Robots autonomes

Robots à roues

Les premières tentatives de miniaturisation robotique étant inspirées des robots tradi- tionnels, elles se sont focalisées sur une approche de robots mobiles à roues. Le plus repré- sentatif de ces minirobots à roues est probablement le robot Alice développé à l’EPFL2 [13](Figure 1.2). La version 99 de ce robot occupe un espace de 21 × 21 × 21 mm3_, consommant 10 mW (∼ 10 h d’autonomie). Il possède des capteurs de proximité et peut communiquer par moyens infra-rouge et radio. Ce type de minirobot est souvent utilisé dans le domaine de la recherche sur la coopération robotique, permettant d’élaborer des techniques de planification de tâches adéquates à un groupe de robots travaillant en coopération. Comme par exemple joindre leurs forces pour déplacer ensemble un objet vers une cible (Figure 1.2).

Figure 1.2 – Minirobots à roues Alice [13] travaillant en coopération pour pousser un objet vers une cible [4].

Cette miniaturisation robotique a favorisé le développement de micromoteurs rotatifs adaptés au micromonde. Les moteurs électromagnétiques présentant des rendements très faibles à ces échelle, de nouvelles approches sont employées. Des micromoteurs ultraso- niques ont vu le jour ([75, 23, 52]) utilisant souvent un actionnement de type piézoélec- trique.

La constante miniaturisation robotique s’est cependant détourné de ces micromo- teurs, pour leur préférer l’utilisation d’autres moyens de locomotion.

Robots sans glissement

De nombreux procédés de locomotion sont développés pour les microrobots. Les prin- cipes de locomotion les plus utilisés sont souvent inspirés du domaine biologique et plus particulièrement des insectes. Ils s’inspirent des insectes marcheurs, rampants, . . ., utili- sant des pattes plutôt que des roues. Les déplacements générés sont souvent discrets, de

10 Chapitre 1 type pas à pas, avec des dynamiques et des amplitudes plus ou moins grandes en fonction du principe de fonctionnement et du type d’actionneur utilisé.

(a) (b)

Figure 1.3 – Détail d’un cycle de fonctionnement des robots de type inchworm (a) et marcheur (b).

Un principe de locomotion assez intuitif (car également utilisé à l’échelle macromé- trique) regroupe les robots marcheurs qui utilisent l’adhérence des pattes sur la surface en contact pour générer le déplacement du microrobot. Un autre principe utilise égale- ment l’adhérence pour créer des robots de type inchworm, très utilisés pour la locomotion en milieux confinés de forme cylindrique. Ces deux principes de locomotion génèrent un mouvement linéaire discret de type pas à pas. Les différentes étapes de ces deux principes de locomotions sont détaillés dans la Figure 1.3. Ils assurent leur déplacement en gé- nérant des différences d’efforts sur la surface de contact, utilisant le poids du robot dans le cas des robots marcheurs, mais nécessitant des actionneurs dédiés pour les robots de type inchworm. Ces deux principes de locomotion possèdent 4 étapes dans chaque cycle (Figure 1.3) permettant le déplacement du robot d’un pas.

Les robots de types marcheurs ne nécessitent que deux entrées de consigne, chacune permettant d’actionner un groupe de plusieurs pattes simultanément. Leur utilisation est dédiée à des déplacements sur des surfaces planes. Ce principe de locomotion est utilisé dans plusieurs microrobots, dont un grand nombre utilise des actionneurs thermiques [37, 56, 10, 17]. Six actionneurs piézoélectriques sont utilisés par Simu et al. [90] dans le cas d’un robot pouvant utiliser différents principes de déplacement, dont la marche, le stick-slip, . . .. Un principe similaire fut également utilisé par Bexell et al. pour créer un micromoteur rotatif [7]. Ruffieux utilise quant à lui des actionneurs piézoélectriques pour réaliser ce genre de déplacement [86]. Un autre type de robot marcheur directement

1.2 Microrobots mobiles 11 inspiré des insectes utilise des actionneurs surprenants pour une utilisation dans le mi- cromonde, il s’agit d’actionneurs pneumatiques pour la conception d’un robot criquet [9]. Ce type de robot envisage des applications de reconnaissance, où ce type d’actionneurs lui permettraient de marcher mais également d’effectuer des bonds.

Dans le cas de robots de type inchworm (Figure 1.3), la différence de force de contact est générée par des actionneurs dédiés permettant de fixer temporairement un élément du robot à une partie du milieu dans lequel il doit se déplacer. Pour se déplacer les robots de type inchworm nécessitent trois entrées de consigne, afin de commander les trois actionneurs. Les deux actionneurs permettant la fixation sont généralement placés aux deux extrémités du microrobot, se fixant à la paroi l’un après l’autre. Un troisième actionneur est alors utilisé pour allonger le corps du microrobot lorsque l’actionneur de queue est fixé, et pour le rétrécir lorsque l’actionneur de tête est fixé. Les microrobots de type inchworm présentent de bonnes performances pour le déplacement en environnement confiné de forme cylindrique (tuyaux, intestins, . . .). Ceci conduit à la génération d’un déplacement suivant une seule direction à la manière d’une chenille (d’où la nomination anglaise de ce type de robot). Les robots de type inchworm déjà réalisés dans le micro- monde utilisent majoritairement des actionneurs de type électrostatiques [55, 27, 41] et sont microfabriqués dans une structure monolithique.

Les principes de locomotion de marche et de type inchworm sont des principes par- ticuliers fondés sur l’adhérence des pattes du robot sur la surface en contact. Mais de nombreux autres principes de locomotion sont utilisés dans le micromonde qui eux sont essentiellement basés sur le contrôle du glissement d’une patte sur la surface en contact. Contrôle du glissement

Certains de ces robots utilisent la vibration des pattes pour générer un déplacement. Les microrobots présentés par Edqvist et al. [40] possèdent trois pattes utilisées dans leur mode propre de vibration (Figure 1.6a). L’angle que fait la patte en vibration avec la surface sur laquelle le robot est posé permet de déplacer le robot à chaque impact de la patte. Ainsi, l’actionnement des pattes avant permet de générer un déplacement vers l’avant et la patte arrière génère un déplacement arrière, tandis que l’actionnement d’une seule patte avant permet d’effectuer des rotations.

Le déplacement de microrobot par contrôle du glissement est très répandu et fait intervenir différents principes. L’un des plus connu est le déplacement par stick-slip, qui est un principe d’actionnement inertiel fortement utilisé à l’échelle micrométrique pour générer des déplacements de microrobots. Il s’agit d’un actionnement asymétrique temporel. Un actionnement lent des pattes permet de générer un déplacement du robot, tandis qu’un actionnement rapide de ces mêmes pattes provoque leur glissement sur la surface. Il est utilisé dans différents types de microsystèmes robotiques. Le déplacement de deux doigts de pince est par exemple réalisé par ce principe dans [84], permettant une translation et une rotation des doigts pour des tâches de micromanipulation. Le MINIMAN [88, 42] est l’un des microrobots les plus complets qui utilise des actionneurs piézoélectriques avec le principe d’actionnement stick-slip. Ils sont à la fois utilisés pour générer le déplacement du robot, et pour orienter l’organe terminal de ce robot, constitué

12 Chapitre 1

(a) utilisant des bilames thermique [10]. (b) pattes actionnées piézoélectrique- ment [86].

(c) à actionnement thermique [36]. (d) patte actionnée thermiquement [56].

Figure 1.4 – Exemples de microrobots marcheurs.

Figure 1.5 – Exemples de microrobots de type inchworm, microfabriqués de manière monolithique.

1.2 Microrobots mobiles 13 d’une tige fixée sur une boule (Figure 1.6b). Cette boule peut être orientée grâce à trois actionneurs piézoélectriques utilisant également le principe stick-slip.

(a) Par vibration [12, 40].

(b) Microrobot MINIMAN utilisant le stick-slip [88, 42].

Figure 1.6 – Contrôle du glissement par vibration et par stick-slip.