Conception et optimisation d'un bras robotique ultraléger pour le déploiement de tâches de contact par drone

La maintenance d'infrastructures difficiles d'accès, par exemple les éoliennes, les ponts ou encore les sites industriels, est aujourd'hui assurée par le travail de techniciens suspendus dans les airs, appelés techniciens cordistes. Ces interventions demandent un déploiement conséquent en matériel et en temps, elles sont fonction des intempéries et peuvent être dangereuses. Plusieurs applications de robotique aérienne visent à aider les techniciens, mais se limitent pour la plupart à des tâches d'inspection, sans capacités de déployer des procédés nécessitant un contact maintenu avec la structure. En vue du déploiement de tâches de parachèvement en zones difficiles d'accès, la conception d'un robot six axes ultraléger est présentée dans ce mémoire. Le robot est intégré sur un drone d'emport de charges lourdes équipé d'un système d'accostage, nommé Base Attachment Module (BAM). Ce système permet, à la suite d'une phase d'approche, de stabiliser le drone contre une paroi à l'aide de ventouses actives, puis de couper ses moteurs pour maintenir le système en position avec une consommation minime en énergie. Dans cette configuration, un procédé robotique peut être déployé sur la paroi, dans le demi-plan au dessus de la base du robot. Les performances du drone et du BAM permettent d'accommoder la plage d'angle d'accostage de 0 à 180°, modifiant ainsi les chargements subis par le robot. Une architecture du robot modulaire et facilement paramétrable est proposée. La modularité des articulations et des membrures permet de décliner l'assemblage du robot facilement selon son usage, que ce soit pour différents angles d'accostage comme dans ce projet, mais tout aussi bien pour d'autres applications, d'autres outils montés en bout de bras, d'autres efforts maximaux, etc. Les performances du robot dans son espace articulaire sont évaluées en simulation à partir de requis stricts formulés dans l'espace cartésien. La base du robot étant fixe pendant le déploiement du procédé, la portée joue pour beaucoup dans la viabilité du système. Une routine d'optimisation est utilisée dans le but de maximiser la surface de travail du robot sous une limite de masse fixe, pour une valeur d'angle d'accostage du drone. Le choix des moteurs et des réducteurs de deux articulations différentes (attribuées respectivement aux axes 1 à 3 et 4 à 6), ainsi que les longueurs du bras et de l'avant-bras sont optimisés. Une optimisation multi-objectifs par algorithme évolutif permet, dans un premier temps, de maximiser la surface et minimiser la masse du robot conjointement afin d'obtenir un panel de designs optimaux et définir un palier de masse maximale adapté. A partir de cette limite de masse, une conception optimale unique est obtenue pour chaque angle d'accostage, maximisant ainsi les performances du robot dans tous les cas de déploiement.

Abstract

Maintenance operations of structures in heights, such as wind turbines, bridges, industrial plants or silos are nowadays performed by rope access technicians. Such deployments require a lot of security equipment, planning, they are time-consuming and can be harmful. Aerial robotics projects are aiming to help technicians in their missions, but they often limit to inspection tasks, with no capacity to deploy continuous efforts of moderate magnitude on structures. With a view to perform finishing operations on hard-to-reach areas, the design of a six axes ultralightweight robot arm is introduced in this thesis. The robot integrates on a high payload drone equipped with a docking system, named Based Attachment Module (BAM). Following an approach phase, the docking module stabilizes the drone on a surface through active suction cups and keeps the anchor with minimal energy consumption with the drone's rotors shut downed. A robotic process can be deployed in the half plane on the upper part of the base of the robot. The performances of the drone coupled to the BAM in pitch control allow to work on a range of docking angles from 0 to 180°. This heavily changes the loads that are seen on the robot axes. A modular and easily parametrizable architecture is defined. A joints and links modularity allows to decline the assembly of the robot easily, for various usages of the robot, as it is focused in this thesis for different angles of anchoring of the base but it is also adapted to the diversification of maintenance tasks, end effectors or process loads. Performances of the robot in its joint space are computed with simulations of the robot, from strict requirements in Cartesian space.The robot base being fixed during finishing operations, the reach is critical in the viability of the system during its early design. An optimization routine is used to maximize the work surface of the robot in a strict mass allowance, for a specific docking angle. Motors and gearheads choices for two joint modules (respectively designed for axes 1 to 3 and 4 to 6), and the arm and forearm lengths are optimized. A multi-objective genetic algorithm optimization maximizes the work surface while minimizing the total mass of the robot. A range of optimal designs is obtained and is used to define a suitable mass limit. From this mass allowance, a unique optimized robot definition is achieved for every docking angle, allowing to maximize the performances in every scenario. A 3D model of the optimized solution for wall docking is presented as the conclusion of the research of this thesis. A specific attention is brought to the design of the joint modules, integrating specific components and requiring complex assemblies. The progress achieved in the design lead to the fabrication of a prototype and the definition of lightweight arm control algorithms.