Conception d’un mécanisme de saut intégré à un robot sphérique robuste pour l’exploration spatiale

Bonnaud, Simon (2025). Conception d’un mécanisme de saut intégré à un robot sphérique robuste pour l’exploration spatiale. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce mémoire présente les travaux de conception d’un mécanisme de saut intégré à ARIES, un robot sphérique destiné à l’exploration de cavités souterraines extra planétaires. Ce mémoire contribue à améliorer la mobilité d’ARIES, tout en assurant sa robustesse et la capacité de le produire en série pour le déploiement de multiples unités.

Le document débute par une revue de la littérature exposant les limites des robots sphériques en terrains accidentés et introduisant le saut comme moyen de locomotion secondaire pour faciliter la navigation. Les solutions d’actionnement et d’accumulation d’énergie des mécanismes de saut sont toutefois contraintes par la masse et l’encombrement : enjeux majeurs pour ARIES. Enfin, la revue présente les méthodes utilisées pour caractériser expérimentalement les performances des mécanismes de saut.

Le deuxième chapitre décrit l’analyse de défaillance du prototype original d’ARIES. Des problèmes structurels, de guidage et de transmission de puissance sont identifiés. Une révision complète est proposée afin de permettre la génération de mouvements combinés grâce au mécanisme d’actionnement novateur intégré dans ARIES. Nous parvenons à réaliser ces mouvements complexes en réalisant des compromis sur la masse et le centre de masse du robot, respectivement augmentés de 3.5kg et 16.2mm par rapport au prototype original.

Le troisième chapitre traite de la conception d’un mécanisme de saut pour ARIES. Le concept de celui-ci s’appuie sur une came hélicoïdale convertissant la rotation d’un moteur en translation pour comprimer un ressort. Une modélisation du comportement du mécanisme est présentée ainsi qu’une campagne d’essais visant à caractériser ses performances. Le prototype étudié, basé sur la masse d’ARIES, atteint une hauteur maximale de saut de 2.8cm sur Terre, soit environ 17cm en gravité lunaire. Finalement une validation du dimensionnement par Méthode des Éléments Finis est conduite.

Le mémoire se conclut par une discussion sur les perspectives d’améliorations et l’intégration du mécanisme de saut dans ARIES.

Titre traduit

Design of a jumping mechanism integrated into a robust spherical robot for space exploration

Résumé traduit

This thesis presents the design work for a jump mechanism integrated into ARIES, a spherical robot intended for the exploration of underground cavities on planets such as the Moon or Mars. This thesis contributes to increasing the mobility of ARIES in rough environments, while ensuring its robustness and the ability to mass-produce it for the deployment of multiple units.

The paper begins with a literature review outlining the limitations of spherical robots in rough terrain, and introduces jumping as a secondary means of locomotion. Solutions for the actuation and energy storage of jumping mechanisms are, however, constrained by mass and footprint: major issues for ARIES. Finally, the review presents the methods used to characterize the performance of jumping mechanisms.

The second chapter describes the failure analysis of the original ARIES prototype. Structural, guidance and power transmission problems are identified. A complete revision is proposed to enable the generation of combined movements thanks to the innovative actuation mechanism integrated into ARIES. We achieved these complex movements by compromising on the robot's mass and center of mass, which were respectively increased by 3.5kg and 16.2mm compared with the original prototype.

The third chapter deals with the design of a mechanism adapted to ARIES. The concept is based on a helical cam that converts the rotation of a motor into translation to compress a spring. A model of the mechanism's behavior is presented, along with a test campaign aimed at gaining a better understanding of the mechanism's behavior. The prototype studied, based on the ARIES mass, reaches a maximum jump height of 2.8cm on Earth, or around 17cm in lunar gravity. Finally, the design was validated using the Finite Element Method. 10.

The thesis concludes with a discussion of future improvements and the integration of the jump mechanism into ARIES.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie des systèmes". Comprend des références bibliographiques (pages 147-154).
Mots-clés libres:	mécanisme de saut, robot sphérique, accumulation d’énergie, conception mécanique, modélisation dynamique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse St-Onge, David
Codirecteur:	Codirecteur Belzile, Bruno
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de la production automatisée
Date de dépôt:	19 sept. 2025 19:00
Dernière modification:	19 sept. 2025 19:00
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3696

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