Conception d’un robot sauteur dédié à l’exploration planétaire

Véhicules habités

Hermann Oberth s’est attardé, vers la fin des années 50, à un concept de véhicule lunaire « sautant ». Ce concept de véhicule lunaire se voulait un moyen de mobilité pour les astronautes à la surface de la Lune. Muni d’un bras télescopique rétractable et amorti, ce véhicule devait être capable de se déplacer sur la surface lunaire en faisant des bonds d’une hauteur de 125 mètres. De plus, un gyroscope, utilisé pour le contrôle et la stabilité du véhicule, servait également d’accumulateur d’énergie et donnait au véhicule une autonomie énergétique lui permettant de faire l’ascension de montagne de plus de 3600 mètres d’altitude. En 1960, H.S. Seifert de l’Université de Stanford et M.H. Kaplan  donnaient suite aux travaux de Hermann Oberth qui s’étaient arrêtés à des concepts théoriques.

Ces recherches ont mené Seifert à la construction d’un prototype de véhicule « sautant » qui servirait de moyen de transport aux astronautes sur la surface lunaire. Il conclut que le véhicule « sautant » est un moyen de mobilité particulièrement efficace dans un environnement à faible gravité.

Robots non-habités de type « sauteurs »

Le pionnier en matière de robots « sauteurs » est certainement Marc Raibert  qui, par le biais du « MIT Leg Lab »  a littéralement développé un « zoo » de robots « sauteurs ».

Les recherches de Raibert ont commencé avec une machine unijambiste ayant la capacité de se mouvoir uniquement dans un plan. Plus tard, il a étudié le contrôle de robots ayant jusqu’à quatre (4) jambes et fonctionnant en trois dimensions. Au début, ces robots étaient munis d’actionneurs hydrauliques couplés à des ressorts linéaires qui, comme dans le cas des « pogo-sticks », permettaient de produire des sauts verticaux. L’utilisation de l’hydraulique permettait à Raibert de ne pas être limité par la puissance et d’atteindre suffisamment de vitesse pour contrôler le robot. Raibert a, dans un deuxième temps, orienté ses recherches vers des actionneurs électriques dans le but d’éliminer l’ombilical qui reliait inévitablement le robot à la pompe hydraulique . Étant donné que ces actionneurs électriques ne pouvaient plus fournir la puissance nécessaire, plusieurs nouveaux concepts ont dû être implantés comme par exemple, l’introduction de l’élasticité dans les actionneurs.

Plusieurs autres chercheurs se sont inspirés du travail de M.H. Raibert. Tel est le cas de Rad, Gregorio et Buehler ainsi que V. Papantoniou  et Lapshin . Ils ont approfondi le travail de Raibert en ce qui concerne le contrôle d’un robot de type « pogo-stick » actionné électriquement et stabilisé sur le plan dynamique.

Robots hybrides

En plus des robots strictement sauteurs, certains concepts alliant le saut à d’autres modes de locomotion ont été proposés. Le centre de robotique distribuée de L’université du Minnesota, sous le financement de la « National Science Foundation », de l’armée américaine et de la « Defence Advanced Research Projects Agency » (DARPA), propose un petit robot cylindrique capable de rouler et de sauter. Une des applications pour ce robot serait à des fins de sauvetage/prise d’information en milieu hostile. Ce petit robot, connu sous le nom du projet « SCOUT », a la particularité de pouvoir sauter de marche en marche dans un escalier .
Le robot proposé a une forme cylindrique de 40 mm de diamètre sur 115 mm de long. La masse de ce dernier se situe aux alentours de 200 grammes. Le robot SCOUT se déplace en combinant le saut balistique et le roulement. En effet, les deux roues montées aux extrémités du cylindre formé par son corps lui permettent de rouler, tandis qu’un pied à ressort lui permet d’exécuter un saut d’environ 300 mm (en fonction de la constante de rigidité du ressort choisi). On retrouve deux moteurs indépendants (1 par roue) permettant au robot de se déplacer et se diriger alors qu’un treuil permet de contrôler l’activation du pied à ressort. Le premier prototype de SCOUT a une autonomie de 100 sauts et de plusieurs heures de déplacement en « roulant ».

Alliage à mémoire de forme appliqué aux actionneurs

Dès 1975, Wasilewski constate que les propriétés des alliages à mémoire de forme dépendent de l’apparition et de la disparition de la structure martensitique dans la structure de l’alliage. Il y a deux sortes de martensite : la martensite thermique et la martensite provenant des contraintes induites. La martensite dite « thermique » est générée en refroidissant I’AMF sous sa température de transition martensitique tandis que la martensite provenant des contraintes induites, comme son nom l’indique, est générée en appliquant une charge sur I’AMF lorsqu’il est dans sa phase austénitique. Les propriétés d’un AMF sont décrites par la température, l’effet de contraction ainsi que la tension. Kuribayashi , tout comme Hull et al., Khajepour et al.  ainsi que Liang et Rogers , traite des alliages à mémoires de forme (Shape Memory Alloy ou SMA).

Mais il traite surtout de leur utilité et leur application dans la conception d’actionneurs pour les articulations de manipulateurs robotisés dans l’activation de mains de robots ou de bras et de jambe artificiels par exemple.
Les alliages à mémoire de forme (AMF) ont la particularité d’avoir un effet de mémoire de forme (EMF). L’AMF est facilement déformé sous sa température de transition martensitique et lorsqu’il est chauffé au-dessus de sa température de transition austénitique, il retrouve sa forme originale. L’élongation d’un AMF Ni-Ti (Nickel-Titane) varie entre 2 % et 10 % en fonction de la limite en fatigue permise.

Mécanisme à ciseaux rectangulaires

Le mécanisme à ciseaux rectangulaires s’apparente à l’approche utilisée par Burdick et Fiorini pour leur seconde génération de robot sauteur. Ce principe peut comprendre un ou plusieurs ciseaux mécaniques qui, munis de ressorts, permettent d’accumuler suffisamment d’énergie pour que relâchement du mécanisme provoque un saut. Il existe plusieurs façons d’arranger les ressorts et les ciseaux afin de créer un assemblage, qui, situé sous le reste de la structure, serait capable de se déployer pour ainsi créer une force assez grande qui propulserait le robot dans les airs. Ce système, tout comme dans le cas d’un système à ressort linéaire, comporte plusieurs problèmes reliés à l’actionneur. En effet, l’utilisation d’un actionneur linéaire devient nécessaire et particulièrement difficile à concevoir. De plus, comme un des pieds du ciseau doit glisser dans une rainure, la friction devient très importante.

Comme la force de contraction du ressort risque d’être élevée, il sera nécessaire, pour des raisons dimensionnelles, d’utiliser un assemblage de ciseaux  et ainsi pouvoir répartir cette force à travers plusieurs « petits » ressorts au lieu d’un seul de forte taille. Cependant, en assemblant les ciseaux et en les reliant les uns avec les autres, ce système peut devenir assez complexe à balancer, voire même instable. De plus, basé sur des modélisations préliminaires, ce mécanisme nous paraît difficile à optimiser en terme de volume.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 DÉFINITION DU PROBLÈME
1.1 Contexte
1.2 Problématique
1.3 Définition du cahier des charges et des concepts fondamentaux de conception
1.3.1 Général
1.3.2 Description des prérequis et spécifications imposées
1.3.3 Stratégie de locomotion
1.3.4 Description des spécifications dérivées
1.3.5 Définition de la charge utile (Payload)
1.4 Objectifs
CHAPITRE2 REVUE DE LITTÉRATURE 
2.1 Véhicules habités
2.2 Robots non-habités de type « sauteurs »
2.3 Robots hybrides
2.4 Alliage à mémoire de forme appliqué aux actionneurs
CHAPITRE 3 ANALYSES 
3.1 Définition
3.2 Calcul de la trajectoire balistique et analyse énergétique du système
CHAPITRE4 DISCUSSION SUR LES DIFFÉRENTS CONCEPTS POTENTIELS 
4.1 Général
4.2 Ressort linéaire
4.3 Mécanisme à ciseaux rectangulaires
4.4 Propulsion à gaz
4.5 Mécanisme à quatre (4) barres rigides
4.6 Mécanisme à ciseaux cylindrique
4.7 Discussion sur les actionneurs
CHAPITRE 5 CONCEPTION DU MÉCANISME « SAUTEUR » PRINCIPAL
5.1 Général
5.2 Conception et description
5.3 Analyse dynamique du mécanisme
5.4 Discussions et résultats
CHAPITRE 6 CONCEPTION DE L’ACTIONNEUR À ALLIAGE À MÉMOIRE DE FORME (AMF) 
6.1 Général
6.2 Conception et description
CHAPITRE 7 CONCEPTION DU SYSTÈME DE REDRESSEMENT 
7.1 Général
7.2 Conception détaillée et explications
7.2.1 Structure primaire (châssis)
7.2.2 Système de pétales et fonctionnalités
CHAPITRE 8 CONCEPTION DES SOUS-SYSTÈMES ET MÉCANISMES SECONDAIRES ET SÉQUENCE 
8.1 Général
8.2 Conception et description
CHAPITRE 9 CONCEPTION DU SYSTÈME DE REPOSITIONNEMENT
9.1 Général
9.2 Système de positionnement « passif » rétractable
9.3 Système de positionnement « actif » rétractable
CHAPITRE 10 DISCUSSION, PRÉSENTATION DES RÉSULTATS ET CONCLUSION 

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