Analyse de Rigidité et Réalisation d'un Rover BC Rover 11

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3^ème Conférence Internationale sur

le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012.

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Analyse de Rigidité et Réalisation d'un Rover BC Rover 11

Hamza Benyahia ¹, Djamel Ouinas¹

¹Laboratoire de Modélisation Numérique et Expérimentale des Phénomènes Mécanique, Université Ibn Badis BP 188 Mostaganem 27000 Algérie

[email protected], [email protected]

Résumé :

Les robots mobiles trouvent leurs applications de nos jours dans plusieurs domaines. On identifie principalement l'exploration terrestre (polaire et volcanologique) ou planétaire (lune, mars) ainsi que les applications militaires ou civiles pour l'observation et la surveillance dans des environnements naturels, urbains …

L’application visée est la validation d’une conception et sa fabrication en utilisant des matériaux composites comme base du robot mobile. Nous décrivons de manière formelle la structure complète du robot mobile, Cette synthèse aborde l’interaction entre le robot mobile et un partenaire humain distant ou partageant son environnement dans le cadre de la robotique d’assistance à la personne. Une telle interaction s'exprime pleinement dans des situations où l'homme et le robot doivent agir en collaboration pour réaliser une tâche où ils partagent l'espace de travail et se perçoivent directement.

Dans ce travail, quatre aspects fondamentaux de l’étude, conception, fabrication et validation de la base mobile en matériaux composite (polyptère, tissu) du prototype du robot mobile seront abordés.

Mots clés — Robot mobile autonome, bras manipulateur, comportement réactif, asservissement visuel.

1 Introduction

Depuis plusieurs décennies, le robot mobile réveille beaucoup d’intérêts et trouve son emploi dans diverses disciplines ou activités de la vie moderne (robots industriels, robots domestiques, robots policiers, etc..). Il existe aussi des domaines où l’homme ne peut pas intervenir directement, soit parce que le milieu est hostile (nucléaire, sous-marin, spatial, …), soit parce qu’il est inaccessible à son échelle (micromanipulation, microchirurgie, chirurgie mini invasive, …). Pour de telles applications, l’homme a recours à des robots [1].

A présent, il est possible de classifier le besoin de l’homme pour les robots en deux catégories [4]:

Besoin de substitution: Le robot doit se substituer totalement à l’homme dans l’exécution d’une tache. Le rôle de l’homme se limite donc à ordonner le départ de l’exécution de la tache. Ces types de robots sont utilisés principalement pour la production (robots industriels).

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 24 Besoin de coopération: L’aide du robot permet à l’homme d’exécuter des taches impossibles ou dangereuses à mains nues, comme par exemple la maintenance d’appareils placés dans des environnements hostiles (radioactifs ou chimiquement contaminés) ou l’exploration et l’étude de lieux inaccessibles (inspection de canalisations souterraines, l’exploration des planètes...).

De plus, la conception d’un robot mobile est de nature multidisciplinaire et nécessite, souvent, beaucoup d’imagination et de créativité [2].

Cette nature multidisciplinaire s’observe dans l’exploitation de l’électronique, l’instrumentation, la commande en temps réel et l’acquisition des données, les moteurs et la conversion de l’énergie, la programmation et surtout la conception mécanique du châssis et de ses composantes, …

L'emploi des composites dans les structures industrielles largement sollicitées (domaine des applications militaires ou civiles par exemple) est en évolution permanente.

Au début, l'importance de cette tendance était dans la diminution en poids du composite par rapport à ceux des métaux (acier, aluminium...). De ce fait, notre étude s’est orientée vers le compromis Design/Poids.

Le choix le plus délicat dans la conception avec des composites est probablement la sélection du matériau, car il en existe une très grande variété sur le marché. Des critères techniques, de production, d'environnement et économiques doivent être considérés

Notre but principal est de réaliser un robot mobile (BC Rover 11) avec une structure en matériaux Matrice: (polyester,) Renfort : tissu taffetas [90^o] en fibre de verre-E avec huit couches, embarqué par un PC.

2 CAHIER DES CHARGES

Avant de passer à la conception et à la modélisation du système, en n’a défini les charges fonctionnelles qu'il devra supporter notre robot: vitesse de déplacement, encombrement, poids maxi...

TABLEAU 1 : CONTRAINTES IMPOSÉES AU PROTOTYPE

Designation Poids, longueur, ...

Masse totale de la structure Poids maxi du robot

18 kg 65 kg

Hauteur maxi du robot 1.4 m

Vitesse maximale 1.6 m/s

Déplacement du robot Deux degrés de liberté en tout temps (x, theta)

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 25 Transmission de puissance Montge et demontage

facile

Distance de commande 100 m

Roue à utiliser Simple gonflable

Le cahier des charges établi pour assurer la conception du robot envisagé et les plus importantes étapes de conception de ses différentes parties sont présentes comme suit [5]:

 La conception d’un support mobile qui permettra au robot de se déplacer sur un plan horizontal.

 La conception d’un système d’émission et de réception de données par un réseau a distance Wifi.

 La conception d’une interface graphique facilitant la commande du robot.

 L’assemblage des différentes parties afin d’obtenir un système mécanique entièrement fonctionnel.

Il faut signaler que le poids du robot, les caractéristiques de son déplacement, la communication avec le robot à distance et sont les principales contraintes de ce travail.

Fig.1 BC Rover 11, vue d’ensemble

3 CONCEPTION ET CHOIX DES COMPOSANTS DU ROBOT MOBILE

Le processus de conception adopté est celui de [7]. Il se décompose en quatre grandes phases, exécutées séquentiellement, présentées sur le graphe de la figure 2[3]:

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 26 Fig.2 Processus de conception de [Pahl]

Notre robot mobile est un ensemble de mécanique associée à l’électronique. La mécanique consiste à construire une base roulante (châssis) en matériaux composite qui pourra accueillir l’électronique qui permettra la commande de la base et du bras manipulateur.

Chaque composant mécanique est complètement défini en spécifiant les dimensions, les tolérances de fabrication, les matériaux, les schémas et les plans détaillés. Cette phase est accompagnée par la réalisation du robot.

Nous avons effectué des phases de vérification et de validation des résultats tout le long du processus de conception grâce, d’une part aux tests de caractérisation du composite, des simulations numériques et d’autre part par l’observation et la manipulation d’une maquette 3D.

Durant la phase de conception la principale difficulté est le respect de la contrainte des formes géométriques liée à la technique de mise en forme de chaque pièce. Le modèle numérique (DAO) du robot (BC Rover 11) avec sa nomenclature et les assemblages ont été réalisées avec le logiciel Solidworks modeleur volumique.

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 27 Fig.3 Eprouvettes plate à tête (dog-boneshaped). ISO 3268 type I, ASTM D638

Fig.4 Modèle numérique du robot BC Rover 11

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 28 Les mécanismes sont représentés en tant qu'assemblages de composants rigides et disposent de peu de degrés de liberté. Un solveur numérique résout les équations du mouvement très rapidement.

les résultats obtenus comprennent des informations complètes concernant les déplacements, vitesses, accélérations, réactions aux liaisons et chargements d'inertie de tous les composants du mécanisme, ainsi que la puissance nécessaire pour maintenir le mouvement.

Cependant, la résolution d'un tel problème "à la main" nécessite des calculs ardus ; même en s'aidant de feuilles de calcul électroniques, plusieurs heures peuvent s'avérer nécessaires pour établir les tracés de vitesse et d'accélération.

En outre, si la géométrie du système est a modifiée par la suite, toute l'opération doit être répétée. Le logiciel de simulation du mouvement rend possible la simulation presque instantanée du mouvement du système du bras manipulateur, en utilisant des données déjà présentes dans le modèle d'assemblage CAO (figure 4).

L’espace de travail homogène en orientation (défini comme l’angle maximum d’ouverture du cône que peut parcourir le bras manipulateur tout en permettant une rotation propre autour de son axe d’une valeur identique) dans une coupe de l’espace de travail pour différentes structures.

Fig.5 Espace de travail homogène en orientation

Ces architectures sont toutes basées sur l’utilisation de sous structures composées d’un parallélogramme en série avec une liaison pivot.

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 29 Afin d’illustrer et de montrer tout l’intérêt d’intégrer une démarche d’optimisation dans la phase modélisation CAO, nous avons réalisé deux types d’optimisation:

Une première qui a été menée en parallèle de l’optimisation dimensionnelle des paramètres géométriques pour comparer [6]:

-Les premiers résultats obtenus,

-La seconde pour optimiser les dimensions des pièces.

Ces deux illustrations montrent la possibilité d’intégrer des optimisations, aussi bien dans les phases de conception conceptuelle que préliminaire.

A l’aide d’analyses structurelles par éléments finis réalisées sous COSMOSWorks, nous présentons l’exemple de l’analyse effectuée sur le support roue arrière que l’on considère encastré suivant l’axe X et auquel on applique une force suivant l’axe Y.

Fig.6 Support roue arrière avant l’optimisation

Agissent sur la largeur de la partie supérieure du support avec les mêmes conditions aux limites et chargement, l’analyse effectuée d’optimisation nous donnent une nouvelle géométrie qui s’adapte aux conditions précédentes.

Afin d’atteindre notre objectif, on s'est proposé de simplifier les éléments de la structure, surtout en ce qui concerne les petites pièces secondaires et mécanismes de mise en mouvement. La simplification proprement dite a concerné les divers mécanismes de commandes ainsi que les éléments de fixation (boulons, vis etc..).

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 30 Cette première simplification à donnée lieu à une structure bis, schématisée dans la figure ci- dessous.

Fig.7 Représentation de la structure simplifiée en vue du maillage.

Fig.8 Détails du maillage global de la structure

L'objectif de cette partie étant de vérifier statiquement la résistance et la rigidité de la structure du robot

"BC Rover 11", et cela par un calcul de résistance pour différentes matériaux (composite 1, composite 2, aluminium). Cette étude nous permettra surtout de comparer la résistance des différents châssis en fonction de leur légèreté et de leur prix de revient, et cela dans les conditions de chargement les plus défavorables.

L'analyse structurale a pour but aussi de trouver les déformations, les déformées et les contraintes.

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 31 Fig.9 Maillage et conditions aux limites appliqués à la strusture du robot

A. VERIFICATION DE LA STRUCTURE EN MATERIAUX COMPOSITE 1 (POLYESTER-MAT).

Pour bien illustrer les résultats obtenus en déplacement, déformation et contraintes, nous présentons la déformée de la structure simplifié, afin de voir et considérer toutes les zones dangereuses de concentrations de contraintes.

TABLEAU 2 : RESULTATS EN CONTRAINTES, DEPLACEMENTS ET DEFORMATIONS POUR LE CHÂSSIS EN COMPOSITE 1.

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 32 Fig.10 Contraintes nodales de Von Mises (polyester-Mat)

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 33 Fig.11 Déplacements nodaux(polyester-Mat)

Les résultats de l’étude statique vérificative de la structure du robot marcheur nous ont donné grande satisfaction, en effet au regard des gradients de contraintes de VonMises obtenus, nous remarquons que le maximum est obtenu au niveau de l’assemblage des roues pivotantes , d’une valeur de 90969.9e+007 N/m² au nœud: 78629. La limite élastique donnée au composite 1 (polyester-Mat) étant de : 7 e+007 N/m²

On conclu que le châssis conçu et élaboré par le composite 1 résiste bien aux sollicitations imposées, car le maximum de contrainte obtenu est très inférieur à la limite élastique de ce dernier.

Concernant la rigidité globale de ce dernier, les déplacements nodaux de la structure présente un déplacement maximal de 6095176mm au nœud: 13021, au niveau du fond à l’emplacement des batteries, cette valeur n’étant pas excessive, nous permet aisément de statuer sur une structure rigide du châssis.

B. VERIFICATION DE LA STRUCTURE EN MATERIAUX COMPOSITE 2 (POLYESTER- TISSU)

TABLEAU 3 : RESULTATS EN CONTRAINTES, DEPLACEMENTS ET DEFORMATIONS POUR LE CHÂSSIS EN COMPOSITE 2.

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 34 Fig.12 Contraintes nodales de Von Mises (polyester- Tissu)

Fig.13 Déplacements nodaux (polyester- Tissu)

Pour ce deuxième modèle de châssis, les résultats des contraintes de VonMises obtenus, montrent que le maximum est obtenu au niveau de l’assemblage des roues pivotantes, de la même façon que pour le châssis en composite 1, d’une valeur de 1075969 e+007 N/m² au Nœud: 77051. La limite élastique donnée au composite 2 (polyester-tissus) étant de : Re = 1.035 e+008 N/m²

De la même façon que pour le composite 1, le châssis conçu résiste bien aux sollicitations imposées, car le maximum de contrainte obtenu est très inférieur à la limite élastique de ce dernier.

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 35 Concernant la rigidité globale de ce dernier, les déplacements nodaux de la structure présente un déplacement maximal de 109519mm au nœud: 19521, au niveau du fond à l’emplacement des batteries, cette valeur étant bien inférieur à celle obtenue pour le composite 1, nous permet aussi de statuer sur une structure encore plus rigide du châssis.

C. VERIFICATION DE LA STRUCTURE EN MATERIAUX (ALUMINIUM)

TABLEAU 4 : RESULTATS EN CONTRAINTES, DEPLACEMENTS ET DEFORMATIONS POUR LE CHÂSSIS EN ALUMINIUM.

Fig.14 Contraintes nodales de Von Mises (aluminium)

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 36 Fig.15 Déplacements nodaux (aluminium)

Pour le châssis en aluminium, on remarque que le maximum de contraintes de VonMises obtenus est relativement bien dispersé à travers toute la structure, d’une valeur de 701.99e+007 N/m² nœud: 79758.

La limite élastique de l’aluminium étant de : Re = 7.6 e+007 N/m².

Nous remarquons que pour le cas de l’aluminium, nous sommes limite/limite avec la résistance élastique du matériau, et donc si on prend un coefficient de sécurité, même très faible, on risque de travailler en dehors de la zone élastique, ce qui est incompatible avec l’analyse linéaire entamée.

Concernant la rigidité globale de ce dernier, les déplacements nodaux de la structure présente un déplacement maximal de .0686599mm nœud: 21887, réparti au niveau de l’emplacement du bras, cette valeur est bien sur infime par rapport à l’envergure de la structure.

4 REALISATION DE LA BASE DU ROBOT MOBILE

Le châssis est une base sur laquelle sont disposés les éléments de notre robot mobile, il doit être solide, léger et d’obtenir une forme adaptée pour notre application.

Le choix des matériaux de la base et du bras manipulateur fait généralement partie de la procédure, mais dans notre cas les matériaux ont été choisis en matériaux composite (polyester/tissu). Après la validation par les tests de caractérisation en passe a la procédure de réalisation qui se subdivise en 6 étapes:

 Choix du diamètre des roues;

 Design de la transmission de puissance;

 Design du bras manipulateur;

 Choix des roulements;

 Design de la plateforme;

 L’usinage et la fabrication.

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 37 Fig.16 Etapes de la réalisation du robot

5 DEVELOPEMENT DE LA PARTIE INFORMATIQUE

La réalisation de la carte électronique nous oblige à étudier ses composants et son environnement logiciel [8]. Le développement de la partie informatique se compose de deux modes de commande:

 commande manuel a travers joystick

 commande a distance PC_Client / PC_Serveur

6 Conclusions

L’objectif de cette étude était la conception et la réalisation d’un robot mobile à quatre roues comportant un bras manipulateur avec une base mobile en matériaux composite. Les résultats expérimentaux obtenus sont satisfaisants sur les trois aspects abordés (mécanique, électronique et informatique).

Nous avons ensuite présenté des outils et méthodes à la disposition du concepteur pour dimensionner correctement ce type de robot en fonction des spécifications du cahier des charges. Ce dimensionnement doit être effectué en même temps que la conception du robot afin de tenir compte de toutes les contraintes technologiques.

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 38 Enfin, nous avons présenté trois exemples de matériaux utilisés pour la plate. Ces matériaux ont des architectures variées et répondent à des besoins différents. Elles ont en commun de présenter un bon niveau de manipulation naturelle et efficace.

On conclu que le châssis conçu est élaboré par le composite (polyptère, tissu) résiste bien aux sollicitations imposées, car le maximum de contrainte obtenu est très inférieur à la limite élastique de ce dernier.

R

EFERENCES

[1] Florian Gosselin: Optimisation des interfaces haptiques : problèmes, méthodes, applications.

17ème Congrès Français de Mécanique, Troyes, 29 août – 2 septembre 2005.

[2] Jean-Luc Bedwani: Atlas multicouches pour robot mobile.Mémoire de DEA, Université de Sherbrooke (Québec) Canada. Août2009.

[3] N.J. Nilson: A mobile automation: An application of artificial intelligence techniques. In IJCAI, pages 509–520. IJCAI, 1969.

[4] D. Zanetti, R. Zambelli, M. Ghribi, O. Johnsen, etA. Kad-douri Conception d’un robot mobile télécommandé via Internet et Réseau local. IEEE Canadian Review - Fall / Automne 2004.

[5] S. Perreault: Conception mécanique d’une plate-forme de marche entraînée par câbles, Mémoire de DEA , Université laval québec.2007.

[6] Laurence Nouaille: Démarche de conception de robots médicaux Application à un robot de télé- échographie. Université d’orléans, décembre 2009.

[7] A. Abdelmalek, A. Bensaci: Modelisation du processus de conception etude experimentale du systeme compositionnel, instance conception. Courrier du Savoir – N°07, Décembre 2006,

[8] Stéphane Lens, 3ELIN: Locomotion d'un robot mobile. Mémoire d’ingénieur., Université de Liège - Faculté des Sciences Appliquées Institut Montiore, mai 2008.

7 Premier titre de paragraphe

Le document comportera au maximum 6 pages simple-colonnes. Les pages ne seront pas numérotées. Il n’y aura ni entête ni pied de page. L’article devra être envoyé par courrier électronique à l’adresse [email protected] sous forme Microsoft Word (.doc), avant le 30 mai 2012.

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Figures

Les figures et photographies seront insérées dans le texte centrées et numérotées dans l’ordre d’apparition. Des légendes les suivent, en italique, Times New Roman 11. Le texte fera référence à la figure1 (voir figure 1). Les légendes doivent être indiquées immédiatement en dessous en utilisant la police Times New Roman 10 italique.

Figure 1 : Des illustrations de bonne qualité doivent être employées dans l'article

7.2

Equations

Les équations qui font l’objet d’un renvoi dans le texte sont numérotées entre parenthèses. Le numéro est placé est aligné sur la marge de l’équation à droite.



 



  

 N

S L D

L

R NL 2 2.3log0.656 8 1

log 3 . 00521 2 .

0



(1)

7.3

Tableaux

Les titres de tableaux doivent être placés avant le tableau, alignés à gauche. Le mot « Tableau n » doit être en gras, Times New Roman 11 suivi d’un tiret.

Tableau 1 - Statistiques des temps de réaction de conducteurs selon leur état.

Temps de réaction

Conducteur 1 Conducteur 2 Conducteur 3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2x 10^-3

distance (m)

potentiel (V)

V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 40 En forme Fatigué En forme Fatigué En forme Fatigué

Moyenne (s) _1,0 _1,9 _1,1 _1,9 _1,2 _2,2

Coeff. de var. (%) 7,2 12,8 9,2 13,4 8,2 11,9

Nombre mesures 17 12 19 13 15 11

Après un titre de tableau et après le tableau lui-même laisser une ligne blanche.

7.4

Taille et Marges

Utiliser le format A4 (210 x 297) au format portrait, fond blanc, avec marges gauche, droite, haut et bas de 2,5 cm.

7.5

Références

Les références doivent être appelées par le texte, entre crochets, et regroupées en ensemble à la fin du texte, dans l’ordre de numérotation. Les titres seront indiqués en entier, avec les noms des auteurs, les références des volumes et des pages, selon l’exemple ci-après. On fera référence à un article de la manière suivante Erreur ! Source du renvoi introuvable. et [1], ou [1,2]. Pour les articles, on mettra les auteurs, le titre de l'article, la revue, le numéro, le volume, l'année et le mois. En ce qui concerne les livres, on pose le ou les auteurs, le titre, l'éditeur et l'année et le lieu d’édition.

8 Police de caractère

Le titre de la conférence sera en majuscule en utilisant la police Times New Roman Gras 14 points. Les titres et têtes de paragraphes seront en Times New Roman Gras, 12 points. Majuscule pour les titres et minuscule pour les sous-titres. Le texte sera présenté en police Times New Roman 11, avec simple espacement justifié. Un double espace sera inséré entre chaque paragraphe.

9 Conclusion

Dans le but de garantir une homogénéité des articles dans le proceeding de la conférence, Nous recommandons aux auteurs le respect des consignes présentées ici.

Remerciements

Le texte des remerciements se situe après la conclusion, avant la bibliographie, avec le style du texte recommandé.

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Références

[1] Choon Beng Isa, Ben Hwee Ong, Kwok Wai Chan, Kiat Seng Yeo, Jian Guo Via and Manh Anh Do

" Physical Layout design optimization of integrated spiral inductors for silicon based RFIC applications" ,IEEE transactions on electron devices, Vol. 52, N° 12 , pp 2559-2567, December 2005.

[2] Vincent Goffroy "Conception de circuits intégrés radio fréquences sur technologie CMOS pour des applications sans fil grand public", Thèse de doctorat, pp 118-133, université Pierre et Marie Curie, 2002, Paris.