Dimensionnement des moteurs

Toute la partie motorisation est cruciale dans la conception du prototype du RICA, plus précisément les bras puisque sans eux le franchissement d’obstacle en devient alors impossible. Pour l’étude de notre prototype, nous avons estimé que l’ensemble des composants ferait une masse totale de 30 kg. Donc dans le but de limiter les prix et le dimensionnement de notre système.

Nous allons utiliser des moto-réducteurs à courant continu ayant une tension d’alimentation de 24V pour des raisons de praticités.

Moteurs d’entrainement (4&1) :

Dans le cadre de la motorisation des chenilles principales, afin de dimensionner nos moteurs, il faut se placer dans le cas le plus défavorable que l’on pourrait rencontrer. Nous avons décidé de dimensionner nos moteurs dans le cas où le prototype du RICA devrait franchir un escalier avec comme longueur de marche 28 cm et une hauteur de marche de 30 cm. Cela revient à monter une pente de 47° lorsque le robot a ses appuis à l’avant et à l’arrière en contact avec les marches. Pour notre étude nous avons arrondi à 50° ce qui nous permet de nous rajouter plus de sécurité.

Sans oublier que nous devons garantir une vitesse de déplacement du robot de 5m/min ce qui impose une vitesse de rotation en sortie d’arbre moteur.

Moteurs des flippers (2&3) :

La motorisation des bras de notre prototype va être importante puisque sous dimensionné il risque de ne plus répondre aux besoins et donc de ne plus être capable de franchir les obstacles.

Nous avons décidé de dimensionner les moteurs des bras dans le cas où il devrait franchir un escalier.

Le couple maximal à vaincre peut se calculer lorsque les bras du robot, dans notre cas ceux à l’avant, forme un angle de 0 degré avec le corps du robot (les chenilles principales).

Un simple calcul de bras de levier nous aurait permis de calculer le couple résistant permettant de rester dans cette position.

Cependant, ce n’est pas suffisant pour franchir la marche puisque lors du déplacement, il y aura une force d’inertie liée à l’accélération du robot en plus. Afin d’obtenir ce couple maximal, nous avons décidé de simuler le franchissement de l’obstacle en réalisant une modélisation sur CATIA V5 et d’étudier le système de manière analytique avec Sim Designer.

Suite à cette simulation nous obtenons directement dans les variables observables l’évolution du couple nécessaire dans la liaison pour réussir le mouvement.

Ainsi, à l’aide de calculs analytiques ou de simulations, il nous a été possible de déterminer les moto-réducteurs à implémenter sur notre robot pour que ce dernier réponde au cahier des charges.

Dimensionnement des bras du RICA IV

Comme vous avez pu le voir sur l’article précédent, notre prototype du RICA IV possède des bras à l’avant et à l’arrière.  Ces bras lui permettront de monter les différents obstacles qui se trouveront sur son passage.

Ces bras étant une partie important de notre système, nous avons donc réalisé des calculs de dimensionnement.

Par exemple, nous avons dimensionné le support de bras qui  représente la partie maintenant  en position les roues de courroie.

Pour vérifier que notre support résiste aux efforts qui lui seront appliqués durant son utilisation, une étude par éléments finis à l’aide du logiciel ANSYS a été réalisée.  

ANSYS est un logiciel de dimensionnement des structures. En simplifier,  il calcul les contraintes subies par la pièce. Via ces contraintes, il peut prédire les déformations subies par la pièce et les points sensibles.

Pour réaliser une étude sur ce logiciel, nous devons prendre en compte prendre en compte les paramètres suivant :

• la matière de la pièce, ici un acier avec les propriétés suivantes

• les efforts appliqués sur celle-ci : soit le poids du prototype d’environs 30 kg
• sa géométrie

Une fois tous ces paramètres rentrés dans le logiciel, nous devons réaliser un maillage.  Le maillage consiste à mettre en place des formes géométriques triangulaires ou quadrilatère sur l’intégralité de la pièce. Puis à chaque extrémité de ces formes, le logiciel devra réaliser un calcul des efforts subis en ce point.  

Le maillage de notre pièce est donc les suivants :

Apres avoir réalisé le maillage, on lance le calcul ce qui nous permet d’obtenir les résultats suivants :

Sur cette simulation, on peut observer la déformation.  Nous savons donc cette pièce aura un déplacement maximum de 0,6 mm dans le cas où elle doit porter l’intégralité du poids du prototype.  

Sur cette simulation, on peut observer les contraintes dans la pièce. Le support de bras subit de forte contraint au niveau des perçages. Cependant ces contraintes sont faibles, maximum 316 MPa et un acier peut supporter jusqu’à 415 MPa .

Grâce à ces simulations, on peut dire de notre support est correctement dimensionné et résistera aux différents efforts durant son utilisation. 

Prototypage

Suite à notre étude en ingénierie système avec l’étude des besoins et des exigences du client, notre équipe rentre enfin dans l’étape de conception.

L’école nous a donné pour objectif de réaliser un prototype du RICA IV qui franchirait une marche de 30 cm. Pour cela, une équipe enseignante a été mise en place pour nous aider dans nos choix techniques et nous avons libre accès à la plateforme avec l’ensemble des machines présentes telle que :

Pour le prototypage du RICA IV, nous avons dû faire des choix pour rentrer dans le budget alloué par l’école. Nous avons donc décidé de nous limiter au prototypage de la base mobile (la partie permettant le déplacement) du RICA IV et le système de commande de cette base.

Après avoir fait ce choix, nous devions trouver une solution répondant à notre exigence principale, la montée d’une marche de 30cm. Nous avons donc fait le choix de nous inspirer du robot Sakura envoyé pour investiguer dans la centrale nucléaire de Fukushima.   

 

Notre prototype sera équipé de quatre bras lui permettant de franchir les différents obstacles et de deux chenilles principales pour les déplacements sur le sol plat. Maintenant que nous savons dans quelle direction nous partons, nous devons réaliser les différentes études de dimensionnement et la conception globale de notre prototype. Ces études vous seront présentées dans les prochains articles.