1.3.1 Variation par agr´egation granulaire
Des ´etudes sur les ph´enom`enes physiques `a l’œuvre dans la constitution des amas granulaires sont d´evelopp´ees depuis une quinzaine d’ann´ees. Dans les ann´ees 2010, le
Syst`eme Variation de la
0 / 315 N.m/rad Contrˆole m´ecanique 0,2 s Robotique, Interaction Homme/Robot
QA-Joint (Eiberger et al., 2010)
20 / 550 N.m/rad Contrˆole quasi anta-goniste
0,008 / 0,02 N.m/deg Contrˆole m´ecanique Robotique mobile (amor-tissement), interaction homme/robot
MACCEPA 2.0 (Van-derborght et al., 2009)
0 / 0,09 N.m/deg Contrˆole m´ecanique Robotique mobile (amor-tissement), interaction homme/robot
MARIONET (Sulzer et al., 2005)
Contrˆole m´ecanique Position : 0,426 s Couple : 0.065 s
0 / 6 N/mm Contrˆole m´ecanique Interaction
Homme/Ma-chine
AwAS (Jafari et al., 2010)
30 / 1300 N.m/rad Contrˆole par antago-nisme
Table 1.1: Rigidit´e variable par assemblage de pi`eces interm´ediaires.
Chapitre 1. Etat de l’art sur la rigidit´´ e active 24 nombre de nouvelles applications en ing´enierie et en robotique est en augmentation.
Parmi celles-ci se trouve la rigidit´e variable, dont les amas granulaires constituent une des voies les plus prometteuses. C’est notamment un point important dans le cadre de la robotique flexible, dont l’avantage (adaptabilit´e `a des environnements non structur´es) est par nature li´e `a un inconv´enient majeur : la compliance lors des interactions physiques avec des objets de l’environnement.
[67] pr´esente un expos´e des ´etudes r´ealis´ees en sciences des mat´eriaux sur le fonc-tionnement d’un agr´egat de grains, puis une liste des applications d´evelopp´ees jusqu’`a aujourd’hui, enfin une discussion sur les tentatives de formalisation de la conception d’un amas granulaire `a partir de sp´ecifications applicatives. Le comportement d’´ecoulement de ces amas est r´egi par des lois fortement non newtoniennes. L’´ecoulement peut ˆetre assur´e par aspiration ou gravit´e. Le fonctionnement est relativement simple et rapide.
Les amas peuvent supporter des charges et r´esister au cisaillement. La transition entre la phase souple et solide peut ˆetre r´ealis´ee par des variations de densit´e de particules de l’ordre de 1 %. La conception d’un amas est une d´emarche difficile car un nombre important de param`etres sont `a prendre en compte : conditions de confinement, forme et mat´eriau des grains, principe de fonctionnement de l’amas, etc. Une voie promet-teuse est l’incorporation d’une optimisation num´erique par strat´egies ´evolutionnistes.
Les applications mentionn´ees dans l’article concernent les domaines suivants.
Architecture
— Cr´eation d’objets aux formes originales : coupoles, brise-lames. . .
— Moules reconfigurables pour le b´eton.
— Avantages possibles : structures facilement d´eployables, changeables et recyclables, faible masse. Certaines particules peuvent s’agr´eger sans membrane de confinement et ainsi trouver leur configuration stable sous chargement.
Ing´enierie
— Rigidification de forme de gouttes par agr´egation de nanoparticules `a leur surface et champ magn´etique externe.
Figure 1.12: Positionnement de la zone de rigidification dans [127].
— Changement de forme. Le robot JamBot est constitu´e d’une forme quasi-sph´erique gonflable avec une surface recouverte d’une douzaine de cellules remplissables ind´ependamment par des grains. Celles-ci permettent de contrˆoler des change-ments de forme lors du gonflage du syst`eme.
— Locomotion. Le mˆeme principe est appliqu´e pour obtenir des mouvements de type chenille ou piloter une marche avec jambes.
— Rigidification de l’organe terminal d’un pr´ehenseur avec une enveloppe externe
´
elastique. L’avantage se remarque lors de la prise de pi`eces avec des surfaces com-plexes (saillantes), compar´ee `a une main robotique qui n´ecessite une commande boucle ferm´ee pr´ecise.
— Rigidification de segments de manipulateurs flexibles, dans le cas d’un robot-trompe s’enroulant et d´epla¸cant des objets de taille courante.
— Dynamique. Les capacit´es d’amortissement et plus g´en´eralement de dissipation on
´
et´e ´etudi´ees dans le domaine acoustique ou lors d’impacts. La possibilit´e d’im-merger l’amas dans un fluide pour des consid´erations de propagation d’ondes est mentionn´ee.
[127] d´ecrit l’inclusion de l’agr´egation granulaire dans un concept de robotique flexible mimant le fonctionnement du bras d’une pieuvre. Dans un contexte de chirurgie mini-invasive, la r´ef´erence fournit une somme importante de caract´eristiques chiffr´ees.
La rigidification s’effectue dans un canal `a l’int´erieur du m´ecanisme (Figure1.12), ce qui peut en att´enuer les effets en raison de la compliance de la structure environnante. Les caract´eristiques notables de la conception sont :
— principe de commande : par effet de vide (pression relative maximale de -0,0987 MPa), tuyaux externes en polyur´ethane ;
— type de grains : caf´e ;
— mat´eriaux de la membrane : latex, scellage avec Parafilm ;
Chapitre 1. Etat de l’art sur la rigidit´´ e active 26
— capacit´e `a choisir la portion du robot `a rigidifier (architecture modulaire).
La variation de raideur est ´egalement d´ependante de l’actionnement et de la confi-guration du robot. Il est possible de retenir les valeurs de variation suivantes dans le cas o`u les actionneurs pneumatiques du robot ne sont pas activ´es :
— test avec chargement axial : de 2,18 N/mm `a 5,1 N/mm ;
— test avec chargement lat´eral : de 0,11 `a 0,31 N/mm.
La rigidification a pour objectif de conserver la forme de la structure et concerne donc tous les degr´es de libert´e dans l’espace. Ce verrouillage de forme reste encore incomplet. Cet article est un des aboutissements de plusieurs publications sur ce principe depuis 2012.
[157] applique le principe d’agr´egation `a une structure d’exosquelette pour la main.
Les auteurs ´etudient la relation entre la taille de la chambre et la g´en´eration de raideur de flexion. Ils constatent que le flambage et les contraintes longitudinales peuvent induire une h´et´erog´en´eit´e de comportement de l’agr´egation.
Dans [147], l’agr´egation est utilis´ee dans le cadre d’un dispositif haptique. L’ac-cent est mis sur la possibilit´e de contrˆoler simultan´ement la variation de raideur et le changement de forme. La surface d’origine est plate et d´eformable. Elle est en silicone et compos´ee de quatre cellules hexagonales recevant des grains de caf´e. Chaque cellule peut se bomber ind´ependamment des autres tout en faisant varier sa raideur, par deux circuits d’air parall`eles.
Une recherche exhaustive d’autres publications montre une trentaine d’articles existant dans la litt´erature sur ce principe de rigidification par agr´egation granulaire.
On remarque que la s´erie d’articles monte en puissance en 2010. Il s’agit donc d’une th´ematique en ´emergence : [95], [150], [15], [90], [149], [7], [24], [25], [44], [72], [75], [76], [86],[110], [27], [69], [70], [71], [74], [126], [173], [32], [73], [88], [93], [144], [28], [26], [123], [148].
1.3.2 Variation par agr´egation de lames souples
Le ph´enom`ene physique au cœur du principe de l’agr´egation de lames est la com-pression d’une pile de lames, par exemple par effet pneumatique, mettant celles-ci en contact pour qu’elles se comportent comme un bloc unique. L’agr´egation se fait sur des surfaces ´etendues pour limiter la pression n´ecessaire au contact. Cette technique est plus difficile `a mettre en œuvre que la m´ethode granulaire mais optimise le volume utilis´e.
Elle permet ´egalement d’´eviter les d´eplacements parasites des grains.
Dans [170], les auteurs comparent les deux types d’agr´egation pour la rigidification d’actionneurs souples : technologie granulaire et avec lames (Figure 1.13). L’enveloppe
Figure 1.13: Principe de fonctionnement par grains, par lames chevauchantes et par lames intercal´ees dans [170].
contenante est en silicone (Ecoflex 1) avec des capuchons en caoutchouc pour l’´etanch´eit´e.
Le diff´erentiel de pression de la commande de l’agr´egation est -85 kPa. Cinq types d’assemblage sont ´etudi´es :
— avec grains de caf´e moulu et enveloppe cylindrique ;
— avec grains de caf´e moulu et enveloppe conique ;
— avec lames en polyester chevauchantes ;
— avec lames en polyester intercal´ees ;
— avec lames en polyester intercal´ees, plus am´eliorations : d´ecoupage au laser, dis-tance r´eduite entre les feuilles en moins grand nombre, et la feuille du dessus de la pile est ´elastique ce qui permet d’augmenter la compliance dans l’´etat non agglom´er´e.
Les r´esultats montrent une variation de raideur en flexion d’un facteur 8 avec le prototype modifi´e de lames intercal´ees pour une force perpendiculaire au bout de l’ac-tionneur. Le premier assemblage (grains et enveloppe cylindrique) est le moins efficient : facteur 2,2 et agr´egation peu efficace si fortement courb´e. L’enveloppe conique aug-mente la raideur lat´erale. Dans le cas d’une force exerc´ee sur l’environnement (pouss´ee par un bouton) avec le type feuilles intercal´ees modifi´ees, la raideur maximale atteinte avant flambage permet une augmentation de pouss´ee moyenne d’un facteur 1,43 suivant diff´erentes configurations et un maximum de 2,33. Les auteurs recommandent au final de coupler l’agr´egation avec une m´ethode de pr´echarge de la structure pour augmenter la qualit´e des r´esultats.
D’autres projets ont ´et´e men´es par [125] et [35]. Le principe de ces structures est l’utilisation de mat´eriaux di´electriques dispos´es en fines couches. Le passage d’un champ ´electrostatique permet de coller ces couches entre elles, ce qui varie la capabilit´e de transfert de contrainte de cisaillement, et par cons´equent, rigidifie cette structure.
L’absence d’un champ ´electrostatique fait disparaitre cette coh´esion, et la structure
Chapitre 1. Etat de l’art sur la rigidit´´ e active 28 redevient plus flexible. Ces structures sont destin´ees `a des applications en a´eronautique, pour l’am´elioration des performances a´erodynamiques des profils et la r´eduction des vibrations.
Une liste exhaustive d’autres publications similaires est [81], [106], [114], [42], [134].
On remarque que cette technologie est tr`es r´ecente, plus encore que la rigidification granulaire.
1.3.3 Variation avec des assemblages de polym`eres obtenus par im-pression 3D
Etudi´´ es dans [80], ces syst`emes mat´eriels d’unit´es verrouill´ees de polym`ere sont une voie prometteuse pour le domaine de la rigidit´e variable active, capables d’avoir des rigidit´es n´egatives, et de r´epondre aux exigences antagonistes de garder les charges externes variables sous contrˆole tout en ayant des capacit´es d’absorption d’´energie. La commande se fait par des contraintes externes faisant varier l’agencement des unit´es.
1.3.4 Autres types de variation par mise en contact
Dans [20], des pi`eces sont dispos´ees autour d’un arbre. Un actionneur peut exercer une force de compression sur un ´el´ement, rigidifiant ainsi une portion de l’arbre par fric-tion. Comme autre exemple repr´esentatif, [16] pr´esente un m´ecanisme de fermeture dans le cadre de la chirurgie mini-invasive. Celui-ci se base sur un m´ecanisme d’actionnement depuis l’ext´erieur (vis sans fin/came) du patient permettent de contraindre les mou-vements d’une mˆachoire `a l’int´erieur du patient. Ces types de principe de verrouillage dans le domaine d’instruments chirurgicaux existent depuis un certain temps, voir par exemple [151].
1.4 Mat´ eriaux utilis´ es pour leurs propri´ et´ es de change-ment de raideur
Dans les paragraphes suivants, nous pr´esentons un descriptif des mat´eriaux/composites qui ont ´et´e ´etudi´es dans la litt´erature pour obtenir une variation de raideur en tant que fonctionnalit´e `a part enti`ere. Nous ne nous int´eressons pas aux changements de raideur non d´esir´es en cours d’utilisation du mat´eriau, li´es par exemple :
— aux grandes d´eformations [118] ;
— au cisaillement [101] ;
— aux forces centrifuges [124] ;
— `a des ph´enom`enes auto-r´eparateurs [43].
1.4.1 Rigidification par particules immerg´ees sous champ ´electrique/ magn´etique Diff´erents types de milieu sont utilis´es pour ce type de rigidification :
Dans un fluide
Un fluide magn´eto-rh´eologique peut ˆetre utilis´e pour faire varier la raideur d’une struc-ture [91]. Des matrices de micro-canaux sont fabriqu´ees dans un ´elastom`ere souple, le fluide magn´eto-rh´eologique circulant ensuite dans ces canaux. En l’absence de champ magn´etique, la raideur de la structure correspond `a celle de l’´elastom`ere. L’application du champ magn´etique permet de solidifier le fluide magn´eto-rh´eologique. Cette struc-ture est con¸cue pour ˆetre utilis´ee dans des applications utilisant des robots flexibles : exploration et biom´edical.
Dans du ciment
On retrouve dans [109] le proc´ed´e de particules immerg´es dans du ciment dans le but d’obtenir une meilleure maˆıtrise de l’´ecoulement.
Dans des ´elastom`eres
On peut retrouver ce principe dans une invention destin´ee `a plusieurs applications utili-sant la rigidit´e variable, dont la r´ealisation de supports pour la g´en´eration, transmission et amortissement de mouvement dans les v´ehicules [111]. Ces dispositifs doivent ˆetre suffisamment rigides pour supporter le poids et ´egalement ˆetre con¸cus de mani`ere `a mi-nimiser la transmission de vibrations des roues aux passagers. Dans cette invention, une composition d’´elastom`eres ´electro-rh´eologiques comprenant du caoutchouc naturel dans lequel sont dispers´ees des particules polarisables est utilis´ee pour faire varier la raideur.
Le passage d’un courant ´electrique permet le changement du module d’Young. L’ajuste-ment et le taux de variation de la raideur peuvent ˆetre contrˆol´es par le choix de la nature et du volume des particules polarisables, ainsi que par l’intensit´e du champ ´electrique appliqu´e. Un autre mat´eriau intelligent proche du pr´ec´edent, un ´elastom`ere magn´ eto-rh´eologique (MRE), a ´et´e utilis´e dans le d´eveloppement d’amortisseurs `a raideur variable adaptative [36]. La composition est fabriqu´ee `a partir d’une pr´eparation de caoutchouc/-silicone durcis, de particules de carbonyle de fer, et d’huile de caoutchouc/-silicone. Un syst`eme `a 2 degr´es de libert´e a ´et´e ´etudi´e en lui int´egrant cet amortisseur MRE. L’application d’un champ magn´etique sur cet amortisseur lui permet de varier et d’ajuster ses propri´et´es d’amortissement et de rigidit´e. Dans le mˆeme contexte, des ´elastom`eres magn´etiques anisotropes charg´es de carbonyle de fer ont ´et´e utilis´es dans [167] pour une utilisation en tant que paliers ou absorbeurs de vibrations. L’application d’un champ magn´etique `a ces ´elastom`eres fait apparaitre des interactions entre les particules provoquant un rap-prochement entre elles. Ceci aboutit `a former une structure align´ee parall`element `a la direction du champ magn´etique.
Chapitre 1. Etat de l’art sur la rigidit´´ e active 30 1.4.2 Polym`eres hydrogels
D’autres chercheurs ont employ´e des polym`eres hydrogels [136], un mat´eriau ca-pable de produire du travail en pr´esence d’eau. Des actionneurs ont ´et´e con¸cus dans l’objectif d’amortir les vibrations des structures. Cette conception pr´esente des varia-tions tr`es importantes en termes de contraction et de force g´en´er´ee. Son principal in-conv´enient est le temps de r´eponse qui est de l’ordre de plusieurs minutes, malgr´e un travail d’optimisation de la g´eom´etrie et de choix de la nature du gel utilis´e.
1.4.3 Mat´eriaux composites intelligents
Les mat´eriaux composites intelligents ont ´egalement ´et´e utilis´es pour avoir de la rigidit´e variable adaptative. En effet, l’int´egration de mat´eriaux comme les alliages ou polym`eres `a m´emoire de forme (AMF), les mat´eriaux pi´ezo-´electriques, les mat´eriaux
´electro/magn´eto-rh´eologiques ou les mat´eriaux ´electro/magnetostrictifs permet d’adap-ter le comportement m´ecanique des mat´eriaux composites.
Plusieurs exemples existent qui permettent de confirmer l’efficacit´e de ce principe, parmi lesquels une ´etude de stratifi´es bas´es sur un renforcement par des fibres de car-bone d’un r´esine en polym`eres `a m´emoire de forme [176]. Le r´esultat des tests effectu´es permettent de conclure `a une variation tr`es importante de la raideur. Un composite intelligent a ´et´e utilis´e pour fabriquer une structure `a rigidit´e variable dans [22]. Il s’agit d’une structure `a base de polym`ere `a m´emoire de forme SMPC (Shape Memory Po-lymer Composite). Le composite est constitu´e d’une r´esine en polym`ere `a m´emoire de forme, renforc´e par des fibres de carbone. La variation de la raideur est possible via la variation de la temp´erature du mat´eriau. Plusieurs essais ont ´et´e effectu´es en faisant varier la fraction volumique des fibres ainsi que leur orientation angulaire. Ces structures sont destin´ees `a une utilisation en a´eronautique, notamment pour l’optimisation de la g´eom´etrie des ailes en fonction des param`etres de vol. Des dispositifs pour les technolo-gies li´ees `a la mobilit´e ont ´et´e con¸cus en utilisant des composites `a rigidit´e variable : RTC, Rigidity Tunable Composites [141], [140]. Ces mat´eriaux composites sont constitu´es de couches d’´elastom`ere avec une couche en m´etal de Field ou en Polym`ere `a m´emoire de forme (SMP). Le m´etal de Field a une temp´erature de fusion tr`es basse (62 ˚C). `A temp´erature ambiante, il pr´esente une raideur ´elev´ee, ce qui permet au composite d’ˆetre rigide. A temp´erature ´elev´ee (chauffage ´electrique par effet Joule), le m´etal de Field se transforme en liquide. L’´elastom`ere peut alors se d´eformer librement ce qui donne une souplesse au composite. Un tissu `a rigidit´e variable a ´et´e con¸cu sous forme composite par l’association d’un alliage `a m´emoire de forme (AMF) et d’un polym`ere `a m´emoire de forme (PMF) [23]. L’AMF, recouvert d’un revˆetement en PMF, est utilis´e dans ce cas comme fibre du composite et ´el´ement de chauffage du PMF. Dans cette conception,
ce n’est pas l’effet m´emoire de forme de ces deux constituants qui est exploit´e, mais la variation de transition vitreuse du PMF en faisant varier la temp´erature par rapport `a la temp´erature de transition vitreuse. En effet, au-dessus de cette temp´erature, le PMF poss`ede un comportement caoutchoutique souple (facilement d´eformable), alors qu’il garde une rigidit´e en dessous.
Un autre stratifi´e composite, le Super-Active Shape-Memory Alloy Composite [9], o`u des fibres en alliage `a m´emoire de forme ont ´et´e associ´ees `a une matrice en sili-cone `a faible duret´e, a ´et´e con¸cu pour des applications en biomim´etique et biom´edical proth´etique. Le chauffage entraˆınant la rigidification de structures composites int´egrant des alliages `a m´emoire de forme peut ˆetre cibl´e [47]. Un nanocomposite a ´et´e inspir´e du concombre de mer [17]. Ce dernier est connu pour son m´ecanisme de d´efense qui consiste
`
a changer rapidement et r´eversiblement la raideur de sa peau. Ce processus est pos-sible grˆace `a la structure nanocomposite de fibres de collag`ene qui renforce une matrice visco´elastique de fibrilline. La rigidit´e est r´egul´ee par le transfert de contrainte entre les fibres adjacentes de collag`ene. Celui-ci est modul´e par des mol´ecules chimiques secr´et´ees localement par contrˆole nerveux. Un mat´eriau qui pr´esente les mˆemes caract´eristiques a ´et´e fabriqu´e en renfor¸cant une matrice en polym`ere avec des nanofibres rigides en cel-lulose [17], [142]. Sous l’effet d’une r´egulation chimique faisant varier le pH du milieu, le module d’´elasticit´e varie d’un facteur 40 par rapport `a l’´etat initial. Ce mat´eriau est destin´e `a des applications en biom´edical.
[137] a d´evelopp´e un mat´eriau bas´e sur le point de fusion peu ´elev´e de micro-structures embarqu´ees dans du poly(dimethylsiloxane) (PDMS). Ces structures sont constitu´ees de Cerrolow 117.