Les actionneurs pneumatiques donnent un robot guépard

Les moteurs électriques ont contribué à populariser les robots à pattes, offrant un moyen simple et compact de contrôler les membres robotiques avec toutes les fonctionnalités de contrôle sophistiquées dont vous avez besoin pour un mouvement sûr et agile. Ce que vous ne pouvez pas obtenir des moteurs électriques (plus d’une fois, en tout cas), c’est le type de puissance instantanée nécessaire pour correspondre aux performances des muscles biologiques. C'est pourquoi Atlas, sans doute le robot le plus puissant et le plus dynamique du marché à l'heure actuelle, utilise des actionneurs hydrauliques : pour faire faire un backflip à un robot à taille humaine, c'est à peu près le seul moyen d'obtenir la puissance dont vous avez besoin.

Inspirés par les manœuvres à grande vitesse des guépards, des roboticiens de l'Université du Cap, en Afrique du Sud, ont commencé à expérimenter le frère de la vieille école des actionneurs hydrauliques : le pneumatique. En utilisant du 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 conformité intégrée qui manque à l'hydraulique. La pneumatique est-elle facile à contrôler ? Non! Mais pour faire fonctionner un robot comme un guépard, il s’avère qu’un contrôle compliqué n’est peut-être même pas nécessaire.

« Nous affirmons qu'un contrôle précis 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 de ce qui ne va pas avec l'hydraulique, car l'hydraulique est compliquée, coûteuse et très compliquée si jamais elle explose, ce qui arrive parfois. Et si la nature non conforme du système hydraulique le rend plus facile à modéliser et à contrôler, elle le rend également moins indulgent dans une utilisation réelle. Si l'on remonte assez loin, dans les années 1980, lorsque Marc Raibert développait des robots dynamiques à pattes au MIT, ces robots qui couraient et sautaient reposaient sur la pneumatique plutôt que sur l'hydraulique, car la pneumatique était beaucoup plus facile à mettre en œuvre.

L’une des principales raisons pour lesquelles tout le monde semble utiliser l’hydraulique plutôt que la pneumatique de nos jours est que l’air est compressible, ce qui est idéal pour la conformité intégrée, mais perturbe la plupart des méthodes de contrôle traditionnelles. "Le contrôle précis de la force est difficile avec cet actionneur, et la plupart l'ont évité", explique Amir Patel, professeur agrégé à l'Université du Cap. « L'hydraulique n'est pas compressible et peut faire des choses étonnantes, 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 le pneumatique serait un bon actionneur, souvent négligé.

Patel a effectué d'énormes recherches sur la biomécanique des guépards. Nous en avons parlé dans le passé. (Par exemple, voici pourquoi les guépards ont une queue duveteuse.) Mais récemment, Patel a essayé de trouver des moyens de suivre la dynamique des guépards en très haute fidélité pour comprendre comment ils sont capables de se déplacer comme ils le font. Ce serait facile si les guépards coopéraient, mais d'après le bruit des choses, essayer de les faire courir directement sur une petite plaque de force ou faire la manœuvre que vous voulez tout en étant dans une vue idéale des caméras que vous avez installées est en quelque sorte un cauchemar. Une grande partie de ce travail est en cours, mais Patel en a déjà suffisamment appris 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 contrôler finement la force lorsqu'ils accélèrent à partir du repos", explique Patel. « Ils poussent aussi fort qu'ils le peuvent, ce qui nous fait penser qu'un actionneur marche/arrêt [également connu sous le nom de contrôleur bang-bang] comme un système pneumatique pourrait faire ce travail. Nous affirmons qu'un contrôle précis de la force n'est peut-être pas nécessaire pour les tâches de manœuvrabilité rapide.

« Nous nous concentrons sur la phase transitoire de la locomotion, comme une accélération rapide à partir d'un arrêt ou l'arrêt une fois que vous êtes à une allure rapide. » - Amir Patel, Université du Cap, Afrique du Sud

Patel (avec ses collègues Christopher Mailer, Stacey Shield et Reuben Govender) a construit un robot à pattes (ou la moitié d'un robot à pattes, en tout cas) 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 à entraînement quasi direct à couple élevé au niveau des hanches pour un positionnement plus fidèle, avec des pistons pneumatiques à haute force fixés aux genoux. Alors que les moteurs électriques offrent le type de contrôle précis que nous attendons des moteurs électriques, les pistons sont contrôlés par des vannes binaires simples (et bon marché) qui peuvent être activées ou désactivées. Les chercheurs ont déployé beaucoup d’efforts pour modéliser la dynamique complexe des actionneurs pneumatiques, car il faut après tout avoir une certaine compréhension de ce que font les pneumatiques. Mais encore une fois, le concept ici est d'utiliser le système pneumatique pour un actionnement explosif et d'obtenir un contrôle plus précis des moteurs électriques au niveau des hanches.