Étude de cas du rover martien de RoboTeam Twente : comment CubeMars répond aux exigences de mobilité sur les terrains difficiles

Concevoir un rover martien pour les terrains difficiles

Le rover martien est l'une des applications représentatives du domaine de la robotique mobile. Contrairement aux robots mobiles ordinaires qui fonctionnent principalement sur des surfaces planes, les rovers martiens doivent faire face à des environnements complexes tels que des terrains irréguliers, des sols meubles, des rochers et des pentes. Le robot doit non seulement disposer d'une force motrice suffisante, mais également conserver une bonne contrôlabilité pendant ses déplacements, tout en tenant compte du poids total du véhicule, de l'espace disponible pour la structure et des exigences d'intégration du système.

RoboTeam Twente est une équipe interdisciplinaire de robotique étudiante originaire des Pays-Bas, dont les membres viennent de l'Université de Twente (University of Twente) et de l'Université des sciences appliquées de Saxion (Saxion University of Applied Sciences). L'équipe se consacre au développement de systèmes robotiques et couvre plusieurs domaines, notamment la conception mécanique, les systèmes électroniques, la commande embarquée, le développement logiciel et l'intelligence artificielle.

Dans le cadre du projet de rover martien de RoboTeam Twente, l'équipe a adopté une configuration à six roues motrices, chaque roue étant équipée d'un moteur indépendant. Parmi ces composants, le CubeMars AK70-10 KV100 est installé à l'intérieur du moyeu de roue et sert d'actionneur d'entraînement de la roue, en intégrant étroitement l'unité d'entraînement à la structure de la roue.

Pour un projet de ce type, le système d'entraînement ne se résume pas au choix d'un composant individuel. Les performances du moteur et de l'actionneur influencent la puissance transmise aux roues, la réponse du robot aux commandes de mouvement ainsi que l'agencement mécanique de l'ensemble du châssis.

Par conséquent, trouver un équilibre entre la puissance de sortie, la réactivité des mouvements et l'intégration du système constitue un enjeu important dans la conception du système d'entraînement d'un rover martien.

Les défis du système d'entraînement : concilier puissance et contrôle

Au cours du développement d'un rover martien, le système d'entraînement doit pouvoir s'adapter à différentes conditions de déplacement.

1. Les terrains complexes nécessitent un couple de sortie suffisant

Lorsque le robot se déplace sur des pentes, des sols meubles ou des surfaces rocheuses, ses roues doivent surmonter la résistance du sol ainsi que les variations de charge dues à l'inclinaison. Si le système d'entraînement ne peut pas fournir un couple suffisant aux roues, le robot risque de ne pas pouvoir maintenir le mouvement prévu.

Par conséquent, lors du choix d'un actionneur d'entraînement, il ne suffit pas de se concentrer uniquement sur la vitesse ou les dimensions du moteur. Il faut également prendre en compte la manière dont le mécanisme de réduction transforme la puissance du moteur en couple nécessaire au niveau des roues.

Le couple aux roues est un indicateur important pour évaluer la capacité de traction, mais il ne permet pas, à lui seul, de déterminer les performances d'un rover martien en montée ou lors du franchissement d'obstacles. Des facteurs tels que le rayon des roues, la masse totale du véhicule, l'adhérence au sol, la structure du châssis et la répartition des charges influencent également la capacité du robot à se déplacer sur des terrains complexes.

2. La réactivité des mouvements influence la maniabilité du robot

Un rover martien ne fonctionne pas toujours à la même vitesse. Lorsqu'il ajuste sa vitesse de déplacement, change de direction ou effectue des manœuvres précises, le système d'entraînement doit répondre rapidement aux commandes de contrôle.

Le rapport de réduction est l'un des principaux facteurs qui influencent la vitesse et le couple de sortie de l'actionneur. Un rapport de réduction plus élevé permet généralement une multiplication plus importante du couple, mais réduit la vitesse de sortie, tandis qu'un rapport de réduction plus faible favorise généralement une vitesse de sortie plus élevée.

Cela signifie que la conception du système d'entraînement doit être fondée sur les besoins réels de déplacement du robot, plutôt que de supposer simplement qu'un rapport de réduction plus élevé est toujours préférable. Le point de fonctionnement du moteur, le rendement de la transmission et les paramètres de commande influencent également les performances réelles de l'actionneur.

3. L'espace limité accroît la complexité de l'intégration du système

Le châssis d'un robot mobile doit réserver de l'espace pour les roues, la suspension, la batterie, le contrôleur et les autres équipements nécessaires à la mission. Si le moteur, le réducteur, l'encodeur et le variateur doivent être installés et adaptés séparément, l'agencement mécanique et l'intégration électrique peuvent devenir plus complexes.

Pour les équipes de développement robotique qui doivent travailler simultanément sur la conception mécanique, les systèmes électroniques et la commande logicielle, le niveau d'intégration de l'actionneur constitue également un facteur important dans l'évaluation d'une solution d'entraînement.

La solution d'entraînement CubeMars : AK70-10 KV100 et entraînement intégré au moyeu

Pour un robot mobile à six roues motrices, le choix de l'actionneur nécessite de prendre en compte le couple de sortie, la vitesse, les dimensions de montage et les interfaces de commande. Le CubeMars AK70-10 KV100 est équipé d'un réducteur planétaire de rapport 10:1 et intègre des composants essentiels tels que le moteur, le variateur et l'encodeur, offrant ainsi une solution à évaluer pour l'agencement mécanique et l'intégration de la commande du système d'entraînement d'un robot.

Le rapport de réduction détermine un compromis important entre la vitesse de sortie et la multiplication du couple, tandis qu'une structure intégrée peut contribuer à simplifier l'installation et l'adaptation de certains composants. Ces deux aspects méritent une attention particulière dans les conceptions d'entraînement intégré au moyeu où l'espace est limité.

Toutefois, pour déterminer si un actionneur convient à une plateforme spécifique de rover martien, il faut procéder à une évaluation globale tenant compte de la masse totale du véhicule, du rayon des roues, de la vitesse de déplacement visée, des conditions du terrain et des exigences de dissipation thermique en fonctionnement continu.

1. AK70-10 KV100 : rapport de réduction 10:1 et entraînement intégré au moyeu

Dans la présentation du projet RoboTeam Twente, le CubeMars AK70-10 KV100 est présenté comme l'unité d'entraînement des roues du rover martien de RoboTeam Twente et est installé à l'intérieur du moyeu de roue. Cette configuration associe l'actionneur d'entraînement à la structure de la roue et constitue une référence concrète pour la conception du châssis et l'intégration du système d'entraînement.

Selon les spécifications officielles des produits CubeMars, les principaux paramètres de l'AK70-10 KV100 sont les suivants :

L'AK70-10 KV100 utilise un réducteur planétaire de rapport 10:1 et intègre des composants essentiels tels que le moteur, le variateur et l'encodeur dans un seul actionneur. Pour les équipes de développement en robotique mobile, cette approche intégrée permet de concevoir le système d'entraînement autour de dimensions, d'interfaces de montage et d'interfaces de commande relativement bien définies.

Dans une conception d'entraînement intégré au moyeu, l'actionneur doit fournir un couple de sortie suffisant tout en répondant aux exigences relatives à la vitesse cible du véhicule, à l'espace de montage et au fonctionnement continu. Un rapport de réduction plus faible favorise généralement une vitesse de sortie plus élevée, mais offre une multiplication du couple relativement moins importante. Une évaluation globale reste donc nécessaire en fonction des dimensions des roues, de la charge totale du véhicule et des conditions réelles du terrain.

En outre, le couple nominal et le couple maximal d'un actionneur ne correspondent pas directement aux capacités du véhicule en matière de montée ou de franchissement d'obstacles. La capacité de sortie continue, la durée admissible du couple maximal, le rendement de la transmission, les conditions de dissipation thermique et l'adhérence au sol doivent tous être pris en compte lors de la conception et des essais pratiques.

Pourquoi s'intéresser aux actionneurs intégrés ?

Outre les caractéristiques de sortie associées aux différents rapports de réduction, le niveau d'intégration de l'actionneur constitue un autre aspect du projet RoboTeam Twente qui mérite d'être examiné.

Le CubeMars AK70-10 KV100 regroupe des composants essentiels, notamment le moteur, le réducteur, le variateur et l'encodeur, dans un même boîtier. Par rapport à une approche consistant à sélectionner et à installer plusieurs composants séparément, une solution intégrée peut simplifier certaines opérations de montage mécanique et d'adaptation du système.

Pour les équipes de développement robotique, cette approche de conception présente plusieurs avantages de référence.

1. Simplifier l'agencement mécanique du système d'entraînement

Les dimensions extérieures de l'actionneur, ses interfaces de montage et sa structure de sortie influencent directement la conception du châssis. Dans le projet RoboTeam Twente, l'AK70-10 KV100 est installé à l'intérieur du moyeu de roue. Les dimensions de l'unité d'entraînement et son niveau d'intégration structurelle ont donc une incidence directe sur l'agencement du moyeu.

L'utilisation d'un actionneur intégré permet aux développeurs de concevoir la structure en fonction de dimensions et d'interfaces de montage relativement bien définies, réduisant ainsi une partie du travail d'agencement nécessaire entre les composants distincts.

2. Favoriser le développement coordonné des systèmes mécaniques et de commande

Les solutions d'entraînement robotique doivent prendre simultanément en compte le montage mécanique, la configuration de l'alimentation électrique, les interfaces de communication, les méthodes de commande et les signaux de retour. La clarification préalable des interfaces et des capacités de commande de l'actionneur aide les équipes mécaniques, électroniques et logicielles à coordonner leurs travaux d'intégration autour d'une même solution d'entraînement.

Cela ne signifie pas qu'un actionneur intégré permet de se passer de la mise au point du système. L'alimentation électrique, les limites de courant, les protocoles de communication, les paramètres de commande et la conception thermique doivent toujours être vérifiés conformément à la documentation du produit et aux exigences du véhicule dans son ensemble.

3. Offrir une flexibilité de configuration pour répondre à différents besoins de déplacement

RoboTeam Twente a adopté une configuration à six roues motrices, chaque roue étant équipée d'un moteur indépendant. Cette conception nécessite de prendre en compte non seulement la capacité de sortie de chaque actionneur, mais également la configuration des communications, l'étalonnage des paramètres et la commande coordonnée de plusieurs unités d'entraînement.

Dans la vidéo de présentation du projet, l'équipe montre comment attribuer des identifiants indépendants aux moteurs, les connecter au système de commande via un bus de communication partagé, puis passer de l'étalonnage d'un seul moteur au démarrage coordonné des six roues.

Ces éléments montrent que l'utilisation d'actionneurs intégrés ne concerne pas uniquement le montage mécanique, mais nécessite également une coordination avec la configuration des communications, les interfaces de commande et l'intégration ainsi que la mise au point du véhicule complet.

Quels enseignements tirer du projet RoboTeam Twente ?

Le projet RoboTeam Twente illustre l'utilisation d'actionneurs intégrés compacts sur une plateforme mobile à six roues et fournit plusieurs pistes de réflexion utiles pour le choix des composants dans d'autres projets de robotique mobile.

1. Évaluer l'espace de montage en fonction de la structure des roues et du châssis

Outre le diamètre extérieur de l'actionneur, il faut également tenir compte de sa longueur axiale, des interfaces de montage, du cheminement des câbles et de l'espace nécessaire à la maintenance. Pour les plateformes à plusieurs roues, les dimensions et le poids de chaque unité d'entraînement influencent également l'agencement général du véhicule.

Par conséquent, le choix de l'actionneur doit s'appuyer sur une conception globale tenant compte du moyeu de roue, de la suspension et de l'espace disponible dans le châssis, plutôt que de se fonder uniquement sur le diamètre extérieur de l'actionneur pour juger de son adéquation.

2. Calculer les besoins de sortie au niveau des roues en fonction des conditions réelles d'utilisation

Le poids du véhicule, le rayon des roues, la pente, la résistance du sol et les exigences de franchissement d'obstacles influencent tous le couple nécessaire. Les charges maximales de courte durée et les besoins en fonctionnement continu doivent être évalués séparément, en prévoyant une marge appropriée pour les conditions réelles d'utilisation.

Le couple nominal et le couple maximal doivent être évalués séparément, tout en tenant compte de la capacité de sortie continue, du rendement de la transmission et des conditions de dissipation thermique. Les spécifications du produit ne constituent que le point de départ du choix de l'actionneur et ne peuvent pas remplacer directement la validation des performances du véhicule complet.

3. Trouver un équilibre entre le rapport de réduction et la vitesse cible du véhicule

Un rapport de réduction plus élevé permet d'obtenir un couple important à basse vitesse, mais limite également la vitesse de sortie. Lors du choix de l'actionneur, les calculs et les vérifications doivent tenir compte de la vitesse cible du véhicule, du couple aux roues et de la réponse dynamique.

Pour les robots mobiles, le rapport de réduction approprié n'est pas simplement le plus élevé ou le plus faible possible. Il doit plutôt offrir un équilibre adapté entre la force motrice, la vitesse maximale et la réactivité des mouvements en fonction de la tâche spécifique.

4. Planifier le système de commande à l'avance

Pour les plateformes comprenant six unités d'entraînement ou davantage, il est nécessaire de confirmer les interfaces de communication, les modes de commande, les données de retour et la configuration de l'alimentation électrique, tout en planifiant les identifiants des moteurs, les connexions du bus et les procédures de mise au point.

Lorsque plusieurs unités d'entraînement fonctionnent de manière coordonnée, il faut également tenir compte de la charge de communication, de la gestion des commandes et des mécanismes de gestion des défaillances. Pour les robots conçus pour fonctionner pendant de longues périodes, l'élévation de température, la dissipation thermique et les performances en sortie continue doivent également être vérifiées.

Le choix final de l'actionneur d'entraînement doit en définitive répondre aux exigences du véhicule dans son ensemble. Ce n'est qu'en réalisant des essais sur prototype portant sur le couple, la vitesse, l'élévation de température, la stabilité des communications et les performances réelles sur le terrain que les développeurs peuvent déterminer si une solution d'entraînement convient à l'application visée.

Conclusion

Le projet de rover martien de RoboTeam Twente illustre l'importance du système d'entraînement dans le développement de robots mobiles conçus pour évoluer sur des terrains complexes. De l'agencement compact de l'entraînement à l'intérieur des moyeux de roue à l'entraînement indépendant et à la commande coordonnée des six roues, chaque décision relative à la conception du système d'entraînement doit être évaluée en fonction des exigences réelles de la mission du robot.

Dans ce cas, le CubeMars AK70-10 KV100 sert d'actionneur d'entraînement intégré au moyeu du rover martien. Il est équipé d'un réducteur planétaire de rapport 10:1 et intègre des composants essentiels, notamment le moteur, le variateur et un encodeur de 14 bits, dans un même boîtier. Son couple nominal est de 8.3 N·m et son couple maximal est d'environ 24.8 N·m, fournissant des paramètres produit concrets pour l'évaluation de solutions d'entraînement compactes intégrées au moyeu.

Pour les projets de rovers martiens et d'autres robots mobiles, le choix d'une solution d'entraînement adaptée ne consiste pas simplement à sélectionner un moteur doté de spécifications impressionnantes. Les caractéristiques de sortie de l'actionneur doivent correspondre à la charge totale du véhicule, aux paramètres des roues, aux objectifs de déplacement et au système de commande. Parallèlement, l'espace de montage, les conditions d'alimentation électrique, la gestion thermique, les capacités de communication et les performances en fonctionnement continu doivent également être intégrés à la conception globale et au processus de validation.

Grâce au projet RoboTeam Twente, les développeurs en robotique peuvent mieux comprendre comment évaluer les performances de sortie et les méthodes d'intégration des actionneurs à partir des besoins réels de l'application, tout en prenant en compte conjointement les performances motrices, l'agencement mécanique et les exigences de commande de plusieurs moteurs. Les actionneurs intégrés de la série CubeMars AK offrent des solutions d'entraînement pouvant être évaluées dans le cadre de la conception de robots, tandis que le modèle spécifique doit être sélectionné en fonction des conditions d'utilisation du projet et des spécifications techniques officielles.

Si vous développez un rover martien, un robot mobile tout-terrain ou une autre plateforme robotique nécessitant un système d'entraînement compact, vous pouvez approfondir votre connaissance des actionneurs de la série CubeMars AK et rechercher une solution d'entraînement adaptée à votre projet en fonction de vos besoins en matière de charge, de vitesse et de commande.