La robotisation non motorisée
Nous savons que selon la loi de la dilatation thermique, un alliage se dilate lorsqu'il
est soumis à une hausse de température. Cependant, grâce à une nouvelle technologie,
certains alliages spéciaux peuvent se contracter suite à une élévation de température. Les alliages faisant appel à cette nouvelle technologie se nomment alliages
à mémoire de forme(AMF). Cette technologie est présentement au stade expérimental
et encore méconnue.
Notre projet propose une nouvelle approche de la robotisation. Cette approche globale
dans la réalisation d'une main artificielle consiste en le remplacement des moteurs
et solénoïdes par des muscles d'alliage à mémoire de forme ainsi que par l'utilisation d'un interface dynamique. Ainsi seront recréés les mouvements d'une vraie main.
Notre projet traite des quatre aspects suivants : le fonctionnement des métaux à mémoire
de forme (AMF), la conception et le fonctionnement d'un interface dynamique, la conception
d'une main artificielle et puis finalement des applications futures.
Fonctionnement des métaux à mémoire de forme (AMF)
Bien que méconnue, les AMF possèdent une grande valeur scientifique et technologique.
Leurs applications dans les domaines de la robotique, de la médecine,de la biomécanique
et de l'aréospacial sont très prometteuses.
Un métal à mémoire de forme est un alliage qui a la propriété de reprendre sa forme
initale losrqu'il est porté à une température bien précise. Il existe de nombreux
alliages qui possèdent ces caratéristiques.
Pour ce projet, nous utilisons un fil de Nickel et de Titane (Ni-Ti) dans une proportion
de 49% - 51%. Ce fil est vendu sous le nom commercial de "Flexinol", Soumis à une
température de 363K, il se contrate de 5%. Cette chaleur est obtenue en faisant
passer un courant électrique dans le fil. Nous utilisons la force mécanique déployée
par la contraction du fil comme source d'énergie. Comparé à d'autres AMF, le Ni-Ti
possède un net avantage: sa température de transformation relativement facile à
atteindre. En effet certains AMF reprennent leur forme initiale à une température de
73K.
Le fonctionnement est assez complexe et, pour l'isntant, gardé secret par les industries
qui le fabriquent. Par contre certains renseignements ont été publié par des chercheurs
et scientifiques.
Pour une meilleure compréhension, il est nécéssaire de définir et d'expliquer les
structures cristallines qui forment les solides.
Une structure cristalline est un alignement des atomes dans un solide. Par exemple
le carbone qui, selon sa structure cristalline, pourra être soit du graphite, soit
un diamant. Par conséquent, une même substance pourra avoir différentes propriétés
selon sa struction cristalline. Pour le Flexinol c'est un peu la même chose. Sa contraction
est due au changement de sa structure cristalline, changement qui s'effectue lorsqu'on
chauffe le fil à 263K. En chauffant le Ni-Ti ,les liens entre les molécules se raccourcissent et les atomes qui constituent la matière s'alignent pour former
une nouvelle structure. Le fil de Flexinol raccourcit car cette nouvelle structure
cristalline est plus compacte que la structure initiale. Cependant si l'alliage
est porté à une trop grande température, les atomes perdent leurs électrons de valence, détruisant
du même coup les liens qui forment la structure cristalline caractéristique de l'alliage.
Il est alors impossible de retrouver les propriétés caractéristiques initiales du fil de Flexinol.
Conception et fonctionnement d'un interface dynamiq
ue
L'interface est en quelque sorte le cerveau de notre projet. Nous avions d'abord
pensé utiliser un interface statique c'est-à-dire un interface qui envoie des ordres
mais qui ne reçoit pas d'instructions de la part de capteurs installés sur la main.
Cependant, ce type d'interface ne permet pas un positionnement précis des doigts de notre
main mécanique. Par contre, en choississant un interface dynamique, nous pouvons
contrôler avec une grande précision le positionnement de chaque élément.
Avec le support technique de monsieur Charles Gautiers, ingénieur, nous avons conçu
un interface communiquant avec un ordinateur personnel par le biais du port série.
Notre interface contient un timbre (puce) programmable qui constitue le coeur de
l'interface. Ce timbre programmable communique les ordres de l'ordinateur à des sorties
numériques qui les retransmettent ensuite aux fils d' AMF sous forme d'un courant
continu de 1500mV et à une intensité de 1100mA.
De plus, comme c'est un interface dynamique, cet interface reçoit aussi des informations
sur le positionnement de chaque jointure par le biais de résistances variables servant
de capteurs de position. Ces capteurs transmettent un signal électrique de 0 à 5 volts à l'interface par le biais d'entrées analogiques. Puis, l'interface transforme
ce signal analogique en un signal numérique traduisant ainsi le positionnement en
256 valeurs. Enfin, ce signal (allant de 1 à 256) est transmis par le port série
à l'ordinateur qui, selon le positionnement du doigt, décide s'il doit ou non continuer
à envoyer du courant à chaque muscle pour atteindre la position désirée par le manipulateur.
La conception d'une main artificielle
Nous avons construit une main mécanique recréant les mouvements d'une main humaine
dans le but de démontrer une des applications pratiques des "muscles de Ni-Ti".
Par conséquent, notre prototype de main mécanique démontre bien la puissance de contraction des fils de Flexinol ainsi que l'efficacité d'une traction linéaire imitant le mouvement
de vrais muscles.
Notre main contient la plupart des composantes d'une main humaine tels les muscles,
les tendons, les os et les jointures. Chacune d'elles est remplacée par un élément
mécanique. Ainsi, les muscles sont remplacés par des fils de Flexinol, les tendons
par des fils de nylon, les os par de légers tubes d'aluminium et les jointures par
des charnières de plastique.
Le fonctionnement de notre main est relativement simple. Les muscles (fils de Flexinol)
se contractent à cause du passage d'un courant électrique; ils entraînent les tendons
(fils de nylon) qui induisent le mouvement des jointures (charnières de plastique). Enfin, des résistances variables installées sur chaque muscle servent de capteurs
pour informer l'ordinateur du positionnement de chaque jointure.
Applications futures
Si on les compare à des sources d'énergie mécanique conventionnelles tels les moteurs
et les solénoïdes, les matériaux à mémoire de forme possèdent de grands avantages.
Ainsi pour un faible poids, ils déploient une puissance importante. Par exemple
on parle, dans certains cas, de 11 N pour un fil de Ni-Ti de seulement 5 mm de diamètre.
Alors que les moteurs sont lourds, encombrants et trop souvent bruyants, les
métaux à mémoire de forme sont légers et silencieux. Ces caractéristiques les
placent en bonne position dans la miniaturisation de la robotique.
Plusieurs projets sont en développement dans le domaine de la biomécanique. Ainsi
la création de prothèses puissantes allant chercher leur source d'énergie dans les
AMF serait une innovation qui viendrait résoudre de nombreux problèmes pour les perso INSTITUT DES BIOMATÉRIAUX DU QUÉBEC, Biomatériaux, Prothèses et Implants,"nes amputées. Un micro-processeur contrôlerait la prothèse. Certains parlent même
de coeurs et de poumons artificiels qui utiliseraient les AMF comme source d'énergie . Les fonctions de contraction et de dilatation de ces organes pourraient être
remplacées par les AMF (dont c'est justement la caractéristique de se contracter
et de se relâcher facilement). Bien entendu, la recherche en est encore à ses premiers
balbutiements dans ce domaine. Des matériaux encore plus puissants et nécessitant
moins d'énergie pour se contracter devront être mis au point pour que nous puissions
penser à des applications pratiques futures.
Dans le cas qui nous intéresse, l'ajout de fil de Flexinol en parallèle viendrait
donner une plus grande puissance à notre prothèse. Bien qu'ils soient encore peu
connus, les alliages à mémoire de forme semblent avoir un avenir prometteur dans
le domaine de la robotisation et de la
biomécanique.
Bibliographie
[ANONYME] (1996). GT3 `Modèles Déformables Dynamiques' ,
URL: http://www.isis.enst.fr/Documents/RapportsGDR/GT3/gt3_130696.html.
BATAILLARD, Laurent (1996). Martensitic Phase Transformation - Shape Memory Alloys
-NiTi, URL : http://dpwww.epfl.ch/iga/lpm2/SMA/Bataillard.html.
BÉRUBÉ, Dany. Le génie biomédical : triste fin pour un Institut dynamique !,
URL : http://step.polymtl.ca/gestion/aecsp/recherche/v10n5/biomed.html.
INSTITUT DES BIOMATÉRIAUX DU QUÉBEC, Biomatériaux, Prothèses et Implants,
URL: http://www.crsfa.ulaval.ca/pages/biomater/bio_desc.html.
Mondo-Tronic inc. "Muscle Wires", Robot Store catalog 14, 1996, p12-13.
MOYNE, Sylvain. Caractérisations et applications des films minces d'alliage à mémoire
de forme (NiTi) dans les microtechniques, URL : http://alpha.univ-fcomte.fr/~moyne/these.html.
Personne ressource
Charles Gautiers, ingénieur à Transports Canada (élaboration de l'interface).
page précédente Page principale