CE33 - Interaction, robotique

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

MANIMAT

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

Enjeux et objectifs

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.<br /><br />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.<br /><br />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 alliages à mémoire de forme, et les polymères électroactifs 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 résultats sont en cours de production.

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.

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.

Coordinateur du projet

Monsieur Frédéric Chapelle (INSTITUT PASCAL)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ICube Laboratoire des sciences de l'Ingénieur, de l'Informatique et de l'Imagerie (UMR 7357)
IP INSTITUT PASCAL
Pprime Institut P' : Recherche et Ingénierie en Matériaux, Mécanique et Energétique

Aide de l'ANR 488 548 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2021 - 48 Mois

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