La « robotique souple » peut-elle ouvrir une nouvelle frontière pour les bras robotiques rigides ?

Le désir de l'humanité de remplacer le travail manuel par des machines n'est pas nouveau, et de temps à autre, une avancée majeure ravive ce rêve. Cette année, les robots humanoïdes lancés par des entreprises comme Tesla et Xiaomi ont relancé l'intérêt pour la robotique.

Cependant, la dure réalité demeure : avant que les machines ne puissent remplacer totalement les humains, une collaboration homme-machine étendue est indispensable. Le paysage robotique actuel reste largement englué dans une période marquée par le manque de produits révolutionnaires ou de technologies de rupture.

Prenons l'exemple des bras robotisés, une des technologies les plus anciennes et les plus répandues. Qu'il s'agisse des bras industriels traditionnels ou des modèles collaboratifs plus récents, les objectifs principaux restent la rapidité et la précision de la production. Mais à mesure que les applications impliquant une interaction physique étroite avec l'humain se multiplient, la demande évolue vers une sécurité accrue.

Le secteur industriel étant parvenu à saturation, le marché des bras robotisés a besoin de nouvelles opportunités de croissance.

Imaginez un bras robotisé à la fois flexible, sûr et permettant une interaction directe. Une telle conception repousse les limites des usages industriels traditionnels et ouvre la voie aux secteurs des services et à bien d'autres domaines.

Une nouvelle génération de bras robotisés a vu le jour pour répondre à cette demande : des structures souples et adaptables, ainsi qu’un contrôle intelligent, sont désormais disponibles. Ces systèmes se déclinent en diverses configurations, notamment des versions à articulations flexibles, télescopiques et des conceptions hybrides rigides-flexibles. Ces nouvelles formes reposent sur des innovations de rupture dans les domaines des matériaux, des structures et de l’actionnement.

Cette évolution repose sur une conviction de longue date dans les technologies de pointe et la robotique. L'accent est désormais mis sur des équipes visionnaires et des technologies originales capables de repenser en profondeur les systèmes robotiques fondamentaux.

Contrairement aux bras robotiques classiques, ces nouveaux bras souples ressemblent à des trompes d'éléphant : flexibles, organiques et agiles. Cette approche biomimétique représente une rupture majeure avec les articulations rigides motorisées.

L'innovation majeure réside dans la conception même du système. Au lieu d'articulations mécaniques rigides actionnées par des moteurs et des réducteurs, les nouveaux bras utilisent des ensembles d'articulations flexibles, appelées « muscles », constituées de matériaux souples. Ces articulations sont actionnées par des actionneurs hydrauliques, appelés systèmes SlimDrive, qui offrent une souplesse et une adaptabilité supérieures.

Ces actionneurs souples, issus des technologies microfluidiques, utilisent un contrôle précis de la pression d'air pour générer les mouvements. Chaque articulation flexible se compose généralement de 3 à 6 actionneurs souples : une structure optimisée pour le mouvement tridimensionnel tout en minimisant le coût des matériaux.

À l'intérieur du bras, de l'air comprimé circule dans des tubes interconnectés jusqu'aux actionneurs souples, qui se dilatent ou se contractent pour contrôler le mouvement. En modulant la pression d'air dans chaque actionneur, le bras peut effectuer des changements de direction précis et fluides.

Cette conception permet un fonctionnement sûr dans des environnements complexes, notamment pour l'interaction homme-machine, les espaces confinés et les milieux encombrés d'obstacles. Elle est particulièrement précieuse pour les tâches nécessitant une manipulation délicate, comme l'interaction avec des objets fragiles ou sensibles.

Au niveau du contrôle, les algorithmes restent similaires à ceux des bras traditionnels : ils suivent le mouvement de l’extrémité et calculent la cinématique inverse de chaque articulation. Cependant, l’augmentation des degrés de liberté et la non-linéarité du matériau complexifient la planification des mouvements, ce qui exige de nouvelles approches pour un contrôle optimal.

Le principal défi de la robotique souple réside dans la refonte complète de l'architecture du système. Étant donné que tout, des matériaux au contrôle du mouvement, est fondamentalement différent, il n'existe aucune solution open source prête à l'emploi.

Mais c'est aussi ce qui confère à ces systèmes leurs avantages distincts :

Une flexibilité sans précédent :

Les bras souples peuvent atteindre six degrés de liberté, comme les bras rigides traditionnels. Mais grâce à des degrés de liberté internes supplémentaires dus à la redondance des actionneurs, ils peuvent effectuer des manœuvres complexes dans des espaces restreints, éviter les obstacles plus efficacement et réduire l'encombrement.

Amélioration de la sécurité dans l'interaction homme-machine :

Les bras collaboratifs traditionnels s'appuient sur des capteurs et des systèmes de vision pour garantir la sécurité. Cependant, en cas de défaillance de ces derniers, leur rigidité et leur inertie intrinsèques peuvent néanmoins engendrer des blessures. Les bras souples, en revanche, sont intrinsèquement plus sûrs : plus légers, plus flexibles et actionnés par des fluides compressibles qui absorbent les chocs.

Léger mais avec une capacité de charge élevée :

Le poids est souvent un facteur limitant pour les robots mobiles et de service. Les bras souples permettent de s'affranchir de ce compromis, offrant un rapport charge utile/poids pouvant atteindre 3:1. Par exemple, un bras souple de 3 kg peut manipuler des charges supérieures à 10 kg, grâce à la grande élasticité de ses actionneurs et à l'utilisation d'air comprimé plutôt que de moteurs lourds.

Meilleur rapport coût-efficacité :

Grâce à leur structure simple, les bras souples éliminent bon nombre des composants les plus coûteux des bras traditionnels, tels que les moteurs, les réducteurs et les contrôleurs, qui représentent à eux seuls plus de 70 % du coût total de nombreux systèmes robotiques. Il en résulte une solution performante avec une chaîne d'approvisionnement plus efficace et évolutive.

L'intégration de bras robotiques souples aux drones représente une application prometteuse. Les bras robotiques traditionnels sont difficiles à monter sur des drones en raison de leur poids et de leur rigidité. En revanche, les bras souples peuvent être conçus pour répondre à des exigences strictes en matière d'espace et de flexibilité, permettant ainsi la manipulation aérienne, la préhension à distance, la livraison d'objets et l'inspection.

Lors des inspections, ces bras souples contribuent à prévenir les problèmes tels que le blocage des portes, la navigation dans les espaces restreints des équipements et la réalisation d'opérations de contact en toute sécurité. Au-delà des drones, ils seront également intégrés aux robots terrestres mobiles (par exemple, les AGV/AMR), ouvrant la voie à de nouvelles générations de systèmes intelligents composites.

Dans le secteur des services, l'avenir est encore plus prometteur. Grâce à leur faible coût, leur conception légère, la sécurité des interactions humaines qu'ils permettent et leur déploiement rapide, les bras robotiques souples ne sont pas destinés à remplacer les bras traditionnels, mais à les compléter. Si les bras rigides continueront de dominer les applications industrielles lourdes, les bras souples sont sur le point d'ouvrir de nouvelles perspectives dans des domaines émergents tels que les soins à la personne, la logistique, l'éducation et les services à domicile.