Bionic Learning NetworkApprendre de la natureComment les séquences de mouvements automatisées peuvent-elles être conçues encore plus efficaces et productives grâce à la bionique ? A l’occasion de la foire d’Hanovre, Festo montre cette année aussi des conceptions novatrices de systèmes d’entraînement dans le cadre du Bionic Learning Network. Les institutions d’essais y utilisent la technologie Festo la plus récente. Les concepts mécatroniques globaux offrant des possibilités de télémaintenance et de diagnostic en font partie de même que les distributeurs piézo et les systèmes d’entraînement électriques. Le muscle fluidique Festo, depuis longtemps partie intégrante de la fabrication, paraît comme le génie universel dans de nouvelles applications stupéfiantes. Pour les formes d’entraînement complexes, des phénomènes qui se présentent dans l'air et dans l’eau, mais surtout l’homme même servent de source d’inspiration.

Des jumeaux inégaux : les raies manta Aqua_ray et Air_ray Des études effectuées sur les types de déplacement dans l’eau distinguent les raies en tant que perfectionnistes du vol et du glissement sous-marin. Leur battement des ailerons dans l’eau ressemble au battement d’ailes d’un oiseau dans l’air. Leurs mouvements ondulés assurent la base optimale pour une propulsion maximale tout en présentant une consommation d’énergie minimale. Son ergonomie permet surtout à la raie manta une séquence élégante de mouvements et en fait un véritable acrobate sous-marin.

L’Aqua_ray est un poisson télécommandé à entraînement hydraulique qui a été conçu d’après le modèle de mouvement d’une raie manta.

Les Fluidic Muscles (muscles fluidiques) bioniques Festo servent d’actionneurs. Ceux-ci sont principalement composés d’un cylindre creux d’élastomère aux fibres d’Aramide. Lorsque le Fluidic Muscle est rempli d’air ou d’eau, celui-ci s’agrandit dans son diamètre et est contracté en longueur. Cela permet d’effectuer un mouvement coulant et élastique.

Le Fluidic Muscle Festo constitue, en combinaison avec le Fin Ray Effect®, l’unité de propulsion et de commande centrale de l’Aqua_ray. Le Fin Ray Effect® est une construction qui découle de l’anatomie fonctionnelle de la nageoire. Celle-ci permet d’imiter presque parfaitement le dispositif d’entraînement à aileron ou à nageoire du modèle naturel.

TC 07/07

Date16 avril 2007

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Les rayons de la nageoire, dénommés en anglais « Fin Ray », permettent par le seul mécanisme de la nageoire de plier l’aile et de répartir les forces de façon homogène sur l’aile entière. Les mouvements coulants sont transformés en battements d’aile dynamiques ; de cette manière, la raie manta artificielle est propulsée.

Dans le cas de l’Aqua_ray, une pompe centrale à palettes et entraînée par eau génère, tout comme un cœur, l’énergie nécessaire qui sera transmise, sous forme de pression, par l’intermédiaire de distributeurs spécialement conçus à cet effet, à trois paires de muscles travaillant de façon antagoniste. Leur force de traction est transmise par des tendons artificiels en cordes à haute rigidité en passant par des galets et gaines tendineuses sur les ailes et la queue qui exploitent la course de force de 55 mm pour un battement d’ailes de plus de 550 mm.

L’utilisation de nouveaux matériaux élastiques pour toutes les pièces mobiles et la peau déformable 3D ainsi que la coordination de l’élasticité et des propriétés autoadaptatives du squelette, des ailes et de la queue avec les forces hydrodynamiques ont permis de réaliser la cinématique de la flottabilité du modèle naturel. Dans ce cas, l’agent eau est un élément de la fonction car uniquement en liaison avec ses propriétés, on peut réaliser ce mouvement authentique.

L’Aqua_ray se laisse parfaitement manœuvrer et peut être exploité non seulement comme planeur hydrostatique, mais aussi avec un battement actif des ailes. Cela signifie une économie d’énergie élevée. Sa forme et son mode de déplacement permettent un emploi de l’Aqua_ray dans les domaines les plus divers de la recherche marine sans déranger l’environnement naturel.

L’Air_ray lui aussi, a la raie manta comme modèle. Il s’agit d’une construction hybride télécommandée composée d’un ballonnet rempli d’hélium et d’un dispositif d’entraînement à aile battante. Grâce à sa construction légère, il lui est possible, moyennant la poussée verticale de l’hélium, de « nager » à peu près dans la mer d’air comme cela est possible pour la raie manta dans l’eau.

La propulsion est réalisée par un dispositif d’entraînement à aile battante. L’aile mise en mouvement de va-et-vient par une servocommande est constituée d’une structure qui exploite le Fin Ray Effect® déjà décrit. La structure même est composée d’un flanc de traction et d’un flanc de pression qui sont reliés par des couples formant ainsi une articulation. Lorsqu’un flanc est mis sous pression, la structure géométrique se voûte automatiquement contrairement au sens de la force qui y agit. La

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servocommande tire en sens longitudinal et en alternance sur les deux flancs et déplace ainsi l’aile vers le haut et le bas.

Cette structure est complétée par un longeron central rigide à la torsion qui a été développé par Rainer Mugrauer. Ce longeron sert de support pour une servocommande qui est montée à son extrémité. Grâce à cette servocommande, l’aile battante peut être tordue dans son axe transversal. Cela permet le vol en arrière de l’Air_ray. Le gouvernail de profondeur est également réalisé comme une structure « Fin Ray » entraînée au moyen d’une servocommande.

Le Fin Ray Effect® permet aussi de premières applications pratiques dans l’automatisation. Sept pièces peuvent être exactement triées en une seule opération en utilisant le dispositif de séparation bionique Festo.

Airic’s_armComment un mécanisme de mouvement peut-il être conçu par des moyens techniques, par sa structure conceptionnelle, sa construction technique et son design bionique, en ressemblant le plus au modèle naturel de l’homme ? Airic´s_arm est inspiré de la nature. En combinant la mécatronique et la bionique, il montre de nouvelles possibilités sur l’avenir des séquences de mouvements automatisées.

Airic’s_arm est un bras de robot qui est équipé d’os et de muscles artificiels. 30 muscles déplacent la structure osseuse qui est composée, comme chez les hommes, d’un cubitus et d’un radius, d’os métacarpiens et de phalanges de doigt ainsi que d’une articulation d’épaule et d’une omoplate. Des articulations qui n’existent pas comme ça dans le monde technique. Dans le cas du système Airic, les os ne sont pas poussés eux même et ils ne vont pas non plus guérir automatiquement après une fracture. Ils ont été construits devant l’ordinateur et grandissent en polyamide en 3D dans l’espace en utilisant des procédés de frittage au laser des plus modernes.

Le muscle est un produit Festo déjà très répandu sous la dénomination de Fluidic Muscle (muscle fluidique). Le Fluidic Muscle est un tuyau en élastomère muni de fibres d’Aramide. Lorsque le muscle est rempli d’air comprimé, son diamètre s’agrandit alors que sa longueur est réduite. La force initiale de ce muscle artificiel est très grande, et il ressemble beaucoup au muscle humain en ce qui concerne sa dynamique. Son plus grand avantage sur le muscle humain consiste dans le fait qu’il n’a plus besoin d’apport en énergie en état raccourci. Cela signifie qu’un poids, une fois soulevé par Airic’s_arm, peut être tenu dans chaque position pour n’importe quelle durée. Grâce à l’emploi de cette technologie, on

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peut précisément régler les forces et la rigidité dans la construction. Cela est réalisé par de très petits distributeurs proportionnels piézo hautement innovants Festo. Des capteurs de pression ou de longueur permettent de déterminer les forces de traction ou bien le raccourcissement des différents muscles. Une unité mécatronique développée par Festo règle alors les cycles de pression du système, ce qui permet une séquence de mouvements qui, dans sa cinématique, sa vitesse, sa force, mais aussi sa finesse, ressemble énormément aux mouvements humains.

La coordination de ces nombreux actionneurs n’est possible que grâce à des systèmes mécatroniques et logiciels les plus modernes. Ce qui se passe instinctivement ou même par réflexe chez les hommes en mouvement sans y réfléchir, doit être commandé et réglé ici avec l’assistance d’un ordinateur et à grand renfort de temps et de ressources humaines. Une extension de la technique des capteurs sans contact d’Airic’s_arm, comme par ex. par des caméras ou de capteurs tactiles, est tout aussi bien possible dans la suite qu’un perfectionnement dans l’arrangement du dos, de la hanche, de la nuque, etc.

Toutes ces caractéristiques spécifiques sont désormais intéressantes également pour la robotique. Grâce à elles, encore plus de situations dangereuses ou compromettantes peuvent bientôt être cédées à la technique.

Mécatronique pure : Sky_liner et Airmotion_rideDiriger un cerf-volant exige de l’art et du savoir-faire. Avec le projet Sky_liner, Festo montre pour la première fois qu’une commande peut aussi réussir d’une façon totalement automatisée grâce à la mécatronique, et revient ainsi sur sa compétence essentielle, à savoir l’automatisation avec de l’air mis en mouvement.

Sky_liner est une structure composée de deux cerfs-volants à deux cordes lesquels sont pilotés chacun par une unité de commande mécatronique. Les deux cerfs-volants ne sont donc plus pilotés à la main, mais actionnés « indoor » par des servomoteurs et un vent artificiel. Chaque corde est accouplée au moyen de distributeurs à commutation rapide à un muscle fluidique DMSP Festo lequel « raccourcit » la corde et effectue un pilotage en sens opposé au moment du dérapage du cerf-volant.

La construction bionique Airmotion_ride permet de réaliser des simulations de conduite et de vol les plus diverses en combinaison avec des systèmes mécatroniques. Une structure Hexapod en cinématique parallèle et six muscles fluidiques Festo assurent une sensation réaliste de conduite et de vol. En tant que fournisseur leader de systèmes

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pneumatiques, Festo montre avec ce projet une alternative intéressante et rentable en comparaison à des constructions hydrauliques coûteuses.

Bionic Learning NetworkLe Bionic Learning Network fait partie de l’engagement dans le domaine de la formation et du perfectionnement technique. En coopération avec des étudiants, des universités, des instituts et des sociétés d’études renommés, Festo fait avancer les idées et initiatives qui dépassent les activités essentielles de l’automatisation et de la didactique et qui pourraient peut-être représenter après-demain des domaines d’application intéressants. Pour le texte et les images de presse, veuillez-vous référer aussi à Internet sur www.festo.com/press, pour d’autres informations relatives au Bionic Learning Network Festo, consultez www.festo.com/bionic.

Fin Ray Effect® est une marque de la société Evologics GmbH.

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Légende de la photo :

Aqua_ray

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Air_ray

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Dispositif de séparation bionique

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Airic’s_arm

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Sky_liner

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Airmotion_ride

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