Amélioration de l’interaction robot-environnement

TITRE DU

DÉFI: Amélioration de l’interaction robot-environnement
PROMOTEUR DU DÉFI : Conseil national de recherche du Canada (CNRC)
MECANISME DE FINANCEMENT : contrat
VALEUR MAXIMALE DU MARCHÉ
Ce défi peut amener la création de plusieurs contrats.
Le financement maximal pour tout contrat de la phase I découlant de ce défi est de 150 000,00 $ CAD (taxes en sus), incluant les dépenses relatives à la livraison et aux déplacements ainsi que les frais de subsistance, s’il y a lieu, pour une période pouvant aller jusqu'à six mois.
Le financement maximal pour tout contrat de la phase 2 découlant de ce défi est de
700 000,00 $CAD (taxes en sus), incluant les dépenses relatives à la livraison et aux déplacements ainsi que les frais de subsistance, s’il y a lieu, pour une période pouvant aller jusqu'à deux ans. Seules les entreprises admissibles qui ont complété la phase 1 avec succès seront prises en considération dans le cadre de la phase 2.
La divulgation de l’estimation du financement disponible est faite de bonne foi et n’engage aucunement le Canada à payer cette somme.
DÉPLACEMENTS : Pour la phase 1, il est prévu que jusqu'à deux réunions pourraient exiger que le(s) candidat(s) retenu(s) se déplace(nt) aux endroits ci-dessous :
Rencontre de démarrage : Montréal, Qc
Rapport Final : Montréal, Qc
Toutes les autres communications devraient avoir lieu par téléphone ou par vidéoconférence.
Sommaire du problème
Ce défi recherche des solutions innovatrices afin d'améliorer l'intéraction des robots avec des humains ou un environnement avec des conditions variables.
Énoncé du problème
Le CNRC fait de la recherche et du développement dans le domaine de l’interaction humain-machine, appliqué aux tâches collaboratives humain-robot en fabrication et aux systèmes mobiles autonomes. Pour ce faire, le CNRC a besoin d’un mécanisme permettant au robot d’appliquer la force adéquate, ni plus, ni moins. Un robot qui interagit avec des objets ou un humain faisant partie de son environnement par le biais d’un contact doit pouvoir appliquer des forces et couples adéquats, et doit aussi pouvoir les adapter en présence de conditions qui évoluent dans le temps de manière stable et sécuritaire. Par exemple, un robot qui casse un œuf doit pouvoir moduler son comportement afin de ne pas affecter l’intégralité de l’œuf une fois la coquille brisée. De façon similaire, un robot appliquant une force sur un bras humain doit pouvoir maintenir cette force tout en accommodant d’éventuels mouvements du bras. Cette problématique est au cœur de recherches considérables en robotique et constitue l’état de l’art que ce soit au niveau d’applications industrielles ou d’interactions physiques humain-machine.
Bien que des algorithmes de commande existent pour adresser cette problématique, leur implémentation sur un système physique requiert que la portion mécanique du système (articulations et membrures) soit aussi libre d’effets non désirables (p. ex. friction, élasticité et vibrations) que possible. Ces effets peuvent sévèrement limiter la performance et la sécurité du système en introduisant des éléments indésirables, créant ainsi des considérations et une complexité additionnelles durant les étapes de conception et d’implémentation. Ce défi recherche donc un système permettant à un robot d’appliquer des forces et couples adéquats lors d’interactions avec un humain ou son environnement.
Résultats souhaités et éléments à considérer
Les éléments suivants constituent un survol des caractéristiques désirées de la solution répondant à ce défi.
Résultats souhaités essentiels
Les solutions proposées doivent :

• Permettre à une structure mécanique articulée ayant au moins 3 degrés de liberté d’appliquer un contact et un moment sur une surface, d’adapter ce contact en fonction des changements de conditions sur la surface et d’effectuer des mouvements tout en maintenant le contact prescrit.
• Être disponible dans un format compact, de façon à pouvoir facilement actionner une articulation de rotation robotique. À titre purement indicatif, un rapport longueur/largeur/profondeur aux alentours de « 1 » serait approprié. Par exemple, une première conception pourrait avoir une dimension de 10cmX10cmX10cm.
• Permettre l’intégration de contrôleurs externes, expérimentaux ou commerciaux en fournissant une interface standard, p. ex. via une unité de contrôle électronique de type « servo drive ».
• Minimiser les effets attribuables entre autres à l’élasticité (déflexions < 1 mm à l’effecteur, vibrations > 20 Hz), à la friction, au jeu dans les différentes composantes par le biais d’une conception innovatrice et de pointe. La minimisation de ces effets doit provenir de la mécanique du système. Dans le cas où la solution comprend une portion asservie, la performance sera démontrable à l’aide de composantes disponibles commercialement.

Résultats souhaités additionnels
Les solutions proposées devraient :
• Être facilement évolutive, pouvant ainsi permettre la génération de forces ou de couples sur des plages variées selon le type d’application désirée. 3 niveaux de couples nominaux à la sortie sont suggérés soient:
o 2 Nm
o 10 Nm
o 30 Nm
• Être robuste aux changements abrupts de force/couple, résultant par exemple d’impacts lors d’un contact avec une vitesse non négligeable (> 0.1 m/s) ou bien d’arrêts d’urgence.
Historique et contexte
Faisant partie du Centre de recherches en aérospatiale du CNRC, le groupe d’automatisation et robotique du centre de technologies de fabrication en aérospatiale effectue des travaux de recherche et développement dans le domaine de l’interaction humain-machine, appliqués aux tâches collaboratives humain-robot en fabrication et aux systèmes mobiles autonomes. Pour ces deux domaines, il est requis de pouvoir contrôler les forces appliquées incluant une rétroaction à l’usager ainsi qu’un contrôle de la dynamique du système pour fins de stabilité/performance, p. ex. minimisation des vibrations, et afin de pouvoir fournir de l’information additionnelle sur l’environnement, p. ex. proximité d’éventuels obstacles à l’aide de champs de force.
Bien que plusieurs approches soient présentement à l’étude, leur implémentation sur un montage physique et limitée en grande partie par la performance des actionneurs impliqués. Afin de pouvoir fournir les efforts requis dans un format compact et léger, utilisable dans un contexte de robotique collaborative ou de robots avec un rapport charge utile/poids élevé, des réducteurs harmoniques sont typiquement utilisés, constituant l’état de l’industrie de nos jours. Toutefois, le compromis résultant en la génération de rapports de couple élevés dans un format compact introduit des effets d’élasticité, de vibrations et de friction qui limitent la performance globale du système et peut compromettre sa stabilité en introduisant des éléments dynamiques qui sont reconnus comme étant difficiles à traiter. De plus les applications impliquant du contact avec l’environnement (incluant les humains) et les arrêts répétés qui y sont associés ont été rapportés comme étant néfastes pour les réducteurs harmoniques, ayant un effet négatif sur la performance et pouvant les abimer à la longue. Bien que de bons résultats puissent être obtenus quand le système est en mouvement libre, l’exécution de tâches de contact doit souvent être réalisée dans un environnement bien connu, dans des conditions non optimales telles qu’à basse vitesse. Une solution pouvant générer un couple élevé à la sortie dans un format compact sans introduire les effets mentionnés ci-haut augmenterait la performance du système en permettant l’application et le rendu d’une plus grande plage de forces, ce qui rend le système plus versatile et adaptable.
DEMANDES DE RENSEIGNEMENTS
Toutes les demandes de renseignements doivent être présentées à (courriel sur l'avis officiel) au moins dix jours civils avant la date de clôture. Pour ce qui est des demandes de renseignements reçues après ce délai, il est possible qu'on ne puisse pas y répondre.