Alexandre Roy

158 Pages·2016·4.16 MB·French

THESE DE DOCTORAT DE
L’UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE
Spécialités :
Robotique / Acoustique
Présentée par :
Alexandre Roy
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE
Sujet de la thèse :
Développement d’une plate-forme robotisée pour l’étude
des instruments de musique à cordes pincées
Soutenue le : 10 Décembre 2015
devant le jury composé de
M. Christophe D’Alessandro Directeur de Recherche CNRS au LIMSI Rapporteur
M. Gérard Poisson Professeur de l’Université D’Orléans Rapporteur
Mme Sandie Le Conte Ingénieur de recherche à la Cité de la Musique Examinateur
M. Jérôme Szewczyk Professeur à l’UPMC Examinateur
M. Benoît Fabre Professeur à l’UPMC Directeur de thèse, invité
M. Jean-Loïc Le Carrou Maître de conférences à l’UPMC Encadrant de thèse
Mme Marie-Aude Vitrani Maître de conférences à l’UPMC Encadrant de thèse
Institut Jean Le Rond d’Alembert Ecole doctorale SMAER
Equipe Lutheries, Acoustique, Musique 4, place Jussieu, BC 270
11, rue de Lourmel, 75015 PARIS, FRANCE 75252, PARIS cedex 05, FRANCE
“Would you do the whole thing all over again,
Knowing what you know now, knowing what you knew then?”
And he smiled, like the old pumpkin king that I knew,
Then turned and asked softly of me, “Wouldn’t you?”
The Nightmare Before Christmas, Tim Burton & Danny Eflman.

Remerciements
Je remercie les rapporteurs qui ont lu ce manuscrit attentivement, Gérard Poisson et Chris-
topheD’Alessandro,ainsiquelesmembresdemonjury,quiontparticipéàcettegrandeaventure.
Je tiens à remercier chaleureusement ma famille, pour m’avoir apporté son soutien durant
ces trois années de thèse, ainsi que mes amis et tous ceux et celles qui m’ont redonné le sourire
quand mon enthousiasme s’essoufflait. Commençons par les collègues du bureau 20 du LAM :
merci pour leur bonne humeur de tous les matins, leurs concours de notes jouées dans le second
régime de leurs (maudites) flûtes à bec, les boîtes à meuh tonitruantes et le sanglier en peluche
qui a passé plus de temps en l’air que posé sagement sur nos bureaux. Je remercie la grenouille à
grande bouche,quise reconnaîtra,AugustinetsonmentorGérard,Arthuretsabièreartisanale,
Clara qui a supporté mes blagues de (très) mauvais goût et Delphine, qui m’a transmis tout ce
qu’il fallait savoir lors de ma première année. Merci à ceux qui m’ont accueilli à bras ouverts dès
mes premiers instants au labo : Indiana et son chapeau d’aventurière, Cédrik, pour nos longues
discussionsenrichissantesdumatin(commentça,desgeekeries?),Juan-PabloetHugopourleur
jovialité et le café. Merci aux derniers venus, Timothy, pour son aide en mécanique théorique et
Yosr, pour nous rappeler que l’on doit parfois travailler pendant la thèse.
Je remercie toute l’équipe du LAM pour leur disponibilité, leur soutien et pour avoir partagé
leur expérience : Laurent, qui m’a fréquemment donné un coup de main pour mettre en place
les manips, Pascal qui m’a permis de travailler sous Linux pendant ma thèse (un pur bonheur),
René, qui m’a initié aux arcanes du 7e art, Jean-Marc, qui a partagé sa passion pour la photo
ainsi que son matériel, Catherine qui m’a rappelé de saisir mes ordres de mission, Hugues pour
m’avoir encouragé à tester DRoPiC sur le piano, Michèle, pour nos discussions sur le clavecin, le
bon fromage, et les formats de documents numériques autour d’un sandwich et d’une gougère,
et tous ceux que j’ai oublié de citer. Merci également à Wael Bachta, pour les réglages de
dernière minute sur le robot et Jérôme Szewczyk, pour ses conseils avisés lors de ma soutenance
à mi-parcours.
Jetienségalementàremerciertouteslespersonnesformidablesquej’airencontréaucoursde
ma thèse, en commençant par Raphaëlle Villa, qui a pris le temps d’effectuer quelques mesures
sur sa harpe, lors de la fin de la rédaction de ce manuscrit, Arthur Givois, qui a commencé à
travailler lors de son stage sur le modèle d’interaction corde / plectre du clavecin, Sandie Le
Conte, Martine Argellies et Stéphane Vaiedelich, pour les visites à Montpellier et à la Cité de la
Musique, Nathalie Delprat, qui m’a donné l’envie de m’intéresser aux sciences humaines pour
mieux comprendre les sciences “dures”, l’équipe organisatrice des Doctoriales de l’UPMC, avec
qui j’ai passé une semaine mémorable et tous ceux que j’ai rencontré lors de ce stage et qui
sont aujourd’hui des amis : Wilfried (mention spéciale pour avoir cherché les coquilles dans ce
manuscrit! :) ), Tatiana, Charlotte et Marie. Un grand merci à Hélène Thiébault, une femme
hors du commun, qui m’a soutenu jusqu’au bout, m’a insufflé un peu de son ivresse de vivre,
tout en m’apprenant à dompter le Loup des Steppes.
Je tiens enfin à remercier particulièrement mon directeur de thèse, Benoît Fabre, et mes
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deux encadrants, Jean-Loïc Le Carrou et Marie-Aude Vitrani. Ils m’ont initié durant ces trois
années au métier de chercheur, que je ne connaissais pas, redonné le goût d’écrire, le soucis du
détail, de la précision et de la rigueur scientifique, dans une ambiance détendue. Merci donc de
m’avoir permis de travailler et d’approfondir mes connaissances pendant ces trois années sur un
sujet aussi original que la robotique appliquée aux instruments de musique (à corde pincées!;) ).
Leurs conseils ont toujours été complémentaires et d’une grande aide pour moi. Ils m’ont permis
de prendre du recul lorsque j’en avais besoin et m’ont redonné confiance en moi les jours où
rien ne voulait fonctionner. C’est un trio épatant qui gagne à être connu, et qui, je l’espère, se
reformera pour accompagner un autre doctorant dans un avenir proche!
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Table des matières
Remerciements v
Table des matières xi
1 Introduction 1
1.1 Contexte général : la robotique et l’acoustique musicale . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 La robotique appliquée aux instruments de musique . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.1 Les deux cas d’application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.2 Les robots musiciens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.3 Les robots d’étude des instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 La plate-forme robotisée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 Présentation générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2 Le geste musical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.3 Reproduction expérimentale du geste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.1 Enjeux techniques & scientifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.2 Plan du manuscrit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Conception du robot 9
2.1 Description générale et dimensionnement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Cahier des charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 Modèle géométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.3 Modèle cinématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.4 Modèle dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1.5 Dimensionnement & choix des éléments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.6 Vérification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 Lois de commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.1 Baie de commande & contrôleur pour l’asservissement des moteurs . . . . 29
2.2.2 Asservissement de la position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3 Validation de la reproduction de trajectoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3 Conception d’un capteur d’effort 43
3.1 Problématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Technologies des capteurs d’effort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.1 Les capteurs FSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.2 Les MEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.3 Les transducteurs piézoélectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.4 Les jauges de déformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
ix
Table des matières
3.2.5 Bilan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3 Conception du capteur d’effort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.1 Cahier des charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.2 Dimensionnement du nouvel effecteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.3 Calibrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4 Rejet de l’effort de perturbation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.4.1 Nouvelle commande du robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4.2 Validation expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.5 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4 Modélisation du mécanisme de pincement du clavecin 65
4.1 Présentation générale de l’instrument et problématique . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.1.1 L’harmonisation du clavecin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.1.2 Problématique générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2 Les modèles de la littérature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2.1 Modèle de Griffel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2.2 Modèle de Giordano & Winans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2.3 Modèle de Perng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2.4 Modèle de Chadefaux & Le Carrou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.5 Cadre d’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3 Détermination des différents modèles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3.1 Modèle complet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3.2 Le mouvement de la touche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3.3 Le mouvement de la corde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3.4 Le modèle de plectre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.4 Simulation du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.4.1 Identification des paramètres du système . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.4.2 Formes des plectres. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4.3 Influence de l’amortissement de la corde c . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4.4 Influences des paramètres de la simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4.5 Comparaison aux modèles de la littérature . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.5 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5 Étude expérimentale du clavecin 91
5.1 Présentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.1.1 Travail réalisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.1.2 État de l’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.2 Experiences menées sur le clavecin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.2.1 Présentation du banc expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.2.2 Calibrage des instruments de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.2.3 Trajectoire du robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2.4 Plectres utilisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
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