لخّصلي

1 INTRODUCTION:
Dans la quête continue du développement scientifique, la recherche pour explorer des endroits inexplorés par les humains a émergé, grâce aux développements technologiques capables de les transporter vers des lieux jamais imaginés auparavant. L'un de ces développements technologiques est devenu ce qu'on appelle aujourd'hui spécifiquement les robots et les robots mobiles pour l'exploration, qu'ils soient terrestres, aquatiques ou aériens. Par exemple, les robots jumeaux Spirit (voir Figure-1) [1] et Opportunity, développés par le "Jet Propulsion Laboratoire" de la NASA en Californie pendant les années 2002 et 2003, étaient deux robots de classe "Rover" envoyés sur Mars à la fin de l'année 2003. Chacun des robots a exploré des côtés opposés de Mars et a réussi à mener des recherches de natures différentes [5], permettant ainsi à l'homme de connaître et de clarifier de nombreux doutes qu'il avait sur cet endroit qui n'avait jamais été exploré auparavant
Figure-1.Robotspirit.
Figure 1Robot spirit.
Non seulement ces robots sont utilisés pour l'exploration dans des endroits difficilement accessibles, mais ils sont également envoyés dans des endroits où le risque pour le personnel humain est assez élevé, comme les catastrophes géologiques et l'ordre public ou dans des environnements hostiles. Il existe de nombreux types de catastrophes géologiques, notamment les tsunamis, les tremblements de terre, les volcans, les émissions de gaz (naturelles), les inondations, les sécheresses, les glissements de terrain, les orages, les avalanches, etc. Dans de telles situations, des robots sont envoyés avant les humains principalement dans le but de ne pas perdre de vies humaines et parce qu'ils ont moins de besoins que les humains et peuvent accéder et mieux résister à différentes conditions difficiles. Dans le domaine militaire, on trouve également des robots de type Rover, utilisés pour l'observation, l'exploration, l'inspection et le sauvetage ; il convient de noter que quelle que soit la forme et indépendamment dans ce domaine, les robots d'exploration doivent avoir la capacité de se déplacer dans n'importe quel terrain. On observe une grande diversité de rover pour différentes fins, c'est pourquoi l'accent de ce travail est mis sur la mise en œuvre d'une méthodologie de conception QFD pour la conception et la construction d'un robot de type Rover.
1.1 ÉTAT DE L'ART :
Comme on l'a vu ces dernières années, les robots ont été utilisés pour explorer des endroits inaccessibles ou des endroits présentant des risques pour les humains ; les situations les plus courantes dans lesquelles les rover sont utilisés sont dans des bâtiments qui présentent une détérioration de leur structure due à des catastrophes naturelles. Une autre situation où ces types de robots sont mis en œuvre est pour la technologie de balayage. C'est lorsque l'on veut pénétrer dans un bâtiment militaire qui est sous le contrôle de groupes en dehors de la loi, dans cette situation, le robot joue le rôle de négociateur. L'une des entreprises qui conçoivent des robots d'exploration est iRobot [3]. Dans l'inventaire, il existe des robots d'exploration terrestre et sous-marins. Les robots iRobot sont utilisés par l'armée comme support opérationnel, y compris le négociateur iRobot 200 [4] (voir Figure
Figure-2.IRobot
Figure 2. IRobot 
La plate-forme est conçue pour soutenir les équipes SWAT, ce robot a la capacité de voir, d'entendre et d'évaluer des situations dangereuses à une distance sûre. Le négociateur 200 transmet des vidéos en temps réel, un audio bidirectionnel, dispose d'un détecteur de bombes, d'un moniteur de détection de matières dangereuses et est capable de résoudre des situations à haut risque, des prises d'otages, des opérations de recherche et de sauvetage. La NASA a également mis en œuvre des robots d'exploration à des fins scientifiques dans le domaine de l'exploration de nouveaux mondes, la grande majorité des robots étant conçus par la NASA, des robots de type Rover. Ceux-ci se composent de roues ou de chenilles capables de se déplacer à travers des territoires de nature différente, généralement utilisés pour explorer des territoires hostiles où il serait dangereux, trop coûteux ou même impossible d'envoyer un être humain. Le rover Sojourner est un petit véhicule robotisé à six roues construit par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA, conçu pour être envoyé sur Mars dans le cadre du Pathfinder [8] [9], capable de transmettre des images et de réaliser des expériences sur le sol martien. Au fil des ans, il y a eu le développement d'un grand nombre de robots avec différents mécanismes pour s'adapter à différentes surfaces, certains d'entre eux sont énumérés ci-dessous [8]:
Sojourner Fabriqué par le JPL-USA, direction longitudinale synchronisée avec suspension passive et différentiel central, voir Figure-3. En 1997, la mission Sojourner Rover du Pathfinder (voir Figure-3) a touché la surface de Mars en utilisant le bras robotique Surveyor. [9]

Figure-3.Sojourner.
Figure 3Sojourner.
 
1.2 Shrimp
Fabriqué par l'EPFL-Suisse, direction longitudinale synchronisée et différentielle avec suspension passive. [8] (Voir Figure-4)

Figure4.Shrimp.
Figure 4Shrimp.
1.3 Poulpe
Le mécanisme de locomotion comporte 15 degrés de liberté. À chaque côté, le chargeur et les deux corps sont joints dans une configuration différentielle passive. Il dispose de capteurs de contact sur les roues capables de détecter plus d'informations sur les obstacles et, par conséquent, le robot peut adapter son comportement au sol (voir Figure-5).

Figure-5.Sojourner

Figure 5Sojourner
1.4 CRITÈRES DE CONCEPTION
Lorsque nous parlons de la locomotion des robots, l'étude est vitale. Fondamentalement, les considérations sur les caractéristiques des mécanismes de locomotion qui doivent être prises en compte pour la mise en œuvre d'un robot sont :
• La capacité de marche
• La manœuvrabilité
• La capacité de franchissement.
Ces caractéristiques sont importantes [8] et, selon leur objectif, elles doivent s'adapter à l'une des classifications de locomotion sur différents robots. Il y a eu des développements dans divers types de concepts de locomotion, et les plus connus sont présentés dans la Figure 6. Chacun de ces types de concepts de locomotion a ses avantages et ses inconvénients, qui sont présentés dans le Tableau 1 [8].

Figure-6.Sojourner

Figure 6Sojourner

CompetenciaConcepto TransitaBilidad Maniobrabilidad Terrenobrabilidad Complejidaddelsistema Complejidaddelsistema
SBD Buena Buena Baja Alta MuyAlta
SDL MuyBuena Buena Buena MuyAlta Alta
RCL Buena Buena MuyBuena Baja Baja
RCB Buena Baja Buena Baja Baja
Table-1.Comparison.

Pour les considérations sur les caractéristiques des mécanismes de locomotion et la comparaison de chacun avec différents types de locomotion comme le montre le Tableau 1, il est clair que les systèmes de locomotion les plus efficaces et les moins complexes à mettre en œuvre sont les RCL. C'est pourquoi ce type de locomotion a été choisi pour le développement de ce travail. Dans ces types de robots (RCL), il existe différents types de concepts permettant au robot de franchir un obstacle :
• Friction. Figure-7.
• Déplacement du centre de gravité. Figure-8.
• L'adaptation d'un mécanisme de suspension passif ou actif. Figure-9.
•

Figure-7.Friction.
Figure 7Friction.
Figure-8.RelocatingCG.
Figure 8Relocating CG.

• Figure-9.Adaptation.
Figure 9. Adaptation.
1.5 Concept RCL C
• La conception de base consiste en un mécanisme de torsion synchronisé. Le châssis est relié à la cabine de charge par deux barres à travers les articulations centrales des deux côtés, voir Figure-10. Les articulations ont un degré de liberté, le mécanisme de synchronisation relie les deux côtés du châssis de manière à ce que l'angle d'inclinaison autour des points de pivotement soit égal en amplitude mais opposé en direction. Le mouvement relatif des différents composants se fait autour d'un axe transversal défini par les deux points de pivotement. [7]

Figure-10.ConceptCmodel.

Figure-10.ConceptCmodel..Figure-10.ConceptCmodel
Figure 10Concept C model

1.6 Concept RCL D :

Le système de locomotion du concept D est un châssis à roues avec une formule 6 x 6 x 4, c'est-à-dire six roues, dont six motrices et quatre directrices. Les roues sont fixées à la charge utile à travers des supports en forme de fourche et un système de suspension à levier multiple. La suspension garantit un contact constant de toutes les roues avec le sol et une utilisation maximale de la force de traction générée par chaque roue en mouvement, voir Figure-11. [7]

1.7 Concept RCL E :
Le concept E est un châssis à roues avec une formule 6 x 6 x 4 + 4W, c'est-à-dire six roues, entraînées par six roues et quatre roues directrices aux quatre coins pour une mobilité sur terrain difficile. La conception se compose de trois modules indépendants, chacun avec deux roues, à savoir :
• Module gauche (roue avant et roue centrale)
• Module droit (roue avant et roue centrale)
• Module arrière (deux roues arrière, une de chaque côté)
Le design est beaucoup plus simple par rapport aux concepts C et D, il permet un mouvement vertical de toutes les roues. Il ne nécessite aucun lien intermédiaire, voir Figure-12, similaire aux concepts C et D, ce qui simplifie le système.

de locomotion, et conception pour l'assemblage du prototype. Le poids du système de locomotion du concept E est beaucoup plus faible que celui des concepts C et D. [7]
Figure-12.ConceptEmodel.
Figure 11. Concept E model.
1.8 Choix du système de locomotion :
Pour le choix des mécanismes, différentes simulations ont été réalisées afin d'analyser et de vérifier le fonctionnement des différents mécanismes. Avec cette idée et la polyvalence et les bonnes performances offertes par les robots Rover, une adaptation d'un mécanisme de suspension avec des articulations passives ou actives a été développée. Des robots simulés ont été développés avec ce type de condition, il s'agissait de : SHRIMP, CRAB, Nexus, HELIOS et enfin le Rover d'exploration martienne Spirit (MER) de la NASA. Des simulations des mêmes conditions ont été réalisées dans un monde virtuel avec des obstacles de 10 cm de haut et une pente de 15 degrés par rapport à l'horizontale, également les moteurs utilisés ont été fixés à un couple égal à 3,059 kgf-cm pour toutes les roues de chaque prototype. Les simulations sont présentées dans les figures 13, 14, 15, 16 et 17.

Figure-17.HELIOS.
Figure 12HELIOS.

Figure-13.MER(Spirit
Figure 13. MER (Spirit
). Figure-14.NEXU.
Figure 14NEXU.

Figure-15.SHRIMP.
Figure 15SHRIMP.
Figure-16.CRAB.
Figure 16CRAB.

.

À partir de ces simulations, il a été observé que les mécanismes qui présentent des performances exceptionnelles étaient : le SHRIMP, le CRAB et le Mars Exploration Rover Spirit de la NASA (MER). Cela a été déterminé en analysant les graphiques de chaque couple sur les moteurs. L'analyse des plateformes ne varie pas beaucoup dans son couple et la valeur du couple n'augmente pas non plus lorsque les obstacles sont contournés à travers le sol.
En plus du fonctionnement des mécanismes face à différents types d'obstacles dans le programme de simulation, une étude a été réalisée sur ces Rovers basée sur la nouvelle métrique [10]. Celle-ci a été introduite dans le but de caractériser les systèmes de suspension en termes de conformité aux contraintes cinématiques lors du déplacement sur un terrain irrégulier. À cette fin, les vitesses des roues en fonction de l'état du Rover ont été calculées à l'aide d'un modèle cinématique. Le glissement est utilisé comme une autre valeur car il se produit si les contraintes cinématiques sont violées. Cette étude de différents réglages tels que le changement de centre de masse et l'empattement a permis aux Rovers de type CRAB et RCL-E d'obtenir de bons résultats avec les deux indicateurs, tandis que les performances du MER étaient significativement inférieures [10].
Pour prendre une décision finale dans la recherche du mécanisme utilisé, une méthodologie de conception basée sur la prise de décision à travers le QFD a été utilisée. À cet effet, une enquête a été menée auprès d'utilisateurs potentiels ou d'acheteurs potentiels. Cette étape sera expliquée.
1.9 Enquête Pour
sélectionner un prototype adapté répondant aux exigences du projet et satisfaisant les spécifications des utilisateurs potentiels, une enquête de 10 questions pour le marché potentiel, composée de personnes spécialisées en robotique mobile, a été réalisée.
1.10 Méthode QFD
Les informations obtenues de l'enquête ont été utilisées pour déterminer les exigences des utilisateurs et incorporer les exigences qui ont été déterminées au début du projet. Les spécifications du client ont été établies et en utilisant la méthode du QFD (Déploiement de la Fonction Qualité), les spécifications de conception ont été élaborées pour la sélection appropriée du prototype. La méthode QFD est un ensemble de matrices qui affichent les différents besoins identifiés par les mêmes clients pour un produit ou un service donné, les comparent avec la situation et les transforment en spécifications de conception technique correctement hiérarchisées.
Cette méthode a été appliquée pour être claire sur ce que les utilisateurs veulent selon leurs exigences et pour focaliser les caractéristiques désirées dans le produit à développer. Cela a été fait en tenant compte :
• Connaissance de l'état de la concurrence.
• Les coûts impliqués dans les améliorations. [2]
Le QFD obtenu montre que l'un des aspects de conception les plus importants du prototype est la taille du robot. D'autres aspects à prendre en compte sont le poids, la maniabilité, la portabilité et le coût du robot.
Les aspects qui ne seront pas mis en avant sont : la vitesse et les accessoires supplémentaires que peut avoir le robot (voir Tableau-2 QFD).
Table-2.QFD.

En conséquence du QFD, il a été obtenu que des aspects tels que le volume, les mécanismes et la géométrie du robot sont d'une grande importance lors de la sélection du prototype, tandis que d'autres aspects tels que les matériaux et les processus de fabrication ne sont pas très importants bien que ces deux aspects influent directement sur les coûts de construction du robot. Ainsi, une solution facile à mettre en œuvre et capable de répondre aux exigences du projet est recherchée.

1.11 Prise de décision :
Dans le processus de sélection du bon prototype et de vérification s'il répond aux spécifications du projet, une matrice de décision a été réalisée. Cette matrice compare chacune des caractéristiques des prototypes proposés afin de déterminer si elles conviennent ou non au projet. Un poids a été attribué à chaque caractéristique des prototypes, évaluant ainsi séparément les prototypes. La valeur des poids est calculée en fonction des valeurs obtenues dans le QFD. La matrice obtenue lors du processus de prise de décision est visible dans le tableau 3. L'alternative 2 était la plus remarquable du processus car elle couvre pratiquement la plupart des aspects de l'analyse, confirmée comme la plateforme la plus complète, basée sur des critères techniques, ainsi que leur adéquation aux spécifications du projet. En plus de la taille supérieure de l'alternative 2 par rapport aux autres, cette dernière est compensée par d'autres aspects d'une grande importance tels que la géométrie, la facilité de mise en œuvre et la construction mécanique, les coûts de fabrication et l'esthétique. Un autre aspect important à souligner concernant l'alternative 2 est que la complexité du contrôle de la locomotion est facilement mise en œuvre, tout comme les deux autres alternatives qui peuvent tourner autour de leur centre.

Table-3.Decisionmatrix
CONCEPTION DÉTAILLÉE
Architecture et systèmes
Une fois le processus de sélection du mécanisme à mettre en œuvre terminé, nous avons procédé à un programme CAO 3D pour le dimensionnement et la génération des pièces et assemblages nécessaires à la visualisation de l'idée.
En premier lieu, un modèle de plateforme donnant les dimensions, l'emplacement et le choix du nombre d'actionneurs et de pneus a été développé ; proposant un moteur modèle 10, quatre pour la direction aux extrémités et six pour les roues de la plateforme. Ce modèle peut être vu dans la Figure-18, montrant un mécanisme qui répond au modèle cinématique proposé par le Rover Spirit de la NASA pour l'exploration de Mars, et qui a été sélectionné dans la matrice de décision. Ce prototype a des dimensions approximatives de 62 cm x 44 cm. Avec l'idée de la plateforme du robot, nous avons procédé à la réalisation d'un design détaillé et formel, ce qui a permis la réalisation de la CAO pour les différentes pièces et systèmes de la plateforme ; y compris l'assemblage de roues montré dans la Figure-18. L'assemblage complet du prototype avec toutes les pièces et mécanismes est observé ici, avec le placement du moteur, de la batterie et d'autres composants de la plateforme.
Figure-18.Detaileddesignprototype.
Figure 17Detailed design prototype.
1.12 SIMULATION
Pendant le processus de conception, il a été déterminé quels éléments de la plateforme sont soumis aux contraintes et déformations majeures, garantissant que le prototype réponde aux exigences de support au sol sans subir de dommages pouvant compromettre son bon fonctionnement. En simulant les contraintes et déformations concentrées sur chacun des éléments, il a été conclu que les arbres qui transmettent la puissance du moteur aux roues sont ceux qui risquent le plus de subir des dommages en cas de surcharge du prototype. Les résultats obtenus montrent que le facteur de sécurité des arbres mineurs (voir Figure-19a) est de 3,84 et que la déformation maximale est de 2,5x10-4 m (voir Figure-19b).

a)SecurityFactor b)Unitarydeformation
Figure-19.Simulation.
Figure 18Simulation.
Les actionneurs sélectionnés pour manipuler cette plateforme ont été choisis en fonction du poids de la plateforme et de la charge utile proposée. Le poids de la plateforme a été trouvé par le programme CAO, et la masse totale avec tous ses composants est de 7600 grammes. D'autres variables sont le centre de gravité sur la plateforme, qui est adapté pour une très bonne stabilité car il est situé en dessous du prototype.
Après avoir étudié les différentes variables de la plateforme telles que le poids et le centre de gravité, plusieurs actionneurs pour le mouvement, 6 servo-moteurs (Figure-20a), ont été sélectionnés. Parmi ses principales caractéristiques, ce moteur a un couple de 16,5 Kgf.cm, 10V DC, 900mA. Ces servo-moteurs ont l'avantage de pouvoir gérer le contrôle de la position ou de la vitesse également par rétroaction, température et vitesse si nécessaire, cela peut être réalisé car le mode de contrôle est une communication série qui permet d'avoir une communication full-duplex.
Pour les mouvements de direction, 4 servo-moteurs (Figure-20b) ont été sélectionnés. En général, ils ont un couple de 4,5 Kgf.cm, 6V DC, 1200mA. Contrairement au précédent, vous ne pouvez gérer que le contrôle de la position, mais c'est suffisant pour l'application.

a)ServoAX-12motor b)Futabamotor
Figure-20.Simulation
Figure 19Simulation
1.13 CONCLUSIONS
Les matériaux sélectionnés pour la création de la plateforme robotique étaient appropriés, puisque l'utilisation d'aluminium pour les barres, les supports et les arbres pour les joints en cuivre. Les simulations ont démontré que l'aluminium fournissait à la plateforme la rigidité nécessaire pour les efforts qu'elle subira. Un autre avantage de l'utilisation de l'aluminium était le poids, ce qui a permis à la plateforme d'être légère et a permis un meilleur choix pour le déplacement.
Les moteurs sélectionnés étaient pratiques, compte tenu du fait que lors des tests, la plateforme a dépassé des obstacles d'environ 12 cm de hauteur et a permis à la plateforme de grimper une pente plus raide que 15° par rapport à l'horizontale, environ 30 degrés par rapport à l'horizontale comme testé, dépassant largement les attentes initiales.
L'utilisation du caoutchouc d'acrylonitrile d'une dureté de Shore d'environ 70-75 pour les pneus de la plateforme a fourni la dureté nécessaire pour que le pneu ne se déforme pas, mais en même temps, a assuré l'adhérence nécessaire pour que la plateforme puisse franchir de nombreux obstacles sur différents terrains.