MISE EN ÉVIDENCE DES DÉFICIENCES ARTICULAIRES ET STRUCTURELLES DES ROBOTS HUMANOÏDES CAS DE ROBIAN

Déficiences des robots bipèdes : notion de compliance volontaire et involontaire

La « compliance » (anglicisme, en français le terme équivalent est « complaisance ») dans le sens large est une conformité à des règles, c’est-à-dire l’obéissance aux règles. La compliance dans le sens mécanique est un synonyme de la souplesse ou de la flexibilité [Sensagent 11]. En robotique, la compliance est définie comme la propriété d’un robot de s’adapter en permanence aux efforts qu’il exerce sur son environnement [Prelle 97] ou la propriété de ses composants qui doivent pouvoir se déformer de manière réversible sous l’effet d’une contrainte mécanique modérée extérieure au système [Guerraz 02].

Donc, un robot compliant peut exhiber des comportements différents. Soit il est complètement flexible (ou bien passif) : on peut déplacer ses membres facilement en appliquant une faible force externe, et il reste dans la même position jusqu’à ce qui une nouvelle force externe soit appliquée. Soit il agit élastiquement : après disparition de la force externe le robot revient à sa configuration initiale. Il est possible de classer les compliances mécaniques en plusieurs types en fonction de leur nature (compliance volontaire ou involontaire), du besoin ou non d’énergie externe (active, c’est-à-dire produite par un actionneur ; ou passive, c’est-à-dire délivrée depuis un réservoir d’énergie mécanique) et des lois de commande associées (compliance modifiable par la commande ou non modifiable).

La compliance volontaire est utile. Elle permet d’atténuer les chocs que le robot reçoit pendant le contact avec son environnement et aussi d’agir doucement sur cet environnement. Par exemple, pour la marche on atténue les chocs par des ressorts qui sont introduits dans les articulations des pattes ; pour les opérations d’assemblage on introduit des éléments élastiques dans la chaine mécanique entre l’organe de manipulation du robot et la pièce assemblée et on règle la force avec laquelle le robot agit sur un objet fragile qu’il déplace.

Cette compliance peut être soit introduite à dessein dans un robot par l’application d’une loi de commande soit être caractéristique au matériau utilisé dans sa conception. La compliance peut donc être volontaire localement mais involontaire globalement. La compliance involontaire est celle qui n’est pas désirable dans un mécanisme pour l’accomplissement précis de ses tâches. Dans certains cas le robot ne peut pas fonctionner sans un effet de compliance au niveau local. C’est l’élasticité d’une courroie, d’un réducteur à dentures déformables, d’un actionneur à câble, de la chambre à air d’un actionneur pneumatique. Le problème est qu’il n’est pas possible de donner à un mécanisme une valeur choisie de compliance.

Sa valeur est fixée dans des limites étroites et dépend de la constitution de l’élément compliant. Elle accomplie son rôle au niveau local (protection de la transmission dans l’actionneur contre les surcharges mécaniques locales) et est aussi involontaire au niveau global du système (espace de travail ou articulaire).

Dans d’autres cas, la compliance involontaire ne sert pas au fonctionnement propre du mécanisme [Villagra 11]. Elle apparait avec l’usure et se manifeste par l’augmentation des jeux dans les réducteurs, l’affaiblissement de serrage des vis dans les articulations et les éléments de transmission deviennent moins raides. La compliance involontaire joue un rôle majeur parmi les déficiences qui peuvent apparaitre dans des robots électromécaniques et pneumatiques. Elle est de nature souvent passive.

Effet de la vitesse de la marche

Le problème de la marche des bipèdes est complexe du fait de la périodicité des phases de contact avec le sol et des phases de transfert de la jambe. Ces alternances induisent des charges dynamiques très importantes lors du contact, et une chaine cinématique périodiquement fermée ou ouverte du système élastique (sol / jambe-gauche / hanche / jambe-droite / sol) apparait pendant la transmission de la masse du robot d’une jambe à une autre. Dans cette boucle s’établissent des oscillations fortes dans le plan frontal dues aux forces exercées par le sol sur le robot [Chemori 05].

Ce problème se complique beaucoup quand on augmente la vitesse de marche du robot. C’est dans le but d’analyser ces phénomènes transitoires que nous avons développés une approche par la modélisation multimasse qui tient en compte des élasticités entre les masses et la cinématique de leurs interconnections dans le système (voir chapitre 2). Afin de mettre en évidence le phénomène d’élasticité articulaire, nous avons appliqué à la jambe « en l’air » de ROBIAN un mouvement oscillatoire lent et rapide dans le plan sagittal. Les trois composantes de l’accélération (ax, ay et az) ont été mesurées par un accéléromètre installé au bout de la cuisse près du genou du robot (fig. 1.4).