Chapitre 1 : Robotique douce

La robotique a une sous-section appelée robotique douce, qui se concentre sur la conception, le contrôle et la construction de robots faits de matériaux souples, par opposition aux connexions rigides. Ce domaine de la robotique est un sous-domaine de la robotique. Par rapport aux robots à corps rigide fabriqués à partir de matériaux tels que les métaux, la céramique et les plastiques durs, la conformité des robots souples peut améliorer leur sécurité lorsqu'ils opèrent à proximité de personnes. Cela contraste avec les robots à corps rigide.

L'objectif du domaine de la robotique douce est de développer et de construire des robots dotés de corps physiquement flexibles ainsi que de composants électriques. Il y a des occasions où la souplesse est limitée à une certaine section de la machine. Par exemple, les bras robotiques à corps rigide peuvent être équipés d'effecteurs finaux souples afin qu'ils puissent saisir et déplacer doucement des objets de forme irrégulière ou fragiles. La grande majorité des robots mobiles à corps rigide font également un usage stratégique de composants souples, tels que des coussinets de pied absorbant les chocs ou des articulations élastiques capables de stocker et de libérer de l'énergie élastique. D'autre part, la discipline de la robotique douce a tendance à se concentrer sur le développement de machines qui sont principalement ou entièrement constituées de matériaux souples. Il y a une énorme quantité de potentiel inexploité dans les robots qui sont entièrement faits de matériaux mous. L'un des avantages de leur flexibilité est qu'elle leur permet d'entrer dans des espaces inaccessibles aux corps de forme fixe, ce qui peut être utile dans des situations d'aide en cas de catastrophe. De plus, les robots mous présentent moins de risques lorsqu'ils interagissent avec les humains et lorsqu'ils sont déployés à l'intérieur du corps humain.

Lorsqu'il s'agit de concevoir des robots mous, la nature est souvent considérée comme une source d'inspiration. Cela est dû au fait que les animaux eux-mêmes sont principalement constitués de composants mous, et ils semblent tirer parti de leur douceur afin de se déplacer efficacement dans des environnements complexes presque partout sur Terre.

Parce qu'il y a une différence dans la concentration de solutés dans le cytoplasme et le reste de l'environnement cellulaire, les cellules végétales ont la capacité innée de générer une pression hydrostatique (potentiel osmotique). Les ions sont capables de circuler d'avant en arrière à travers la membrane cellulaire, ce qui permet aux plantes de réguler la concentration du composé. De ce fait, la plante va s'adapter à ce niveau différent de pression hydrostatique en modifiant à la fois sa forme et son volume. Ce développement de forme dérivée de la pression est idéal pour la robotique douce et peut être imité pour générer des matériaux adaptatifs à la pression via l'utilisation de l'écoulement des fluides. La robotique douce est un domaine émergent qui combine des éléments de la robotique, de la biologie et de l'informatique. prédit la vitesse à laquelle le volume de la cellule change :

est le taux de variation du volume.

est la zone de la membrane cellulaire.

est la conductivité hydraulique du matériau.

est la variation de la pression hydrostatique.

est la modification du potentiel osmotique.

En utilisant cette approche, des systèmes de contrôle de la pression pour les robots mous ont été développés et mis en ouvre. Ces systèmes sont constitués de résines molles et comportent un certain nombre de sacs de fluide séparés par des membranes qui ne sont que partiellement perméables. En raison de la semi-perméabilité, la transmission du fluide est possible, ce qui entraîne finalement la formation d'une pression. Cette interaction entre le mouvement du fluide et la création de la pression aboutit finalement à un changement de forme et de volume.

Un contrôle fort et précis d'une articulation peut être obtenu en grande partie par l'utilisation de l'hémolymphe comprimée, qui est une technique également empruntée au mouvement de l'araignée et peut être utilisée pour développer des approches similaires aux articulations molles hydrauliques.

Lorsqu'il s'agit de construire des robots souples, les processus de fabrication traditionnels, tels que les procédures soustractives comme le perçage et le fraisage, sont peu utiles car ces robots ont des géométries compliquées avec des corps malléables. En conséquence, des approches plus sophistiquées du processus de fabrication ont été conçues. La technique de fabrication par dépôt de forme (SDM), la méthode Smart Composite Microstructure (SCM) et l'impression 3D multimatériaux sont des exemples de ces technologies. En utilisant cette technique, il a été possible d'imprimer une grande variété de softrobots entièrement fonctionnels, dont certains sont capables de plier, de tordre, de saisir et de contracter des mouvements. Cette méthode permet de contourner certains des problèmes inhérents aux approches de fabrication plus traditionnelles, tels que le délaminage qui peut se produire entre les sections collées. Une autre technologie de fabrication additive qui génère des matériaux changeants de forme avec une forme qui peut être activée par la chaleur, la lumière ou l'eau. La forme peut également être photosensible. Essentiellement, ces polymères sont capables de modifier spontanément leur structure lorsqu'ils sont exposés à l'eau, à la lumière ou à la chaleur. L'impression d'encre réactive à la lumière à l'aide d'une imprimante à jet d'encre sur une cible en polystyrène a permis de créer un exemple d'un matériau capable de changer de forme.

Afin de créer des forces de réponse, qui sont nécessaires pour le mouvement et le contact avec l'environnement environnant, tout robot mou doit disposer d'un système d'actionnement. En raison de la nature flexible de ces robots, les systèmes d'actionnement souple doivent pouvoir se déplacer sans utiliser de matériaux rigides, tels que les os que l'on trouve dans les organismes ou le cadre métallique que l'on trouve souvent dans les robots rigides. Malgré cela, plusieurs solutions de contrôle au problème de l'actionnement doux existent et ont été mises en ouvre ; Chacun de ces systèmes présente un ensemble unique d'avantages et d'inconvénients. Voici une liste de plusieurs exemples de techniques de contrôle, ainsi que le matériel pertinent pour chaque approche.

Un exemple de cela serait l'utilisation de la force électrostatique, qui pourrait être utilisée dans :

Les actionneurs diélectriques en élastomère (DEA) sont des dispositifs de changement de forme constitués d'élastomères qui sont contrôlés par un champ électrique à haute tension (exemple de DEA fonctionnel).

Ces actionneurs sont capables de produire des forces importantes.

ont une puissance spécifique élevée (W kg-1), créent d'énormes contraintes (>1000 %), Les matériaux intelligents et reconfigurables connus sous le nom de polymères à mémoire de forme (SMP) sont un exemple exceptionnel d'actionneurs thermiques qui peuvent être utilisés pour l'actionnement. Ces matériaux entrent également dans la catégorie des matériaux « intelligents ».

Lorsque la température est élevée au-dessus d'un certain point, ces matériaux se « souviennent » de leur configuration précédente et y reviennent.

Prenons, par exemple :

Les polymères réticulés peuvent être contraints à des températures supérieures à leur transition vitreuse (Tg) ou à leur transition fusionnelle (Tm), puis refroidis.

Dans le cas où la température est à nouveau élevée, la tension sera relâchée et la forme du matériau retrouvera ce qu'elle était avant d'être modifiée.

Le polyuréthane est un exemple de plastique à usage spécial (PU), l'acide téréraptalique fabriqué avec du polyéthylène (PET), du polyéthylèneoxyde (PEO), en plus d'autres substances.

Une autre méthode de contrôle de l'actionnement robotique doux est basée sur des alliages à mémoire de forme.

La modification de la pression à l'intérieur d'un tube flexible est à la base d'un autre type de contrôle utilisé dans la construction de robots mous connus sous le nom de muscles artificiels pneumatiques. Pour cette raison, il se comportera de la même manière qu'un muscle, en se raccourcissant et en s'allongeant si nécessaire pour exercer une force sur le composant auquel il est lié. Parce que ces muscles sont contrôlés par des valves, le robot peut conserver sa forme sans nécessiter d'apport d'énergie supplémentaire tout en étant capable de se déplacer. Cependant, pour que cette approche fonctionne correctement, une alimentation externe en air comprimé est normalement nécessaire. Le contrôleur de dérivée intégrale proportionnelle, parfois connu sous le nom de PID, est l'algorithme le plus fréquemment utilisé pour les muscles pneumatiques. Le réglage des paramètres du contrôleur PID permet de contrôler la réponse dynamique des muscles pneumatiques à des degrés divers.

Les robots s'appuient fortement sur leurs capteurs comme l'un de leurs éléments les plus cruciaux. Il n'est donc pas surprenant que les capteurs optimaux pour les robots mous soient les capteurs mous. Les capteurs souples peuvent souvent surveiller la déformation, ce qui permet de déduire des informations sur la position ou la rigidité du robot.

Voici quelques exemples de capteurs souples :

Capteurs d'étirement doux

Capteurs de flexion...