CA2274770A1 - Robot-boule - Google Patents

Description

Rapport d'invention 1. Introduction Le présent document décrit les caractéristiques d'un robot mobile de forme sphérique, capable de se déplacer dans des environnements courants et très diversifiés (maison, bureau, extérieur, etc.).
L'aspect novateur du robot réside dans sa locomotion à partir de sa coquille ainsi que par le dispositif pour détecter l'inclinaison horizontale (en x et en y) et verticale à partir d'interrupteurs au mercure. Le robot développé vise tout d'abord comme application le domaine des jouets interactifs, mais d'antres robots pourraient être développés à partir du même principe de locomotion pour d'autres applications (exploration, prise de mesure, inspection de conduites, etc.).
La section 2 du document donne une description détaillée du prototype développé. La section 3 résume les aspects pouvant être brevetés concernant ce robot.

2. Description de l'invention Titre : Roball - le robot-boule Problématique : La problématique consiste à développer un robot jouet autonome capable de se déplacer dans un milieu courant comme à l'intérieur d'une maison ou encore à
l'extérieur. Le jouet doit offrir des interactions intéressantes avec l'enfant, l'incitant à
jouer avec lui.
Caractéristiques François Michaud, Serge Caron 1 de 9 2/06/99 Figure 1- Roball (prototype) et vue de droite Comme le montre la figure 1, Roball est un robot qui est encapsulé dans une coquille. Pour se déplacer, deux moteurs' situés sur l'axe central et horizontal font tourner la coquille. Une coquille de forme ronde facilite le roulement du robot, mais d'autres formes (ovale par exemple, ou même une coquille avec des plans droits) pourraient être utilisées. La rotation de la coquille provoque le déplacement du plateau interne, entraînant un déséquilibre du centre de gravité.
Lorsque la trajectoire du robot est libre d'obstacles, la régulation de la vitesse de ces moteurs permet de garder le plateau interne le plus horizontal possible lors des déplacements. La figure 2 montre une photo et une vue du côté droit, localisant l'inclinomètre qui permet d'approximer l'angle du plateau interne par rapport à l'horizontal.
Inclinon Figure 2 - Photo et vue du côté droit Interrupteurs au Figure 3 - Photo de l'inclinomètre droit et vue du côté droit L'angle horizontal du plateau est approximé d'un inclinomètre composé de quatre interrupteurs au mercure positionnés à certains angles (15°, 75°, 105°
et 165°), comme le montre la figure 3.
Huit positions peuvent être obtenues en fonction de l'état de ces interrupteurs : horizontal (tous les interrupteurs en position de contact, comme montré à la figure 3), incliné
vers le bas, face vers ' Un seul moteur suffisamment puissant pour faire déplacer la coquille est aussi une possibilité.
François Michaud, Serge Caron 2 de 9 2/06/99 le bas, reversé vers le bas, renversé (tous les interrupteurs en positon de non-contact), renversé
vers le haut, face vers le haut et incliné vers le haut. La figure 4 illustre l'état des interrupteurs pour deux positions du plateau interne.
Figure 4 - Vues de droite en position incliné vers le bas (gauche) et face vers le bas (droite) Interrupteurs au mercure pour l'inclinomètre Comme le montre la figure 5, la direction du robot est contrôlée à partir d'un servo-moteur déplaçant le plateau de support de la batterie (qui sert alors de contrepoids). Ceci permet de déplacer le centre de gravité vers les côtés du robot, lui faisant ainsi changer de direction. Deux interrupeurs an mercure sont aussi placés pour détecter l'inclinaison sur la gauche ou sur la droite du plateau interne. La figure 5 de droite illustre ces interrupteurs en position de contact, tandis que la figure 6 montre une inclinaison vers la droite. La localisation de ces interrupteurs permet aussi de détecter qu'on fait tourner le robot sur lui-même : les deux interrupteurs sont alors en position de non-contact.
François Michaud, Serge Caron 3 de 9 2/06/99 Figure 5 - Photo et vue de l'arrière Figure 6 - Vues d'une rotation vers la droite Haut-parleu Figure 7 - Photo du côté gauche Nous avons aussi conçu un circuit utilisant un ChipCorder de la compagnie ISD, un circuit intégré qui permet d'enregistrer du son dans une mémoire numérique de type EEPROM et d'adresser ces messages au besoin avec l'aide d'un microprocesseur. La figure 7 montre le petit haut-parleur placé sur le plateau du robot permettant d'entendre les messages.
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Figure 8 - Photo de l'avant et vue du fonctionnement des détecteurs infrarouges François Michaud, Serge Caron 4 de 9 2/06/99 Ä l'avant du robot montré à la figure 8, différents capteurs peuvent être placés pour percevoir des obstacles (en utilisant deux émetteurs et un détecteur infiarouge), de la lumière (en utilisant des photorésistantes), ou d'autres signaux. La figure 8 illustre aussi le fonctionnement des détecteurs infrarouges : la diode émettrice génère un signal infrarouge qui est réfléchi par un objet à
proximité vers le détecteur infiarouge. Ce principe de détection est couramment utilisé en robotique mobile.
Figure 9 - Photo et vue du dessus La figure 9 montre le dessus du robot, montrant la carte de contrôle utilisée pour le prototype de Roball. Cette carte utilise un microcontrôleur 68HC 11 avec 32 kilo-octets de RAM, un afficheur LCD, un avertisseur sonore et un port de communication série. L'environnement de programmation est Interactive C, un noyau temps réel pour le 68hc11 développé
par Fred Martin et Randy Sargent du MIT et disponible gratuitement via Internet.
François Michaud, Serge Caron 5 de 9 2106/99 Figure 10 - Roball dans une pièce Roball est en mesure de se déplacer dans des environnements courants comme les maisons. Bien que le prototype actuel n'utilise pas les détecteurs d'obstacles à cause d'interférence avec la coquille, le robot est en mesure de se déplacer et de se sortir d'impasse.
Lorsqu'il rencontre un obstacle, le plateau interne fait un tour complet sur lui-même, donnant ainsi une impulsion au robot lui permettant de s'éloigner de l'obstacle. La robot arrive ainsi à se sortir de situations très difficiles.
Le prototype actuel est programmé pour démontrer le genre de fonctionnalités que nous poumons retrouver avec un produit comme Roball. L'architecture du programme correspond à celle développée durant la thèse de doctorat de F. Michaud pour la programmation de systèmes intelligents. Brièvement, des modules comportementaux permettent au robot d'avancer, de se diriger en ligne droite, de tourner, d'arrêter les moteurs lorsque le plateau interne est renversé, d'éviter les obstaclesz, de parler et de jouer de la musique. Des motifs (c'est-à-dire des variables internes) déterminent les états du robot : éveillé, besoin de recharge, et détresse (lorsque le robot rencontre fréquemment des obstacles). Durant l'éveil, le robot arrête de se déplacer périodiquement, demandant une période de repos. Durant ces périodes de repos, le robot peut demander à l'enfant de le faire tourner sur lui-même, de le brasser ou de le pousser pour qu'il reprenne sa trajectoire. Le robot répète périodiquement ces demandes et répond à l'enfant en fonction des interactions générées. Les périodes d'occurrence des états du robot sont fixées par des incréments fixes ou des niveaus déterminés de façon aléatoire pour ne pas créer des automatismes. Apres un certain temps, le robot reprend sa trajectoire (une petite musique est alors entendue) jusqu'à ce que le cycle d'éveil soit complété. Le robot est alors inactivé pendant un certain temps avant de retourner en mode éveil. Voici l'ensemble des messages qui ont été
programmés pour le prototype avec une description de la circonstance les générant Message Circonstance ~ups! Le plateau interne fut renvers Aidez moi! Le plateau interne est frquemment renvers Weeeeee! On fait tourner le robot sur lui-mme, sa demande Merci Le robot fut recharg ou l'enfant rpondu une demande du robot Arrte s.t.p. Le robot est dplac lors d'une priode de repos Je m'ennuie L'enfant ne rpond pas aux demandes du robot Une petite pousse Durant une priode de repos, le robot demande s.t.p. l'enfant de le pousser pour repartir Fais-moi tourner Durant une priode de repos, le robot demande s.t.p. l'enfant de le faire tourner Brasse-moi un peu Durant une priode de repos, le robot demande s.t.p. l'enfant de le brasser gentillement Je suis tout tourdi!L'enfant a fait tourner le robot sur lui-mme Recharge-moi s.t.p.Le rabot a besoin d'tre recharg A tantt! Le cycle d'veil est termin Bonjour comment Le cycle d'veil commence a va?

Guillaume Nom de l'enfant utilis dans certains messages pour s'adresser d'une faon plus personnelle l'enfant 2 Ce module n'est toutefois pas utilisé à cause de l'interférence des détecteurs de proximité infrarouge avec la coquille utilisée pour la conception du prototype.
François Michaud, Serge Caron 6 de 9 2/06/99

3. Aspects rattachés au brevet Caractéristiques pouvant faire l'objet d'un brevet:
1. Encapsulation du robot dans une coquille qui sert de moyen de locomotion ~ Rotation de la coquille par un ou deux moteurs;
~ Direction par le déplacement du centre de gravité par le servo-moteur qui contrôle le contrepoids situé à la base du plateau central du robot;
~ Coquille de différentes formes pour faciliter les déplacements du robot (sphérique, ovale, hexagonale, etc.).
2. Inclinomètre 3-D à partir de six interrupteurs au mercure ~ Détection de l'inclinaison horizontale dans l'axe de déplacement du robot ainsi que de l'inclinaison verticale avec 4 interrupteurs au mercure (figure 4);
~ Détection de l'inclinaison horizontale dans l'axe de direction du robot avec 2 interrupteurs au mercure (figure 6);
~ Détection de l'effet toupie (le tournoiement du robot provoqué par l'usager). L'action centrifuge sur le mercure provoque un état des interrupteurs qui est impossible à générer lors du déplacement normal du robot : les interrupteurs au mercure pour l'inclinaison horizontale sont tous en position ouverts.
État des connaissances Un projet mené par Ranjan Mukherjee, Michigan State University, porte sur un robot mobile sphérique reconfigurable. Un brevet provisoire fut émis le 12/16/97 avec la description suivante Dynamics and Control of a Self Reconfrguring Sphere Leading to the Design of a Spherical Mobile Robot A mobile robot has been developed with a novel mechanical design. This design provides for excellent stability, mobility and maneuverability. The robot adapts easidy to a diverse range of tasks with primary modifications to its sensing capabilities. It can be configured in a number of sues to fit the task and is self-propelled Possible applications include fire fighting, space exploration, reconnaissance, terrorist countermeasures, and hazardous environment inspections.
Ce projet est subventionné par le NSF
Dynamics and Control of a Self Reconfiguring Sphere Leading to the Design of a Spherical Mobile Robot NSF Org C11~5' Latest Amendment Date March 17, 1998 Award Number 9800343 Award Instr. Standard Grant Prgm Manager Alison Flatau CNb' DIY OF CIVIL AND MECHANICAL SYSTF~' ENG DIRECTORATE FOR ENGINEERING
Start Date May 15, 1998 Expires April 30, 2001 (Estimated) Expected Total Amt. $184, 625 (Estimated) Investigator Ranjan Mukherjee Sponsor achigan State University East Lansing, MI 48824 517/355-1855 François Michaud, Serge Caron 7 de 9 2/06/99 NSF Program 1445 DYNAMIC SYSTF.~ & CONTROL
Fld Applictn 03080001ndustrial Technolog~
This research project deals with the design and development of a unique spherical mobile robot having a sphericat exo-sketeton, an internat mechanism for self propulsion, and a variety of sensors for motion control and reconnaissance. Unique Features of the robotic system include its retractable camera, retractable manipulators, and telescopic limbs. The arms and limbs are deployed for manipulation and support when the robot is at rest and retracted before the robot resumes its motion. The robot is able to perform rapid maneuvers and moue over rough terrain with relative ease. In the process of development of the spherical robotic system, three fondamental probtems in the areas of dynamics, control, and design of mechanical systems are addressed. The frrst problem relates to the development of a nonlinear feedback control strategy for nonholonimic systems with primary application to the rotling sphere. A
smooth and time-invariant controller will be developed for the reconftguration of the sphere.
Despite significant progress in nonholonomic control systems, the reconfiguration of the rolling sphere is still an open problem. The second problem of this research is to design an internat mechanism for self propulsion of the sphere and to construct a closed toop controller for the effective operation of the mechanism. The mechanism provides the sphere with the capability to accelerate, moue with constant velocity, or servo at a point. The frnal problem relates to the development of the spherical mobile robot, which is expected to achieve autonomy thorough coordination between sensing and control. This problem deals with design of the truss, choice and placement of sensors, and design of the overalt control system through integration of the two controdlers mentioned above. The nonholonomic control strategy, developed as a part of this research, is incorporated in the Advanced Control Systems course, offered in the Department of Mechanical Engineering at Michigan State University. The internat mechanism for self propulsion of the sphere and the design of the spherieal mobile robot are used as motivational examples in a number ofgraduate and undergraduate courses in design, structures, mechanics, and eontrots.
Le robot proposé dans ce document semble utiliser des principes de locomotion différents de ce qui est décrit dans ce brevet provisoire.
Comme système similaire, il y a le Gyrover qui est un robot circulaire qui se déplace en utilisant une roue et qui est dirigé à l'aide d'un gyroscope - voir Xu, Y., Au, K.W., Nandy, G.C. et Brown, H.B., « Analysis of actuation and dynamic balancing for a single wheel robot », Proc. IEEE/RSJ
Intl. Con~ on Intelligent Robots and Systems, Victoria, B.C., octobre 1998, pp. 1789-1794. Le mécanisme de déplacement est complètement différent de celui proposé dans ce document.
Avantages et inconvénients du robot:
La principale difficulté est de faire un robot suffisamment robuste pour subir les différentes situations auxquelles il peut être confronté : manipulations des enfants, chocs, escaliers, tapis, etc.
Un robot à mues peut se renverser et être incapable de se sortir d'une impasse. Par contre, une solution à ce problème est d'utiliser des mues qui sont plus grosses que le corps du robot, mais ça n'empêche pas le robot de pouvoir rester surélevé sur un objet. Un robot encapsulé dans une boule arrive à se déplacer naturellement dans l'environnement avec moins de risque de rester coincé. Sa coquille offre un milieu étanche le protégeant des poussières et débris qui peuvent se former dans les engrenages de roues. Elle le protège aussi des usages abusifs des enfants. Sa forme correspond aussi à celle de jouets communément populaires chez les enfants (ballon, boule, François Michaud, Serge Caron 8 de 9 2/06/99 balle). Pour avoir observé le comportement d'un garçon de 10 mois avec Roball, son intérêt pour le robot fut plus grand qu'avec un ballon car il était plus difficile pour lui de le garder dans ses bras.
Un autre avantage du robot est la possibilité de générer de la parole. Les messages générés donnent de la crédibilité au jouet dans ses interactions avec l'enfant. Nous désirons offrir la possibilité aux usagers (les parents surtout) de modifier certains des messages pour personnaliser le robot (ex. : enregistrer le nom de l'enfant, mémoriser des messages que le robot devra rappeler à l'enfant à différentes fiéquences, etc.). Cette fonctionnalité est intéressante car elle permet d'utiliser le robot pour des fins éducatives et même thérapeutiques (par exemple pour aider les enfants autistiques à s'ouvrir au monde extérieur). De plus, le robot est complètement autonome dans le choix de ces activités, créant ainsi des interactions intéressantes au lieu de simples automatismes.
Comme inconvénients, le robot a une perception et un temps de réponse limités.
Il peut donc arriver que la dynamique de l'environnement lui soit imperceptible, occasionnant des réactions inadéquates.
Développements à venir Comme améliorations au prototype, les améliorations suivantes pourraient être apportées : une nouvelle coquille pouvant faciliter le roulement; valider l'utilisation de capteurs de proximité
infrarouges; des photorésistances ou des détecteurs de personne; modifier le circuit de génération de parole pour avoir une meilleure qualité sonore en utilisant un autre type de haut-parleur et une meilleure caisse de résonance; ajouter un détecteur de fréquence ajustable pour que le robot réagisse à des bruits variés et finalement un senseur percevant le toucher humain. Ceci viendrait valider l'ensemble des fonctionnalités que nous poumons rendre disponibles sur un robot jouet de ce type. Dans la conception d'un produit commercialisable, il faut aussi penser à rendre accessible l'enregistrement de sons, le port de recharge et l'accès à la batterie. Il nous faut aussi développer et transporter notre programme sur un microprocesseur (68HC 11 ou un autre) et dans un environnement de programmation sous notre propriété (commercialisable).
Il reste toutefois que des produits ne possédant qu'une partie de ces fonctionnalités peuvent être déjà commercialisables. Par exemple, dans la version la plus simple, on pourrait produire un robot-boule de plus petite dimension n'ayant pas la capacité de parole mais émettant des bruits selon ce qu'elle fait. On peut ensuite imaginer une plate-forme intermédiaire où est intégrée la parole mais sans inclure une détection par des capteurs infrarouges, photorésistifs ou autres.
Enfin, le produit le plus dispendieux viendrait inclure l'ensemble des fonctionnalités décrites ci-dessus avec un afficheur LCD ou d'autres types de dispositifs visuels (lumière, message, etc.).
En fonction de ces produits, différents types de microprocesseurs pourraient être utilisés, le choix étant fixé par les fonctionnalités à mettre en oeuvre et dans l'objectif de minimiser les coûts.
François Michaud, Serge Caron 9 de 9 2/06/99