Approche intégrée matériaux actifs-procédé-commande pour la manipulation dextre avec préhenseurs souples – MANIMAT

Le projet développe une approche intégrée associant les matériaux actifs et souples, la conception robotique, la fabrication avancée et la commande, qui sont les domaines d’expertise des partenaires. Les élastomères fluidiques, les alliages à mémoire de forme et les polymères électroactifs sont considérés dans le projet.

Le travail est articulé autour de trois axes complémentaires, représentant les principaux lots de travail du projet. Ils regroupent des équipes issues des laboratoires Institut Pascal, ICube et Pprime :

• la conception et la modélisation, incluant le choix des géométries et matériaux adaptés aux exigences fonctionnelles des doigts (LT1) ;

• la fabrication, dont la maîtrise est cruciale pour garantir la qualité, la reproductibilité et la commandabilité des pièces produites (LT2) ;

• la commande, d’abord unitaire pour un doigt, puis coordonnée pour l’ensemble des doigts constituant le préhenseur (LT3).

Le lot LT1 concerne les domaines de la conception, de la modélisation et de l’Intelligence Artificielle. La méthodologie prend appui sur une modélisation à base d’éléments finis en temps réel et d’apprentissage profond afin d’obtenir des modèles de calcul rapide du comportement. De tels modèles sont mis en valeur dans la conception et la commande des doigts du préhenseur. Ils doivent être intégrés à l’architecture de commande de systèmes multi-axes pour la manipulation dextre développée par les partenaires. La CAO d’un doigt et du préhenseur est intégrée au lot.

Le lot LT2 concerne la fabrication multimatériaux pour la robotique. L’enjeu scientifique est ici d’obtenir, à partir d’un choix adapté de procédé, un dispositif fabriqué présentant des propriétés les plus proches possible de celles énoncées dans le cahier des charges. Un procédé innovant prenant appui sur des caractérisations expérimentales d’échantillons composites représentatifs est défini. Les technologies étudiées sont la fabrication additive multimatériaux et les procédés de prototypage de polymères, tels que la coulée sous vide.

Du point de vue de la commande (lot LT3), l’approche proposée s’appuie sur les travaux antérieurs du consortium et sur son framework de contrôle multi-axes en temps réel, basé sur des standards industriels de communication, de programmation et de mouvement. L’objectif est de sécuriser le haut niveau de coordination des articulations et des doigts afin de produire un mouvement parfaitement synchronisé.

Ces lots sont additionnés à un quatrième lot d'expérimentations (LT4) et à un lot supplémentaire de coordination (LT0). Des tests de fabrication d’échantillons représentatifs de matériaux actifs - enveloppes souples sont réalisés pour établir des règles de conception et de fabrication multimatériaux. La propriété de « self-sensing » des matériaux actifs est également étudiée et mise en œuvre. Des objets de taille courante, de forme et de poids variables, sont destinés à être utilisés pour tester les déplacements et les efforts en jeu.

LT1 Conception et modélisation

Les premiers travaux ont permis de dégager les possibilités de mobilité par déformation et de modélisation des différents types de matériaux actifs. Une thèse a développé une méthode généralisée d’analyse des préhenseurs et des indicateurs de manipulation dextre, fournissant ainsi une base pour l’analyse comparative. Une stratégie de contrôle basée simulation pour les doigts souples actionnés pneumatiquement a ensuite été développée à l’aide des éléments finis en temps réel de la plateforme SOFA. Deux méthodes d’inversion ont été explorées : l’optimisation quadratique et une approche fondée sur les réseaux de neurones. Les deux méthodes ont été évaluées sur plusieurs trajectoires. Quatre stages ont permis de mener des analyses intermédiaires sur l’utilisation du self-sensing et sur l’hybridation entre un élastomère fluidique et des alliages à mémoire de forme pour la raideur variable. Ces deux dernières approches ont permis d’ouvrir des perspectives post-projet et d’obtenir de nouveaux financements.

LT2 Fabrication multimatériaux

Un stage et une thèse ont développé plusieurs solutions :

• Une conception intégrée des doigts et des outillages anticipant les contraintes du procédé de fabrication dès la phase de conception.

• Une utilisation originale d’un dispositif d’injection à basse pression inspirée du domaine médical, résultant en une qualité de moulage élevée, caractérisée par l’absence de défauts de type incomplet.

• Une prise en compte des comportements complexes des silicones : hyperélasticité, viscoélasticité et sensibilité à la dégradation par effet Mullins. Ces difficultés ont été abordées par une phase de caractérisation matière et par la mise en place d’une procédure d’entraînement des doigts pour stabiliser le comportement et limiter l’influence de l’effet Mullins. Un stage de master a, de plus, évalué le potentiel de l’intégration des matériaux granulaires.

LT3-4 Commande et expérimentations

• Un banc d’essai pour l’évaluation des doigts prototypés en silicone a été mis en place par un post-doc. Ce banc s’appuie sur un système de contrôle temps réel modulaire industriel à base de PLC, de régulateurs de pression à haute précision et d’un système de motion capture dédié à l’analyse fine de la déformation des doigts à tester. Ce banc original permet de tester plusieurs doigts et offre la possibilité d’avoir un actionnement hybride associant actionneurs pneumatiques et actionneurs électriques.

• Une trentaine de doigts souples en silicone, déclinés en plusieurs versions, ont été fabriqués et testés. Quatre exemplaires d’une version multi-matériaux renforcée ont été développés pour des essais de préhension multidigitale.

• Un préhenseur à deux doigts a été développé comme preuve de concept intermédiaire, dont une version hybride multi-matériaux actifs.

• Un préhenseur souple hybride (flexion pneumatique/abduction-adduction électrique) à 3 doigts et son contrôleur ont été montés et sont en expérimentation.

La maîtrise de la conception, de la modélisation, de la fabrication et de la commande de préhenseurs souples constitue un levier scientifique important pour la manipulation d’objets fragiles et de formes variées. Elle ouvre des perspectives économiques dans des secteurs comme l’agroalimentaire, la santé ou la logistique tout en favorisant l’intégration de la robotique dans des contextes humains, avec des retombées sociales et culturelles en matière de sécurité, d’ergonomie et d’acceptabilité. Des variations d’échelle dimensionnelle sont envisageables si on prend en compte les limites d’endommagement des matériaux et les niveaux d’énergie d’activation. Les interactions homme-machine améliorées permettront de mieux familiariser les décisionnaires et les salariés des secteurs économiques, ainsi que le grand public, avec les domaines de la robotique souple, contribuant ainsi à l’acceptation de ces nouvelles technologies.

Le projet a en effet abouti à des retombées intéressant tout secteur économique utilisant la saisie d’objets, dont le fonctionnement traditionnel doit évoluer vers des méthodes plus flexibles, et dont la manipulation dextre permet de s’affranchir de la reconfiguration du bras robotique pour des ajustements de l’ordre de quelques cm et de dizaines de degrés potentiellement risqués en phase d’interaction homme-robot. Les retombées pourront être appliquées à une large gamme de situations impliquant des humains, permettant notamment :

• une meilleure adaptation à des tâches répétitives encore réalisées manuellement en raison du besoin de polyvalence ;

• la facilitation de réalisation de tâches non structurées ;

• un niveau de sécurité supplémentaire grâce à la souplesse, et ainsi :

• la réorganisation facilitée de tâches dans l’espace de travail partagé.

Ces situations faciliteront l'atteinte des Objectifs de Développement Durable par (i) l’augmentation de l'efficacité de la production et l’amélioration des conditions de travail ; (ii) la promotion de l'innovation et le développement d'infrastructures résilientes. Les domaines scientifiques bénéficiant des retombées du projet sont la conception robotique, la modélisation des matériaux souples et actifs pour le calcul rapide, les applications de l’Intelligence artificielle à la modélisation d’architectures mécaniques, la fabrication multimatériaux et la commande des robots souples pour la préhension. L’approche scientifique retenue demeure transposable à d’autres types de dispositifs robotiques souples.

Plusieurs pistes de développement sont envisagées pour prolonger et approfondir les résultats obtenus, notamment l’intégration de capteurs. Deux projets dérivés ont déjà commencé : un projet I-Site CAP20-25 et un projet NAQ (Nouvelle-Aquitaine).

Revues internationales à comité de lecture
[1] A. Pagoli, F. Chapelle, J.-A. Corrales-Ramon, Y. Mezouar, et Y. Lapusta, « Review of soft fluidic actuators: classification and materials modeling analysis », Smart Materials and Structures, vol. 31, no 1, p. 013001, 2021, doi: 10.1088/1361-665X/ac383a.
[2] A. Pagoli, F. Chapelle, J. A. Corrales, Y. Mezouar, et Y. Lapusta, « A soft robotic gripper with an active palm and reconfigurable fingers for fully dexterous in-hand manipulation », IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 6, no 4, p. 7706-7713, 2021, doi: 10.1109/LRA.2021.3098803.
[3] V. Loboda, A. Sheveleva, F. Chapelle, et Y. Lapusta, « Impact of an interface electrode charge and materials polarization to a conductive interface crack », Mechanics Research Communications, p. 103923, 2022, doi: 10.1016/j.mechrescom.2022.103923.
[4] A. Pagoli, F. Chapelle, J.-A. Corrales-Ramon, Y. Mezouar, et Y. Lapusta, « Large-Area and Low-Cost Force/Tactile Capacitive Sensor for Soft Robotic Applications », Sensors, vol. 22, no 11, p. 4083, 2022, doi: 10.3390/s22114083.

Communication internationale
Présentation invitée
[1] O. Piccin, « Manufacturing of soft robots with polymers and elastomers », 10th International Conference on Biomimetic and Biohybrid Systems, Workshop on “Perspective for soft robotics: the field’s past and future,” Juil. 2021.

Communications nationales
Présentation invitée
[1] O. Piccin, « Design and Manufacturing: Basics and Importance of Material-Process-Shape Relationships », Summer school on the topic of deformation in robotics, Lille, France, Juil. 2022.
Présentation poster
[2] M. Otti, A. Pagoli, F. Chapelle, B-C. Bouzgarrou, Y. Lapusta, « A soft dexterous manipulator integrating smart materials », Summer school on the topic of deformation in robotics, Lille, France, Juil. 2022.
[3] B. Kraehn, L. Meylheuc, O. Piccin, « Design and manufacturing of a flexible gripper for dexterous manipulation », Summer school on the topic of deformation in robotics, Lille, France, Juil. 2022.

L’objectif du projet MANIMAT (MANIpulation dextre avec MATériaux actifs et souples) est d’apporter une solution à l’enjeu scientifique et technologique de l’obtention d’un préhenseur souple adapté simultanément à la polyvalence de saisie d’objets par adaptation passive de forme et à la variation de configuration des objets depuis l’intérieur du préhenseur.

En effet, avec l’évolution de la robotique de service et industrielle, les exigences liées à la préhension sont de plus en plus complexes et vont au-delà de la prise par simple serrage, suffisant dans des contextes où l’environnement et les éléments saisis sont maîtrisés. Avec les préhenseurs souples, la communauté scientifique recherche la polyvalence de saisie d’objets maximale. Or ce type de préhenseurs est mal adapté actuellement à la manipulation dextre, c’est-à-dire à la possibilité de piloter la position et l’orientation des objets au cours de la saisie.

Notre solution apporte une réponse à cet enjeu basée sur les deux hypothèses suivantes : (i) possibilité de synthèse d’un doigt souple ayant un type de fléchissement commandable adapté à la manipulation dextre et exerçant des efforts de contact suffisants, (ii) développement à partir de ce doigt d’un préhenseur multi-digital ayant les mobilités nécessaires entre les doigts et la paume. La méthodologie développe une approche intégrée associant matériaux actifs et souples, conception robotique, fabrication avancée, et commande, qui sont les domaines d’expertise des partenaires. Les élastomères fluidiques, les polymères électroactifs, et les matériaux à mémoire de forme sont considérés dans ce projet, leur combinaison partielle ou complète permettant d’apporter des bénéfices sur les performances attendues. Nous construisons au cours de ce projet des modèles innovants à calcul rapide rendant compte du comportement des structures souples intégrant des matériaux actifs. Ces modèles sont nécessaires pour concevoir et fabriquer, suivant une démarche « multi-matériaux », une forme externe et un agencement interne au doigt et au préhenseur. Ils doivent de plus être intégrés dans l’architecture de commande basée sur la manipulation dextre pour systèmes poly-articulés multi-axes développée dans le passé par le consortium. Des tests de fabrication d’échantillons représentatifs matériaux actifs - enveloppes souples sont également réalisés pour établir des règles de conception et de fabrication multi-matériaux. La propriété de « self-sensing » des matériaux actifs est également investiguée et implémentée. Le projet est discrétisé en quatre lots de travail principaux : conception multi-matériaux, fabrication multi-matériaux, conception modulaire, et évaluation expérimentale. Il regroupe des équipes issues des laboratoires Institut Pascal, ICube et Pprime.

Les domaines pouvant bénéficier des retombées du projet sont la conception robotique pour une approche multi-matériaux, la modélisation des matériaux intelligents pour le calcul rapide, les applications de l’Intelligence Artificielle sur la modélisation et l’optimisation de matériaux et structures robotiques, la fabrication multi-matériaux, et la commande des robots souples pour la préhension. L’approche scientifique retenue reste transposable à d’autres types de dispositifs robotiques.