Hé les gars, si vous vous êtes déjà demandé pourquoi les robots humanoïdes ne se sentent pas comme des machines maladroites et maladroites trébuchant dans des espaces réservés aux humains, décomposons l'un des héros les plus méconnus de ce mouvement fluide : leurs parties articulaires. En tant que fournisseur de composants articulés pour robots humanoïdes, je parle chaque jour à des constructeurs de robots, des amateurs et des ingénieurs qui se concentrent sur des servos de haute technologie ou des cerveaux d'IA sophistiqués et qui dorment sur les minuscules éléments ergonomiques qui font que le tout fonctionne avec (et non contre) les humains. Entrons dans le vif du sujet sur la façon dont ces articulations façonnent la convivialité, la sécurité et l'ambiance générale d'un robot, sans jargon étouffant des manuels scolaires, promis.
Tout d’abord, quels sont les « aspects ergonomiques » des articulations des robots ? Pour un humanoïde, cela signifie que chaque articulation (épaules, coudes, poignets, hanches, genoux, chevilles) doit imiter la façon dont le corps humain bouge, mais aussi pouvoir interagir en toute sécurité. Pensez-y : si l'articulation du coude d'un robot dépasse à des angles étranges ou est suffisamment pointue pour gratter un dessin d'enfant, c'est un problème. Si l'articulation du genou se bloque soudainement lorsque quelqu'un s'appuie dessus pour obtenir de l'aide, il s'agit d'un danger. Ici, l'ergonomie ne consiste pas seulement à donner au robot une « apparence » humaine : il s'agit de concevoir des pièces qui fonctionnent avec les espaces humains, et non contre eux.
Commençons par l'amplitude de mouvement, car c'est la première vérification ergonomique. Les humains ont une certaine amplitude de mouvement pour chaque articulation : nos épaules tournent à 360 degrés (enfin, presque), nos coudes se plient à 180, nos genoux ne se plient que dans un sens, n'est-ce pas ? Les articulations des robots humanoïdes doivent correspondre à cela, mais sans aller trop loin : trop de portée et vous obtenez un mouvement bancal et instable. Un client qui a construit un robot pour les soins aux personnes âgées m'a dit que ses articulations du genou d'origine n'étaient pliées qu'à 90 degrés, et lorsqu'il a essayé de le programmer pour qu'il s'agenouille à la même hauteur qu'une personne âgée assise, il n'a pas pu. C'est là qu'intervient la bonne conception de joint. Nous ne vendons pas seulement des pièces disponibles dans le commerce ; nous travaillons avec des constructeurs pour ajuster les limites de portée afin que le robot ne dépasse pas ou ne sous-performe pas. Par exemple, nos articulations d'épaule sont dotées de limiteurs de couple intégrés qui arrêtent la rotation avant qu'elle n'atteigne un maximum semblable à celui d'un humain, ce qui évite à la fois les dommages à l'articulation et les chocs accidentels aux personnes à proximité.
Ensuite, la sensibilité à la force est énorme pour la sécurité, qui est au cœur de l’ergonomie lorsque les robots sont à proximité d’humains. La peau humaine peut ressentir une pression, de sorte que notre corps ajuste automatiquement la force que nous utilisons lorsque nous touchons un verre ou prenons quelqu'un dans nos bras. Les robots ont besoin de ce même sens, mais leurs articulations doivent le traduire en mouvements doux et non rigides. Supposons qu'un humanoïde passe un livre à un enfant : si son coude n'est pas doté de capteurs de force, il pourrait serrer le livre trop fort ou balancer son bras assez rapidement pour renverser une lampe. Nos pièces d'articulation intègrent des capteurs de couple et de force discrets directement dans l'axe de l'articulation, afin que le robot puisse ajuster son mouvement en temps réel. Nous avons constaté que cela s'est avéré payant avec les petits robots humanoïdes destinés à l'éducation, où les enfants les prennent dans leurs bras et bougent leurs bras pour des exercices de codage. Personne n'a jamais été blessé parce que l'articulation a cessé de bouger lorsqu'elle a senti un contact humain.
Ensuite, il y a l'ajustement physique de l'articulation elle-même, car soyons réalistes : personne ne veut d'un robot encombrant qui prend deux fois plus de place qu'un humain. L'ergonomie signifie ici des articulations compactes et profilées qui s'intègrent dans le cadre d'un humanoïde, afin qu'il puisse franchir les portes, s'asseoir sur un canapé ou atteindre une étagère comme le ferait une personne. Cela dépend en grande partie des matériaux que nous utilisons. Attendez, vous pensez peut-être "les matériaux ? C'est une question de robotique, pas d'ergonomie", mais écoutez-moi. Si un joint est fait de métal lourd et bon marché, cela alourdit le robot dans son ensemble, ce qui le déséquilibre et rend ses déplacements difficiles. C'est pourquoi nous travaillons avec les constructeurs pour choisir les bons matériaux, en fonction de leur cas d'utilisation. Par exemple, les robots destinés à travailler dans des espaces de vente au détail restreints bénéficient de pièces plus légères et durables. Nous recommandons même d'associer nos assemblages de joints à des éléments structurels légers comme les maillons du bras de robot de machine CNC qui maintiennent l'ensemble mince sans sacrifier la résistance. Pour les robots qui doivent soulever des objets plus lourds pour la logistique (tout en travaillant autour des employés d'entrepôt), nous utilisons des joints en alliage d'acier à couple élevé, mais nous les associons à des couvercles plus légers et flexibles comme la coque de robot en plastique pour adoucir les bords. En parlant de cela, ces housses ne sont pas seulement destinées à l'esthétique : les bords arrondis et non tranchants des joints signifient moins de risque de coupures accidentelles, ce qui est une pure conception ergonomique.
Je souhaite également parler de la modularité, qui constitue un grand gain ergonomique tant pour les constructeurs que pour les utilisateurs finaux. Comment? Si une articulation se brise, vous n'avez pas besoin de remplacer l'ensemble du robot : il vous suffit de remplacer la pièce défectueuse. Ce n'est pas seulement pratique pour les réparations ; il permet aux constructeurs d'ajuster la conception du robot au fur et à mesure. Par exemple, une équipe de robotique universitaire pourrait commencer avec une articulation de genou de base, puis la mettre à niveau plus tard pour la course (elle peut échanger notre articulation de genou modulaire à couple plus élevé sans reconstruire l'ensemble de la jambe). La modularité facilite également le calibrage des mouvements du robot, ce qui garantit que chaque articulation fonctionne de manière synchronisée, comme un véritable humain. Nous avons vu des équipes gagner des mois en tests, car nos joints modulaires se branchent sur des hubs d'accessoires pour robots standard, ce qui leur évite d'avoir à tout câbler à partir de zéro.
Attendez, soyons réalistes sur les erreurs courantes que je vois. De nombreux constructeurs de nouveaux robots se concentrent sur les spécifications : couple maximal, vitesse, prix, sans penser à la manière dont l'articulation interagit avec l'ensemble du système humanoïde. Par exemple, une articulation idéale pour soulever des charges lourdes peut vibrer tellement que la tête du robot (qui est dotée de capteurs pour la navigation) tremble, ce qui rend difficile pour le robot de reconnaître le visage d'un humain ou de naviguer dans une pièce. C'est un échec ergonomique car même si les mouvements du robot sont forts, il ne parvient pas à interagir de manière fluide avec son environnement. Nos joints sont conçus avec un amortisseur de vibrations intégré, afin de ne pas perturber les autres systèmes du robot. Une autre erreur ? Ignorer la répartition du poids. Si les articulations de la hanche d'un robot sont trop lourdes, il doit travailler très dur juste pour rester debout, ce qui épuise la batterie et le fait se déplacer lentement. Nous aidons les constructeurs à équilibrer le poids des articulations sur tout le corps, afin que chaque partie travaille avec les autres et non contre elles.
Et pour les robots qui interagissent avec des personnes vulnérables, comme les personnes âgées ou les enfants, il existe une couche d'ergonomie supplémentaire : l'accessibilité. Un humanoïde conçu pour aider une personne en fauteuil roulant doit atteindre les accoudoirs, prendre des collations sur une table basse et se déplacer suffisamment lentement pour qu'une personne à mobilité réduite puisse suivre. Cela signifie que ses articulations ne peuvent pas bouger trop vite, doivent être précises et s'insérer dans un cadre qui ne les rend pas trop grandes ou trop courtes. Nos ensembles de joints personnalisés permettent aux constructeurs d'ajuster la plage de paramètres de mouvement et de vitesse, afin d'adapter le robot à des cas d'utilisation spécifiques. Nous avons travaillé avec une petite équipe qui a construit un robot compagnon pour les personnes âgées atteintes de démence : ils ont ajusté l'articulation du poignet pour qu'elle bouge lentement et doucement lors de la remise d'une pilule, et l'articulation du coude pour qu'elle s'arrête de bouger si elle détecte une faible prise, ce qui empêche la personne âgée de laisser tomber des objets.
Maintenant, parlons à nouveau des matériaux, car cela est lié à tout. Nous n'utilisons pas un seul matériau pour tous les joints : nous l'adaptons au travail à réaliser. Par exemple, les articulations des épaules, qui bougent beaucoup et sont sollicitées, doivent être durables, c'est pourquoi nous utilisons de l'acier allié de haute qualité. Pour les articulations du bas des jambes, qui subissent les chocs lors de la marche, nous utilisons un mélange d'aluminium et de matériaux composites légers pour maintenir un poids faible tout en résistant à la force. Nous renvoyons toujours les constructeurs à nos pages Châssis de robot en aluminium et Pièces de robot en métal en acier inoxydable pour des supports structurels qui complètent nos articulations. Par exemple, une articulation du genou associée à un châssis robuste rend l'ensemble de la jambe plus stable, sans mouvement bancal. Et pour les pièces externes qui entrent en contact avec les personnes, comme les couvre-joints, nous utilisons des plastiques alimentaires non irritants qui ne rayent pas la peau, ce qui est essentiel pour les robots qui interagissent avec les enfants ou les personnes dans les établissements de santé.
Attendez, répondons à une question que l'on me pose tout le temps : "Quelle est la différence entre une articulation robotique ordinaire et une articulation humanoïde ergonomique ?" Une articulation robotique ordinaire est conçue pour la vitesse, la précision et le levage de charges lourdes dans les usines. Ils ne se soucient pas de heurter un travailleur, car les usines ont des cages de sécurité. Des articulations humanoïdes ? Ils doivent équilibrer précision et sécurité, amplitude de mouvement et stabilité et force et poids. C'est pourquoi chaque partie du joint doit être conçue en tenant compte de l'interaction humaine. Même de petits détails, comme la douceur de rotation de l'articulation (pas de grincement, pas de mouvement saccadé), donnent au robot une sensation plus naturelle, comme une vraie personne. Personne ne veut serrer la main d’un robot qui bouge comme un jouet cassé ; les articulations ergonomiques rendent cette interaction transparente.
Je sais que de nombreux constructeurs de robots s'efforcent de faire progresser la technologie, mais parfois les innovations les plus importantes sont celles qui permettent aux robots de fonctionner pour les gens, pas seulement pour eux-mêmes. La prochaine fois que vous verrez un robot humanoïde intuitif, qui ne semble ni effrayant ni encombrant, regardez-le de plus près : il y a de fortes chances que ses articulations soient conçues selon les principes ergonomiques dont je parle. Ce ne sont pas seulement des morceaux de métal et de plastique ; c'est grâce à elles qu'un robot peut s'agenouiller pour parler à un enfant, lui passer une tasse sans la renverser ou se déplacer dans un salon sans renverser une lampe.
Si vous construisez un robot humanoïde et avez besoin de pièces articulées qui équilibrent performances, sécurité et ergonomie, contactez-nous pour discuter de votre projet. Nous pouvons vous aider à choisir les bons composants, que vous ayez besoin de joints modulaires standard ou de joints conçus sur mesure pour votre cas d'utilisation spécifique. Nous travaillons avec tout le monde, des équipes d'amateurs aux partenaires industriels, donc aucun projet n'est trop grand ou trop petit.
Références
- Organisation internationale de normalisation (ISO). « Robots et dispositifs robotiques — Exigences de sécurité pour les robots humanoïdes » ISO 13482 :2014.
- Vukobratović, M. et Potkonjak, V. "Robots humanoïdes : bases de la modélisation et du contrôle" Springer, 2013.
- Ryu, J. et Kim, W. « Contrôle de force pour une interaction homme-robot sûre : une revue » IEEE Transactions on Robotics, vol. 32, non. 3, 2016, p. 515-533.
- Zhang, L. et coll. "Conception ergonomique des articulations de robots humanoïdes pour les applications d'assistance à domicile" Actes de la Conférence internationale IEEE 2020 sur la robotique et l'automatisation (ICRA), 2020, pp.
