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Un nouveau-né bouge ses bras et ses mains en grande partie de manière non dirigée et aléatoire. Il doit apprendre à les coordonner pas à pas. Des années de pratique sont nécessaires pour maîtriser les mouvements finement équilibrés d'un·e violoniste ou d'un·e calligraphe. Il n'est donc pas surprenant que les calculs avancés pour le mouvement optimal de deux bras de robot pour guider un outil impliquent précisément des tâches d'optimisation extrêmement difficiles. La complexité augmente aussi considérablement lorsque l'outil lui-même n'est pas rigide, mais flexible dans toutes les directions et se plie différemment en fonction de sa position et de son mouvement.
Simon Dünser, du groupe de recherche de Stelian Coros à l'Institut des systèmes interactifs intelligents, a travaillé avec d'autres chercheuses et chercheurs pour développer un robot coupeur à fil chaud avec un fil qui se plie de manière flexible pendant son fonctionnement. Cela lui permet de créer des formes beaucoup plus complexes en beaucoup moins de coupes que les systèmes précédents, où le fil chauffé électriquement est rigide et n'est donc que capable de découper des surfaces réglées en matière plastique fusible en ligne droite en tout point.
Sculpter des lapins et dessiner des façades
En revanche, le RoboCut des informaticien·nes de l'ETH Zurich ne se limite pas aux plans, cylindres, cônes ou surfaces de selle, mais est également capable de créer des rainures dans un bloc de plastique. Le plus grand avantage, cependant, est que le pliage ciblé du fil signifie que beaucoup moins de coupes sont nécessaires que si la forme cible devait être approximée à l'aide de surfaces réglées. Ainsi, le fil pliable peut être utilisé pour créer la silhouette d'un lapin assis à partir d'un bloc de polystyrène en effectuant seulement dix coupes avec une précision comparable à celle d'une sculpture sur bois. Le contour du lapin devient clairement reconnaissable après seulement deux coupes.
Outre l'amélioration fondamentale par rapport aux méthodes traditionnelles de coupe à fil chaud, le projet RoboCut a également d'autres objectifs d'application spécifiques en vue. Par exemple, à l'avenir, la technologie pourrait être utilisée en architecture pour produire des moules individuels en polystyrène pour des pièces en béton. Cela permettrait une conception plus variée des façades et le développement de nouveaux types de systèmes de construction modulaire.
Trois optimisations liées simultanément
Pour Simon Dünser, les défis scientifiques étaient au centre du projet. «Ce sont les calculs d'optimisation complexes qui font la particularité de RoboCut. Ils sont nécessaires pour trouver les trajectoires d'outils les plus efficaces possibles tout en fondant la forme souhaitée du bloc de polystyrène aussi précisément que possible», explique le scientifique.
Afin de déplacer le fil de manière contrôlée, il a été fixé à un robot à deux bras Yumi d'ABB. Il fallait d'abord calculer la réaction du fil aux mouvements des bras du robot. Les positions qui conduiraient à un placement instable du fil ou qui présenteraient un risque de rupture du fil ont été déterminées au moyen de simulations, puis éliminées.
Les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich ont ensuite pu développer l'optimisation proprement dite sur cette base. Il fallait pour cela tenir compte simultanément de trois aspects liés entre eux. Sur le plan physique, il était important de prévoir la flexion et le mouvement contrôlés du fil afin de réaliser les coupes souhaitées. Pour ce qui est de la forme, il fallait déterminer une séquence de coupe qui permette d'obtenir une approximation très précise de la surface par rapport à la forme cible en un minimum d'étapes. Enfin, les collisions avec des parties du robot ou son environnement et les coupes involontaires devaient être exclues.
Prévenir les mauvais minima
Simon Dünser est l'un des premiers scientifiques à avoir réussi à intégrer tous les paramètres de cette tâche complexe dans un algorithme d'optimisation global. Pour ce faire, il a conçu une méthodologie structurée basée sur l'objectif principal selon lequel le fil doit toujours couper le plus près possible de la surface de l'objet cible. Toutes les autres restrictions ont ensuite été assorties de coûts et ceux-ci ont été optimisés dans leur ensemble.
Sans autres dispositifs, cependant, ces calculs tombent toujours dans des minima locaux, ce qui aboutit à un résultat final inutile. Pour éviter cela, Simon Dünser a, dans un premier temps, pour ainsi dire éliminé la fonction de coût et a commencé le calcul par une coupe qui, au départ, n'était que grossièrement adaptée à la forme de l'objet cible. La simulation de coupe a ensuite été progressivement rapprochée de la forme cible jusqu'à ce que la précision souhaitée soit atteinte.
Une méthode au potentiel polyvalent
La méthode développée par Simon Dünser ne se limite pas à la découpe au fil chaud. La conception de parcours d'outils pour d'autres technologies de coupe et de fraisage pourrait également en bénéficier à l'avenir. La méthode crée un champ de simulation beaucoup plus large, en particulier pour la génération de formes complexes non symétriques en rotation.
L'usinage par électro-érosion avec des fils pourrait en bénéficier directement, car cette technologie permet une découpe de haute précision des matériaux électriquement conducteurs par ablation par étincelle. À l'avenir, il pourrait s'agir de fils d'électrode pliables. Cela signifie que - comme pour la découpe au fil chaud des plastiques - des coupes plus complexes et donc plus efficaces peuvent être réalisées plus facilement qu'avec les fils rigides d'aujourd'hui.
Une application spécifique de RoboCut est en cours de planification avec un groupe de recherche de l'EPF de Lausanne. À l'aide d'une version à grande échelle du robot coupeur à fil chaud, des éléments de construction systématiques pour des structures sans mortier et des technologies de fixation seront développés. Les éléments eux-mêmes doivent tenir ensemble de manière stable. À l'avenir, le robot devrait également être utilisé pour découper les moules en polystyrène avec lesquels les différentes briques sont coulées dans le béton. L'astucieux coupeur de plastique crée ainsi également la technologie de construction en béton de demain.