Robots parallèles continus

Les robots continus (RC) sont une nouvelle classe de manipulateurs développés pour améliorer les capacités d’interaction réduites des robots à corps rigides. Les RC sont généralement réalisés par un assemblage de corps flexibles fins (des tiges, aussi appelées « corps continus » en référence à la mécanique des milieux continus), et leur mouvement est obtenu en contrôlant les déformations des éléments flexibles constitutifs du robot. La flexibilité intrinsèque des RC permet de les utiliser dans de nombreux domaines où l’interaction humain-robot est fondamentale, tels que la chirurgie mini-invasive et les tâches de manipulation collaborative. Dans d’autres domaines, comme pour les tâches d’inspection qui bénéficient également de la capacité des robots à atteindre des formes complexes et à travailler dans des environnements confinés, leur grande flexibilité est attrayante.

La robotique continue est en plein essor, et l’utilisation croissante de RC dans différents domaines technologiques a motivé les chercheurs à proposer diverses conceptions. Naturellement, comme en robotique rigide, les conceptions de type sériel sont apparues les premières. Elles comprennent de nombreux robots, dont les exemples les plus représentatifs sont les RC à tubes concentriques (RCTC) et les RC actionnés par tendons (RCAT). Ces robots sont généralement de petites tailles, et sont intéressants pour des tâches d’insertion en milieux confinés, comme le corps humain. Leur taille est limitée par leur architecture sérielle : ils sont soumis à la gravité, et plus ils ont une taille importante, plus ils doivent être capables de soutenir leur poids propre. Généralement, ils sont limités à des dimensions de l’ordre de la dizaine ou vingtaine de centimètres, et à la manipulation de charges de quelques grammes.

Afin de contrebalancer ces inconvénients tout en conservant les propriétés de souplesse des RC, une autre classe de robots a été proposées : les robots parallèles continus (RPC). Ils sont obtenus par un assemblage en parallèle de plusieurs corps flexibles, reliés entre eux à leurs extrémités bien souvent, mais aussi à des positions intermédiaires, par des plateformes rigides, ce qui permet d’augmenter leur raideur intrinsèque. Ainsi, ils sont utilisés pour manipuler des charges plus lourdes (quelques dizaines, voire centaines de grammes), mais leur raideur intrinsèque permet aussi d’atteindre des précisions importantes à petite échelle (de l’ordre du nanomètre).

Les premiers travaux sur les RPC remontent à 2013. La majorité des travaux existants se focalisent sur la proposition de preuves de concept, la modélisation et l’analyse du comportement de ces robots. Plusieurs architectures de RPC ont été proposées, utilisant différentes stratégies d’actionnement (variation des longueurs des jambes flexibles, actionnement des jambes à l’extrémité, actionnement par tendons, etc).

Les modèles qui permettent de prédire le comportement des RPC sont très différents de ceux mis en jeux en robotique rigide. En effet, ces robots consistent en une structure flexible avec une infinité de degrés de liberté (ddl) passifs puisqu’ils se déforment de manière continue. Cela requiert d’utiliser des outils adaptés pour modéliser l’infinité de ddl. De plus, du fait de sa flexibilité, la configuration du robot dépend des paramètres géométriques mais aussi des efforts qui lui sont appliqués, par les actionneurs, la gravité, ou l’environnement. Le comportement du robot est donc donné par des modèles géométrico-statiques ou dynamiques. La modélisation géométrico-statique de ces robots a été le point d’intérêt principal de nombreux travaux. Il est souvent établi en utilisant la théorie des poutres de Cosserat : cette théorie permet d’obtenir un système d’équations différentielles ordinaires (EDO) non linéaires qui caractérisent l’équilibre statique.

Les solutions calculées à travers les modèles ne sont pas toutes atteignables. Certaines configurations sont stables, d’autres non : dans le cas où une configuration instable serait atteinte, une petite perturbation du système conduirait à sa reconfiguration interne par un mouvement dynamique potentiellement dangereux pour l’environnement. L’étude des configurations instables de ces robots est un enjeu majeur, au même titre que l’étude de leurs singularités, pour lesquelles des phénomènes d’instabilité de la commande peut arriver.

Aussi, dans cet article, après quelques généralités sur la robotique souple (section 1) et une présentation des différentes architectures existantes de RPC (section 2), leur modélisation géométrico-statique sera étudiée (section 3 pour une jambe de robot et section 4 pour le robot entier). Le problème de la vérification des propriétés de leur stabilité sera ensuite traité (section 5). Le modèle cinémato-statique sera décrit en section 6, afin de pouvoir analyser les différents types de singularités que peuvent rencontrer ces robots. Enfin, avant la conclusion, quelques notions non développées dans cet article seront abordées.