Conception d'un robot sauteur dédié à l'exploration planétaire et utilisant les fluctuations de température quotidiennes comme source de puissance

Montminy, Steeve (2006). Conception d'un robot sauteur dédié à l'exploration planétaire et utilisant les fluctuations de température quotidiennes comme source de puissance. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L'intérêt porté par les agences spatiales du monde entier à l'exploration planétaire a grandement augmenté au cours de la dernière décennie. Par contre, les coûts reliés à ce genre de mission sont très élevés et il est difficile pour plusieurs agences spatiales d'y participer étant donné l'absence de fonds suffisants pour financer les mégas missions auxquelles la NASA nous a habitués. C'est pour cette raison que l'agence spatiale canadienne a décidé d'explorer la faisabilité de micromissions d'exploration planétaire. Le Canada voit dans ces missions de moins grandes envergures, une façon de participer plus activement à l'exploration d'autres planètes tout en réduisant les coûts qui y sont associés et en faisant une contribution complémentaire aux autres programmes internationaux.

Le présent ouvrage traite de la conception mécanique d'un prototype de robot sauteur destiné à l'exploration de planètes ayant un environnement gravitationnel faible (Mars, par exemple). Ce robot utilise les variations de température à la surface de Mars comme source d'énergie. Pour ce faire, une approche systématique a été préconisée en établissant un cahier de charge. Par la suite, une recherche a été faite sur ce sujet et différents concepts potentiels ont été évalués. Les différents sous-systèmes, en commençant par ceux qui ont le plus d'impact sur la conception finale, ont été décortiqués. Les mécanismes les plus importants ou ceux étant considérés comme étant les plus risqués ont été fabriqués et mis à l'essai avant de poursuivre la conception des autres éléments.

Les principaux mécanismes nécessaires à la locomotion du robot ainsi que les pièces agissant à titre structurel ont donc été conçus. Un mécanisme "innovateur" à ciseaux cylindrique servant à transférer l'énergie nécessaire au saut a été conçu, fabriqué et testé. De plus, un actionneur à alliage à mémoire de forme (AMF) fonctionnant avec la chaleur du soleil a été conçu et un prototype de ce dernier a été mis à l'essai. Le concept de robot présente les caractéristiques suivantes: un seul et unique actionneur sert à emmagasiner l'énergie nécessaire au saut et à repositionner le robot sur ses pieds après l'exécution d'un saut. La structure du robot, en forme de tétraèdre, s'insère dans une enveloppe cubique de 300 mm de côté ce qui lui confère le statut de microrobot. Le concept proposé tire avantage de l'environnement martien. En effet, la faible gravité et la faible densité atmosphérique favorisent le saut comme moyen de locomotion, alors que le gradient de température (jour versus nuit) élevé à la surface de Mars favorise l'élongation de l'actionneur AMF. L'action de sauter permet au robot de s'aventurer en terrain très accidenté en sautant par-dessus les obstacles.

Ce mémoire, basé sur un développement expérimental, présente les éléments importants d'une conception mécanique préliminaire sans toutefois couvrir tous les aspects qu'une conception complète et finale nécessiterait. En effet, pour faire suite à ce travail, il fraudrait approfondir les analyses structurelles validant que tous les éléments tolèrent l'impact à l'atterrissage. Il faudrait vérifier l'effet des distorsions thermo-élastiques dans les mécanismes, simuler, de façon plus précise, la friction dans les joints, et procéder à une optimisation de la structure afin de réduire la masse totale du système.

Titre traduit

Design of a hopper robot for planetary exploration using daily fluctuations of temperature as a source of energy

Résumé traduit

Planetary exploration is as much a current subject for agencies directly dealing in space as well as for the general public. However, the costs related to this type of mission are extremely steep and many space agencies attempt to participate without having the means to finance megamissions to which past missions have accustomed us. Hence, it is mainly for this reason that the Canadian Space Agency (CSA) has decided to turn to micromissions. Canada sees in these less elaborate missions, an opportunity to more actively engage in the discovery of ether planets while reducing costs.

The present work deals with mechanical design of a hopping robot prototype destined to the exploration of planets with a low gravitational environment (Mars for instance). This robot uses extensive variations of temperature at Mars' surface as a source of energy. ln order to do this, we proceeded in a systematic approach by establishing design requirements. Furthermore, a state-of-the-art study was done on the subject and assessed various potentials concepts. Once the most promising concept was established, the different sub-systems were dissected in minute detail and development started with those which had the most impact on the final design. The most risky or important mechanisms were manufactured and tested prier to continuing the design of the ether elements.

We have thus designed the main mechanisms required to the locomotion of the robot as well as the structural parts. An "innovative" cylindrical mechanism with scissors used to transfer the energy needed by the robot's jump was designed, manufactured and tested. Moreover, an actuator with shape memory alloy (SMA's) working with the sun's heat was designed, while a prototype was tested. The robot's design shows the following characteristics: a unique actuator is used to load the energy needed for the
jump into torsion springs and to reposition the robot back on its feet after having hopped. The robot's structure, in the shape of tetrahedron, is confined into a 300 mm edge lengthen cubic envelop which corresponds to a status of "micro" robot. The proposed concept takes advantage of the Martian environment. ln fact, the low gravity and the low atmospheric density favors the jump as a means of locomotion, while the important gradient of temperature (day versus night) at the surface of Mars enables the elongation of the SMA. Consequently, jumping lets us cover longer distances while crossing the numerous rocks that cover the hazardous surface of Mars.

This thesis, based on experimental development, covers the important elements of a preliminary mechanical design without, however, dealing with the aspects that a final and complete design would need. Thus, to pursue this work, one should look closer into the structural analysis to verify how all elements can tolerate the impact upon landing. One should also verify the effect of thermo-elastic distortion in the mechanisms and simulate more precisely the friction in the joints and optimize the whole structure to reduce the total mass of the system.

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 en génie mécanique". Bibliogr.: f. 185-187. Chap. 1. Définition du problème -- Chap. 2. Revue de littérature -- Chap. 3. Analyses -- Chap. 4. Discussion sur les différents concepts potentiels -- Chap. 5. Conception du mécanisme "sauteur" principal -- Chap. 6. Conception de l'actionneur à alliage à mémoire de forme (AMF) -- Chap. 7. Conception du système de redressement -- Chap. 8. Conception des sous-systèmes et mécanismes secondaires et séquence -- Chap. 9. Conception du système de repositionnement -- Chap. 10. Discussion, présentation des résultats et conclusion.
Mots-clés libres:	Actionneur, AMF, Conception, Exploration, Fluctuation, Mecanisme, Planetaire, Puissance, Redressement, Repositionnement, Robot, Sauteur, Secondaire, Sequence, Source, Systeme, Temperature
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Champliaud, Henri
Codirecteur:	Codirecteur Dupuis, Érick
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	17 mars 2011 16:04
Dernière modification:	04 nov. 2016 00:05
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/498

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