Conception et évaluation d'actionneurs à embrayages magnétorhéologiques pour la robotique collaborative

La robotique collaborative se démarque de la robotique industrielle par sa sécurité dans le but de travailler en collaboration avec les humains. Toutefois, la majorité des robots collaboratifs sériels reposent sur un actionnement à haut ratio de réduction, ce qui augmente considérablement la masse reflétée à l’effecteur du robot, et donc, nuit à la sécurité. Pour pallier cette masse reflétée et maintenir un seuil minimal de sécurité, les vitesses d’opération sont abaissées, nuisant ainsi directement à la productivité des entreprises. Afin de minimiser la masse reflétée à l’effecteur, les masses des actionneurs ainsi que leur inertie reflétée doivent être minimisés. Les embrayages à fluide magnétorhéologique (MR) maintenus en glissement continus découplent l’inertie provenant de la source de puissance, souvent un moteur et un réducteur, offrant ainsi un actionneur possédant un haut rapport couple-inertie. Toutefois, les embrayages MR, utilisés de façon antagoniste, ajoutent des composantes à l’actionneur ce qui réduit la densité de couple, et donc, augmente la masse reflétée à l’effecteur du robot. Certains actionneurs MR [1–3] ont été développés, mais leur basse densité de couple contrebalance leur faible inertie lorsqu’utilisés comme actionneurs aux articulations de robots collaboratifs sériels. Cette constatation a mené à ma question de recherche : Comment profiter de la faible inertie des actionneurs MR pour maximiser les performances dynamiques des robots collaboratifs sériels? L’objectif de ce projet de recherche vise donc à étudier le potentiel des embrayages MR en robotique collaborative. Pour ce faire, deux architectures MR sont développées et testées expérimentalement. La première architecture consiste en une articulation robotisée modulaire comportant des embrayages MR en glissement continu et possédant un rapport couple/masse et une taille équivalente à l’actionneur d’Universal Robots (UR) de couple égal, mais possédant un rapport couple/inertie 150 fois supérieur. À l’intérieur de l’articulation, deux chaines de puissance (2 moteurs et 2 embrayages MR) indépendantes se rejoignent à la sortie du joint offrant ainsi une redondance et augmentant la densité de couple comparativement à une architecture standard (1 moteur pour 2 embrayages MR). La deuxième architecture étudiée consiste en un actionnement délocalisé du robot où les embrayages MR sont situés à la base du robot et une transmission hydrostatique à membranes déroulantes achemine la puissance aux articulations. Cette architecture a été testée expérimentalement dans un contexte de bras robotisé surnuméraire. Contrairement à l’articulation MR, cette architecture n’offre pas une modularité habituellement recherchée en robotique sérielle, mais offre la possibilité de réduire l’inertie de la structure avec la délocalisation de l’actionnement. Finalement, les deux architectures développées ont été comparées à une architecture standard (haut ratio avec réducteur harmonique) afin de situer le potentiel du MR en robotique collaborative. Cette analyse théorique a démontré que pour un robot collaboratif sériel à 6 degrés de liberté, les architectures MR ont le potentiel d’accélérer 6 et 3 fois plus (respectivement) que le robot standard d’UR, composé d’actionneurs à hauts ratios