Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de microtechnique, Institut d'ingénierie des systèmes I2S (Laboratoire de systèmes autonomes 1 LSA1)

Nouveaux concepts de locomotion pour véhicules tout-terrain robotisés

Lauria, Michel ; Siegwart, Roland (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2003 ; no 2833.

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    Summary
    Robotic ground vehicles are mechanisms that use gravity and contact forces with the ground to perform motion. They can either be wheeled, tracked or legged. In this thesis we will focus on n-wheeled vehicles able to perform ground following motion with all the wheels maintaining contact at the same time. The main goal of this work is to establish the implication of the topological architecture of the vehicle mechanism on criteria such as climbing skills, robustness, ground clearance, weight, power consumption, and price. Efficient tools will be provided to help the robot designer to understand the implications of important design parameters like the number of wheels, the vehicle mechanism, and the motorisation of joints on the above criteria. The general state of a robotic ground vehicle can be described using spatial vectors containing both the linear and angular components of physical quantities such as position, velocity, acceleration and linear force. By definition, there is motion when the vehicle's link velocity state vector (expressed from the ground reference) is greater than zero. Wheeled ground following motion is then a special case of vehicle constrained motion where all wheels maintain contact with the ground. This thesis will describe a general kinematic and dynamic analysis of n-wheeled ground following robots. We will then discuss “contact forces optimisation techniques” and show the relationship between the number of wheels of a vehicle mechanism, the topological structure and the optimised degrees of fredom that we can get for the contact forces distribution. We will conclude with some considerations concerning the sensors needs for on-board terrain estimation. We will emphasise our argument using our two robot designs as examples: Shrimp: A 6-wheeled ground vehicle based on a 3 DOF passive suspension mechanism. With this design, no sensor based control is necessary to maintain ground contact with all the wheels. The distribution of tangential contact forces is done passively but can be optimised with on board active control and sensors for contact properties estimation (gyro, joint position sensors). Octopus: A 8-wheeled ground vehicle based on a (6 DOF active + 1 DOF passive) suspension mechanism. The autonomous coordination of the active 14 DOF is based on the on-board integration of inclinometer, joint position sensors and tactile wheels able to sense ground contact properties (angle, curvature, force, ...). With this design, active control can distribute the contact forces to minimise tangential forces and increase traction. This decreases the need for friction to climb obstacles. The theoretical investigation and new sensing concepts enable the design these two robots that demonstrate excellent capabilities for rough terrain. Passive Wheeled Locomotion Mechanisms (WLM) solutions are now mature enough for real applications like space exploration. However, active WLM solutions demonstrate potential climbing skills that cannot be equalled passively. Enhanced integration of sensors, actuators and advanced embedded control algorithms will lead to greater applications for future field and service robotics applications.
    Résumé
    Les véhicules terrestres sont des machines conçues pour transporter des personnes ou des marchandises d'un point à un autre de l'environnement tout en se déplaçant à la surface de la Terre. On parle de véhicule tout-terrain lorsque le bon fonctionnement du mécanisme de locomotion n'est pas dépendant de l'existence, au sein de l'environnement, d'un chemin préexistant crée par l'homme. Pour pouvoir atteindre son objectif, le véhicule a besoin d'un pilote qui le manoeuvre. Le rôle du pilote est multiple. Dans un premier temps, il perçoit l'environnement afin de collecter des informations relatives à la structure du terrain sur lequel il évolue. Dans un deuxième temps, il analyse ces données afin de se localiser dans l'environnement. Dans un troisième temps, il planifie son mouvement en tenant compte des capacités de franchissement du mécanisme de locomotion qu'il conduit, de la destination finale à atteindre et de la structure de l'environnement qui l'entoure. Finalement, il induit le mouvement en contrôlant les moteurs du mécanisme. Selon le type de véhicule, le pilotage peut être entièrement manuel, partiellement assisté par une machine ou totalement autonome. Dans les deux derniers cas, on parle respectivement de véhicule partiellement robotisé et de véhicule totalement robotisé ou robot mobile autonome. Grâce aux progrès techniques qui ont été réalisés ces dernières années dans le domaine des capteurs et de la micro-informatique, il est possible d'imaginer de nouveaux concepts de locomotion pour le tout-terrain qui soient partiellement ou totalement robotisés. L'objectif de cette thèse est d'étudier, de concevoir, de réaliser et de tester de nouvelles architectures de systèmes de locomotion ayant des capacités de franchissement autonome des obstacles rencontrés en milieu tout-terrain. Dans le cadre de ce travail, nous avons focalisé notre étude sur les mécanismes de locomotion roulants qui se déplacent suffisamment lentement pour que les effets dynamiques puissent être négligés. Deux classes de mécanismes ont été mis en évidence: les mécanismes à suspension passive qui s'adaptent automatiquement aux irrégularités du terrain sans aucun mécanisme de rétroaction actif les mécanismes à suspension active qui se basent sur une perception du relief du terrain afin de pouvoir contrôler la traction et la stabilité du véhicule en agissant sur des moteurs intégrés dans la structure Dans le cadre de ce travail, plusieurs concepts novateurs ont été imaginés, réalisés et testés: Shrimp est un mécanisme de locomotion à suspension passive. Son architecture mécanique extrêmement simple lui confère une très grande robustesse. Ses capacités de franchissement autonome en milieu tout-terrain lui permettent de passer là où d'autres véhicules de même proportion restent bloqués. La roue tactile est un concept qui associe la perception tactile avec la fonction mécanique d'une roue. Ce travail a permis de démontrer sa faisabilité et son utilité pour améliorer les capacités de franchissement des robots tout-terrain. Octopus est un mécanisme de locomotion à suspension active. Son architecture mécanique extrêmement complexe lui confère une très grande agilité. Ses capacités de franchissement autonome en milieu tout-terrain dépendent des organes de perception et des algorithmes de contrôle qui ont également fait l'objet d'une recherche dans le cadre de ce travail. Le problème a été partiellement résolu grâce à l'utilisation des roues tactiles pour la détection des zones de contact avec le terrain. A l'heure actuelle, le prototype réalisé n'a pas encore démontré tout son potentiel de franchissement autonome car les roues tactiles réalisées ne permettent pas de mesurer les forces de contact avec la précision nécessaire. Actuellement, les mécanismes à suspension passive sont arrivés à maturité et sont déjà utilisés dans des applications comme l'exploration planétaire. Cependant, les mécanismes à suspension active gardent un potentiel de franchissement inégalable passivement. Mais ces qualités ne peuvent être exploitées qu'au prix d'une intégration mécatronique de capteurs, de moteurs et d'algorithmes de contrôle spécialisés. La miniaturisation toujours plus poussée des composants électroniques, les matériaux émergents, les nouvelles techniques d'usinage et les nouvelles découvertes en intelligence artificielle permettent d'augmenter peu à peu le rayon d'action des robots mobiles. De nouvelles applications verront certainement le jour lorsque ces nouveaux concepts de locomotion à suspension active seront suffisamment robustes pour affronter le monde réel.