Comment apprendre à un robot à visser

Au panthéon des technologies qui rendent possible notre société moderne, l'une des plus sous-estimées et délaissées est la fixation filetée, plus communément appelée vis. Cette technologie est apparue à l'aube de l'ère industrielle, lorsqu'il est devenu possible de fabriquer à grande échelle des gadgets métalliques comme ceux-ci.

Aujourd'hui, ces appareils maintiennent littéralement le monde ensemble. Nos modes de vie du XXIe siècle ne seraient pas possibles sans eux, et ils sont susceptibles de jouer un rôle indispensable dans un avenir prévisible.

Pourtant, dans un monde où les techniques de fabrication sont de plus en plus automatisées, il y a un problème. Le processus de vissage et de dévissage est toujours celui dans lequel les humains surpassent les machines. Les appareils robotiques ont des difficultés à localiser les vis et leurs douilles, puis à manipuler efficacement les vis et les tournevis.

Les efforts axiaux à l'œuvre lors du vissage et du dévissage s'avèrent être proportionnels au couple.

Entrez Dima Mironov et ses collègues de l'Institut des sciences et technologies de Skolkovo à Moscou, qui veulent automatiser le processus pour les usines intelligentes du futur.

Leur projet est simple. En utilisant l'haptique, l'étude du sens du toucher, Mironov et co veulent comprendre comment les humains effectuent ces tâches, puis construisent des robots qui utilisent la même technique. Et leurs travaux ont mis au jour une loi fondamentale du vissage (et du dévissage) qui commence à rendre cela possible.

Les humains utilisent deux types de force différents pour enfoncer une vis ou la desserrer. Ils appliquent d'abord une pression ou une force axiale pour pousser la vis dans sa douille. Ils appliquent également une force de rotation, ou un couple, pour faire tourner la vis. Le couple requis dépend du frottement entre la vis et le matériau de la douille, et cela dépend également de l'état du filetage.

Un problème clé dans le vissage est de savoir comment éviter les cam-outs, dans lesquels le tournevis perd son emprise sur la tête de vis et glisse. Mironov et co sont donc particulièrement intéressés par la façon dont les humains évitent cela.

Pour enquêter, l'équipe a construit un appareil pour mesurer à la fois la force axiale et le couple à des résolutions inférieures à 0,1 newton dans la direction axiale et 0,003 newton-mètre de couple.

Ils ont ensuite demandé à 10 hommes et femmes d'enfoncer à plusieurs reprises une petite vis - du type utilisé dans l'assemblage des smartphones - dans une douille de trois millimètres. Les vis avaient soit une tête Phillips, soit une tête hexagonale. L'équipe a ensuite mesuré les forces en présence.

Il s'avère que pour un vissage et un dévissage réussis, l'homme applique une force axiale proportionnelle au couple. Lors du vissage, cet effort atteint un maximum en fin de vissage ; ce motif s'inverse lors du dévissage.

Il y a aussi une périodicité de ces forces qui vient du fait que les humains changent de prise lorsqu'ils tournent leurs mains et se réengagent avec la vis. Alors Mironov et co regardent simplement la force maximale exercée à chaque tour.

C'est ainsi qu'ils ont trouvé le modèle universel de forces de vissage et de dévissage qui peut réussir à enfoncer une vis ou à la retirer. Les résultats montrent que les gens appliquent une force axiale aux vis pour éviter le glissement du tournevis (cam-outs) et cette force axiale est proportionnelle au couple requis pour le vissage, disent Mironov et co.

L'équipe a également constaté que la force requise dépend du type de tête de vis : les vis à tête cruciforme nécessitent une force axiale beaucoup plus importante pour éviter les cames que les vis à tête hexagonale. Ainsi, étant donné la même force axiale, les têtes hexagonales sont moins susceptibles de glisser que les têtes Phillips.

Enfin, Mironov et co ont programmé un robot pour recréer le même schéma de forces. Ce robot est équipé d'un tournevis, d'une pince pour maintenir la vis et d'une vision artificielle pour localiser la vis dans son logement.

L'équipe a ensuite mesuré les forces pendant que le robot effectuait son travail, en accordant une attention particulière aux cam-outs, qui se traduisent par une chute soudaine des forces. Lorsqu'il détecte une sortie de came, le robot augmente la force axiale et continue.

Le robot a bien fonctionné. Les résultats du dévissage robotique concordent avec les résultats des expériences humaines et démontrent l'universalité des conditions du dévissage réussi, disent Mironov et co.

Ces chercheurs font partie d'une équipe qui construit des robots capables de démonter des appareils électroniques, comme des smartphones, pour les recycler. Le projet s'appelle RecyBot et son objectif est de créer un système robotique intelligent à grande vitesse pour le démontage de l'électronique.

C'est un défi considérable, et l'un des plus gros maux de tête est le dévissage. Donc, l'équipe a au moins cela sous sa ceinture. Mais la même technologie pourrait être appliquée dans un large éventail d'usines intelligentes qui doivent assembler et désassembler des composants.

Quoi qu'il en soit, l'humble vis semble prête à jouer un rôle tout aussi important à l'avenir qu'elle l'a fait dans le passé.

Réf : arxiv.org/abs/1801.10386 : Haptique du vissage et du dévissage pour son application dans les usines intelligentes de démontage

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