Mathieu
Les moteurs électriques ont aidé à populariser les robots à pattes en offrant un moyen simple et compact de contrôler les membres robotiques avec toutes les fonctionnalités de contrôle avancées nécessaires pour un mouvement sûr et agile. Ce que vous ne pouvez pas obtenir avec les moteurs électriques, c’est la puissance instantanée dont vous avez besoin pour égaler les performances des muscles biologiques. C’est pourquoi Atlas, qui est peut-être le robot le plus puissant et dynamique actuellement, utilise des actionneurs hydrauliques – pour effectuer un salto arrière avec un robot de taille humaine, c’est pratiquement la seule façon d’obtenir la puissance dont vous avez besoin.
Inspirés par les manœuvres rapides des guépards, les roboticiens de l’Université du Cap en Afrique du Sud ont commencé à expérimenter avec l’ancien frère des actionneurs hydrauliques : la pneumatisation. En utilisant un gaz comme fluide de travail au lieu d’un liquide, vous pouvez obtenir un rapport force-poids élevé dans un format relativement simple et peu coûteux, avec une compliance intégrée que les systèmes hydrauliques n’ont pas. Les systèmes pneumatiques sont-ils faciles à contrôler ? Pas vraiment ! Mais pour faire courir un robot comme un guépard, il s’avère que le contrôle compliqué n’est peut-être même pas nécessaire.
“Nous soutenons que le contrôle fin de la force n’est peut-être pas nécessaire pour une maniabilité rapide.” – Amir Patel, Université du Cap, Afrique du Sud
Tout d’abord, parlons des inconvénients des systèmes hydrauliques. Les systèmes hydrauliques sont compliqués, coûteux et très salissants s’ils explosent, ce qui arrive parfois. Et bien que la nature non conforme des systèmes hydrauliques les rende plus faciles à modéliser et à contrôler, elle les rend aussi moins indulgents dans une utilisation réelle. Si on remonte assez loin, dans les années 1980, lorsque Marc Raibert développait des robots à pattes dynamiques au MIT, ces robots qui couraient et sautaient comptaient sur des actionneurs pneumatiques plutôt que des systèmes hydrauliques, car la pneumatisation était beaucoup plus facile à mettre en œuvre.
Une des raisons principales pour lesquelles tout le monde semble utiliser des systèmes hydrauliques plutôt que des systèmes pneumatiques de nos jours est que l’air est compressible, ce qui est idéal pour une compliance intégrée mais perturbe la plupart des méthodes de contrôle traditionnelles. “Le contrôle fin de la force est difficile avec cet actionneur et la plupart d’entre eux l’ont évité”, explique Amir Patel, professeur associé à l’Université du Cap. “L’hydraulique n’est pas compressible et peut faire des choses incroyables, mais elle est un peu plus chère que la pneumatique. Et en examinant les animaux qui nécessitent un mouvement explosif de leurs membres, nous avons pensé que la pneumatique serait un actionneur intéressant, souvent négligé.”
Patel a effectué énormément de recherches sur la biomécanique des guépards. Nous en avons déjà parlé dans le passé. (Par exemple, voici pourquoi les guépards ont une queue touffue.) Mais récemment, Patel a tenté de trouver des moyens de suivre les dynamiques des guépards avec une très grande fidélité pour comprendre comment ils sont capables de se déplacer comme ils le font. Ce serait facile si les guépards coopéraient, mais d’après ce que l’on comprend, essayer de les faire courir directement sur une petite plaque de force ou de réaliser la manœuvre que vous voulez avec une vision idéale des caméras que vous avez installées relève du cauchemar. Une grande partie de ce travail est en cours, mais Patel a déjà appris suffisamment de choses pour suggérer une nouvelle approche de la locomotion inspirée des guépards. “D’après nos années d’étude des guépards ici en Afrique du Sud, il semble qu’ils n’essaient pas vraiment de faire un contrôle fin de la force lorsqu’ils accélèrent depuis l’arrêt”, explique Patel. “Ils poussent simplement aussi fort qu’ils peuvent – ce qui nous fait penser qu’un actionneur tout ou rien, comme la pneumatique, pourrait faire ce travail. Nous soutenons que le contrôle fin de la force n’est peut-être pas nécessaire pour les tâches de maniabilité rapide.”
Patel (avec ses collègues Christopher Mailer, Stacey Shield et Reuben Govender) a construit un robot à pattes (ou plutôt une moitié de robot à pattes) appelé Kemba pour explorer le type d’accélération rapide et de maniabilité que la pneumatique peut offrir. Les hanches de Kemba intègrent des moteurs électriques de haute puissance quasidirecte pour un positionnement plus précis, avec des pistons pneumatiques haute force fixés aux genoux. Alors que les moteurs électriques offrent le genre de contrôle précis que l’on attend des moteurs électriques, les pistons sont contrôlés par des valves binaires simples (et bon marché) qui peuvent être soit ouvertes, soit fermées. Les chercheurs ont beaucoup travaillé sur la modélisation de la dynamique complexe des actionneurs pneumatiques car il est tout de même nécessaire de comprendre ce que font les systèmes pneumatiques. Mais encore une fois, l’idée ici est d’utiliser la pneumatique pour une action explosive et d’obtenir un meilleur contrôle des moteurs électriques au niveau des hanches.
Avec un bras de soutien, le robot bimoteur (et stabilisé par un bras), Kemba, pèse 7 kilogrammes et est capable de sauter plusieurs fois jusqu’à 0,5 mètre avec un atterrissage contrôlé, et il atteint une hauteur de saut maximale d’1 mètre. Bien qu’il soit tentant de se concentrer sur des mesures telles que la hauteur de saut et la vitesse maximale, ce n’est vraiment pas l’objectif de la recherche, explique Patel. “Avec Kemba (et tous les robots et animaux que nous étudions dans mon laboratoire), nous nous concentrons sur la phase transitoire de la locomotion – comme l’accélération rapide à partir de l’arrêt ou la phase de repos une fois que vous avez atteint une vitesse de marche élevée. La plupart des articles ne se concentrent pas vraiment sur cette phase du mouvement. J’aimerais que davantage de laboratoires publient leurs résultats dans ce domaine afin que nous puissions avoir des mesures (et des données) à comparer.”
Patel aimerait que Kemba devienne éventuellement une plateforme que les biologistes pourraient utiliser pour comprendre la biomécanique de la locomotion animale, mais il est probable qu’il restera relié par un câble pour un avenir prévisible, explique Chris Mailer, premier auteur de l’étude. “Beaucoup de gens ont demandé quand nous allions construire l’autre moitié du robot ou s’il était réaliste pour Kemba de transporter un compresseur. Bien que cela serait formidable, ce n’était jamais l’objectif pour Kemba. L’objectif principal était d’exécuter et d’apprendre des mouvements inspirés de la nature plutôt que de se concentrer sur l’alimentation embarquée ou l’autonomie.”
Cela ne signifie pas que Kemba ne bénéficiera pas de certaines améliorations. Une colonne vertébrale et une queue pourraient être en développement, ce qui offrirait des degrés de liberté supplémentaires et permettrait des comportements plus dynamiques. Il reste encore beaucoup de chemin à parcourir avant que les robots à pattes ne se rapprochent de ce que peut faire un vrai guépard, mais l’approche pneumatique semble certainement prometteuse. Et tout ce qui peut réduire le coût des robots à pattes me convient, car j’attends toujours d’en avoir un à moi.
Source :
Getting Air: Modelling and Control of a Hybrid Pneumatic-Electric Legged Robot, de Christopher Mailer, Stacey Shield, Reuben Govender et Amir Patel de l’Université du Cap, a été présentée à ICRA 2023 à Londres.
