Conception de muscles pneumatiques durables pour des applications à haute déformation et à haute densité de force

Abstract

Le projet décrit dans cette thèse est basé sur un manipulateur, développé dans le cadre de ma maîtrise, qui utilise des actionneurs pneumatiques déformables (muscles) pour positionner un instrument médical en fonction d’une cible identifiée par imagerie à résonance magnétique (IRM). Une problématique est rapidement apparue : les muscles pneumatiques existants ne permettent pas une déformation supérieure à 35 % de leur longueur initiale, et à cette déformation, ne supportent que quelques milliers de cycles avant de fissurer. Il est apparu nécessaire de concevoir des muscles pneumatiques à haute déformation (50 %) pouvant supporter plus de 100 000 cycles. Le principe de base d’un muscle pneumatique est une membrane élastomère contrainte par un renfort qui oriente la déformation lorsque la membrane est pressurisée. Des recherches ont montré que la problématique de compromis entre la déformation et la durée de vie est en fait commune à tous les muscles pneumatiques. Cette constatation a mené à ma question de recherche : Comment concevoir des muscles pneumatiques à haute déformation résistants à la fatigue ? La thèse met en évidence trois principes de conception qui affectent la durée de vie en fatigue des muscles pneumatiques : respecter la limite de fatigue du matériau de la membrane, limiter l’abrasion de la surface de la membrane par le renfort et limiter les contraintes/déformations local de contact (Hertz) causées par le renfort. Dans un premier temps, un nouveau concept de muscle extensible est proposé à partir de ces principes : utiliser une membrane élastomère tubulaire et la recouvrir d’un manchon externe orthotropique continu (tissé) qui limite les contraintes et déformations locales. Simple à fabriquer et à assembler, le muscle démontre une durée de vie de plus de 229 000 cycles à 50 % de déformation, soit environ dix fois la durée de vie des muscles existants (à 35 % de déformation). Dans un second temps, le concept de manchon est adapté pour créer un muscle en flexion. Dans le cas des muscles en flexion, c’est la combinaison de la grande déformation et de la pression élevée, requise pour augmenter la capacité de charge, qui affecte leur durée de vie. Ce nouveau muscle en flexion à manchon est intégré dans une pince robotisée à trois doigts déclinée en deux versions qui démontrent des ratios charge/masse de 46 et 33.6, avec une durée de vie jusqu’à plus de 700 000 cycles. Une nouvelle application des pinces souples est proposée : le perchage de drones. La fissuration des muscles pneumatiques extensibles et en flexion est observée au microscope et répliquée sur un banc d’essai permettant d’évaluer les effets de la concentration de contrainte et de la déformation indépendamment, sur un échantillon d’élastomère. Ces analyses préliminaires démontrent un impact comparable des deux paramètres sur la durée de vie. Une nouvelle méthode de détection des fissures utilisant l’IRM est proposée, particulièrement intéressante pour la prévention des défaillances dans un manipulateur opérant dans l’IRM.