Akeel Abtan a récemment soumis une thèse de doctorat, «Design and Fabrication of Origami Elements for Use in a Folding Robot Structure» à l’Université de Leeds (Institute of Design, Robotics and Optimization School of Mechanical Engineering). Abtan s’est efforcé de développer des robots qui pourraient être transformés au besoin pour des missions de recherche et de sauvetage, et a exploré trois types différents de structures de conception.

Alors que beaucoup d’entre nous pourraient penser que les robots sont des constructions de films incroyables tirées de films comme Guerres des étoiles, ou en fait, comme ils offrent une aide via les chaînes de montage dans les usines, ils sont utilisés dans un certain nombre d’applications très réelles aujourd’hui – de la médecine à la fabrication; Cependant, un autre domaine spécialisé où les robots sont extrêmement utiles est celui des tâches d’enquête, en particulier celles qui peuvent être dans des zones sinistrées ou dans des contextes plus détaillés tels que des opérations complexes.

«Certaines de ces tâches ont un accès très restreint et limité. Ces tâches nécessitent l’utilisation de robots avec des dommages mineurs à l’accès. Il existe deux exemples de ces situations, qui sont la recherche et le sauvetage des personnes des bâtiments effondrés et la chirurgie des endroits difficiles du corps », explique Abtan.

L’idée d’utiliser les robots pour des missions de recherche et de sauvetage a été proposée en 1980, mais les robots de recherche et de sauvetage (SAR) n’ont été utilisés qu’avant les attaques terroristes du 11 septembre contre le World Trade Center. Cet événement malheureux a été l’occasion de tester des robots de recherche et sauvetage urbains (USAR) dans de vrais décombres. « 

Types de certains robots de sauvetage utilisés lors de la catastrophe du World Trade Center (a) L’iRobot Packbot. (b) Foster – Miller Solem. (c) MicroVGTV Inuktun

Ces dernières années, les chercheurs ont conçu une large gamme de robots pour aider à diverses applications, notamment:

  • Robots modulaires
  • Configurations à quatre pattes
  • Robots serpent
  • Robots d’essaim
  • Robots mini-invasifs
  • Robots pliables
  • Structures auto-pliables

(a) Le module ATRON, 11 cm de diamètre. À gauche: modèle CAO du module ATRON avec couvercle en plastique. À droite: photo d’un ATRON entièrement fonctionnel. (b) Trois groupes de sept modules ATRON. De gauche à droite, les configurations sont le tuyau, le groupe et la voiture

(a) Conro-module. (b) Robot Conro en forme de serpent. (c) Conro-robot de forme carrée. (d) Neuf modules PlayBot connectés ensemble dans une configuration de tuyau. (e) Module M-TRAN I (gauche) II (centre) III (droite). (f) Module SuperBot. (g) Modules UBot. Module actif (à gauche). Module passif (à droite)

Snake Robot grimpe à un arbre

Le robot à roue déformable

Concepts de base du pliage actif. Type de charnière: (a) extensible, (b) torsion et (c) flexion. Des schémas individuels simplifiés du corps libre de la structure à charnière et de l’élément actif sont également représentés. Type de cintrage: (d) double couche constituée d’une couche active et d’une couche passive et (e) couche simple exposée à une voie graduée

Il y a des défis dans l’utilisation des robots, tout comme il le serait d’utiliser les ressources humaines pour s’attaquer à de tels emplois. Il peut y avoir des problèmes d’accès, une menace d’effondrement du bâtiment ou des obstacles dans des problèmes chirurgicaux sensibles. Dans la plupart des cas, la taille du robot est le problème, car le matériel doit être suffisamment petit pour tenir dans de petits endroits, mais doit également pouvoir se déplacer correctement à l’intérieur. Dans cet esprit, Abtan s’est tourné vers l’origami pour trouver l’inspiration et a intégré un design qui pourrait être transformé de petit en grand,

Taille, poids et vitesse de certains robots de sauvetage.

Les robots origami sont des machines autonomes dont la forme et la fonction sont créées par pliage. Leurs corps sont constitués de plusieurs plis dynamiques qui fonctionnent ensemble pour activer la machine. Le robot origami est constitué d’une seule feuille plate qui se plie en une structure 3D complexe. Les robots Origami ont une conformité intégrée en raison de la géométrie du pli et des plis des matériaux, et ils sont semi-souples, c’est-à-dire qu’ils présentent les propriétés des robots rigides et souples », a expliqué Abtan.

L’approche origami de la fabrication de robots peut être considérée comme une approche descendante. Cela contraste avec l’approche ascendante conventionnelle de la fabrication de robots, c.-à-d. les composants indépendants tels que les écrous et les boulons sont assemblés manuellement de manière incrémentielle, ce qui nécessite du temps, des efforts et une expertise. Les robots Origami offrent la possibilité de simplifier et d’accélérer la conception et la fabrication de robots. « 

Un problème évident concernant les robots origami est la nécessité de remplacer le papier par des matériaux appropriés pour les applications utilisées.

«Jusqu’à présent, il n’y a pas de vision claire du comportement structurel de l’origami, et de nombreux chercheurs étudient encore différents types de structures d’origami», explique Abtan.

La première étape de la création d’un robot de dossier consiste à comprendre la structure de l’origami, puis à examiner les types de plis et les descriptions mathématiques. Dans certains cas, ils peuvent devoir être analysés pour leur potentiel dans les applications de génie mécanique. Abtan explore trois structures origami de base: Miura, Ball et Twisted Tower. Une recherche approfondie est nécessaire pour concevoir les charnières et choisir les bons matériaux.

Modèle de pliage illustrant différents concepts d’origami

Pour cette étude, une imprimante 3D a été utilisée pour créer une structure pliante. Abtan a utilisé deux types de matériaux différents (Vero pour les faces pleines et TangoPlus FLX930 pour les lignes de pliage souples) et a ensuite effectué des tests de traction, des tests de flexion, des tests de fatigue et plus encore.

« Les résultats montrent que la limite de fatigue pour la fatigue est de 0,226 pour une charge dynamique élevée, mais elle peut être augmentée à 1,6 pour une faible charge cyclique », a déclaré Abtan. «De plus, le Tango plus FLX930 ne peut pas tomber en panne en raison de la traction dans cette plage de charge. Les propriétés mécaniques du Kapton montrent un allongement à la traction élevé par rapport au matériau Tango Plus. La limite de fatigue de Kapton est calculée et les résultats montrent que la limite de fatigue pour la fatigue est de 0,1 pour une charge dynamique élevée. « 

Le système d’activation dépendait des besoins du robot avec deux types différents d’outils de transmission de puissance testés – la corde SK75 Dyneema et la chaîne imprimée en 3D. Après avoir obtenu trois résultats différents en mesurant la charge de fracture dans la chaîne imprimée en 3D, Abtan a noté qu’un système d’activation intégré avec des matériaux intelligents était «  adapté  » à une structure auto-pliante utilisant du fil SMA.

«L’étape suivante consistait à combiner la structure OSM avec le système d’activation externe pour construire un robot OSM (structure Origami pour robot de manipulation). Le tressage de la structure imprimée en 3D (qui a des charnières imprimées avec du matériau Tango plus) avec des actionneurs SMW pour fournir une structure auto-pliante était une autre étape vers la réalisation de structures auto-pliables », a déclaré Abtan.

En utilisant trois méthodes disponibles pour fabriquer des structures auto-pliantes, les chercheurs ont choisi les trois – de la découpe manuelle des matériaux à l’utilisation d’un cutter laser en passant par l’impression 3D – pour créer le motif de pliage avec deux matériaux à la fois. La première tentative a échoué avec des fissures dans les bords et des trous aux frontières. Pour résoudre le problème, les chercheurs ont créé un nouvel échantillon de la cellule unitaire avec un chevauchement de 0,5 mm du matériau Tango Plus sur les bords.

(a) Motif de sphère origami imprimé à l’aide d’une imprimante 3D avec des matériaux multimédias
technique. (b) Trous à la frontière entre le matériau solide et le matériau mou.

Photos microscopiques de la charnière imprimées avec le matériau Tango Plus flx930. (a) Trous à la frontière entre le matériau solide et mou. (b) Les fissures à la surface du matériau mou.

«Un cube auto-pliable a été réalisé à l’aide de cette méthode d’impression 3D. Le cube a été activé à l’aide de cinq actionneurs BSW avec une activation de chauffage uniforme. Le cube exécute un processus de pliage stable en 19 secondes », a déclaré Abtan.

OSM-Bot a été fabriqué à l’aide de cartes papier et d’un actionneur externe avec quatre servos et une corde Sk75 Dyneema utilisée pour la transmission de puissance.

«OSM-Bot démontre la capacité d’être manipulé en utilisant la contraction et la flexion dans quatre directions», a conclu Abtan. Deux autres façons de fabriquer OSM-Bot sont à l’étude: l’acrylique-Kapton avec découpe laser et la méthode d’impression 3D. Les deux méthodes ne parviennent pas à créer une structure OSM-Bot stable qui pourrait fonctionner comme la structure origami du papier cartonné. « 

L’impression 3D et la robotique douce sont souvent étroitement liées, et l’inspiration de l’origami est parfois utilisée dans d’autres projets, du renforcement des métamatériaux à la fabrication de structures extensibles et à l’amélioration des grilles.

[Source / Images: ‘Design and Fabrication of Origami Elements for use in a Folding Robot Structure’]



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