Les robots industriels sont depuis longtemps capables de saisir un objet. La dextérité de leurs préhenseurs est néanmoins loin d’égaler celle des animaux ou des humains. Ils manipulent  des objets avec peu de variation et de surcroît dans un environnement fermé. Les robot ouvrent aujourd’hui les portes de nos foyers. Programmables ou autonomes, ils doivent apprendre à interagir. Le nouveau défi : une préhension efficace ! Quelles sont les solutions ? Voici quelques pistes.

Les buts de la préhension

La préhension ne ne suffit pas à elle-même. Elle est plutôt la première étape. Mais la qualité de la préhension déterminera la faisabilité des étapes suivantes. Nous aborderons différents systèmes qui permettent la saisie d’objets variés.

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L’exécution de certaines tâches nécessite une identification préalable à la réussite de cette manipulation. Il est ainsi nécessaire qu’un verre soit reconnu afin qu’il ne soit pas renversé. De la même manière, une assiette de purée ne pourra être saisie par le robot que dans la mesure où il l’a reconnue comme telle. Ne pas saisir l’assiette de purée par… la purée est essentiel.

Le robot doit être capable d’approcher le préhenseur (main, pince, etc.) jusqu’à l’objet. L’objet pourra ensuite être:

       –  transporté : la saisie permettra donc de soulever l’objet et de le porter

       – manipulé : le mode de saisie aura donc un impact important. De fait, si vous voulez ouvrir un pot de confiture, vous ne prendrez pas          le pot à l’envers. Vous le saisirez en plaçant la main sur le couvercle et un doigt de chaque côté sous le couvercle.

      – destiné à une interaction avec d’autres objets (un pot et son couvercle), d’autres robots (un objet est donné par un robot à un autre           pour le transporter) ou des humains (le robot apporte un verre à un humain)

La maîtrise chez les êtres vivants

Pour notre part, nous saisissons avec nos mains. D’autres animaux utilisent d’autres organes pour attraper, manipuler ou tenir :

  • la queue pour certains singes
  • les pinces pour les crabes
  • la gueule pour le chien ou la lionne lorsqu’ils saisissent une balle (enfin perso je ne joue pas à la balle avec une lionne) ou leurs petits
  • La trompe pour l’éléphant
  • La langue pour le caméléon
  • Les tentacules pour la pieuvre

Chez l’homme, la préhension s’apprend et nécessite plusieurs mois. l’enfant va progresser dans la saisie à l’aide de la boucle de rétroaction. Il doit aussi développer sa dextérité en coordonnant ses doigts, puis ses mains. Ensuite, il affinera la force exercée dans ses prises.

Les contraintes de la préhension

Les contraintes vont être déterminées par l’objet lui-même et son utilisation.

La force de la saisie doit être appliquée en fonction de celui-ci, de sa fragilité et de son poids. Il faut ne pas le serrer trop fort pour éviter de l’abîmer mais le tenir suffisamment pour le soulever.

Il y une notion de précision, d’une part dans l’approche de préhenseur et d’autre part dans la façon de saisir l’objet. Je vous disais tout à l heure que toutes les parties d’un objet ne sont pas forcément préhensibles (ex l’assiette de purée). Par ailleurs, suivant son utilisation, l’objet devra être saisi d’une certaine manière.

Les types de préhenseur

La robotique industrielle utilise depuis ses débuts les préhenseurs, la saisie des objets est la tâche courante pour la majorité des robots installées. Dans ce domaine, les objets sont bien souvent connus et réguliers et les préhenseurs peuvent donc être très spécifiques.  Je parle depuis le début de préhenseur et non de pince, ou de main, car justement vous allez découvrir qu’il existe d’autres manières de saisir un objet. J’ai recensé 6 types de préhenseurs.

les voici :

Le préhenseur électrique

C’est évidemment, celui qui vient le premier à l’esprit. C’est une pince ou une main robotique actionnée par des moteurs électriques. Les robots programmables pour particulier utilisent majoritairement ce type de pince.

Servomoteur avec limitateur de torsion à ressort
Servomoteur avec limitateur de torsion à ressort

Le préhenseur pneumatique

Vous l’avez peut-être découvert avec les lego Technic. L’idée est d’utiliser des gaz (de l’air le plus souvent) sous pression pour créer un mouvement mécanique. La pression va s’exercer sur un actionneur comme un vérin qui permettra par exemple de fermer ou ouvrir une pince.

 


Pince pneumatique en lego

 

 


Main pneumatique sous-actionnée qui peut être facilement connecté à un bras robotique

 

Le préhenseur hydraulique 

Il fonctionne sur le même principe que le pneumatique sauf que cette fois-ci, c’est un liquide (de l’huile) qui est utilisé sous pression. L’hydraulique est nettement plus puissance que le pneumatique. L’exemple courant est la pelle sur chenille que vous voyez sur les chantiers.

 

grue forestière CRAB-3000
grue forestière avec système hydraulique

 

Le préhenseur magnétique

C’est un électro-aimant (parfois aimant permanent avec dispositif pour la séparation). l’objet doit être ferreux. En outre, il peut être mal accroché.

Préhenseur magnétique industriel
Préhenseur magnétique industriel

Le préhenseur par aspirations

L’industrie utilise des préhenseurs qui fonctionne par vide d’air. L’idée est de poser le préhenseur sur l’objet, de faire le vide dans une cavité à l’intérieur du préhenseur qui va créer un effet d’aspiration et maintenir l’objet. Il peut être alors facilement manipuler. L’inconvénient est que cela ne s’applique pas à tous les objets.

Système de préhension par le vide
Système de préhension par le vide

Le préhenseur par déformation

Nous reparlerons un peu plus loin de ce type de préhenseur. Il inspire beaucoup les chercheurs. L’idée est d’utiliser l aspiration mais cette fois-ci sur une poche contenant du liquide ou des granulés. Le préhenseur se pose sur l’objet et prend sa forme. Ensuite, la dépression resserre  la poche qui va ainsi adhérer  à l’objet.

 

 

Dans l’utilisation de robots personnels, vous pouvez imaginer utiliser des préhenseurs variés et différents. De même, suivant les objets à saisir et son utilisation, vous aurez à définir la façon de le saisir.

La bio-inspiration

Tout est dit dans le nom, c’est utiliser ce que la nature a conçu pour l’appliquer à nos problèmes. Pour plus d’informations, vous pouvez lire mon article sur la bio-inspiration.

La main

La main est l’une des réalisations de la nature que les robots nous envient beaucoup 🙂 ! Effectivement, c’est un organe avec une grande dextérité. Seulement, la main possède 21 muscles intrinsèques et 15 muscles extrinsèques (c’est à dire situé sur l’avant-bras mais agissant sur la main).

Les mains artificielles (pour les robots ou pour les humains) n’ont pas la richesse gestuelle de la main naturelle de l’homme. Elles sont néanmoins très habiles. La loi de Paro s’appliquent, et finalement une main artificielle avec 20% de la capacité des de la main humaine arrivent à réaliser 80% des tâches usuelles.

 


La Shadow Dexterous Hand équipée de 20 degrés de libertés, capteurs de force et contacts

Et n’oublions pas qu’il n’est pas nécessaire d’enfoncer une punaise avec un marteau. Dans de nombreuses applications, un système nettement plus simplifié que la main sera satisfaisant.

L’inspiration du caméléon

Festo est une société allemande qui utilise beaucoup la bio-inspiration. Ainsi, ses ingénieurs se sont inspirés du caméléon pour faire un système de préhension par déformation : le FlexShapeGripper. Le caméléon pour attraper sa proie a une langue qui va épouser la forme de l’insecte et se rétracter en son milieu pour donner un effet ventouse. Ce principe va permettre de s’affranchir des contraintes de précision et de dosage de la force.

Le FlexShapeGripper agit de même. il place une cuillère dans une tasse ou saisit la tasse par son anse et la maintient droite.


Le FlexShapeGripper de Festo

La nageoire caudale du poisson 

Festo s’est inspiré une nouvelle fois de la nature pour cette pince FinGripper. Chaque tige réagit comme la nageoire caudale du poisson. Elle se déforme pour épouser la pression qui s’exerce. Ainsi sans capteur, la pince est capable de s’adapter à la forme de l’objet et de le saisir que ce soit un oeuf ou un verre. Vous pouvez voir que l’objet est enveloppé et bien maintenu.

Démonstration de la pince FinGripper de Festo

Dans la seconde vidéo, cette pince est couplée à un bras robotique inspiré de la trompe de l’éléphant. Il est actionné par air comprimé, ce qui lui donne une grande liberté de mouvement.

J’ajoute une dernière vidéo, c’est la réalisation d’une pince basée sur ce principe avec une imprimante 3D et quelques trombones !


réalisation du pince du type FinGripper à partir d’une imprimante 3D.

La robotique douce

Un nouveau courant  a fait son apparition : la robotique douce. C’est la robotique qui utilise des matières souples et déformables. Avec une utilisation fine des propriétés physiques de ces matériaux, il est possible d’avoir de très jolis résultats.
L’adhérence électrostatique
L’école Polytechnique Fédérale de Lausanne a réalisé une pince en silicone souple actionnée par des lames d’électrodes sensibles et flexibles. La forme des doigts a été étudié pour permettre de passer en flexion lorsque le courant passe dans les électrodes. La forme particulière de celles-ci permet de créer une électroadhésion. Ainsi l’objet est tenu avec force, mais n’est pas saisi fortement. Elles peuvent ainsi saisir des objets relativement lourds par rapport à leur taille (jusqu’à 80 fois leur masse) et ont la capacité d’agripper des objets de formes très diverses du morceau de carton plat à l’œuf.

Présentation de la pince de l’école polytechnique fédérale de Lausanne
 C’est la première fois selon Jun Shintake, doctorant à l’EPFL qui la robotique douce et l’électro-adhérence sont associés pour saisir des objets.
Les pinces souples de Soft robotics

Soft Robotics a développé un système de tentacules souples qui s’adapte « spontanément » à l’objet que ce soit des tomates, des cacahuètes ou  un sac d’écrous. En fait, de l’air sous pression vient contracter les pinces. La souplesse de celles-ci va leur permettre d’entourer l’objet. Les vidéos sont assez impressionnantes.

Pince de Soft Robotics
Pince de Soft Robotics
Pince de Soft Robotics
Détail du principe de préhension de Soft Robotics

Démonstration de la pince de Soft Robotics

2eme démonstration de la pince de Soft Robotics

 Conclusion

Pour conclure, je rappellerais que le préhenseur que ce soit une pince, une main, un aimant n’est qu’un des aspects de la tâche. Cette vidéo montre le montage d’un meuble ikea par un robot. La préhension est finalement une phase assez simple par rapport à toutes les tâches que ces robots doivent résoudre juste pour placer une cheville.

Fondateur de VieArtificielle.com et Robopolis.com, ingénieur UTC : Je m’intéresse aux robots autonomes par le prisme des sciences cognitives (les différentes « intelligences » présentes dans le robot), l’apprentissage, les comportements émergents) .