Les robots mous rendent les gants de réalité virtuelle plus réels

Les robots souples, ou ceux fabriqués avec des matériaux comme le caoutchouc, les gels et les tissus, présentent des avantages par rapport à leurs homologues plus durs et plus lourds, en particulier lorsqu’il s’agit de tâches qui nécessitent une interaction humaine directe. Des robots qui pourraient aider en toute sécurité et en douceur les personnes à mobilité réduite à faire l’épicerie, à préparer les repas, à s’habiller ou même à marcher changeraient sans aucun doute leur vie.

Cependant, les robots mous manquent actuellement de la force nécessaire pour effectuer ce genre de tâches. Ce défi de longue date – rendre les robots mous plus forts sans compromettre leur capacité à interagir en douceur avec leur environnement – a limité le développement de ces dispositifs.

Avec la relation entre la force et la douceur à l’esprit, une équipe d’ingénieurs de Penn a conçu un nouvel embrayage à commande électrostatique qui permet à une main robotique douce de pouvoir tenir 4 livres, soit environ le poids d’un sac de pommes, soit 40 fois plus. que la main ne pourrait soulever sans l’embrayage. De plus, la capacité d’effectuer cette tâche nécessitant à la fois un toucher doux et de la force a été accomplie avec seulement 125 volts d’électricité, soit un tiers de la tension requise pour les embrayages actuels.

Leur approche sûre et à faible consommation d’énergie pourrait également permettre des dispositifs robotiques souples portables qui simuleraient la sensation de tenir un objet physique dans des environnements de réalité augmentée et virtuelle.

James Pikul, professeur adjoint en génie mécanique et mécanique appliquée (MEAM), Kevin Turner, professeur et président du MEAM avec une nomination secondaire en génie des sciences des matériaux, et leur doctorat. étudiants, David Levine, Gokulanand Iyer et Daelan Roosa, ont publié une étude dans Robotique scientifique décrivant un nouveau modèle d’embrayages électroadhésifs basé sur la mécanique de la fracture, une structure mécanique capable de contrôler la rigidité des matériaux robotiques mous.

Grâce à ce nouveau modèle, l’équipe a pu réaliser un embrayage 63 fois plus résistant que les embrayages électro-adhésifs actuels. Le modèle a non seulement augmenté la capacité de force d’un embrayage utilisé dans leurs robots mous, mais il a également diminué la tension requise pour alimenter l’embrayage, rendant les robots mous plus forts et plus sûrs.

Les mains robotiques souples actuelles peuvent tenir de petits objets, comme une pomme par exemple. Étant douce, la main robotique peut délicatement saisir des objets de différentes formes, comprendre l’énergie nécessaire pour les soulever et devenir suffisamment raide ou tendue pour ramasser un objet, une tâche similaire à la façon dont nous saisissons et tenons les choses dans nos propres mains.

Un embrayage électroadhésif est un dispositif mince qui améliore le changement de rigidité des matériaux, ce qui permet au robot d’effectuer cette tâche. L’embrayage, semblable à un embrayage dans une voiture, est la connexion mécanique entre les objets en mouvement dans le système. Dans le cas des embrayages électro-adhésifs, deux électrodes revêtues d’un matériau diélectrique s’attirent l’une vers l’autre lorsqu’une tension est appliquée. L’attraction entre les électrodes crée une force de friction à l’interface qui empêche les deux plaques de glisser l’une sur l’autre. Les électrodes sont fixées au matériau flexible de la main robotique.

En activant l’embrayage avec une tension électrique, les électrodes collent les unes aux autres et la main robotique supporte plus de poids qu’elle ne le pouvait auparavant. La désactivation de l’embrayage permet aux plaques de glisser l’une sur l’autre et à la main de se détendre, de sorte que l’objet peut être libéré.

Les modèles traditionnels d’embrayages sont basés sur une simple hypothèse de frottement coulombien entre deux disques parallèles, où le frottement empêche les deux disques de l’embrayage de glisser l’un sur l’autre. Cependant, ce modèle ne capture pas la manière dont les contraintes mécaniques sont réparties de manière non uniforme dans le système et, par conséquent, ne prédit pas correctement la capacité de force d’embrayage. Il n’est pas non plus assez robuste pour être utilisé pour développer des embrayages plus solides sans utiliser de hautes tensions, des matériaux coûteux ou des processus de fabrication intensifs. Une main robotique avec un embrayage créée à l’aide du modèle de friction peut être capable de ramasser un sac entier de pommes, mais nécessitera des tensions élevées qui la rendent dangereuse pour l’interaction humaine.

“Notre approche aborde la capacité de force des embrayages au niveau du modèle”, explique Pikul. “Et notre modèle, le modèle basé sur la mécanique des fractures, est unique. Au lieu de créer des embrayages à plaques parallèles, nous avons basé notre conception sur des joints à recouvrement et examiné où des fractures pourraient se produire dans ces joints. Le modèle de friction suppose que la contrainte sur le système est uniforme, ce qui n’est pas réaliste. En réalité, les contraintes sont concentrées en différents points, et notre modèle nous aide à comprendre où se trouvent ces points. L’embrayage résultant est à la fois plus solide et plus sûr car il ne nécessite qu’un tiers de la tension par rapport aux embrayages traditionnels .”

“Le cadre et le modèle de mécanique de la rupture dans ce travail ont été utilisés pour la conception de joints collés et de composants structuraux pendant des décennies”, explique Turner. “Ce qui est nouveau ici, c’est l’application de ce modèle à la conception d’embrayages électro-adhésifs.”

L’embrayage amélioré des chercheurs peut désormais être facilement intégré dans des dispositifs existants.

“Le modèle basé sur la mécanique de la rupture fournit un aperçu fondamental du fonctionnement d’un embrayage électro-adhésif, nous aidant à les comprendre plus que le modèle de friction ne le pourrait jamais”, déclare Pikul. “Nous pouvons déjà utiliser le modèle pour améliorer les embrayages actuels simplement en apportant de très légères modifications à la géométrie et à l’épaisseur des matériaux, et nous pouvons continuer à repousser les limites et à améliorer la conception des futurs embrayages grâce à cette nouvelle compréhension.”

Pour démontrer la force de leur embrayage, l’équipe l’a attaché à un doigt pneumatique. Sans l’embrayage des chercheurs, le doigt était capable de supporter le poids d’une pomme tout en étant gonflé dans une position recourbée ; avec elle, le doigt pourrait en contenir un sac entier.

Dans une autre démonstration, l’embrayage a pu augmenter la force d’une articulation du coude pour pouvoir supporter le poids d’un bras de mannequin à la faible demande d’énergie de 125 volts.

Les travaux futurs que l’équipe est ravie d’approfondir incluent l’utilisation de ce nouveau modèle d’embrayage pour développer des dispositifs portables de réalité augmentée et virtuelle.

“Les embrayages traditionnels nécessitent environ 300 volts, un niveau qui peut être dangereux pour l’interaction humaine”, explique Levine. “Nous voulons continuer à améliorer nos embrayages, en les rendant plus petits, plus légers et moins coûteux en énergie pour amener ces produits dans le monde réel. À terme, ces embrayages pourraient être utilisés dans des gants portables qui simulent la manipulation d’objets dans un environnement VR.”

“Les technologies actuelles fournissent une rétroaction par le biais de vibrations, mais la simulation d’un contact physique avec un objet virtuel est limitée avec les appareils d’aujourd’hui”, explique Pikul. “Imaginez avoir à la fois la simulation visuelle et le sentiment d’être dans un autre environnement. La réalité virtuelle et la réalité augmentée pourraient être utilisées dans la formation, le travail à distance ou simplement pour simuler le toucher et le mouvement pour ceux qui n’ont pas ces expériences dans le monde réel. Cette technologie nous rapproche de ces possibilités.”

L’amélioration des interactions homme-robot est l’un des principaux objectifs du laboratoire de Pikul et les avantages directs que présente cette recherche alimentent leurs propres passions pour la recherche.

“Nous n’avons pas encore vu beaucoup de robots mous dans notre monde, et c’est en partie dû à leur manque de force, mais nous avons maintenant une solution à ce défi”, déclare Levine. “Cette nouvelle façon de concevoir des embrayages pourrait conduire à des applications de robots mous que nous ne pouvons pas imaginer pour le moment. Je veux créer des robots qui aident les gens, les font se sentir bien et améliorent l’expérience humaine, et ce travail nous rapproche de cela. objectif. Je suis vraiment excité de voir où nous allons ensuite.