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1 - ACTIONNEURS PIÉZOÉLECTRIQUES

2 - ACTIONNEURS FLUIDIQUES FLEXIBLES

3 - ACTIONNEMENT PAR ALLIAGE À MÉMOIRE DE FORME (AMF)

4 - SYNTHÈSE

5 - CONCLUSION

6 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : S7769 v1

Actionneurs non conventionnels pour la robotique

Auteur(s) : Pierre LAMBERT, Jérôme SZEWCZYK, Pierre RENAUD

Relu et validé le 30 juil. 2021

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RÉSUMÉ

La robotique pénètre de nombreux secteurs industriels. L’actionnement d’un système robotique doit donc répondre à des besoins spécifiques en termes de compacité, précision, sécurité, dynamique ou compatibilité avec des environnements particuliers. Les actionnements conventionnels électromagnétiques ou hydrauliques peuvent alors montrer leurs limites. Cet article introduit les trois alternatives les plus fréquemment considérées aux performances complémentaires: actionnement piézoélectrique, par alliage à mémoire de forme (AMF), et fluidique flexible. Le principe de chaque solution est introduit, ainsi qu’un état de l’art, des éléments d’aide à la modélisation et à la mise en œuvre, et des exemples significatifs de l’intérêt de chaque technologie. Une analyse comparative est enfin réalisée.

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ABSTRACT

Robotics has now entered many industrial fields. Actuation technologies for robotics systems have to meet challenging needs for compactness, accuracy, safety, dynamics, and compatibility with specific environments. The performance of conventional electromagnetic or hydraulic actuators can sometimes be insufficient. This article introduces the three most often encountered alternative actuation technologies: piezoelectric actuation, shape memory alloy actuation, and flexible fluidic actuation. The principle of each one is outlined, with a review of existing actuators. Modeling and integration considerations are then developed, together with meaningful examples to illustrate the utility of each technology. A comparative study is lastly presented.

Auteur(s)

  • Pierre LAMBERT : Professeur chargé de cours - Laboratoire BEAMS, Université libre de Bruxelles, Bruxelles, Belgique

  • Jérôme SZEWCZYK : Professeur des universités - Laboratoire ISIR, Université Pierre-et-Marie-Curie Paris, France

  • Pierre RENAUD : Professeur des universités - Laboratoire ICube, INSA de Strasbourg, Strasbourg, France

INTRODUCTION

Un robot est un système mécatronique dans lequel l’association d’un mécanisme, de capteurs et d’actionneurs aboutit à un dispositif réalisant des tâches de manière autonome ou en collaboration avec l’homme. L’actionnement en robotique est bien entendu une problématique centrale : un actionneur est l’élément fournissant une énergie mécanique à la base de l’existence des mouvements d’un robot. Si la robotique a initialement été centrée sur des contextes industriels spécifiques, avec la réalisation de tâches répétitives, elle devient désormais omniprésente et ses contextes applicatifs sont donc aujourd’hui nombreux : domotique, santé, transports… Des contraintes d’intégration diverses et parfois très fortes pour l’actionnement émergent de ces nouveaux domaines applicatifs. Ainsi, en robotique médicale, les contraintes de compacité sont extrêmement fortes lorsqu’il s’agit de développer des outils chirurgicaux robotisés de taille millimétrique. Les impératifs de sécurité sont par ailleurs majeurs, et l’on souhaite pouvoir limiter matériellement les courses des outils pour assurer l’existence de mouvements gardés. Dans le contexte de la robotique mobile, le rapport poids/puissance des actionneurs est une caractéristique critique pour des raisons d’autonomie. En robotique bio-inspirée, on est par ailleurs conduit à considérer des solutions qui n’exploitent pas de simples mouvements de rotation ou translation pure, mais des mouvements correspondant à des déformations distribuées d’éléments de structure, qu’il s’agit de pouvoir actionner. De plus, le caractère compliant, i.e. non rigide, des actionneurs peut être un atout pour la réalisation de tâches robotiques. C’est le cas en robotique mobile, mais aussi par exemple en robotique collaborative, où l’interaction homme-robot peut être améliorée par la présence de compliances. L’association d’un actionneur électromagnétique et d’un élément compliant (donc souple), en série avec ce dernier peut être envisagée , mais avec un niveau d’intégration qui reste limité. Finalement, dans tous ces contextes, des stratégies d’actionnement conventionnelles trouvent leurs limites. Des solutions alternatives sont indispensables. Trois d’entre elles sont présentées dans cet article : actionneurs piézoélectriques, fluidiques flexibles et par alliage à mémoire de forme. Elles sont les plus largement exploitées si on les compare à d’autres technologies comme l’actionnement thermique, par changement de phase ou magnétostrictif dont l’usage est plus rare et plus spécifique aux faibles échelles (≤ 1 mm). Pour chaque technologie, le principe de base est d’abord introduit, avant de dresser un état de l’art des actionneurs développés. Des éléments d’aide à la modélisation et à la mise en œuvre sont ensuite présentés, avant de détailler les champs d’application à partir d’exemples significatifs issus d’applications industrielles ou en laboratoire. Une synthèse est alors réalisée avant de conclure sur l’utilisation de ces technologies d’actionnement.

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KEYWORDS

Robotics   |   Actuators   |   Flexible fluidic actuators   |   piezoelectric actuators   |   shape memory alloys

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-s7769


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - VANDERBORGHT (B.) et al -   Variable impedance actuators : A review, Robotics and Autonomous Systems,  -  Vol 61, pp 1601-1614 (2013).

  • (2) - HUBER (J.E.), FLECK (N.A.), ASHBY (M.F.) -   The selection of mechanical actuators based on performance indices,  -  Proc. R. Soc. Lond. A, 453:2185-2205 (1997).

  • (3) - RHEE (C.-H.) et al -   Multi-degree-of-freedom thin-film PZT-actuated microrobotic leg,  -  IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 21, n° 6, pp. 1492-1503 (2012).

  • (4) - NEWCOMB (C.V.), FLINN (I.) -   Improving the linearity of piezoelectric ceramic actuators,  -  IEE Electronics Letters, vol. 18, no. 11, pp. 442-443, May 1982.

  • (5) - TZOU (B.S.) -   Development of a light-weight robot end-effector using polymeric piezoelectric bimorph,  -  IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 1704-1709(1989).

  • ...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

  • Moteurs piézoélectriques.

  • Conception, modélisation et commande des systèmes microrobotiques.

  • Alliages à mémoire de forme.

  • Alliages à mémoire de formede type nickel titane – Fiches matériaux.

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