Bras Exosquelette Haptique : Conception et Contrôle 7 Juillet 2010 Pierre Letier Laboratoire des Structures Actives
Evolution des interfaces hommes-machines Nintendo Ecrans 3D Ordinateurs câblés (ENIAC) Claviers et interfaces graphiques (IBM 3278) Ecrans tactiles 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Souris Joysticks Cartes perforées Wii Mesure du mouvement
Interfaces hommes-machines vidéos
Interfaces haptiques? Dérivé du verbe grec «Haptesthai» signifiant «toucher» Transmission d une information sensorielle: Vue Ecrans, projecteurs, caves et casques 3D Ouïe Haut-parleurs, écouteurs Toucher Interfaces haptiques Tactiles Kinesthésiques
Interfaces haptiques tactiles Sensations de vibration, pression, glissement, température Grand nombre de récepteurs dans la peau, principalement au niveau de la main Stimulation par vibrations, stimulations électriques et «générateur de formes» CyberGlove (Immersion) Samsung Stress display (McGill University)
Interfaces haptiques kinesthésiques Sensations de mouvements et de forces Récepteurs situés au niveau des muscles et tendons Génération de l effort par des actionneurs électriques, pneumatiques, hydrauliques, Desktop Phatnom (Sensable) Exosquelette SAM (ULB) Câbles Spidar (Université de Tokyo)
Applications : réalité virtuelle CAO et prototypage virtuel Assemblage Apprentissage et entraînement Jeux SAM (ULB)
Applications : réalité virtuelle - vidéo
Téléopération ULB : Video
Applications : téléopération (1) Commande de bras robotisés en environnements hostiles (nucléaire, sous-marins, spatial) Maître Esclave Bras robotique DLR Goertz, Argonne Lab (1964) Pointe AFM SAM (ULB) Exploration sous-marinne
Applications : téléopération (1) - Vidéos
Applications : téléopération (2) Téléchirurgie et robots chirurgicaux mini-invasifs Téléchirurgie Raven inside submarine (BioRobotics Lab., Washington) Da Vinci Center for minimal access surgery Pointe AFM SAM (ULB) DLR MicroSurge
Applications : téléopération (2) - Vidéos Pointe AFM SAM (ULB)
Applications : téléopération (3) Nanomanipulation : projet ULB Interface haptique maître Esclave : Pointe AFM Position x 10-4 Amplification Force x 10 4 Pointe AFM 20 µm SAM (ULB)
Historique et motivation du projet
Setup de téléopération 1 ddl
Contrôle Force - Position
Contrôle Force Position (2) Tracking en position et en couple Simple mais la raideur maximum est limitée Inadapté pour les interfaces avec une grande friction ou inertie Impédance ressentie
Contrôle Position Position
Contrôle Position - Position Tracking en position et en couple Retour de force sans capteur d effort Meilleure stabilité Addition de la dynamique du maître et de l esclave en mouvement libre Impédance ressentie
Contrôle à 4 canaux
Contrôle à 4 canaux avec compensation hybride Tracking en position et en couple Echange des 4 infos de positions et de forces Meilleur résultat des tests Le contrôle hybride est utilisé pour diminuer la sensation en mouvement libre au maître et augmenter la stabilité à l esclave Impédance ressentie
Conception de l exosquelette SAM
Choix d un exosquelette portable Exosquelettes vs interfaces desktop Volume de travail supérieur Plus grande dextérité pour le contrôle des bras robotiques anthropomorphiques Contacts multipoints Exosquelettes portables vs fixes Espaces confinés (Station spatiale, navette) Absence de forces de réactions en OG Déplacement (réalité virtuelle à grande échelle) Plus grande complexité de design Aspects de sécurité et de confort Poids de la structure et des actionneurs Plus grande nécessité d ajustements
Systèmes exosquelettes existants Amplificateurs d effort Power-Assist Suit (Kanagawa) Hal-5 (Cyberdyne)
Systèmes exosquelettes existants Réhabilitation et interface haptique pour le bras A base fixe Portables Uwash (University of Washington) Arm Master (EXOS) Samsung Advanced Institute of Technology Armin ( University of Zurich) MGA (Georgetown University) Korean Institute of Technology
Conception de l exosquelette SAM
Etude cinématique (1) Conception cinématique initiale
Conception cinématique finale Etude cinématique (2)
Espace de travail Espace de travail humain Espace de travail SAM Ratio SAM/humain [%] Volume Total [m³] 0.65 0.38 58 Volume avant (x>0) [m³] 0.48 0.35 73
Actionnement Cabestan Câble (Kevlar) Moteur DC Réducteur planétaire Roulements externes Joint Couple max humain [Nm] 5 % [Nm] Couple journalier [Nm] SAM permanent [Nm] 1 134 6.7 10 9.3 2 115 5.75 10 9.3 3 60 3 3.1 4.8 4 72 3.6 3.8 3.1 5 9 0.45 0.4 1.9 6 20 1 0.38 0.45 7 21 1.05 0.25 0.45 Ref : I.A. Kapandji, Physiologie articulaire, schemas commentés de mécanique humaine, Tome 1, members supérieurs, Maloine, Paris, 1994 Ref : Craig Carigan and Michael Liszka, Design of an Arm Exoskeleton with Scapula Motion for Shoulder Rehabilitation, Int. Conf. on Advanced Robotics, pp. 524-531, July 2005, Seattle, USA
Capteurs Lamelle Cabestan Jauges de déformation Encodeur incrémental Carte de conditionnement Support moteur Roulement externe Jauges de déformation
Construction mécanique
SAM History 0 mois
SAM History 6 mois
SAM History 12 mois
SAM History 18 mois
SAM History 24 mois
SAM History 36 mois
Contrôle Force Position Tests en réalité virtuelle θ m Cinématique directe X m τ d Jacobien transposé F e Réalité virtuelle
Contrôle Force Position Tests en réalité virtuelle θ m Cinématique directe X m Gravité τ d Jacobien transposé F e Réalité virtuelle
Contrôle Force Position Tests en réalité virtuelle θ m Cinématique directe X m Gravité Contrôle couple τ d Jacobien transposé F e Réalité virtuelle τ h
Expériences en boucle ouverte : suivi de forme
Contact d une surface de faible raideur Transmission d impédance
Collaborations Projet ESA EXOSTATION
Projet ESA EXOSTATION - Video
Contact d une surface de faible raideur Tracking en force
Conclusions Conclusions et travaux futurs Conception d un exosquelette haptique portable anthropomorphique à 7 ddl avec actionnement et capteurs de position et couple articulaire. Comparaison de différentes méthodes de contrôle en réalité virtuelle et en téléopération. Exosquelette SAM intégré dans le système de téléopération EXOSTATION et livré à l Agence Spatiale Européenne. Travaux futurs Redesign de l exosquelette (espace de travail, poids, robustesse mécanique). Tests d autres types de réduction pour l actionnement (Harmonic drives), associés à la stratégie par admittance. Tests en téléopération avec un robot réel.
Equipe ASL Exosquelette Mihaita Horodinca More Avraam Samuel Veillerette André Preumont Iulian Romanescu
Remerciements Michel Ilzkovitz Elvina Motard Tanguy Fautre Jean-Marc Wislez Bernard Fontaine Jean-Philippe Verschueren Serge Cattoul Andre Schiele Maurizio De Bartolomei Politique Scientifique Fédérale Belge Jacques Nijskens Photos : Jean Jottard Videos : Vincent Dery Famille Jessica Théo Projet EXOSTATION : General Support and Technology Program, contract N 18408/04/NL/CP