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PRÉSENTATION
Les innovations en robotique sont permises grâce aux progrès de l'automatisation et de l’intelligence artificielle (IA), qui créent de nouveaux marchés qui ont à leur tour besoin de robots plus petits et plus intelligents. Le système de contrôle de mouvement en est un élément crucial, car il fournit la puissance nécessaire à la robotisation et permet d’obtenir la taille, l’efficacité et la précision requises. Ce document technique aborde les dernières évolutions dans trois domaines d’application courants (la bionique, la robotique chirurgicale et les technologies des effecteurs finaux), ainsi que dans les technologies de motorisation utilisées pour piloter ces équipements essentiels.
BIONICS
Présentation de la bionique
Le terme « bionique » est un mélange de deux mots : biologie et électronique. Initialement inventé en 1958 par Jack Steel, ce terme est devenu courant dans les années 1970 grâce aux célèbres séries L'Homme qui valait trois milliards et Super Jaimie. Cependant, la bionique d’aujourd’hui n’est pas seulement présente à l’écran, elle est sortie du monde du divertissement pour entrer dans le monde de la médecine. Les solutions bioniques actuelles cherchent à faciliter la vie des personnes porteuses d'un handicap et les aident à améliorer leurs mouvements et leur mobilité. Deux des exemples les plus courants sont les prothèses et les exosquelettes.
• | Les prothèses comprennent des membres bioniques alimentés par batterie (généralement la main, le poignet, le coude ou le genou) et entraînés par de petits moteurs à courant continu. La prothèse peut être commandée par un signal myoélectrique qui utilise les impulsions du membre résiduel ou par un microprocesseur qui recueille les données de position et d’accélération provenant de capteurs pour déterminer le mouvement approprié. |
• | Les exosquelettes sont des dispositifs portables qui fournissent un soutien externe au corps et impliquent généralement les membres. Ces dispositifs aident le patient par le biais d’un mécanisme électrique ou d’une configuration mécanique non motorisée ; ils sont souvent utilisés pour améliorer la force, l’endurance et la mobilité du patient. Les exosquelettes aident les personnes porteuses d'un handicap à marcher ou à effectuer des tâches qu'il leur était impossible de réaliser avant la mise au point de cette technologie. |
Les moteurs miniatures dans les applications bioniques
En raison de la nature sensible de l’application, les moteurs miniatures qui alimentent ces dispositifs doivent être compacts, légers, extrêmement précis et offrir une longue durée de vie à la batterie. Les systèmes bioniques sont plus performants avec les moteurs à courant continu à balais sans fer et les moteurs sans balais ni encoches Ultra ECTM ; les petits moteurs à courant continu à balais sont généralement utilisés dans les applications pour les coudes ou les doigts, tandis que les moteurs à courant continu sans balais plats sont utilisés pour les plus grandes articulations comme le genou, l’épaule ou la hanche. Ces moteurs peuvent être associés à des réducteurs planétaires, qui permettent de régler la vitesse moteur, augmenter le couple et optimiser la puissance du système, ou à des codeurs pour fournir des informations précises concernant la position de l’articulation, corréler ces mesures précises d’ouverture/de fermeture et coordonner des schémas de prise spécifiques.
Les tendances actuelles dans le secteur de la bionique
Le poids d’une prothèse ou d’un exosquelette doit être suffisamment léger. L'instrument doit également être résistant pour faire face à des tâches spécifiques. Les progrès réalisés dans le domaine des matériaux comme la fibre de carbone et le graphène contribuent à réduire le poids total du dispositif, tandis que les moteurs et les motoréducteurs légers et de haute puissance offrent la résistance nécessaire.
Les avancées technologiques dans les systèmes de commande et l’ergonomie ont conduit à une utilisation plus intuitive et plus confortable. Légers et puissants, ils réduisent le poids total de l’appareil et permettent à l’utilisateur de bouger plus facilement et plus naturellement. Les moteurs à haute réponse dynamique contribuent à un fonctionnement plus souple, à des modèles de prise fiables et à une résistance accrue.
De nouvelles innovations et l'amélioration des technologies de fabrication contribuent à réduire les coûts et à rendre les dispositifs bioniques plus abordables. La fonctionnalité d’impression 3D permet aux concepteurs d’appareils de tester rapidement de nouvelles idées pour réduire le temps de mise au point. De plus, une collaboration accrue des fabricants avec des spécialistes du contrôle de mouvement permet d’optimiser les performances du moteur, ce qui se traduit par des systèmes de commande plus rentables.
Des recherches sont déjà en cours pour mettre au point des interfaces cerveau-machine qui permettront aux utilisateurs de contrôler les membres bioniques avec leur pensée. Les progrès de la prochaine décennie devraient rendre les membres bioniques encore plus intuitifs et réactifs.
ROBOTIQUE CHIRURGICALE
Présentation de la robotique chirurgicale
Le domaine de la chirurgie robotique s’est considérablement étendu au cours des dernières décennies pour englober une longue liste d’interventions qui peuvent être réalisées en toute sécurité aujourd’hui. La première opération chirurgicale assistée par robot a eu lieu en 1985. Il n'y a ensuite eu que de légères améliorations des capacités jusqu’en 2010, lorsque le système DaVinci est devenu le robot chirurgical le plus répandu sur le terrain.
Les robots chirurgicaux constituent généralement une combinaison de différents outils chirurgicaux et de bras robotisés équipés de pinces laparoscopiques. Les chirurgiens peuvent contrôler avec précision les bras robotisés à partir d’une console à distance. Les bras et outils robotisés fournissent un retour haptique qui donne au chirurgien une réponse sensorielle similaire à celle d'une intervention chirurgicale en personne, tandis que leur extrême précision facilite la chirurgie mini-invasive, ce qui permet au patient de se remettre beaucoup plus rapidement que lors d'une opération chirurgicale traditionnelle.
Les moteurs miniatures dans les applications de chirurgie robotique
Les robots chirurgicaux ont des exigences uniques, notamment en matière de taille, de poids réduit, de densité de puissance élevée et de possibilités de stérilisation. En raison des variations importantes dans les exigences de chaque application, la création d'une solution de moteur universelle n'est pas réaliste. Cela est surtout dû au fait que tous les moteurs d’un système robotique chirurgical ne nécessitent pas de solution stérilisable. D’autres exigences peuvent porter sur la robustesse et la résistance du moteur, par exemple dans le cadre d’autoclavages, ou sur le positionnement précis nécessaire pour le contrôle du mouvement robotisé, comme c'est le cas pour la manipulation des articulations.
De nombreuses technologies de moteurs miniatures peuvent alimenter les robots chirurgicaux, notamment les moteurs à courant continu sans balais, les moteurs à courant continu à balais sans fer et à noyau en fer et les moteurs pas-à-pas linéaires. La personnalisation du moteur permet d’atteindre les objectifs de performance voulus dans une taille définie. Voici des exemples spécifiques d’applications de robotique chirurgicale qui utilisent des moteurs miniatures :
• | EndoWrist |
• | Insertion d'outils |
• | Rotation du bras, giration, angle, maintien |
• | Retour haptique |
• | Dispositif de visualisation |
• | Outils chirurgicaux traditionnels |
Les tendances actuelles de la robotique chirurgicale
TLe marché mondial de la robotique chirurgicale s’est considérablement développé au cours de la dernière décennie. Sa taille, évaluée à 4,4 milliards de dollars en 2022, devrait continuer de croître pour atteindre 18 % du taux de croissance annuelle composé d’ici 2030. Les innovations techniques, les progrès réalisés dans les capacités de calcul et les améliorations apportées aux dispositifs de visualisation ont stimulé et continueront à stimuler cette croissance. Les améliorations apportées aux plateformes robotisées, aux instruments chirurgicaux, aux systèmes d’imagerie, au retour haptique et à l’intelligence artificielle améliorent la précision et les capacités des procédures assistées par la robotique.
Une des clés de l’expansion continue de la chirurgie robotique est l’adoption de cette technologie par les établissements de santé et les chirurgiens du monde entier dans le but d'améliorer la précision de l'opération, de la rendre moins invasive, de réduire le temps de récupération et d'améliorer les résultats pour les patients.
L’utilisation d’algorithmes d’IA et d’apprentissage automatique pour analyser les données médicales et faciliter la prise de décision chirurgicale sera de plus en plus courante au cours de la prochaine décennie afin d'améliorer les résultats des opérations et de réduire le risque de complications. Les progrès de la technologie de téléopération peuvent également permettre aux chirurgiens d’effectuer à distance des interventions chirurgicales complexes sur des patients se trouvant dans des endroits éloignés ou inaccessibles.
EFFECTEURS FINAUX
Présentation des effecteurs finaux
La robotique, de par la nature des tâches effectuées, simule des actions répétitives traditionnellement réalisées par les humains. Presque toutes les applications de robotique ont besoin d’un dispositif pour saisir ou tenir un objet, tenir un outil ou pousser/tirer un objet. Les effecteurs finaux, qui se trouvent à l’extrémité des bras robotisés, effectuent les actions requises associées à un robot spécifique et sont disponibles dans plusieurs configurations ; ils comprennent des préhenseurs électriques parallèles, angulaires et à trois doigts.
• | Les préhenseurs électriques parallèles sont le type d’effecteur électrique final le plus courant. Ils sont composés de deux mâchoires qui se déplacent parallèlement l’une à l’autre pour saisir un objet. Ces préhenseurs sont polyvalents et peuvent prendre en charge un large éventail de tailles d’objets. |
• | Les préhenseur électriques angulaires sont munis de mâchoires qui suivent un mouvement angulaire, généralement autour d’un point de pivot central, ce qui permet de saisir des objets sur le côté ou en biais. |
• | Les préhenseurs électriques à trois doigts sont équipés de trois doigts qui peuvent être contrôlés individuellement et s’adapter à des objets de formes et de tailles différentes. Ces préhenseurs offrent une plus grande dextérité et permettent de manipuler des objets complexes. |
Les moteurs miniatures dans les effecteurs terminaux
En raison de leur maniabilité, de leur polyvalence, de leur densité de puissance et de leur robustesse, les moteurs électriques miniatures sont privilégiés par rapport aux appareils pneumatiques conventionnels. Ils sont responsables de l’alimentation de ces équipements et assurent ainsi un positionnement très précis des doigts du préhenseur, la détection de la prise, le contrôle de la force et de la vitesse de préhension.
Il est courant d'utiliser des moteurs CC avec et sans balais dans ces applications. Les moteurs à courant continu sans balais ni encoches offrent la densité de puissance élevée, la faible inertie, la grande précision et le faible poids nécessaires pour répondre aux exigences de l’application. Les codeurs sont intégrés dans les préhenseurs pour fournir un retour d’information sur les mâchoires du préhenseur, tandis que les réducteurs peuvent également optimiser le point de puissance (vitesse, couple) requis pour l’application. Il est aussi important de personnaliser le moteur, notamment en ajoutant plusieurs bobinages et réducteurs pour adapter la vitesse et le couple, et d’employer des matériaux spéciaux qui résisteront aux chocs, aux cycles intensifs et aux contraintes de température.
Les tendances actuelles en matière d'effecteurs finaux
Moteurs à puissance élevée, couple élevé pour obtenir la force de préhension requise. Les futurs préhenseurs pousseront les constructeurs à mettre au point un couple de moteur et une densité de puissance supérieurs pour une force de préhension accrue et des préhenseurs plus compacts et plus légers. Le besoin accru de contrôle précis de la position et de la force rendra nécessaires des moteurs avec des dispositifs de retour avancés, tels que des codeurs haute résolution, pour obtenir des réglages précis et réactifs pour la prise. La réponse dynamique améliorée des moteurs des préhenseurs garantit une manipulation optimale des objets de tailles, de formes et de poids différents.
L’amélioration de la réactivité contribue à des temps d’ouverture et de fermeture plus courts qui augmentent la productivité. Cette tendance favorisera les moteurs avec de meilleures capacités d’accélération. Les préhenseurs sont soumis à des conditions de fonctionnement répétitives et parfois exigeantes. Les futures tendances qui visent à intégrer des robots dans des applications dangereuses et dans des environnements difficiles exigeront des moteurs électriques robustes, durables et fiables. Les moteurs doivent pouvoir résister à une utilisation continue sur de longues périodes sans dégradation significative des performances. L’amélioration de la conception et des matériaux du moteur peut accroître sa durée de vie et sa fiabilité.
La réduction globale des coûts du système est une autre tendance à laquelle de nombreux fabricants d’effecteurs finaux sont confrontés. Les préhenseurs électriques continueront de remplacer les préhenseurs pneumatiques traditionnels qui nécessitent des systèmes d’alimentation en air complexes, comme des compresseurs, des filtres, des régulateurs et des vannes. Le remplacement de ces composants pneumatiques par des préhenseurs électriques contribuera à réduire les coûts associés à l’installation, à la maintenance et à l’exploitation des systèmes pneumatiques. Alors que les besoins en solutions économes en énergie augmentent, les futurs systèmes de préhension électrique devront donner la priorité à l’efficacité énergétique. Les futurs moteurs seront conçus pour réduire les pertes d’énergie et réduire au maximum la consommation énergétique pendant l'utilisation des préhenseurs. Les conceptions écoénergétiques contribueront également à réduire le coût de possession.
Au cours de la prochaine décennie, l’intégration de la vision artificielle et de l’IA permettra aux préhenseurs d’identifier et de manipuler des objets avec plus de précision, même dans des environnements encombrés ou complexes. Pour accroître l’efficacité et la polyvalence de l’effecteur final, les futures mises au point dans le domaine des préhenseurs devraient leur permettre d’effectuer plusieurs tâches simultanément.
CONCLUSION
Les moteurs miniatures sont particulièrement adaptés aux difficultés du secteur de la robotique en raison de leur taille compacte et de leurs incroyables capacités. Ces moteurs sont optimisés pour répondre, et dépasser, les exigences les plus strictes des applications, que ce soit en alimentant des membres bioniques pour accroître la mobilité et l’indépendance des patients, en permettant à la technologie de robotique chirurgicale d’améliorer le temps de récupération des patients et de limiter les séjours à l’hôpital ou en améliorant les technologies de préhension pour réduire le besoin de tâches humaines dangereuses/répétitives dans des environnements de travail dangereux.
Les offres multi-technologiques et l’expertise en matière de collaboration de Portescap sont d'importants atouts pour les clients, car elles offrent plusieurs choix technologiques pour une application, chacun avec ses avantages spécifiques pour répondre à des exigences critiques. Les ingénieurs de Portescap disposent de dizaines d’années d’expérience dans la résolution des problèmes liés aux applications de mouvement les plus complexes, ce qui leur permet d’obtenir des solutions robotisées sur mesure et économiques.