Optimisation des articulations robotiques : nouvelle méthode de conception

Anne J. Manning

Considérez la physique merveilleuse du genou humain. La plus grande articulation à charnière du corps, elle possède deux os arrondis maintenus par des ligaments qui non seulement se balancent comme une porte, mais aussi roulent et glissent l’un sur l’autre, permettant au genou de fléchir, de s’étendre et de s’équilibrer. 

Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont conçu une nouvelle façon de concevoir des articulations de type genou dans les robots, appelées articulations à contact roulant, qui pourraient conduire à des pinces robotiques améliorées, des dispositifs d’assistance mieux adaptés aux humains et des robots qui se déplacent avec la grâce des animaux. 

Publiée dans Proceedings of the National Academy of Sciences, la nouvelle approche de conception optimise la façon dont les articulations roulantes sont conçues sur ordinateur. Elle y parvient en ajustant simultanément la forme de chaque composant clé de l’articulation pour correspondre à une force ou une application souhaitée, comme l’extrémité d’une pince robotique, ou l’appendice d’un robot humanoïde.  

« Chaque fois que vous avez un robot, et que vous avez une idée de ce qu’il doit faire – peut-être un robot marcheur – vous pouvez commencer à réfléchir aux meilleurs endroits pour produire une force », détaille Colter Decker, doctorant à SEAS et premier auteur de l’étude. « Pour quelque chose qui marche, vous pourriez vouloir plus de force près de la fin de la foulée pour pousser, par exemple. Si nous pouvons intégrer ces décisions dans la mécanique du robot lui-même, alors nous pouvons créer des robots plus efficaces. Ils peuvent utiliser des actionneurs plus petits car l’énergie est ciblée précisément là où elle doit être. » 

 « Nous essayons de considérer la conception des robots comme étant étroitement couplée à la tâche et au contrôle », ajoute Robert J. Wood, le professeur de génie et de sciences appliquées Harry Lewis et Marlyn McGrath et auteur principal de l’article. « Nous visons à décharger autant de contrôle du mouvement que possible vers la mécanique et les matériaux du robot, afin que le système de contrôle puisse se concentrer sur les objectifs au niveau de la tâche. Les méthodes de Colter font exactement cela, et de manière très élégante, à la fois mathématiquement et mécaniquement. » 

Inspiration d’un projet de pince

L’idée de développer une meilleure façon de concevoir des articulations a été inspirée par un autre projet du laboratoire de Wood : comment fabriquer une pince robotique souple qui pourrait envelopper doucement les objets mais aussi appliquer de fortes pressions. 

La recherche de moyens de combiner des liens rigides avec des articulations souples et flexibles – un peu comme les os et le cartilage d’une main humaine – les a conduits à examiner de près les articulations à contact roulant, qui sont des paires de surfaces incurvées qui roulent l’une contre l’autre et sont maintenues par des connecteurs flexibles. 

En robotique, décider comment une articulation doit bouger est généralement géré par des logiciels et des algorithmes de contrôle. Dans cette nouvelle approche, ces choix informent la conception géométrique de chaque articulation. 

Alors que les roulements et les mécanismes à quatre barres sont plus largement utilisés comme articulations dans les robots existants, les articulations à contact roulant offrent des avantages uniques tels que la flexibilité, une faible friction et une haute résistance à l’usure qui en font des options favorables dans des applications spécifiques, poursuit Decker. 

Prototype d’articulation de genou et de pince

Pour démontrer leur nouvelle méthode de conception, l’équipe a construit deux prototypes : une articulation similaire à un genou et une pince robotique à deux doigts. 

Les dispositifs d’assistance au genou et les exosquelettes utilisent souvent des roulements simples placés près du genou, ce qui peut créer un désalignement douloureux car un vrai genou agit comme une charnière mais aussi se déplace, roule et glisse. En cartographiant la trajectoire moyenne d’un genou humain, les chercheurs ont utilisé leur nouvelle méthode pour créer une articulation à contact roulant optimisée qui suit de près le mouvement réel du genou. Ils ont comparé leur articulation sur mesure à une articulation standard.  

Leur articulation optimisée a obtenu des résultats spectaculaires, corrigeant le désalignement de 99 % par rapport aux dispositifs standards. Les résultats ouvrent la voie à un avenir où des éléments comme les genouillères, les exosquelettes, ou même les remplacements articulaires pourraient être adaptés au mouvement articulaire exact d’un individu. 

Avec leur prototype de pince robotique, ils ont optimisé les articulations de sorte que les doigts délivrent une force maximale en fonction de la taille de l’objet. Leur pince a pu supporter plus de trois fois le poids d’une version construite avec des articulations circulaires standards et des poulies pour la même entrée d’actionneur. 

Alors que les articulations à contact roulant traditionnelles sont construites à partir de surfaces circulaires, la nouvelle méthode mathématique de l’équipe de Harvard permet des formes non circulaires et irrégulières qui suivent des trajectoires inhabituelles. 

« Nous avons fait pas mal de maths pour dire, si vous avez une trajectoire spécifique souhaitée que vous voulez que l’articulation suive, et que vous avez un rapport de transmission de force spécifique le long de cette trajectoire, pouvons-nous trouver des surfaces et des poulies qui présenteront ces propriétés ? » explique Decker. « Ensuite, nous pouvons appliquer ce processus de conception pour optimiser les articulations pour des tâches comme marcher, sauter ou saisir. » 

La capacité d’optimiser des articulations de type humain pour différentes applications ouvre de nombreuses voies d’exploration, des robots spécifiques à une tâche, à la robotique d’assistance, en passant par l’étude de la biomécanique des animaux, souligne Decker. « Maintenant que nous pouvons concevoir les articulations, nous pouvons commencer à les appliquer à tous ces différents scénarios », ajoute-t-il. 

Article : Noncircular Rolling Contact Joints Enable Programmed Behavior in Robotic Linkages – Journal : Proceedings of the National Academy of Sciences – Méthode : Experimental study

Source : Harvard John A. Paulson School