Qu'est-ce qu'un robot sphérique et comment en construire un? | 5+ applications importantes

Robot sphérique

Crédit image: Dreamtime

Le sujet de discussion: le robot sphérique et ses fonctionnalités

Robot sphérique | Robot roulant sphérique

Définition du robot sphérique

Un sphérique Robot ou Spherical Rolling Robot, autrement appelé robot mobile sphérique, est un robot en forme de boule qui est mobile avec une forme extérieure sphérique. Un robot sphérique comprend une coque de forme sphérique qui sert de corps du robot et une unité d'entraînement interne généralement connue sous le nom d'IDU du robot qui lui permet de conduire. Rouler sur des surfaces est la façon dont la plupart des robots mobiles sphériques volent.

robot sphérique
Crédits d'image: Hossein Vahid Alizadeh, Robot sphériqueCC BY-SA 4.0

Le mouvement de roulement est généralement obtenu en déplaçant le centre de masse du robot (c'est-à-dire un système entraîné par un pendule), mais d'autres mécanismes d'entraînement sont également possibles. Cependant, dans un contexte plus large, un système de coordonnées sphériques dans un robot stationnaire, contient des articulations de type 2 rotatives et de type 1 prismatique (exemple: Stanford Arm).

La coque sphérique est généralement construite en plastique translucide solide, en matériau opaque ou flexible pour des mécanismes d'entraînement uniques et d'autres applications spéciales, cette coque sphérique scellera le robot de l'environnement extérieur. Il existe des robots sphériques reconfigurables qui peuvent transformer la surface sphérique en diverses configurations et effectuer des tâches autres que le roulage.

Les robots sphériques peuvent être autonomes ou contrôlés à distance (téléopérés), en raison de la mobilité du corps sphérique et de la structure fermée, presque tous les robots sphériques utilisaient des télécommunications sans fil entre l'unité d'entraînement interne et l'unité de commande externe (système de navigation). L'essentiel de la puissance de ces robots provient d'une batterie à l'intérieur du robot, mais plusieurs robots sphériques utilisent des cellules solaires. Les robots mobiles sphériques sont classés en fonction de leur application ou de leur mécanisme d'entraînement.

Conception de robot sphérique

Les objets en forme de boule ont une maniabilité incroyable, ce qui vaut la peine d'explorer l'avancement du robot sphérique Avec nos Bagues Halo. Un autre avantage important de cette robotique est sa capacité à résister à des environnements environnementaux difficiles.

L'idée de base du système d'entraînement du robot et du principe d'architecture est présentée ci-dessous. Un dôme abrite les composants intérieurs du robot à l'intérieur (1). La base (2) sert de base à tous les composants mécaniques du bâtiment. Deux moteurs à courant continu fournissent un mécanisme d'entraînement avec des roues (6) montées sur les côtés de la plate-forme et en contact avec la sphère.

Source de l'image: AUTOMATIQUE

Le rouleau (3) a deux degrés de liberté et peut se déplacer librement autour de la surface intérieure de la sphère et le rouleau et la base sont reliés par un arbre (4), qui maintient tous les composants en place. Le ressort (5) au milieu de l'arbre garantit que le rouleau et les roues du robot ne se cassent jamais en contact avec la surface intérieure de la sphère.

Le centre de fonctionnement, les mécanismes de commande, les moteurs et les batteries sont tous logés sur le châssis. Cela se concentre sur la masse du robot, ainsi que sur le centre de masse de la construction. L'orientation des éléments intérieurs par rapport à la sphère peut être modifiée à l'aide de la configuration actuelle. À peu près au même moment, la direction du centre de masse se déplace, provoquant le déplacement du sphéroïde.

L'interaction entre les modules individuels est illustrée dans le diagramme ci-dessous:

Source de l'image: AUTOMATIQUE

Configurations de robots sphériques

Configuration du chariot interne

Un chariot à quatre ou trois roues est monté à l'intérieur d'une sphère dans une configuration de boule de hamster. Les changements de vitesse d'orientation des roues peuvent également être utilisés pour diriger. Cette solution est relativement simple bien qu'elle comporte une sphère de forme uniforme; de plus, les roues peuvent manquer de contact avec la surface intérieure de la sphère en raison de la perturbation du mouvement.

Configuration avec chariot interne, arbre et rouleau

Les roues du chariot restent en contact avec la surface intérieure de la sphère grâce à une combinaison arbre, ressort et rouleau et pour le post-équilibrage de la structure, permettant de limiter le nombre de roues de chariot à deux. Omnibola, un robot bien connu, a une configuration inversée avec les lecteurs sur le dessus du sphéroïde.

Configuration du pendule avec un essieu

Un agencement pendulaire nécessite un axe pour relier la sphère à la structure interne. L'axe fournit une base solide pour le pendule, qui peut déplacer le centre de masse et produire à la fois la rotation et l'inclinaison de la sphère. Cette approche limite la stabilité du robot et l'essieu interne limite les capacités de rotation de la sphère.

Configuration de conception basée sur le volant

Pendant une période limitée, un moment ou une roue de réaction est utilisé pour incliner le pendule interne ou augmenter le couple de la sphère. Les systèmes de gyroscope Control Momentum (CMG) sont utilisés pour faire tourner de grands satellites ou des stations spatiales dans des conceptions plus complexes.

Configuration de conception à transfert de masse multiple

Une série d'actionneurs est utilisée pour propulser plusieurs conceptions de déplacement de masse. La configuration représentée ici est utilisée pour une position précise du centre de masse dans la sphère, mais la génération de mouvement est complexe et inefficace du fait que plusieurs actionneurs fonctionnent en continu.

Configuration du robot éolien

Les constructions respectueuses de l'environnement se limitent explicitement à des utilisations particulières. Cette machinerie peut rediriger la force externe et l'utiliser pour une application de contrôle robotique. Le vent maintiendra le concept de recherche sur le robot d'exploration de Mars vu ci-dessous, mais la direction de déplacement ne peut pas s'opposer au mouvement du vent.

Configuration du robot sous-marin

Un autre exemple de construction nécessitant un environnement unique pour fonctionner est un robot sous-marin. Un robot sphérique qui navigue à l'intérieur de la tuyauterie des systèmes de refroidissement des réacteurs nucléaires à l'aide de vannes et de pompes internes a été créé pour détecter les fuites de matières toxiques et la corrosion.

Configuration de conception de corps déformable

Le fil en alliage à mémoire de forme (SMA) est un matériau léger qui, lorsqu'il est chauffé, reprend sa forme d'origine. Un robot sphérique fait de ce matériau a beaucoup de stabilité, mais son orientation est imprévisible et difficile à gérer.

MorpHex - une combinaison de robot sphérique et d'hexapode

MorpHex est un robot en forme de boule avec plusieurs jambes à travers son corps qui peuvent être assemblées en boule. Les jambes du robot peuvent également conduire et tourner malgré sa forme circulaire. Le mouvement est limité dans le mode en forme de boule en raison de la structure complexe de la solution et de la position inhabituelle des jambes du robot. De plus, une telle structure est vulnérable aux conditions météorologiques défavorables.

Par rapport à toutes les alternatives mentionnées précédemment, l'architecture construite sur un chariot interne avec un arbre et un rouleau a la plus grande stabilité en termes de sophistication de génération de mouvement.

Contrôle du robot roulant sphérique

Considérons un pendule tridimensionnel suspendu au milieu d'une sphère pour un robot portable sphérique. Il existe trois méthodes de contrôle standard pour un tel appareil:

  1. Contrôle par tension d'alimentation du moteur.
  2. Contrôle par la vitesse de rotation du moteur.
  3. Contrôle par le couple du moteur.

Aucun dispositif de support n'est requis pour le contrôle de la tension d'alimentation. Sans aucun traitement, la tension du moteur est le niveau d'alimentation le plus bas. En revanche, les deux autres méthodes nécessitent l'utilisation de structures de soutien spécifiques. Même si les paramètres de rotation ne sont pas mesurés, la rotation de la sphère peut être constante. En conséquence, il suffit de se concentrer sur la régulation du pendule ou du moteur concernant la sphère.

Enveloppe de travail de robot sphérique

Les robots polaires ont un joint linéaire combiné et deux joints rotatifs et un joint de torsion, et un bras attaché à une base robotique. Les axes construisent une enveloppe de travail sphérique et un système de coordonnées polaires et sont également connus sous le nom de robots sphériques. L'enveloppe de travail de cette configuration balaie un volume entre deux sphères incomplètes. L'architecture limite physiquement la rotation angulaire des plans verticaux et horizontaux. Ces contraintes créent les zones mortes coniques au-dessus et en dessous de la structure Robot.

Exemple de robot sphérique | Robot sphérique mobile

Ils espèrent y intégrer un GPS pour suivre des itinéraires spécifiés pour patrouiller et incorporer des capteurs radar pour aider à se déplacer sur les obstacles et obligés d'utiliser le GPS, afin qu'il puisse patrouiller autour de chemins prédéterminés, ainsi que des capteurs radar pour l'aider. éviter les obstacles.

Crédit image: Rotonde

À quoi sert un robot sphérique? | Applications de robot sphérique

Ce type de robots est utilisé à des fins d'observation, d'application de contrôle, d'exploration aquatique et planétaire, de réhabilitation, d'éducation des enfants et de divertissement, etc. Les applications des robots sphériques peuvent être vues dans les robots amphibies pour fonctionner à la fois sur le sol et sur l'eau.

Le grand public achètera des robots sphériques commerciaux. GroundBot, Roball et QueBall font partie des derniers jouets commerciaux et le BB-8 de Sphero, basé sur le personnage de robot du même nom présenté dans le film 2015 Star Wars: The Force Awakens et Samsung Ballie est un robot personnel qui ressemble comme une balle de tennis sphérique et est dévoilée au Samsung CES2020.

Selon Sajid Sadi, vice-président de l'équipe de recherche de Samsung, la mobilité de Ballie lui permet de réagir face à un individu où qu'il se trouve. Les parents peuvent demander à Ballie de vérifier auprès de leurs enfants s'ils ont terminé leurs devoirs ou de suivre les émissions de télévision et les films qu'ils regardent.

Certaines autres applications de base des robots sphériques sont également répertoriées ci-dessous:

  1. Manipulation de la machine-outil
  2. Place soudage
  3. Opérations d'assemblage
  4. Machines à ébarber
  5. Découpe
  6. Soudage au gaz
  7. Peinture
  8. Soudage à l'arc

Avantages et inconvénients du robot sphérique

Avantages

On pense que les robots sphériques présentent plusieurs avantages, notamment une locomotion à faible frottement, des espaces restreints, un vol omnidirectionnel sans jamais se retourner, etc. En raison de ces avantages, les robots sphériques sont plus viables que les robots mobiles conventionnels. Les avantages d'un robot sphérique sont nombreux et son architecture est simple.

Les capteurs et instruments enfermés dans la sphère sont bien protégés. Rotundus est très léger, ne pesant que 25 kilogrammes environ, mais l'avantage de poids est aggravé lorsque le rotundus est couvert. En conséquence, il a une faible densité et peut flotter. En conséquence, il peut être utilisé sur route, hors route et même dans l'eau.

Sceller le bot a des avantages supplémentaires au-delà de lui permettre d'avoir une faible densité afin qu'il puisse flotter; cela signifie également qu'aucun sable ne pénètre à l'intérieur pour causer des problèmes avec les moteurs et autres composants. Les étincelles électriques (le cas échéant) à l'intérieur sont souvent scellées, ce qui rend le robot précieux dans les situations de fuite de gaz. La nature du robot en fait également un opérateur très silencieux.

Inconvénients

Le robot sphérique a un profil plus bas que les autres robots commerciaux, l'un des principaux inconvénients. L'enveloppe de travail du robot est également limitée en raison de l'absence d'actionneur linéaire sur l'axe Z.

Comment construire un robot sphérique?

Le processus de construction d'une configuration de robot sphérique typique est répertorié ci-dessous.

  1. Assemblez le système d'entraînement.
  2. Préparez les moteurs et les connexions, en prêtant une attention particulière aux aspects sonores et négatifs. Bien que vous puissiez souder des fils directement au moteur et à l'ESC, les connecteurs le rendent beaucoup plus simple à long terme.
  3. Installez l'engrenage en vissant l'adaptateur de roue motrice dans l'engrenage et le moyeu avec le moyeu à vis de réglage d'alésage (côté bride d'engrenage vers le bas).
  4. Vérifiez l'orientation des roues. Les roues n'étant pas symétriques, elles peuvent être positionnées de deux manières différentes. Sur un pied, il y a des crêtes et un cône moins profond. Les arêtes des rayons peuvent être tournées vers l'extérieur.
  5. Placez l'engrenage fixe dans la roue, puis l'autre moitié de l'adaptateur de roue, puis vissez-le solidement.
  6. Montez le moteur planétaire sur le moteur. Assurez-vous que le support est incliné de sorte que lorsque les vis sont tordues, elles tombent dans le support.
  7. L'arbre d'entraînement est fixé. Assurez-vous que l'accouplement est enfoncé aussi loin que possible dans le moteur et que l'arbre est poussé aussi loin que possible (cela se traduira par la longueur correcte plus tard). Assurez-vous que les accouplements sont serrés de manière à ce que les vis hexagonales soient placées sur le côté lisse de l'arbre.
  8. Installez le moteur.
  9. Avec la bride à l'extérieur du canal, positionnez le roulement dans le trou supérieur de l'ensemble moteur et ce roulement a été pris en sandwich entre le milieu et le joint qui le maintient en place. Les vis fixent systématiquement chaque composant jusqu'à ce que le joint affleure le canal.
  10. Installez les roulements dans les joints. À chaque arbre, ajoutez une entretoise. Installez le pignon. Assurez-vous que tout est étroitement pressé l'un contre l'autre sur l'arbre, mais pas trop étroitement pour créer un frottement.
  11. Assemblez l'ensemble de roue et placez-le sur l'arbre supérieur. Assurez-vous que les vis fixes sont vissées sur les côtés lisses des arbres.
  12. Connectez-vous au corps principal. Connectez les ESC et configurez la distribution électrique. Le récepteur, le mélangeur, le condensateur et le ballast doivent tous être montés.
  13. Découpez un cercle pour le haut de la sphère et collez les onglets dessus.
Source de l'image: Robot Sphère DIY

À propos d'Esha Chakraborty

J'ai une formation en ingénierie aérospatiale, je travaille actuellement à l'application de la robotique dans l'industrie de la défense et des sciences spatiales. Je suis un apprenant continu et ma passion pour les arts créatifs me maintient enclin à concevoir de nouveaux concepts d'ingénierie.
Avec des robots remplaçant presque toutes les actions humaines dans le futur, j'aime apporter à mes lecteurs les aspects fondamentaux du sujet d'une manière simple mais informative. J'aime aussi me tenir au courant des progrès de l'industrie aérospatiale simultanément.

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