Conception et validation expérimentale d’un robot manipulateur 6 DDL actionné par des embrayages magnétorhéologiques semi-délocalisés

L’utilisation de robots manipulateurs est un standard en industrie pour automatiser deschaînes de production. Ces robots sont précis, robustes et rapides. Pour atteindre leurperformance, ils sont conçus avec des actionneurs puissants et ils sont faits de pièces mas-sives. Lorsqu’ils sont en utilisation, ces robots doivent être placés dans une zone clôturéepuisqu’ils représentent un danger pour les travailleurs. Pour pallier ce problème, l’industriese tourne vers les robots collaboratifs. Ces robots normalisés sont conçus pour être sansdanger pour les utilisateurs ce qui permet une intégration facile et abordable. Plusieursstratégies comme l’utilisation d’algorithmes de contrôle et des designs mécaniques sontutilisés pour réduire le danger d’un robot manipulateur pour un utilisateur.Ce mémoire présente un manipulateur de 6 degrés de liberté (DDL) actionné par des em-brayages magnétorhéologiques (MR) semi-délocalisés. Le manipulateur a été conçu pouratteindre ou dépasser les performances des bras robots collaboratifs commerciaux dans lebut de valider la capacité des actionneurs MR pour des applications en robotique colla-borative. Le manipulateur a été dimensionné pour avoir des spécifications similaires auxrobots collaboratifs UR5 et WAM. Les spécifications ont été validées par les mesures ex-périmentales. Le manipulateur a une masse en mouvement de seulement 5.3 kg et il peutdéplacer une masse de 4.5 kg à 1 m/s avec une portée de 0.885 m. De plus, la bandepassante en force est au-dessus de 50 Hz et la friction des joints est de maximum 10 % ducouple maximum du joint. Aussi, le manipulateur est intrinsèquement sécuritaire et tolé-rant aux impacts. En somme, il est possible de dire qu’un actionnement MR semi-délocaliséest une solution prometteuse pour la robotique collaborative, mais d’autres mesures ex-périmentales avec le manipulateur sont nécessaires pour que la technologie MR atteigneson plein potentiel en robotique. En autre, il serait nécessaire de mesurer la capacité dumanipulateur à produire des murs virtuels, de mesurer la précision du positionnement dumanipulateur et de mesurer l’énergie transmise par le bras au moment d’un impac

Étude de faisabilité d’un système de distribution de puissance hydrostatique utilisant des embrayages magnétorhéologiques destiné aux exosquelettes

Les exosquelettes sont des robots mobiles assistant les humains de multiples façons, que ce soit pour la réadaptation, l’augmentation de la force ou la réduction du coût métabolique. Plusieurs exosquelettes sont maintenant commercialisés et utilisés dans des domaines militaires, médicaux et industriels. Ces dispositifs doivent interagir avec l’humain, et donc posséder un haut niveau de transparence mécanique qui est atteint ultimement lorsque les mouvements humains ne sont pas affectés par le robot. Cette aptitude constitue en fait le plus grand défi de conception d’un exosquelette. Les deux caractéristiques qui définissent une bonne transparence sont une bande passante élevée et une bonne réversibilité du mécanisme. Pour atteindre ces deux critères, le système de distribution de puissance, constitué de l’actionnement et de la transmission, doit être léger, doit posséder peu d’inertie reflétée et peu de friction. Les systèmes de distribution de puissance utilisés actuellement dans les exosquelettes comportent par contre un compromis fondamental entre une bonne densité de force et un bon niveau de transparence; en général, les exosquelettes forts ne sont pas transparents, et vice-versa. Certaines applications requièrent par contre à la fois force et transparence, un exosquelette pour la course en est un bon exemple. Dans le but de pallier cette problématique, ce mémoire présente le développement et la caractérisation d’un système de distribution de puissance possédant une bonne densité de force ainsi qu’un bon niveau de transparence. Ce système est composé d’embrayages magnétorhéologiques (MR) couplés à une transmission hydrostatique comportant des cylindres à membranes déroulantes. Les embrayages MR possèdent une bonne bande passante (>50 Hz), une bonne densité de force et peu d’inertie reflétée. Couplée aux embrayages MR, la transmission hydrostatique est très rigide, possède peu de friction ainsi qu’une faible inertie. La transparence a été évaluée expérimentalement et à l’aide d’un modèle analytique et numérique. Les résultats obtenus démontrent que le système est à la fois fort et transparent, ce qui lui confère un haut potentiel d’être employé dans les exosquelettes. Les essais expérimentaux ont été effectués sur une interface haptique à un degré de liberté prenant la forme d’un joystick. Les résultats démontrent une bonne transparence du système avec une bande passante supérieure à 40 Hz et des niveaux des forces restrictives (inertie et friction) ne dépassant pas 11 % de la force maximale (bonne réversibilité du mécanisme) de 112 N au bout du joint haptique. Le modèle analytique et numérique élaboré confirme ces résultats et sert également de guide à la conception en fournissant des tendances de bande passante et de forces restrictives en fonctions de différents paramètres de la transmission hydrostatique. Enfin, les performances de ce système ouvrent la voie à de nombreuses applications d’exosquelettes transparents, forts, peu coûteux et versatiles

Analyse de performances des actionneurs à fluide magnétorhéologique pour les interfaces haptiques

Les interfaces haptiques sont des dispositifs permettant un retour en force, qui est généralement fait par l’entremise de moteurs électriques. Les interfaces haptiques peuvent être utilisées en formation pour simuler des environnements virtuels, par exemple, des organes virtuels pour la formation de chirurgien. Cependant, les moteurs électriques font face à un dilemme technique entre la densité de couple et une réponse dynamique, limitant ainsi les performances des interfaces haptiques. Les actionneurs magnétorhéologiques, composé d’une source de puissance et d’embrayages à fluide magnétorhéologique, ont démontré leur potentiel face à ce dilemme technique. En effet, une multitude d’embrayages magnétorhéologique peuvent se partager une seule source de puissance. Les actionneurs magnétorhéologiques ont donc une excellente densité de couple tout en ayant de bonnes performances dynamiques. Ce projet de recherche présente une analyse de performances des actionneurs magnétorhéologique pour les interfaces haptique. Les performances des actionneurs magnétorhéologique ont été comparées avec les moteurs électriques présentement utilisés dans la plupart des interfaces haptiques. Des critères de performances ont été établis à l’aide de la littérature scientifique. Un modèle dynamique d’une interface haptique a été développé et utilisé pour faire une analyse sur les performances des actionneurs magnétorhéologiques et des moteurs électriques. Un banc de test a été développé pour valider le modèle et les résultats obtenus en simulation. Les résultats démontrent que les actionneurs magnétorhéologiques permettent une meilleure génération d’environnement virtuel. L’amortissement des actionneurs magnétorhéologiques doit être adressé pour augmenter la variété d’environnements virtuels pouvant être générés

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

Étude d’une pompe à vis magnétique pour améliorer la durabilité des embrayages magnétorhéologiques

Les embrayages magnétorhéologiques (MR) apparaissent dans des applications hautes puissances (~1 kW) qui nécessitent une méthode d’actionnement rapide (ex. : les suspensions actives, les robots industriels et le contrôle des surfaces de vols d’aéronefs). Ces applications entrainent une usure prématurée du fluide magnétorhéologique (mélange d’huile et de particules de fer) contenu dans les embrayages. La durabilité des embrayages MR doit donc être améliorée. Pour répondre à ce besoin, les compositions de fluides MR ont été optimisées, mais peu de concepts mécaniques d’embrayage ont été testés pour améliorer la durabilité. Pour ce faire, une hypothèse est de mélanger le fluide MR afin 1) de maintenir sa composition homogène, 2) de réduire sa température et 3) d’utiliser tout le volume de fluide disponible. L’objectif de ce projet est d’étudier le potentiel d’un mécanisme de pompage qui favorise le mélange du fluide MR afin d’améliorer sa durabilité. Le concept de pompe proposé est similaire à une pompe à vis typique. Plutôt que d’avoir un filet métallique, la vis est générée par une structure 3D de fluide MR sous l’effet d’un champ magnétique concentré. Cette concentration de champ est produite par des rainures hélicoïdales usinées à même le tambour de l’embrayage. La caractérisation expérimentale d’une telle pompe prouve qu’un débit significatif de fluide MR peut être pompé (25 ml/min). Également, des tests de durabilité démontrent qu’un embrayage équipé du mécanisme de pompage permet d’augmenter de 45% la durabilité comparativement à un embrayage standard muni d’un tambour lisse

Conception d’un capteur caractérisant la dégradation du fluide dans un embrayage magnétorhéologique

Le monde de l’aéronautique évolue graduellement vers le concept d’aéronefs plus électrique. Dans ce cadre, des systèmes électriques de commande de vol sont à l’étude. De tels systèmes permettraient de réduire le coût de maintenance et l’impact environnemental tout en alliant légèreté fiabilité et performance dynamique. Dans ce but, un système électrique de commande de vol comprenant des embrayages magnétorhéologiques (MR) et des moteurs électriques a été développé à l’Université de Sherbrooke. Un des obstacles principaux au développement de la technologie MR est la capacité de mesurer l’état d’usure du fluide MR en opération. En effet, même si l’état du fluide MR peut déjà être déduit grâce aux performances globales de l’embrayage, une deuxième méthode indépendante de mesure est nécessaire pour assurer une redondance et statuer de manière fiable sur l’état du système. À ce jour, aucunes recherches n’ont été faite pour développer un capteur permettant un suivi direct de l’usure du fluide à partir de l’observation d’une de ses caractéristiques. Le but de cette maitrise est donc de trouver un principe physique pour la mesure de la dégradation du fluide MR, de développer puis de tester sur banc de test un prototype de capteur mesurant la dégradation du fluide de manière directe. Un recensement des différentes propriétés physiques pouvant être affectées par la dégradation a été fait et des expériences simples ont été menées sur chacune d’elles. Les propriétés optiques du fluide ont montré la plus grande sensibilité à la dégradation et ont été choisies comme principe physique de fonctionnement du capteur. Ainsi une corrélation entre l’assombrissement du fluide et son âge a été mise évidence. L’assombrissement du fluide est mesuré par le capteur grâce à une carte RGB. Le prototype développé a ensuite été intégré à un embrayage MR installé sur un banc de test instrumenté afin d’étudier l’assombrissement du fluide au cours de son usure. Pour ce faire, deux types de fluide ont été utilisés: le Lord 140CG, un fluide commercial et le GPL-103, un fluide maison à base de perfluoropolyéther (PFPE). Trois tests ont été faits avec le fluide Lord 140 et ont montré que le fluide s’assombrit de manière régulière jusqu’à devenir 12% plus sombre lors de son usure totale. L’assombrissement apparait alors comme un bon métrique pour mesurer l’état de dégradation du fluide. Les trois tests avec du GPL-103 ont montré une tendance similaire d’assombrissement du fluide, mais avec une corrélation moindre avec la dégradation du fluide à cause de problèmes de blocage de l’écoulement de fluide devant le capteur dû à l’augmentation de la viscosité du fluide. Cela montre que les résultats du capteur sont dépendants du couple embrayage/fluide utilisé et que le capteur doit donc être étalonnés pour chaque nouveau fluide et embrayage

Proceedings of the 2018 Canadian Society for Mechanical Engineering (CSME) International Congress

Published proceedings of the 2018 Canadian Society for Mechanical Engineering (CSME) International Congress, hosted by York University, 27-30 May 2018

Soft Robotics: Design for Simplicity, Performance, and Robustness of Robots for Interaction with Humans.

This thesis deals with the design possibilities concerning the next generation of advanced Robots. Aim of the work is to study, analyse and realise artificial systems that are essentially simple, performing and robust and can live and coexist with humans. The main design guideline followed in doing so is the Soft Robotics Approach, that implies the design of systems with intrinsic mechanical compliance in their architecture. The first part of the thesis addresses design of new soft robotics actuators, or robotic muscles. At the beginning are provided information about what a robotic muscle is and what is needed to realise it. A possible classification of these systems is analysed and some criteria useful for their comparison are explained. After, a set of functional specifications and parameters is identified and defined, to characterise a specific subset of this kind of actuators, called Variable Stiffness Actuators. The selected parameters converge in a data-sheet that easily defines performance and abilities of the robotic system. A complete strategy for the design and realisation of this kind of system is provided, which takes into account their me- chanical morphology and architecture. As consequence of this, some new actuators are developed, validated and employed in the execution of complex experimental tasks. In particular the actuator VSA-Cube and its add-on, a Variable Damper, are developed as the main com- ponents of a robotics low-cost platform, called VSA-CubeBot, that v can be used as an exploratory platform for multi degrees of freedom experiments. Experimental validations and mathematical models of the system employed in multi degrees of freedom tasks (bimanual as- sembly and drawing on an uneven surface), are reported. The second part of the thesis is about the design of multi fingered hands for robots. In this part of the work the Pisa-IIT SoftHand is introduced. It is a novel robot hand prototype designed with the purpose of being as easily usable, robust and simple as an industrial gripper, while exhibiting a level of grasping versatility and an aspect comparable to that of the human hand. In the thesis the main theo- retical tool used to enable such simplification, i.e. the neuroscience– based notion of soft synergies, are briefly reviewed. The approach proposed rests on ideas coming from underactuated hand design. A synthesis method to realize a desired set of soft synergies through the principled design of adaptive underactuated mechanisms, which is called the method of adaptive synergies, is discussed. This ap- proach leads to the design of hands accommodating in principle an arbitrary number of soft synergies, as demonstrated in grasping and manipulation simulations and experiments with a prototype. As a particular instance of application of the method of adaptive syner- gies, the Pisa–IIT SoftHand is then described in detail. The design and implementation of the prototype hand are shown and its effec- tiveness demonstrated through grasping experiments. Finally, control of the Pisa/IIT Hand is considered. Few different control strategies are adopted, including an experimental setup with the use of surface Electromyographic signals

44th Aerospace Mechanisms Symposium

The Aerospace Mechanisms Symposium (AMS) provides a unique forum for those active in the design, production and use of aerospace mechanisms. A major focus is the reporting of problems and solutions associated with the development and flight certification of new mechanisms