Réglage de l’Hélicoïde : Une Structure Souple avec Interaction Conformable, Haute Précision et Large Espace de Travail

Introduction

Ces dernières années, inspirés par la nature, de nombreux chercheurs ont progressivement délaissé les paradigmes traditionnels des robots rigides pour se tourner vers des conceptions intégrant des matériaux et des structures conformables. La trompe d’éléphant est une représentation typique de cette vision des robots souples; elle offre une contrôlabilité et un espace de travail inégalés, tout en fournissant à l’éléphant un outil multifonctionnel grâce à sa conformité. Cependant, même les robots souples les plus avancés ne peuvent rivaliser totalement avec ces performances naturelles, surtout pour les systèmes dont l’échelle approche ou dépasse un mètre.

Face à cette limitation, cette recherche propose une solution en utilisant des matériaux architecturaux. Ces structures ajustent leurs propriétés physiques par la géométrie plutôt que par les propriétés du matériau. Contrairement aux méta-matériaux, personnalisant des caractéristiques à travers des microstructures internes ou des matériaux composites, les matériaux architecturaux utilisent l’hétérogénéité spatiale d’un matériau homogène, permettant une fabrication simple à faible complexité d’un matériau unique, tout en ajustant diverses propriétés physiques. Ces structures ont déjà été utilisées dans une série d’applications robotiques, y compris des actionneurs et des structures déformables et adaptatives.

Origine du papier

Cette recherche est une collaboration entre Qinghua Guan, Francesco Stella, Cosimo Della Santina, Jinsong Leng et Josie Hughes, publiée dans npj Robotics (2023). Les institutions de recherche incluent l’EPFL, Harbin Institute of Technology, Delft University of Technology et le German Aerospace Center (DLR).

Introduction de la recherche

Processus de recherche

1. Conception et analyse de la structure de l’hélicoïde retouchée

La recherche commence par la conception d’un matériau architectural basé sur une structure d’hélicoïde retouchée, permettant un réglage indépendant de la rigidité en flexion et en compression axiale. Une analyse par éléments finis (FEA) et des calculs analytiques ont sélectionné une forme géométrique permettant le meilleur équilibre entre contrôlabilité, sensibilité aux erreurs et conformité.

Les étapes spécifiques comprennent :

• Définir le gradient de surface de la structure basé sur l’angle de l’hélicoïde, où le matériau interne contribue principalement à la rigidité axiale et le matériau externe empêche principalement la flexion.
• Par un processus de retouche radiale, enlever sélectivement le matériau interne pour concevoir une structure atteignant un rapport spécifique entre la rigidité axiale et en flexion.
• Contrôler la rigidité absolue en ajustant l’épaisseur de la structure de l’hélicoïde.

2. Conception et combinaison modulaire et pilotage

• Combiner ces structures d’hélicoïdes retouchées avec des méthodes de pilotage pour démontrer un bras manipulateur souple de l’échelle d’un mètre, et valider les performances avec des échantillons expérimentaux incluant un bras manipulateur souple modulaire.
• Concevoir un système de transmission de force pour assurer que le bras manipulateur puisse réaliser des fonctions de compression, de flexion et de préhension dans différentes directions.

3. Conception de l’effecteur terminal

Concevoir un effecteur terminal pour permettre à la structure globale de non seulement avoir un large espace de travail mais aussi d’interagir avec l’environnement et les humains. Par exemple, en sélectionnant des indices de performances spécifiques, les valeurs de rigidité et les formes géométriques, le robot souple peut exceller dans des environnements de tâche complexes, tels que l’alimentation et la manipulation collaborative d’objets.

Résultats de la recherche

Propriétés de rigidité de la structure d’hélicoïde retouchée

1. Relation entre paramètres géométriques et rigidité :

   • La recherche montre que les paramètres géométriques (épaisseur de l’hélicoïde, largeur, nombre de spires et angle d’hélice) ont un impact significatif sur la rigidité axiale et en flexion.
   • En utilisant le rapport de rigidité sans dimension λstiff = kaxial r²/kbend, ajuster le rapport largeur/rayon w/r pour obtenir différentes rigidités absolues.

2. Optimisation des propriétés géométriques et performance :

   • Ajuster la rigidité relative λstiff entre 1,3 et 14 pour améliorer significativement la compliance et la performance après assemblage.
   • Simulation et validation par fabrication réelle ont montré que pour λstiff ≈ 2, la conformité était notablement supérieure à d’autres valeurs.

Conception et test du bras manipulateur souple

1. Espace de travail et précision de contrôle :

   • La modélisation réelle et la simulation ont validé l’espace de travail et la précision du manipulateur terminal sur un bras manipulateur souple de l’échelle d’un mètre.
   • Les trajectoires circulaires, carrées et en espace nul dans divers environnements de hauteur et décalage différents ont démontré la performance dans diverses configurations.

2. Démonstration de tâches interactives homme-robot :

   • Les expériences ont montré que les robots pouvaient collaborer avec des humains pour des tâches telles que le tri des tomates et l’alimentation de soupe, en complétant ces tâches complexes grâce à un contrôle de haute précision et une interaction homme-environnement.
   • Ces tâches ont révélé une excellente sécurité et conformité du bras manipulateur souple lors des interactions.

Conclusions de la recherche

1. Valeur scientifique et applicative :

   • Cette recherche démontre une nouvelle application des matériaux architecturaux, dont la rigidité axiale et en flexion ajustable offre aux grands robots souples une haute performance de contrôle et un large espace de travail.
   • Une nouvelle méthode de conception est fournie, offrant des idées importantes pour le développement futur des robots souples.

2. Points forts de la recherche :

   • La structure d’hélicoïde retouchée a réalisé une haute compliance et un large espace de travail pour les robots souples.
   • La recherche montre le potentiel des matériaux architecturaux dans l’optimisation des structures robotiques et ouvre de nouvelles voies pour la sécurité dans les interactions homme-robot.
   • Combinant analyse par éléments finis et fabrication réelle, la recherche valide l’effet significatif des paramètres géométriques optimisés sur les performances physiques.

Résumé et Perspectives

La recherche propose une nouvelle structure de robot souple applicable à divers environnements de tâches complexes. Des recherches futures pourraient encore optimiser les performances mécaniques des matériaux, explorer des matériaux à faible viscosité ou des méthodes basées sur des modèles, et introduire des feedbacks de perception pour réaliser des contrôles en boucle fermée, conduisant à des systèmes de robots souples plus intelligents.

Cette étude comble une lacune dans les robots souples de grande échelle et à haute performance et fournit une base théorique et méthodologique forte pour des scénarios d’application plus complexes à l’avenir.