Conception et modélisation d'un bras d'inspection robotisé ultraléger

Ultra light inspection robotic arm, design and modeling

• Auteur / Autrice : Sebastien Voisembert
• Direction : Améziane Aoussat, Nazih Mechbal, Alain Riwan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mathématiques de l'ingénieur

Méthode TRIZ

Robots industriels

Résumé

Les robots dits à fort élancement, utilisés pour des opérations d'inspection et de maintenance en environnement hostile à l'homme, encombré, et accessible uniquement par des orifices de très faible diamètre, sont caractérisés par leur très grand ratio longueur sur diamètre. Aujourd'hui, malgré l'emploi de composants et de matériaux sophistiqués, ces robots ont atteint leur limite de performances. Franchir significativement cette limite nécessite un changement de paradigme. La TRIZ (théorie de résolution des problèmes inventifs), qui construit un processus systématique de résolution de problème technique, conduit naturellement à identifier l'origine de la contradiction : le poids propre des robots, et par conséquent leur masse en présence de gravité. Elle propose notamment de postuler l'existence d'un robot sans masse. L'analyse des propriétés d'un tel robot conduit à l'élaboration du concept breveté de robot ultraléger gonflé, ayant un volume constant unique et des articulations préservant le diamètre de la section. Ce nouvel objet aurait de nombreux autres avantages tels que la facilité de mise en œuvre, l'innocuité par rapport à l'environnement et donc des contacts sans dommages avec celui-ci. Son grand son rayon d'action et son coût prévisionnel très réduit peuvent lui donner accès à de nombreuses applications nouvelles. L'objet de ce travail de thèse est donc l'élaboration des concepts techniques et des méthodes de dimensionnement adaptés à ce robot ultraléger gonflé. Ainsi, les performances du robot gonflable en termes de capacité de charge et de portée sont validées analytiquement. Des expérimentations et une modélisation par éléments finis permettent d'effectuer un pré-dimensionnement des articulations. Différents modes de réalisation ont été prototypé en partenariat avec une entreprise spécialiste du textile technique. Ces articulations font aussi l'objet d'un modèle simplifié de type masse-ressort pour la simulation rapide des déformations d'un robot à degrés de liberté. Les actionneurs et capteurs font l'objet d'une préconception et une transmission originale à base de câble et adaptée à la cinématique particulière des articulations est développée. Enfin des modèles géométriques et cinématiques sont définis et le problème de la commande d'un tel robot est posé en vue des travaux à venir.

One of the major challenges in robotics is the improvement of inspections operations in confined and hazardous area using unmanned remote handling systems. Articulated arm are used in this case to carry some diagnostic tools for the inspection tasks. These long reach multi-link carriers should be characterized by a large workspace and reduced mass. Today, with about ten degrees of freedom and ten meters long they have reached their performance limit. Indeed, for long reach ,the arm should have enough torque to carry its own weight plus the payload in cantilever mode and enough stiffness to minimize the deflection caused by the gravity. Despite the use of best materials and components, this kind of robot has reach its performance limit. Overcoming this limit needs a change in paradigms. Therefore a problem-solving, analysis and forecasting tool TRIZ (theory of inventive problem solving) is used. It leads naturally to identify the origin of the dilemma: the proper weight of the arm and so its mass under gravity. In particular, it proposes to postulate that a no-mass robot exists. An analysis of the properties of such a robot leads to the patented concept of an ultra light inflatable robot with unique and constant volume and constant diameter joints. This new object would benefit from advantages such as easy implementation, harmlessness toward its environment and so the ability to lean on it without damage. Therefore it could easily increase its range and its foreseen low-cost building would open a wide field of new applications. This thesis work, elaborates appropriate technical concepts and dimensioning methods for ultra light inflatable robots. The payload and length performances of an inflatable robot are analytically validated. Experimentations and a finite-element modeling are used for a pre-dimensioning of the joints and different modes of construction are prototyped in partnership with, specialized company in thigh-tech textile. The joints are also modeled with a simple mass-spring system for time efficient simulations of deflections under load of a DOF inflatable robot. Actuators and sensors are pre-designed and an original cable transmission is developed. Finally, the geometric and kinematic models are built and we set the control problem of such a robot for future works