Un cadre mathématique pour l'optimisation des articulations robotiques
infohightech ·
Considérons la physique remarquable du genou humain. Plus grande articulation à charnière du corps, il est constitué de deux os arrondis maintenus ensemble par des ligaments qui non seulement s'ouvrent comme une porte, mais roulent et glissent également l'un sur l'autre, permettant ainsi au genou de se fléchir, de s'étendre et de maintenir l'équilibre.
Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont mis au point une nouvelle façon de concevoir des articulations semblables à des genoux dans les robots, appelées articulations à contact roulant, qui pourraient conduire à de meilleures pinces robotiques, à des dispositifs d'assistance plus adaptés aux humains et à des robots qui se déplacent avec autant de grâce que les animaux.
Publiée dans les Actes de l'Académie nationale des sciences , cette nouvelle approche de conception optimise la modélisation informatique des articulations à roulement. Elle consiste à ajuster simultanément la forme de chaque composant clé de l'articulation afin de correspondre à une force ou une application donnée, comme l'extrémité d'une pince robotique ou le membre d'un robot humanoïde.
« Dès que vous avez un robot et une idée de ce qu'il doit faire — par exemple, un robot marcheur —, vous pouvez commencer à réfléchir aux meilleurs endroits pour appliquer une force », a déclaré Colter Decker, doctorant à la SEAS et premier auteur de l'étude.
« Pour un robot qui marche, il est parfois nécessaire d'appliquer une force plus importante en fin de foulée pour prendre appui, par exemple. Si nous intégrons ces paramètres à la mécanique même du robot, nous pouvons créer des robots plus efficaces. Ils pourront utiliser des actionneurs plus petits, car l'énergie sera concentrée précisément là où elle est nécessaire. »
« Nous essayons de considérer la conception des robots comme étant étroitement liée à la tâche et au contrôle », a déclaré Robert J. Wood, professeur Harry Lewis et Marlyn McGrath d'ingénierie et de sciences appliquées et auteur principal de l'article.
« Notre objectif est de déléguer autant que possible le contrôle des mouvements aux mécanismes et aux matériaux du robot, afin que le système de contrôle puisse se concentrer sur les objectifs liés à la tâche. Les méthodes de Colter permettent précisément cela, et ce, de manière très élégante, tant sur le plan mathématique que mécanique. »
Inspiration tirée du projet de pince
L'idée de développer une meilleure façon de concevoir les articulations a été inspirée par un autre projet du laboratoire de Wood : comment fabriquer une pince robotique souple capable d'envelopper délicatement les objets tout en appliquant des forces importantes.
La recherche de moyens de combiner des liaisons rigides avec des articulations souples et flexibles — semblables aux os et au cartilage d'une main humaine — les a amenés à examiner de près les articulations à contact roulant, qui sont des paires de surfaces courbes qui roulent l'une contre l'autre et sont maintenues ensemble par des connecteurs flexibles.
En robotique, le mode de mouvement d'une articulation est généralement déterminé par un logiciel et des algorithmes de contrôle. Dans cette nouvelle approche, ces choix influencent la conception géométrique de chaque articulation.
Alors que les roulements et les articulations à quatre barres sont plus largement utilisés comme joints dans les robots existants, les joints à contact roulant offrent des avantages uniques tels que la flexibilité, un faible frottement et une résistance élevée à l'usure qui en font des options intéressantes dans des applications spécifiques, a poursuivi Decker.
Pince robotisée dotée de joints de contact à roulement optimisés. Crédit : Wood Lab / Harvard SEAS
Prototype d'articulation de genou, pince
Pour démontrer leur nouvelle méthode de conception, l'équipe a construit deux prototypes : une articulation semblable à un genou et une pince robotique à deux doigts.
Les prothèses de genou et les exosquelettes utilisent souvent de simples roulements placés près de l'articulation, ce qui peut engendrer des douleurs liées à un mauvais alignement, car un genou humain se plie, se déplace, roule et glisse. En cartographiant la trajectoire moyenne d'un genou humain , les chercheurs ont utilisé leur nouvelle méthode pour concevoir une articulation à contact roulant optimisée, reproduisant fidèlement les mouvements naturels du genou. Ils ont ensuite comparé leur articulation sur mesure à une articulation standard.
Leur articulation optimisée a affiché des performances exceptionnelles, corrigeant le désalignement de 99 % par rapport aux dispositifs standards. Ces résultats laissent entrevoir un avenir où des dispositifs tels que les orthèses de genou, les exosquelettes, voire les prothèses articulaires, pourraient être adaptés précisément aux mouvements articulaires de chaque individu.
Grâce à leur prototype de pince robotisée , ils ont optimisé les articulations afin que les doigts exercent une force maximale en fonction de la taille de l'objet. Leur pince était capable de supporter plus de trois fois le poids d'une version construite avec des articulations circulaires et des poulies standard, pour une même force d'actionnement.
La vidéo montre une pince robotique à deux doigts, dotée de joints de contact à roulement optimisés, maintenant une boîte ; du poids est ajouté jusqu'à ce que la pince cède. Une pince comparable, équipée de joints de contact à roulement circulaires, ne peut supporter le poids de la boîte. Crédit : Wood Lab / Harvard SEAS
Alors que les articulations de contact à roulement traditionnels sont construits 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 effectué de nombreux calculs pour déterminer si, en fonction de la trajectoire souhaitée pour l'articulation et du rapport de transmission de force le long de cette trajectoire, il est possible de trouver des surfaces et des poulies présentant ces propriétés », a expliqué Decker. « Nous pouvons ensuite appliquer ce processus de conception pour optimiser les articulations pour des tâches comme la marche, le saut ou la préhension. »
« La capacité d’optimiser les articulations de type humain pour différentes applications ouvre de nombreuses perspectives de recherche, allant des robots spécialisés à la robotique d’assistance, en passant par l’étude de la biomécanique animale », a déclaré Decker. « Maintenant que nous pouvons concevoir ces articulations, nous pouvons commencer à les appliquer à tous ces différents scénarios. »