic model of the manipulator are developed, then an analysis of the actuation and the static workspace of the manipulator is conducted. An actuation with four cables is selected for a prototype composed of three modules This prototype has no direct measurement of the modules orientations, so two methods to calculate these orientations according to the motor positions are proposed. An identification of the motor friction and the elasticity of the cables is carried out in order to improve the performances of the prototype control, and to have an effective simulator. Three controls are developed and tested on the prototype: a joint control, a control in the space of the motors and a control in the operational area. Trajectories are then optimized in order to produce movements by minimizing the applied forces or to produce high speed movements, as the woodpecker can do when it hits a tree trunk with its beak. The thesis ends with an opening towards an underactuated manipulator made of about ten modules.Les systemes biologiques representent une grande source d’inspiration pour les roboticiens. Les systemes de tensegrite, composes d’elements rigides et d’elements en tension, sont particulierement adaptes pour la bio-inspiration puisque l’on retrouve ces systemes directement dans divers systemes biologiques. Dans cette these, nous etudions un manipulateur inspire du cou des oiseaux. Ce manipulateur est un empilement de modules qui possedent chacun un degre de liberte. Chaque module est un mecanisme de tensegrite compose de quatre barres et deux ressorts. Le manipulateur est actionne a l’aide de cables, ainsi tous les moteurs se situent a sa base. Le modele geometrique et le modele dynamique du manipulateur sont developpes, puis une analyse de l’actionnement et de l’espace de travail statique du manipulateur est menee. Un actionnement avec quatre cables est selectionne pour un prototype compose de trois modules. Ce prototype n’a pas de mesure directe des orientations des modules, deux methodes pour calculer ces orientations en fonction des positions moteurs sont donc proposees. Une identification des frottements moteurs et de l’elasticite des cables est menee afin d’ameliorer les performances de la commande du prototype, et d’avoir un simulateur efficace. Trois commandes sont developpees et testees sur le prototype : une commande articulaire, une commande dans l’espace des moteurs et une commande dans l’espace operationnel. Des trajectoires sont ensuite optimisees dans le but de produire des mouvements en minimisant les forces appliquees ou de produire des mouvements a grande vitesse, comme peut le faire le pic lorsqu’il frappe un tronc d’arbre avec son bec. La these se termine sur une ouverture vers un manipulateur sousactionne constitue d’une dizaine de modules

Theoretical and experimental study of innovative robot architectures inspired by the neck of birds : design and control

Les systemes biologiques representent une grande source d’inspiration pour les roboticiens. Les systemes de tensegrite, composes d’elements rigides et d’elements en tension, sont particulierement adaptes pour la bio-inspiration puisque l’on retrouve ces systemes directement dans divers systemes biologiques. Dans cette these, nous etudions un manipulateur inspire du cou des oiseaux. Ce manipulateur est un empilement de modules qui possedent chacun un degre de liberte. Chaque module est un mecanisme de tensegrite compose de quatre barres et deux ressorts. Le manipulateur est actionne a l’aide de cables, ainsi tous les moteurs se situent a sa base. Le modele geometrique et le modele dynamique du manipulateur sont developpes, puis une analyse de l’actionnement et de l’espace de travail statique du manipulateur est menee. Un actionnement avec quatre cables est selectionne pour un prototype compose de trois modules. Ce prototype n’a pas de mesure directe des orientations des modules, deux methodes pour calculer ces orientations en fonction des positions moteurs sont donc proposees. Une identification des frottements moteurs et de l’elasticite des cables est menee afin d’ameliorer les performances de la commande du prototype, et d’avoir un simulateur efficace. Trois commandes sont developpees et testees sur le prototype : une commande articulaire, une commande dans l’espace des moteurs et une commande dans l’espace operationnel. Des trajectoires sont ensuite optimisees dans le but de produire des mouvements en minimisant les forces appliquees ou de produire des mouvements a grande vitesse, comme peut le faire le pic lorsqu’il frappe un tronc d’arbre avec son bec. La these se termine sur une ouverture vers un manipulateur sousactionne constitue d’une dizaine de modules.Biological systems are a great source of inspiration for roboticists. Tensegrity systems, composed of rigidand tensile elements, are particularly suitable for bio-inspiration since these systems are found directly in various biological systems. In this thesis, we study a manipulator inspired by the neck of birds. This manipulator is a stack of modules that each have one degree of freedom. Each module is a tensegrity mechanism composed of four bars and two springs. The manipulator is operated by cables, so all the motors are located at its base. The geometric model and the dynamic model of the manipulator are developed, then an analysis of the actuation and the static workspace of the manipulator is conducted. An actuation with four cables is selected for a prototype composed of three modules This prototype has no direct measurement of the modules orientations, so two methods to calculate these orientations according to the motor positions are proposed. An identification of the motor friction and the elasticity of the cables is carried out in order to improve the performances of the prototype control, and to have an effective simulator. Three controls are developed and tested on the prototype: a joint control, a control in the space of the motors and a control in the operational area. Trajectories are then optimized in order to produce movements by minimizing the applied forces or to produce high speed movements, as the woodpecker can do when it hits a tree trunk with its beak. The thesis ends with an opening towards an underactuated manipulator made of about ten modules

Étude théorique et expérimentale d'architectures innovantes de robots inspirées du cou des oiseaux : conception et commande

Biological systems are a great source of inspiration for roboticists. Tensegrity systems, composed of rigidand tensile elements, are particularly suitable for bio-inspiration since these systems are found directly in various biological systems. In this thesis, we study a manipulator inspired by the neck of birds. This manipulator is a stack of modules that each have one degree of freedom. Each module is a tensegrity mechanism composed of four bars and two springs. The manipulator is operated by cables, so all the motors are located at its base. The geometric model and the dynamic model of the manipulator are developed, then an analysis of the actuation and the static workspace of the manipulator is conducted. An actuation with four cables is selected for a prototype composed of three modules This prototype has no direct measurement of the modules orientations, so two methods to calculate these orientations according to the motor positions are proposed. An identification of the motor friction and the elasticity of the cables is carried out in order to improve the performances of the prototype control, and to have an effective simulator. Three controls are developed and tested on the prototype: a joint control, a control in the space of the motors and a control in the operational area. Trajectories are then optimized in order to produce movements by minimizing the applied forces or to produce high speed movements, as the woodpecker can do when it hits a tree trunk with its beak. The thesis ends with an opening towards an underactuated manipulator made of about ten modules.Les systemes biologiques representent une grande source d’inspiration pour les roboticiens. Les systemes de tensegrite, composes d’elements rigides et d’elements en tension, sont particulierement adaptes pour la bio-inspiration puisque l’on retrouve ces systemes directement dans divers systemes biologiques. Dans cette these, nous etudions un manipulateur inspire du cou des oiseaux. Ce manipulateur est un empilement de modules qui possedent chacun un degre de liberte. Chaque module est un mecanisme de tensegrite compose de quatre barres et deux ressorts. Le manipulateur est actionne a l’aide de cables, ainsi tous les moteurs se situent a sa base. Le modele geometrique et le modele dynamique du manipulateur sont developpes, puis une analyse de l’actionnement et de l’espace de travail statique du manipulateur est menee. Un actionnement avec quatre cables est selectionne pour un prototype compose de trois modules. Ce prototype n’a pas de mesure directe des orientations des modules, deux methodes pour calculer ces orientations en fonction des positions moteurs sont donc proposees. Une identification des frottements moteurs et de l’elasticite des cables est menee afin d’ameliorer les performances de la commande du prototype, et d’avoir un simulateur efficace. Trois commandes sont developpees et testees sur le prototype : une commande articulaire, une commande dans l’espace des moteurs et une commande dans l’espace operationnel. Des trajectoires sont ensuite optimisees dans le but de produire des mouvements en minimisant les forces appliquees ou de produire des mouvements a grande vitesse, comme peut le faire le pic lorsqu’il frappe un tronc d’arbre avec son bec. La these se termine sur une ouverture vers un manipulateur sousactionne constitue d’une dizaine de modules

Visual Servoing from lines using a planar catadioptric system

International audienceIn this paper, we propose a complete scheme to control a mirror, using a visual servoing scheme, using lines as a set of visual features. Considering the equations of the projection of the reflection of a lines on a mirror, this paper introduces the theoretical background that allows to control the mirror using visual information. Experiments using a mirror mounted on the end-effector of a 6 d.o.f robot validate the proposed approach