Une recherche dans les brevets et les articles disponibles montre des solutions bas´ees sur l’int´egration des AMF dans la conception de m´ecanismes qui ont pour objec-tif la variation et le contrˆole de la compliance globale d’une structure ou d’un m´ecanisme. Des solutions utilisent les AMF comme actionneurs pour les MEMS (micro-electro-mechanical systems) [77] [46]. D’autres applications concernent la robotique miniature ou la micro-robotique m´edicale. Par exemple, un endoscope a ´et´e d´evelopp´e pour s’adapter `
a l’environnement intestinal humain. L’adaptation se fait par l’utilisation d’actionneurs en AMF sous la forme de paires de ressorts en AMF dispos´es en configuration anta-goniste [155]. Ces actionneurs produisent une force de flexion suite au changement de phase martensitique/aust´enitique de l’AMF. Le mˆeme auteur a d´evelopp´e un cath´eter dirigeable par des cˆables en AMF destin´e `a la neuroradiologie [156]. La r´etractation des cˆables AMF permet d’appliquer un effort et produire ainsi un angle de flexion sur le cath´eter et de le diriger. Un syst`eme micro-robotique a ´et´e ´egalement d´evelopp´e pour des interventions gastro-intestinales [128]. Dans ce cas, la r´eponse m´ecanique non-lin´eaire des liaisons en AMF a ´et´e utilis´ee pour avoir une raideur ´elev´ee pour les forces ext´erieures ind´esirables. Pour le micro-assemblage et la bio-recherche [11], la compliance d’un micro-pr´ehenseur actionn´e par des fils AMF a ´et´e contrˆol´ee par l’ajustement de la forme du contour des charni`eres du micro-pr´ehenseur. Dans [40], un mod`ele num´erique d’une co-lonne vert´ebrale avec une raideur variable en flexion a ´et´e d´evelopp´ee pour am´eliorer les capacit´es de stabilisation statique et dynamique de l’instrumentation vert´ebrale. Deux brevets ont ´egalement ´et´e propos´es pour la conception de m´ecanismes `a rigidit´e variable. Le premier concerne une application m´edicale [169] : la rigidit´e globale d’une structure compos´ee de cellules en AMF dispos´ees en colonne est contrˆol´ee par le chauffage local s´electif des cellules AMF. Le deuxi`eme brevet concerne une application pour des struc-tures a´erospatiales, structures subissant des chocs ou `a amortissement ajustable [58]. Les AMF y sont employ´es pour obtenir une raideur articulaire variable par l’activation thermique s´elective du mat´eriau. Dans [60], des fils AMF ont ´et´e int´egr´es pour actionner un doigt robotique miniature pour la manipulation dextre imitant la dext´erit´e d’un doigt humain. Dans cette application, la non-lin´earit´e de la r´eponse m´ecanique de l’AMF a permis le contrˆole de la raideur du par l’ajustement de la tension des fils AMF. Dans [57], un dispositif semi-actif int´egrant un actionneur AMF a ´et´e con¸cu pour r´eduire les vibra-tions structurales d’un support de machine. Dans le domaine industriel, un brevet [143] propose des applications pour am´eliorer la stabilit´e, le performances de roulement et l’ajustement de l’amortissement des v´ehicules.
Dans cette th`ese, nous proposons un concept d’obtention de cartes de compliance variables d’une structure flexible par l’int´egration de composants en AMF.
Mat´eriau Taux de va-riation de la raideur (min/-max)
´
El´ements de va-riation Comporte -ment Temps de r´eaction Applications
Actionneur avec po-lym`eres hydrogels (Santulli et al., 2005)
Force g´en´er´ee : 0 – 4 N/g. de gel sec
Polym`ere hydro-gels : gonflement en pr´esence de l’eau
Lin´eaire ani-sotrope
45 mn Amortissement des vibrations
Structures multi-couche `a mat´eriaux di´electrique (Raither et al., 2014) Facteur de varia-tion de 70 Courant ´electrique appliqu´e `a un mat´eriau di´electrique Non-Lin´eaire (Simul´e num´eriquement lin´eairement) A´erodynamique, amortissement de vibrations
Structure avec des composites avec Po-lym`ere `a M´emoire de Forme SMPC (Chen et al., 2012)
Einit/Ef in = 93
Temp´erature, frac-tion volumique des fibres, angle d’enroulement des fibres Non-lin´eaire (composite) RTC : rigidity tunable composites (Shan et al., 2013)
Ratio = 4 Temp´erature (trans-formation du m´etal de Field ou du PMF)
2 mn env. Micro-applications et miniaturisation Micro-robotique Tissu `a rigidit´e
va-riable (Chenal et al., 2014) Changement phy-sique / T de transition vitreuse 15 s Robotique, r´e´education Stratifi´e `a SMP (Zhang and Ni, 2007)
Ratio = 100 Temp´erature 20 mn
SASMAC (Barrett and Gross, 1996)
2 `a 3% de variation en d´eplacement
Temp´erature 200 ms Biomim´etique, biom´edicale, appli-cations chirurgicales et proth´etiques Nanocomposite `a
polym`ere bio-inspir´e (Capadona et al., 2008) (Shanmugana-than et al., 2010) Ratio = 40 Variation du pH du milieu Biom´edical Structure `a fluide magn´eto-Rh´eologique (Majidi and Wood, 2010)
De 15 `a 70 kPa (pour un champ magn´etique = 37mT)
Champ magn´etique Robotique flexible et d’exploration, orth`eses actives souples
Elastom`eres magn´etiques (Varga et al., 2006) D´epend du % du Carbonyle de fer et du champ magn´etique. Exemple : 30%CF et B=0-100 T : E=55-85 kPa
Champ magn´etique Quelques mi-nutes
Paliers ´elastom`eres, amortisseurs de vi-brations
Chapitre 1. ´Etat de l’art sur la rigidit´e active 34
Reference Material Stiffness variability Conditions Shape memory alloys
[31] 55-NiTiNOL Ehot= Ecold≈ 4 82 − 38˚C Shape memory polymers
[158] Polyurethane of polyester poly-ole series
Ecold= Ehot≈ 100 Below and above Tg = 55˚C
[78] Polystyrene-based Gcold = Ghot ≈ 326 − 517
at Troom and T = 95 C
[2][3] CTD-DP-5.1 bulk thermoset resin
Ecold= Ehot≈ 100 20 − 80˚C
Elastic memory composites [22] Reinforcement : carbon-fibre (T300)
Ecold= Ehot≈ 79 23 − 90˚C
Resin :styrene-basedVeriflex S, VF62
Shape memory composite topo-logy concepts [97][96][59]
Constant-variable stiffness layer laminate. Reinforcement : 1095-steel hexagonal elements. Resin : polyurethane-based Diaplex 5510
Ecold= Ehot≈ 15–77 35 − 75˚C
Fluidic flexible matrix compo-sites
[119] Tube : 7351 carbon fibre, si-licone matrix. Working fluid : wate
Eclosed= Eopen≈ 25 : 1
Discrete : closed/open-valve
[119] F2M C sheet. Four 7351 carbon fibre/silicone matrix tubes
Eclosed= Eopen≈ 21 : 6. Sheet resin : silicone
Discrete : closed/open-valve
Table 1.3: Mat´eriaux `a rigidit´e variable, partie 2 [84].
1.7 Conclusion
Les int´erˆets de la rigidit´e variable en robotique sont de plusieurs ordres : — adaptation des m´ecanismes et des manipulateurs `a une vari´et´e de tˆaches ;
— am´elioration de la stabilit´e des m´ecanismes par la r´egulation des amortissements ; — minimisation des effets dynamiques des efforts sous un niveau acceptable ;
— possibilit´e de stockage d’´energie pour une utilisation ult´erieure, ce qui peut opti-miser la consommation des structures flexibles ;
— ´evitement des collisions lors d’op´erations dans des environnements inconnus ; — s´ecurit´e Homme/Machine.
Cet ´etat de l’art a montr´e que le concept de rigidit´e variable (active) a de nom-breux liens avec des th´ematiques actuellement en d´eveloppement comme la robotique reconfigurable (capacit´e `a faire varier des param`etres architecturaux en cours de fonc-tionnement) et la robotique flexible (machines `a composants souples). Dans la suite de cette th`ese, nous nous situons `a l’interface de ces deux notions, en couplant composants souples et alliage `a m´emoire de forme. L’objectif final est d’´evaluer les possibilit´es de modification active de la raideur globale d’une structure robotique au sein d’un mˆeme espace de travail.