Un robot qui ma?trise des outils très flexibles
Comment calculer les mouvements coordonnés de deux bras robotisés qui doivent guider avec précision un outil très flexible ? Des chercheurs de l'ETH ont intégré pour cela tous les aspects des calculs d'optimisation dans un algorithme. La découpeuse à fil chaud permet notamment de développer des éléments de construction pour un ouvrage sans mortier.
Un nouveau-né bouge encore ses bras et ses mains de manière aléatoire et non orientée. Il doit apprendre à les coordonner pas à pas. Des années de pratique sont nécessaires pour obtenir les mouvements finement coordonnés d'une violoniste ou d'un caligraphe. Il n'est donc pas étonnant que les calculs préalables des mouvements optimaux de deux bras robotisés qui doivent guider un outil avec précision représentent des t?ches d'optimisation extrêmement exigeantes. La complexité augmente en outre considérablement lorsque l'outil lui-même n'est pas fixe, mais flexible dans toutes les directions et qu'il se plie différemment selon sa position et son mouvement.
Simon Dünser du groupe de recherche de Stelian Coros du Institut des systèmes interactifs intelligents a développé, en collaboration avec d'autres chercheurs, un robot de découpe à fil chaud dont le fil peut être plié de manière flexible pendant le travail. Il peut ainsi créer des formes beaucoup plus complexes en un nombre de coupes nettement inférieur à celui des systèmes existants. Leur fil chauffé électriquement est rigide et ne peut donc découper que des surfaces dites de régulation, qui contiennent une ligne droite en chaque point, dans des matières plastiques fusibles.
Sculpter des lapins et décorer des fa?ades
Le RoboCut des informaticiens de l'ETH ne se limite en revanche pas aux plans, cylindres, c?nes ou surfaces de selle, mais est également capable, par exemple, de créer des orientations dans un bloc de plastique. Le plus grand avantage est toutefois que le pliage ciblé du fil nécessite beaucoup moins de coupes que si la forme cible ne pouvait être approchée qu'avec des surfaces de contr?le. Ainsi, la figure d'un lapin assis peut être formée à partir d'un bloc de polystyrène en seulement dix coupes, avec la précision d'une sculpture sur bois, gr?ce au fil pliable. Après seulement deux coupes, les contours du lapin sont déjà clairement reconnaissables.
Outre l'amélioration fondamentale de la méthode traditionnelle du fil chaud, le projet RobotCut poursuit également d'autres objectifs d'application concrets. La technique devrait par exemple être utilisée à l'avenir dans l'architecture pour fabriquer des moules individuels pour des éléments en béton à partir de polystyrène. Cela permettrait par exemple de diversifier les fa?ades ou de développer de nouveaux systèmes de blocs de construction.
Trois optimisations simultanées
Pour Dünser, les défis scientifiques étaient au c?ur du projet. "La particularité de Robocut réside dans les calculs d'optimisation complexes. Ceux-ci sont nécessaires pour trouver les trajectoires d'outils les plus efficaces possibles tout en faisant fondre le plus précisément possible la forme souhaitée dans le bloc de polystyrène", comme l'explique le scientifique.
Pour pouvoir déplacer le fil de manière contr?lée, il a été fixé à un robot Yumi à deux bras d'ABB. Il a d'abord fallu calculer comment le fil réagissait aux mouvements des bras du robot. Les positions qui entra?nent des positions instables du fil ou qui présentent un risque de rupture du fil ont été déterminées au moyen de simulations, puis exclues.
Les chercheurs de l'ETH ont ensuite pu construire l'optimisation proprement dite sur cette base. Celle-ci devait prendre en compte simultanément trois aspects interdépendants. Au niveau physique, il s'agissait de prédire la courbure et le mouvement contr?lés du fil afin de pouvoir réaliser les coupes souhaitées. Au niveau de la forme, il fallait déterminer une séquence de coupes permettant de rapprocher le plus précisément possible la surface de la forme cible en un minimum d'étapes. Enfin, il ne devait pas y avoir de collisions avec des parties du robot ou de son environnement, ni de coupes involontaires.
?viter les minima absurdes
Dünser est l'un des premiers scientifiques à avoir réussi à intégrer tous les paramètres de ce problème complexe dans un algorithme d'optimisation global. Il a con?u pour cela une méthodologie structurée. Celle-ci part de l'objectif général selon lequel le fil doit toujours couper le plus près possible de la surface de l'objet cible. Des co?ts ont ensuite été attribués à toutes les autres contraintes et optimisés sous forme de somme.
Sans autre artifice, de tels calculs tombent toutefois toujours dans des minima locaux qui conduisent à un résultat final absurde. Pour éviter cela, Dünser a, dans un premier temps, quasiment lissé la fonction de co?t et il a commencé le calcul avec une coupe qui n'était que très grossièrement adaptée à la forme cible. Ensuite, la simulation de coupe a été progressivement rapprochée de la forme cible jusqu'à ce que la précision souhaitée soit atteinte.
Une méthodologie au potentiel varié
La méthodologie développée par Dünser ne se limite pas à la découpe à chaud du fil. La planification des parcours d'outils d'autres techniques de découpe et de fraisage pourrait également en profiter à l'avenir. En particulier lorsqu'il s'agit de créer des formes complexes ne présentant pas de symétrie de rotation, la méthode ouvre une marge de man?uvre bien plus grande pour les simulations.
L'érosion par étincelles avec des fils pourrait en profiter très directement. Cette technique permet de découper des matériaux conducteurs d'électricité par étincelage avec une grande précision. Des fils d'électrode flexibles pourraient être utilisés à l'avenir. Cela permettrait de réaliser des coupes plus compliquées et donc plus efficaces qu'avec les fils rigides actuels, à l'instar de la découpe au fil chaud des matières plastiques.
Une application concrète du RoboCut est prévue en collaboration avec un groupe de recherche de l'EPF de Lausanne. ? l'aide d'une grande version du robot coupeur de fil chaud, il s'agit de développer des éléments systématiques pour des structures de b?timents sans mortier ni technique de fixation. Pour cela, les éléments doivent eux-mêmes tenir ensemble de manière stable. Plus tard, le robot sera également utilisé pour découper les moules en polystyrène qui serviront à couler les différents blocs de construction dans le béton. L'astucieuse découpeuse de plastique crée donc également une technique de construction en béton de demain.
Référence bibliographique
Duenser S, Poranne R, Thomaszewski B & Coros S. RoboCut : Hot-wire Cutting with Robot-controlled Flexible Rods. ACM Trans. Graph. 39/4, Article 98, 1-15, 2020. DOI : page externehttps://doi.org/10.1145/3386569.3392465.