Convertir une force électrique en une force mécanique prévisible est un défi universel en robotique. Ce défi se complexifie sur les plateformes à faible contrainte de poids et à fortes vibrations, comme les drones, où chaque gramme et chaque millimètre de jeu nuisent aux performances de vol. Les actionneurs linéaires offrent une solution directe et compacte à ce problème.
Des chercheurs de l'Université Ontario Tech ont relevé ce défi en concevant une excavatrice volante autonome, une plateforme drone conçue pour identifier, creuser et déblayer les matériaux entièrement en vol. Le bras et le godet du prototype final étaient actionnés par des micro-actionneurs linéaires Actuonix série L12. L'équipe a testé trois conceptions de cellule différentes avant de retenir une configuration capable de maintenir son équilibre pendant l'excavation.
Spécifications techniques : Pour plus d’informations sur la gamme de produits utilisée dans cette application, consultez notre documentation. Page produit de l'actionneur L12
Conception d'une structure de drone autour d'un bras robotisé
L'ajout d'un bras robotisé à une plateforme volante modifie le centre de gravité du véhicule dès que le bras se déploie ou que le godet se remplit de matériaux. Un drone volant à l'horizontale à vide peut devenir instable dès qu'il commence à creuser, et cette instabilité constituait le principal problème que l'équipe de recherche devait résoudre pour trois prototypes de drones différents.
Dimensions générales de la cellule optimisée, montrant le bras raccourci et le train d'atterrissage utilisés dans la conception finale.
- Conception 1, châssis de quadricoptère F450 : La première tentative de l'équipe consistait à combiner un châssis de quadricoptère F450 de base avec un bras manipulateur et un godet. L'ajout du bras a considérablement décentré le centre de gravité de la plateforme, et l'instabilité qui en a résulté a provoqué son crash lors des essais en vol.
- Modèle 2, châssis d'octocoptère Tarot : Pour supporter le poids supplémentaire et les contraintes de levage, l'équipe a opté pour une structure octocoptère Tarot à huit moteurs. Cette version s'est stabilisée avec succès pendant les fouilles, mais le poids total de la plateforme, avoisinant les 20 kg, rendait difficile le maintien d'une position fixe. Une dérive continue a entraîné la perte de signal du capteur au sol sur le site de fouilles, et la plateforme s'est écrasée une seconde fois.
- Conception 3, châssis d'octocoptère optimisé : Dans la version finale, l'équipe a raccourci le manipulateur de 410 mm à 374 mm et remplacé la flèche par un support. Cela a permis d'équilibrer le bras grâce à seulement deux actionneurs au lieu du système précédent. L'équipe a également raccourci de manière significative les jambes du train d'atterrissage afin de réduire l'encombrement de la plateforme et d'éviter tout basculement lors des travaux d'excavation.
Le moteur L12 s'est avéré un choix judicieux pour cette refonte axée sur la légèreté. L'équipe a notamment opté pour une configuration avec une course de 100 mm et un rapport de réduction de 210:1, pesant 56 g par unité, soit 112 g pour la paire actionnant le bras et le godet. Cela représente une infime fraction de la masse totale de la plateforme, qui s'élève à 3.357 kg. Les chercheurs ont calculé cette masse directement à partir du poids de chaque composant embarqué, jusqu'au châssis du drone, aux moteurs, à la batterie et à la caméra de profondeur.
Comment la caméra, la cinématique et les actionneurs fonctionnent ensemble
Une fois la cellule stabilisée, la plateforme devait traduire les données de ses capteurs en mouvements physiques précis du bras et du godet. C'est là que les deux actionneurs L12 et le système de vision embarqué ont dû fonctionner de concert, chaque actionneur prenant en charge une partie spécifique de l'excavation.
Le prototype assemblé, étiqueté avec le contrôleur de vol, l'ordinateur de bord, le GPS et la caméra de profondeur positionnés à côté des actionneurs du bras et du godet.
Actionneur de flèche : portée et profondeur
Une caméra de profondeur Intel D415, montée à l'avant de la plateforme, a capturé des données de nuage de points du sol excavé devant le drone. Ces données ont été extraites et filtrées pour ne conserver que la zone d'intérêt, puis soumises à un calcul de cinématique inverse afin de déterminer la course nécessaire du bras de levage pour atteindre la profondeur et la position cibles.
Actionneur de godet : Collecte et vidange
Le second actionneur contrôlait directement l'angle du godet : celui-ci se courbait pour collecter les matériaux lors du creusement et pivotait pour les libérer lors du déversement. Le système enregistrait l'état du déversement afin d'ignorer les données de la caméra lorsque le godet était dans cette position, le profil du sol restant inchangé pendant le déversement.
Les deux actionneurs recevaient leurs courses cibles via une carte Arduino, laquelle recevait les valeurs calculées par le Jetson Nano embarqué et déclenchait chaque actionneur pour atteindre la position demandée. L'article attribue aux actionneurs des régulateurs PID intégrés, qui ajustent la position de l'extrémité du godet en fonction de la cinématique du bras manipulateur.
Gestion des vibrations et des interférences électromagnétiques dans une charge utile compacte
Le passage d'un modèle CAO à un matériel physique a introduit deux problèmes qui n'apparaissent pas dans la simulation : les vibrations mécaniques des moteurs du drone et les interférences électromagnétiques de ses lignes électriques à courant élevé.
- Éléments de fixation structuraux : Des écrous Nylock fixaient les composants structurels du drone pour les empêcher de se desserrer sous l'effet des vibrations générées en vol.
- Séparation électromagnétique et magnétique : Le faisceau de câbles a été acheminé de manière à séparer les lignes à courant élevé alimentant les régulateurs de vitesse électroniques des modules de boussole et de GPS, évitant ainsi la corruption du signal et la dérive de navigation.
- Livraison de puissance : La tension de la batterie était acheminée à travers un régulateur abaisseur afin que chaque composant embarqué reçoive une puissance proportionnelle à sa valeur nominale.
L'ensemble du vol d'excavation au sol, depuis l'approche initiale jusqu'à l'atterrissage en toute sécurité, en passant par le creusement, le déversement et le déchargement.
La plateforme finalisée a été testée dans deux scénarios. Dans le premier, le drone a volé de manière autonome jusqu'à un site cible, a excavé la terre du terrain identifié, l'a déversée à un autre endroit et a atterri sans encombre. Les chercheurs ont mesuré une erreur quadratique moyenne (EQM) de seulement 0.00894 m entre la trajectoire prévue et la trajectoire réelle, la plateforme maintenant un angle d'inclinaison moyen de 20 degrés, contre un maximum autorisé de 30 degrés. Dans le second scénario, le drone a tenté d'excaver une cible surélevée à environ 0.75 m du sol tout en restant en vol. L'EQM mesurée entre la trajectoire prévue et la trajectoire réelle était de 0.02 m, avec un angle d'inclinaison moyen de 15 degrés. Il a atteint la cible avec succès grâce au positionnement GPS et RTK, malgré une perte de stabilité du manipulateur pendant l'excavation. La plateforme, quant à elle, est restée équilibrée et a atterri sans encombre par la suite.
Ensemble, les deux tests révèlent une différence significative entre l'excavation à partir d'une position stable au sol et l'excavation en vol stationnaire. Les chercheurs ont d'ailleurs souligné que la stabilité en vol constitue un axe de recherche prioritaire. Ce projet démontre clairement qu'une paire de micro-actionneurs linéaires disponibles dans le commerce, associée à une cinématique pilotée par caméra, suffit à actionner un bras d'excavation fonctionnel sur une plateforme volante, sans le surpoids d'un système à engrenages sur mesure. Il s'agit d'un résultat important pour un prototype de recherche de première génération, qui ouvre la voie à un nombre croissant d'applications : inspection, échantillonnage et travaux de construction à distance, où un actionneur linéaire compact peut accomplir la tâche auparavant requise par un mécanisme beaucoup plus lourd.
FAQ technique : Actionneurs linéaires dans les bras robotiques aériens
Pourquoi la conception finale n'utilise-t-elle que deux actionneurs ?
En réduisant la longueur du bras manipulateur de 410 mm à 374 mm, les contraintes mécaniques sur la liaison ont été suffisamment allégées pour permettre à l'équipe d'équilibrer la plateforme à l'aide d'un seul actionneur pour la flèche et d'un autre pour le godet. Ce faible nombre d'actionneurs a permis de maintenir le poids au plus près du centre de gravité du drone, un problème récurrent sur les modèles précédents.
Comment le drone sait-il où creuser ?
Le positionnement était assuré par une caméra de profondeur embarquée et non par les actionneurs eux-mêmes. La caméra capturait un nuage de points du sol devant la plateforme, et un calcul de cinématique inverse convertissait ces données en courses nécessaires à chaque actionneur pour atteindre la position cible. Les actionneurs exécutaient le mouvement, mais la caméra et l'ordinateur de bord déterminaient sa trajectoire.
Pourquoi choisir la série L12 pour une application aéronautique ?
Le poids s'est avéré être le facteur déterminant tout au long du développement de ce projet, deux des trois prototypes de cellule ayant échoué, en partie à cause d'une masse excessive. L'équipe a utilisé la configuration L12 (course de 100 mm, rapport de réduction de 210:1), avec un poids de 56 g par actionneur, soit 112 g au total pour les deux actionneurs actionnant le bras et le godet, pour une masse totale de la plateforme de 3.357 kg. Les chercheurs ont calculé que la seule tâche d'excavation aérienne nécessitait une force d'excavation d'environ 10 N, déterminée par leurs propres essais, ce qui est largement inférieur aux capacités nominales de cette configuration L12.
L'excavatrice volante a-t-elle été un succès total ?
Le cycle d'excavation au sol (approche, creusement, déversement et atterrissage) s'est déroulé avec succès et une grande précision de positionnement. L'essai d'excavation aéroportée a atteint sa cible et s'est posé sans encombre, mais le manipulateur a perdu en stabilité pendant le creusement. Les chercheurs ont identifié ce problème comme un défi à relever pour les travaux futurs. Comme pour la plupart des prototypes de recherche de première génération, les résultats présentent à la fois une validation de concept concluante et des aspects encore à perfectionner.
Source: Zaman, A.; Seo, J. Conception et commande d'une excavatrice volante autonome. Machines 2024, 12, 23. https://doi.org/10.3390/machines12010023
Passage du prototype de recherche à l'application réelle
Ce projet illustre parfaitement comment un actionneur compact et léger peut remplacer un mécanisme sur mesure beaucoup plus lourd dans une conception où le poids est un facteur critique. Qu'il s'agisse d'une plateforme aérienne, d'un robot mobile ou de tout autre système automatisé compact, les mêmes compromis puissance/poids qui ont guidé la conception de cette excavatrice s'appliquent à tout projet où chaque gramme compte.
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