Department of Mechanical Engineering Faculty of Applied Sciences Vrije Universiteit Brussel
 
 
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Industrie Technique et Management 11-2004: De muscles pour se mouvoir


TECHNOLOGY Les robots ambulants, pas une fiction?


Version JPG avec photos: Des muscles pour se mouvoir page 1, page 2 en page 3

La VUB a participé, elle aussi, a la Fête de la Science qui s 'est déroulée fin octobre à Hasselt. L'université y a présenté, notamment, une installation de test qui permet a tout un chacun de se soulever en soufflant dans un petit tuyau. Ce stand a aussi démontré Ie fonctionnement d'un muscle artificiel pneumatique qui, lorsqu'il est gonflé, se contracte et développe une force de traction. Le muscle artificiel est a la base du robot ambulant de la VUB, une des attractions de l'événement.

Ce robot ambulant est un des principaux thèmes de recherche de ces dernières années dn département de mécanique de la Fa-culté Sciences appliquées de la VUB. A première vue, cc projei semble quelque peu bizarre. Néanmoins, cette étude aborde tous tes thèmcs et difficultés de la mécanique en taru que spécialité: la dynamique et le pilotage d'un système en équilibre instable per-manent, l'entraînement souple (clans ce cas, un développement propre : le muscle a entraînement pneumatique), le pilotage de la cinématique à l'aide d'une commande électronique (depuis un PC) et la simulation multifonctions connexe qui permet de réaliser le programme de commande de la marche... Les retombées potentielles de cette recherche sont de taille. Pensez par exemple aux possibilités d'exploiter le savoir-faire acquis grâce à la construction de ce robot, dans la production de prothèses actives pour les handicapés moceurs (un 'harnais ambulant' qui permet-trait à un invalide de se déplacer). Cette recherche pourrait aussi étre a la base d'un 'robot auxiliaire' qui rendrait les activicés d'assemblage encore plus humaines. Industrie Technique et Management s'est entretenu sur cette recherche avec le prof. dr ir Dirk Lefeber et ses doctorants Bram Vanderborght et Ronald Van Ham.

DU SAUT A LA COURSE

Alors que par le passé, la plupart des centres de recherche se concentraient sur les robots ambulants multipattes (souvent Six ou huit pattes). l'intérét se porta, au début des années '90, sur les robots sautants à une patte. Cet intérêt résultait d'un projet révolutionnaire réalisé au sein du MIT par Marc Raibert. Plusieurs centres de recherche se focalisaient sur la commande dynamique des robots mobiles. Au niveau européen, ces centres sont rassernblés au sein du groupe CLAWAR (Climbing and Walking Robots).
La VUB a également démarré le projet du 'robot bipèdc ambulant'. Elle a opté pour la réalisation de la 'promenade dynamique'. Aujourd'hui, les premiers robots ambulants sont terminés. Le plus connu est probablement Ie projet japonais de Honda, présenté au monde en 1996. Ce robot était un 'robot ambulant statique', c'est-a-dire qu'il était en équilibre statique durant tour le mouvement. En d'autres termes, le robot déplace une patte, transfere son poids sur cette patte, et soulèvc seulement après l'autre patte du sol pour étabiir son équilibre sur cette patte...

DU STATIQUE AU DYNAMIQUE

L'homme se déplace de maniere dynamique lorsqu'il marche : durant le mouvement, les deus jambes bougent de telle sorte que l'équilibre se déplace de manière dynamique d'une jambe a l'autre. Un mouvement de jambe dynamique reclame un entrainement capable de réaliser de grands couples a de petites vitesses d'angles, un entrainemenc 'robuste' et pourtant 'souple' (pouvant fléchir et supporter des chocs assez lourds lors de l'appui). Un entraînement d'une telle souplesse est difficile a réaliser avec un actionneur électrique, le choix sur lequel se penchaient la plupart des groupes de recherche. Un entraînement électrique recourt en effet a un moteur : un appareil qui tourne rapidement (3000 t/m) et dispose d'un faible couple, surtout a bas régime. Cette vitesse doit donc être réuite et le couple augmenté a l'aide d'une transmission.
Difficile dés lors d'en faire un entrainement 'souple', capable d'intercepter et d'amortir les chocs. Dans cerrains projets, une transmission par engrenage était combinée à un ressort et l'ensemble intégré dans l'entraînement. Cette solution resre toutefois un palliatif car un mouvement souple requiert une constante de ressort adaptable au besoin. La VUB s'est inspirée de la nature et à développé, en analogie, un 'muscle artificiel'.
La première version était entiérement fabriquée en kevlar. Au-jourd'hui, le muscle se compose d'un ensemble de fibres de kevlar et d'un sac replié en matière synthétique. Lorsque le sac est rempli d'air comprimé, le muscle se raccourcit, lorsque l'air comprimé disparait, le muscle s'allonge. Festo développe et commercialise en tant que composant standard un 'muscle artificiel' de ce type. La VUB nu l'a pas retenu car elle a développé un modèle en interne qui permet de travailler à faible pression et ne présente qu'une légère hystérésis (pas de differente en pression/allongement entre la tension et le relâchement, ce qui facilite la commande).
l.e muscle artifiiel développé dans le cadre du projet présente une longévité assez correcte (testé par le soulèvement d'un poids de 130 kg : après 400.000 cycles. Ie muscle était toujours intact et en état de fonctionnement). Cette innovation a l'avantage d'utiliser une très faible pression d'air comprimé (une pression finale de 4 bars suffit). Elle absorbe les chocs (il s'agit d'un appareil rempli d'air comprimé dont la constante de ressort est function de la pression de l'air comprimé. II est donc possible d'adapter sa souplesse au poids du robot).
En outre. le muscle est tres robuste : il continue à fonctionner même s'il présente de légères fuites (dues par exemple a la vieillesse). Dans ce cas, il reclame naturellement beaucoup plus d'air comprimé qu'un muscle artificiel en parfait état de fonctionnement.

LE DEFI SCIENTIFIQUE

Mettre en mouvement un tel robot à déambulation dynamique constitue un véritable défï pour la science. En deposant le pied, le système présente des degrés de libetté variables. Essayez de faire le calcul. Il y a l'impact au sol, le transfert d'équilibre de la patte mobile a l'autre, la maîtrise d'un système non holonome (la posture du robor durant le mouvement dans l'air n'est pas contrôlable a 100%) et la gestion d'un système a boucle fermée (ce qui n'est pas non plus un problème de mécanique aisé) lorsque les deux pieds se trouvent au sol. Il faut donc tenir compte d'une quantité de problèmes mécaniques. Chaque problème partiel a fait l'object de travaux de fin d'étude et de thèses de doctorat: les simulations. la commande de trajectoire...
Où en sommes-nous alors ? Il y a trois ans, les muscles artificiels étaient finalisés et la construction du tobot a démarré. Un module de base 'standard' a été conçu. Les différents modules peuvent être assemblés pour former un robot mobile par le biais de points d'attache, les plaques charnières. Les 'fonctions' (le bassin, le genou, la cheville) sont obtenues par une simple adaptation des plaques charnières car celles-ci déterminent la transmissie»n de torce, la caractéristique de couple... des facteurs qui différent pour chaque fonction.
Depuis, le mécanisme a fait ses premiers pas. La commande est assurée par une électronique reliée à un PC via un port USB. Le programme de commande d‘une trajectoire connue peut être élaboré sur base des ptogrammes de simulation développés. Aujour-d'hui, il est possible de déterminer via la simulation les paramètres de marche adéquats (longueur, hauteur, vitesse) et de générer le programme. Celui-ci peut ètre relié à un système de vision afin de lui permettre de planifler la trajectoire de façon autonome (ce qui est déja le cas dans d'autres universités).

APPLICATIONS ?

La VUB avait en tête, dés le début, d'utiliser cette technologie pour réaliser des 'protheses actives'. Elle pensait d'une part aux orthèses (les personnes disposent encore de leurs membres mais sont assistées dans leurs mouvements par le robot, par exemple comme soutien a la revalidation), d'autre part aux prothèses (en remplacement de membres). La VUB n'envisage pas de faire remarcher 1'homme (via le robot) mais plutôt de rendre une liberté limitée aux personnes se déplaçant en chaise roulante (pour passer au lit ou dans la voiture), de les aider a surmonter une de leurs plus grandes frustrations (ne pas pouvoir parler à la méme hauteur qu'une personne debout) en leur permettant de se lever lorsqu'ils s'adressent à quelqu'un. Toutes ces applications impliquent donc une raible capacité de compresseur. Pour les applications de revalidation, le compresseur peut étre intégré dans l'appareillage auxiliaire.
La deuxième application est un 'robot sur, ami de l'homme'. Au-jourd'hui, les robots industriels sont places dans des cages. Il est donc difficile de faire fonctionner des hommes de façon analogue, Un robot entrainé par des musdes artificiels peut fonctionner en toute sécurité. En mesurant la pression dans les muscles, le robot 'sent' une résistance abusive et l'interprète comme un message 'quelqu'un me heurte'. Il peut alors changer de direction ou réduire sa vitesse. A l'aide de capteurs adéquats, il peut être un support pour l'homme (en poussant le robot, l'homme le fait changer de direction). Le robot peut par exemple soulever un moteur lourd et le placer dans la carrosserie. Le travail de l'homme est ainsi allégé puisque le robot se charge du travail lourd. Cetre méthode de travail reduit le coût de l'automatisation de nombreuses tâches d'assemblage: plus besoin de concevoir et d'installer un espace de travail bien calculé et protégé. En économisant sur la grande précision de l'espace de travail, nécessaire pour les applications de robotique, on supprime aussi de nombreuses difficultés de programmation (sachant toutefois qu'il faut tenir compte de la difficulté du travail tactile). Dans les hôpitaux, Le personnel soignant pourrait continuer à travailler jusqu'a 65 ans sans devoir fournir d'efforts trop importants et souffrir de maux de dos (Liés à la manipulacion des patients alités).
OLes nouvelles applications liées au robot se multiplient. Un 'robot auxilïaire' pourrair aider des personnes (les soldats ou les alpinist es) en porrant les sacs à dos. l'armée américaine à demandé le développement d'un pareil exosquelette. Ce robot aux muscles artificiels se révèlera aussi un robot intrinsequement sur pouvant fonctionner dans un environnement à risque d'explosion. Ceci évitera d'envoyer du personnel effectuer des réparations dans des zones dangereuses.

LA SIMULATION PLUS RAPIDE QUE LE TEMPS REEL

Parmi les retombées de cette recherche, citons un progiciel de simulation destiné à la modélisation dynamique de systèmes mécaniques présentant de nombreux degrés de liberté. Ce simulateur, basé sur de nouvelles découvertes sur la methode de formulation des comparaisons de mouvement d'un système mecanique, est breveté. Ici aussi, il s'agit d'un pur travail de recherche, matérialisé dans ce cas dans un logiciel déja utilisable. Il est par exemple mis en oeuvre pour simuler la marche du robot.
La VUB est persuadée que ce logiciel de simulation ouvre de nouveaux champs d'application. Un tel simulateur pourrait érre intégré dans un camion et prévenir le chauffeur qu'il se retournera dans le prochain virage s'il ne ralentit pas. La VUB recherche actuellement des partenaires pour commercialiser ce logiciel. Elle envisage par exemple de transférer des licences aux sociétés et de les aider à acquérir l'expérience nécessaire afin qu'elles puissent développer leurs propres applications et engranger une avance sur le marché dans ce domaine.

Par Alfons Calders



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Last update: Nov 20 2004 - 14:11:56
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