Système innovant de détection de forme et de contact améliore la sécurité des robots continus

Institut avancé des sciences et technologies du Japon, Ishikawa, Japon

Lorsqu'un humain touche le robot, celui-ci modifie son mouvement pour éviter la collision. (Image : Van Anh Ho de JAIST)

Inspiration biologique : pieuvres et éléphants

Dans la nature, de nombreux organismes comme les pieuvres avec leurs tentacules flexibles ou les éléphants avec leurs trompes, font preuve d'une dextérité remarquable. Inspirés par ces structures naturelles, les chercheurs visent à développer des robots continus (continuum robots) hautement flexibles qui offrent robustesse et sécurité. Idéalement, un robot continu est caractérisé par de nombreux degrés de liberté (DDL) et un nombre d'articulations supérieur à celui nécessaire pour la plupart des tâches. Ces caractéristiques leur permettent d'ajuster et de modifier leur forme dynamiquement, leur permettant d'éviter les obstacles et les situations inattendues. Cependant, leurs mouvements complexes rendent difficile la caractérisation de leur forme et de leur mouvement.

Limites des approches traditionnelles

Les techniques analytiques traditionnelles pour obtenir des solutions aux problèmes cinématiques et dynamiques des robots continus reposent sur une modélisation complexe, augmentant le coût computationnel. Alternativement, des capteurs flexibles intégrés dans les robots continus peuvent être utilisés pour suivre leur forme et leur mouvement, mais cette méthode nécessite de nombreux capteurs à faible résolution, rendant le système encombrant. Une solution plus prometteuse consiste à employer un unique module de détection à l'extrémité d'un robot continu. Cependant, les études précédentes dans cette direction se sont principalement concentrées sur la posture du robot et n'ont pas abordé la détection de contact.

Le système ConTac

Comblant cette lacune, une équipe de chercheurs du Japon, dirigée par le professeur associé Van Anh Ho de l'Institut avancé des sciences et technologies du Japon (JAIST), a développé un nouveau système appelé ConTac. Ce système peut estimer la forme et le contact d'un bras robotique avec une peau souple.

Selon le Dr Ho, « L'objectif ultime de ce système est d'être implémenté dans un robot continu, mais dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur la perception en utilisant un bras robotique articulé et une peau souple pour la vérification. » L'équipe comprenait les doctorants Tuan Tai Nguyen et Quan Khanh Luu de JAIST, ainsi que le Dr Dinh Quang Nguyen de l'université VNU-UET à Hanoi.

Le système ConTac se compose d'une colonne vertébrale qui imite la flexion d'un robot continu, d'une peau souple avec des marqueurs, d'une caméra pour observer la déformation de la peau, de modèles pour la détection de forme et de contact de la peau, et d'un régime de contrôle conscient du contact. Ce système peut être appliqué à toute unité ConTac ou tout autre robot avec le même mécanisme et la même forme sans aucun étalonnage.

Une unité ConTac est un bras robotique émulant un robot continu assemblé avec une colonne vertébrale et une peau souple. Les chercheurs ont également développé un contrôleur basé sur l'admittance pour ce système qui utilise l'information perceptuelle pour guider les mouvements du bras robotique. De plus, l'unité ConTac est rentable et peut être fabriquée à partir de matériaux conventionnels.

Deux modèles d'apprentissage profond

Ce système innovant utilise deux modèles d'apprentissage profond pour la reconstruction de forme et la détection de contact de la peau souple-continue. Ces modèles ont été entièrement entraînés à l'aide d'images de simulation et ont ensuite été directement adaptés à de vrais robots sans affinage (fine-tuning), économisant temps et ressources. La transférabilité du système a été testée sur deux unités ConTac différentes, qui ont performé de manière similaire sans aucun ajustement supplémentaire.

Applications et perspectives

Soulignant l'importance de cette étude, le Dr Ho a dit : « Le système ConTac vise à être utilisé dans une variété de systèmes robotiques sans avoir besoin d'ajustements complexes. Les bras robotiques flexibles équipés de notre système sont idéaux pour l'agriculture intelligente et les services de santé où les robots doivent naviguer dans des environnements avec de nombreux obstacles et interagir en toute sécurité avec les humains. Leur souplesse et flexibilité combinées avec la capacité de sentir les environs les rendent parfaits pour interagir avec les plantes et les patients. »

Les principes de détection et de contrôle utilisés dans ce cadre pourraient mener à de nouveaux capteurs tactiles qui peuvent être attachés à tout système robotique existant, offrant de nouveaux paradigmes de détection et de contrôle pour une interaction homme-robot sûre sans altérer la conception originale du robot. « Imaginez une société où chaque robot et machine possède un sens du toucher. Cette transformation révolutionnerait les industries et la vie quotidienne », a déclaré le Dr Ho.

Pour plus d'informations, contactez Van Anh Ho à cette adresse email protégée ; +81 761-51-1584.