ROMOCO

Contexte

L’accroissement des systèmes mécatroniques s’observe dans de nombreuses applications : médicales, automobiles, aérospatiales, dans l’industrie de production, dans l’industrie pétrolières. Les robots constituent un exemple parfait d’un système mécatronique et l’apparition de la robotique souple ces dernières années ouvre la possibilité de changer de paradigme sur la manière d’aborder les tâches robotiques qui sont la manipulation, le positionnement et la locomotion. L’amélioration des performances de ces tâches robotiques reste un objectif de l’équipe plus particulièrement en considérant les petites échelles.

Objectifs et Thématiques scientifiques

Les recherches menées dans cette équipe se concentrent sur la conception, la modélisation, la fabrication et la commande de systèmes mécatroniques et robotiques. L’équipe s’appuie sur les moyens du Centre de Micro et Nano Robotique et la plateforme MIMENTO (Renatech) pour réaliser les différents systèmes étudiés.

L’équipe RoMoCo est structurée en thèmes scientifiques :

• La robotique continue et souple :

  Ce thème de recherche se focalise sur la modélisation, la conception, la fabrication et le contrôle de robots souples et continus. L'objectif est de développer des conceptions innovantes et d'utiliser des actionneurs à base de matériaux actifs pour aller au-delà des performances des robots de la littérature (espace de travail, degrés de liberté, stabilité, orientabilité, indice de performance, etc.).

  Sur les robots continus, notre stratégie est basée sur la combinaison d'actionnements afin d’améliorer les performances. Ceci a été démontré sur des robots à tubes concentriques avec des actionnements par polymères électro-actifs, magnétiques et par tendons sur un poignet à découpe asymétrique. Les approches développées sont orientées vers des objectifs en lien avec des applications médicales (les interventions ORL et neurovasculaires).

  Sur les robots souples, nous concevons des robots s’inspirant de la nature en intégrant l’intelligence physique. Les deux principaux critères sont l'optimisation des performances des robots et leur contrôlabilité basée sur leurs modèles. Un compromis doit être trouvé entre le temps de calcul et la précision du modèle, qui augmente avec sa complexité. Une attention particulière est accordée à la validation expérimentale des méthodes proposées où les conceptions proposées sont fabriquées en utilisant des techniques de pointe telles que l’impression 3D (Nanoscribe™, par exemple), la micro-fabrication de formes 3D monolithiques dans le verre, et d'autres techniques avancées. Le contrôle basé sur des capteurs est également étudié et différents types de capteurs sont utilisés, tels que des caméras, des trackers électromagnétiques, des OCT, des ultrasons, des IRM, etc.

• Les robots parallèles & la manipulation dextre :

  Les principaux obstacles scientifiques que ce thème vise à lever sont liés aux structures, modèles et technologies des robots actuels qui ne sont pas en mesure de combiner dextérité, précision et compacité dans un même système robotique pour opérer correctement à l'intérieur d'espaces confinés (corps humain, microscopes électroniques à balayage, etc.).

  Pour ce faire, la première approche consiste à développer des méthodes originales pour concevoir, modéliser et contrôler des robots parallèles miniaturisés rigides et déformables, ainsi que les méthodes pour les contrôler. En effet, la cinématique parallèle permet de miniaturiser les structures des robots et de placer tous les actionneurs à la base du robot. Ces mêmes actionneurs peuvent également contrôler une plateforme configurable qui peut servir de pince par exemple. Des articulations souples ou des liens flexibles (tiges par exemple) peuvent être utilisés à la place des articulations mécaniques classiques afin : i) d'éliminer les défauts mécaniques tels que les chocs en retour ; ii) de développer des mécanismes très compacts et ; iii) de couvrir un large espace de travail en translation et en rotation. Il en résulte des structures légères qui peuvent atteindre une dextérité, une précision et une vitesse sans précédent.

  La deuxième approche consiste à effectuer une micro-manipulation dextre dans la main en utilisant plusieurs doigts. Le système robot-objet représente une architecture cinématique parallèle, qui présente plusieurs similitudes avec les robots parallèles. En outre, cette approche présente les avantages suivants : i) elle permet de manipuler plusieurs formes d'objets présentant une grande variété de propriétés matérielles ; ii) elle est plus compacte car la rotation de l'objet ne nécessite pas la rotation de l'ensemble du manipulateur ; iii) elle est plus précise que les robots en série car l'amplitude de mouvement requise est plus faible et ; iv) elle permet d'effectuer des gammes de rotation illimitées grâce à l'asservissement des doigts. Cependant, les principaux défis sont le nombre élevé de DoF requis par la micro-main manipulatrice, la complexité de la génération des trajectoires des doigts et la présence de forces d'adhésion qui sont prédominantes par rapport aux forces gravitationnelles et inertielles. Des méthodes originales de planification de la manipulation qui prennent en compte ces spécificités sont développées pour réaliser une micro/nano-manipulation dextre efficace et fiable dans la main.

  Systèmes Hamiltoniens à ports :

  Ce thème de recherche se concentre sur l'étude des systèmes Port-Hamiltoniens (PHS), dont le cadre est particulièrement adapté au contrôle des systèmes multiphysiques et des structures continûment déformables. Ce thème comporte trois domaines principaux.

  - Systèmes à paramètres distribués : Dans le cas des structures flexibles, des vagues, etc., une formulation à dimension infinie des systèmes hamiltoniens à ports est utilisée pour effectuer la modélisation et le contrôle. Grâce à une paramétrisation physiquement cohérente des variables à la frontière, les propriétés de passivité sont garanties, ce qui permet d'obtenir des propriétés intéressantes telles que : i) la possibilité de prouver l'existence de solutions en boucle fermée et la stabilité asymptotique et/ou exponentielle, ii) la conception d'observateurs et iii) les méthodes de contrôle basées sur les observateurs.

  - Modélisation et contrôle des actionneurs polymères électro-actifs : La modularité des systèmes port-hamiltoniens représente un cadre élégant et puissant pour la modélisation structurelle et le contrôle de systèmes multi-physiques complexes. En profitant de cet avantage, le modèle dynamique et le problème de contrôle de différents types d'actionneurs à base de polymères électro-actifs sont étudiés.

  - Contrôle par la deuxième loi de la thermodynamique : La deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule la création irréversible d'entropie, est combinée avec le cadre port-hamiltonien pour développer des lois de contrôle stabilisantes pour les systèmes de dimensions finies et infinies. Cette méthode est appliquée aux alliages à mémoire de forme (AMF) et aux systèmes de réactions chimiques.

Savoir-faire

L'équipe ROMOCO :

• la modélisation, la conception, la fabrication et la commande robots continus pour des applications médicales ;
• la modélisation, la conception et la commande de robots parallèles ;
• la modélisation des systèmes à base d’origami actionnés par des matériaux actifs ;
• la modélisation et la commande de systèmes par une approche hamiltonienne à ports ;
• la commande de systèmes multiphysiques par des observateurs ;
• la conception et la fabrication de robots souples miniatures par impression 3D (impression multi-matériaux, impression 3D de résines actives)

Mise en œuvre

L’équipe ROMOCO se concentre sur les méthodes de modélisation et de commande sur des concepts innovants en perpétuant l’importance de la validation expérimentale du département AS2M. Nos réalisations s’appuient sur les moyens des plateformes de l’institut et nous pouvons citer :

• les robots continus à actionnement hybride pour les applications ORL ;
• les robots parallèles miniatures à plateformes configurables pour la micromanipulation rapide  et le tri de déchets;
• les robots souples à actionnement pneumatique, polymères diélectriques et HASEL (hydraulically amplified self-healing electrostatic)