Pomponio, Thomas
[UCL]
Ronsse, Renaud
[UCL]
(fre)
L’Ecole Polytechnique de Louvain développe et assemble actuellement un robot à quatre degrés de liberté pour réaliser des essais dans une cuve d’eau avec des robots nageurs ou des cylindres soumis à des vibrations. Pour pouvoir en plus simuler le vol libre d'une maquette, l'utilisateur souhaite rajouter deux degrés de liberté au robot (le pitch et le roll) au moyen d'un manipulateur. Ce travail porte sur la conception de ce manipulateur. La précision est l'exigence la plus critique : la position réelle de la maquette ne doit pas s'écarter de plus de 0,5 mm de la position théorique. Ce chiffre couvre les déformations et les tolérances du robot et de son manipulateur. Les contributions du robot étant encore inconnues, nous avons fixé, pour notre manipulateur, une limite de 0,16 mm (deux sixièmes de 0,5 mm, car deux degrés de liberté). Il y a en outre deux contraintes importantes. Premièrement, la maquette et une partie du manipulateur sont immergées dans une cuve, ce qui génère des efforts de trainée sur la structure. Deuxièmement, le robot et les parois de la cuve limitent les dimensions du manipulateur. L'un des objectifs de conception était de découpler les mouvements de translation et les mouvements de rotations. Cela nous a conduit à envisager des mécanismes avec un remote center of motion (RCM) coïncidant avec le point d'attache de la maquette au manipulateur. Au terme de la comparaison de plusieurs solutions, le mécanisme qui a émergé est le parallélogramme. Celui-ci est constitué de deux grandes parties~: un bloc moteur immergé pour imprimer à la maquette un mouvement de roll, et une structure en paralélogrammes articulés pour transmettre au bloc roll et à la maquette le mouvement de pitch. Cette structure se trouve également immergée lorsque le robot est en position basse. Au sujet du bloc roll, il n'a pas été possible de concilier les objectifs de précision et de démontabilité. La précision demandée interdit les jeux dans les assemblages. Mais garantir du serrage avec des tolérances au centième (nous avons exclu le micron) peut provoquer, suivant les dimensions exactes des pièces, un serrage tel que les pièces ne pourront pas être démontées sans être endommagées. Le dimensionnement de la structure a été effectué à l'aide de SolidWorks. En augmentant la section des composants jusqu'à atteindre la limite d'encombrement autorisée par la cuve et le robot, les déformations du manipulateur provoquent encore un déplacement de la maquette de 0,29 mm, et le manipulateur atteint une masse de 40 kg. Une étude des déformations montre que c'est la force de trainée qui contribue le plus aux déplacements de l'extrémité de la tige. Il nous semble donc que la demande et les données devraient être discutées. Premièrement, les essais pourraient-ils être effectués dans une soufflerie plutôt que dans cuve d'eau ? Deuxièmement, plutôt que de vouloir limiter autant les écarts de position de la maquette, ne pourrait-on pas les estimer ou mesurer directement la position pour corriger les résultats de l'expérience ? Mais estimer les déformations ou mesurer la position de la maquette nous semble difficile, respectivement à cause du coût en calcul et à cause de la configuration de la cuve. Par conséquent, cela nous ramène encore une fois à questionner la nécessité de réaliser les essais dans la cuve d'eau.
(eng)
The Louvain School of Engineering is currently developing and assembling a robot with four degrees of freedom to test swimming robots or vibrating cylinders. The user of the installation would also like to simulate free flight with an air foil. For such test, the robot needs to extra degrees of freedom : pitch and roll. The aim of this master thesis is to design an end-effector with these two degrees of freedom to equip the robot. Accuracy is the most severe requirement~: the difference between the actual pose of the air foil and its theoretical pose cannot exceed 0.5 mm and 0.5°. These values include the deformations, the tolerances and the errors in the transducers. As the contribution of the robot is still unknown, we have distributed the errors equally between the six degrees of freedom, which means that the accuracy for the end-effector must be 0.17 mm. There are two important constraints. First, the end-effector is immersed in a towing tank, which causes drag forces on the structure. Secondly, the robot and the walls of the towing tank limit the outer dimensions of the end-effector. To prevent coupling between the translation and the rotation (one of the design objectives), we have considered mechanism with a remote center of motion (RCM) corresponding the center of mass of the air foil. A comparative study of several solutions showed that the parallelogram was probably the most suitable RCM mechanism. It consists in two main parts : an immersed block with a motor to generate the roll of the air foil, and an articulated parallelogram structure to transmit the pitch movement to the block and to the air foil. The structure is immersed when the robot is in its lowest position. Regarding the block roll, we could not reconcile the objectives of accuracy and of easy disassembling. To obtain accuracy, clearances between the bearings, the housing and the shaft must be avoided, and interference is required. But tolerances to the hundredth of a millimetre (micron is excluded because of the cost) could generate interference between the parts that prevent them from being disassembled without damage. The structure of the end-effector has been designed with SolidWorks. By increasing the cross section of the tubes up to the maximum dimensions allowed by the tank walls and by the robot, the deformations of the structure still cause a displacement of the air foil of 0.29 mm. And the manipulator weights 40 kg. An analyse of the deformations revealed that the drag force due to the water is responsible for about 90% of the displacement of the air foil. Therefore, we think that the enquiry and the givens of the problem should be discussed. First of all, would it be possible to perform the test in a wind tunnel instead of in the towing tank ? A another solution would be to accept the deformations of the end-effector and to measure or estimate the actual position of the air foil. But to measure or estimate the actual position of the air foil will be difficult, respectively because of the proportions of the tank and because of the computational cost
Référence bibliographique |
Pomponio, Thomas. Conception d'un effecteur terminal immergé à deux degrés de liberté. Ecole polytechnique de Louvain, Université catholique de Louvain, 2022. Prom. : Ronsse, Renaud. |
Permalien |
http://hdl.handle.net/2078.1/thesis:35273 |