FR3126958A1 - Véhicule terrestre compact à haute mobilité - Google Patents

Abstract

Véhicule (100) terrestre comportant une partie haute (A) destinée à recevoir une charge utile ; et une partie basse (B) présentant une hanche (5) et trois jambes (4). Chaque jambe (4) est liée par une extrémité à une roue (6), et à l’autre extrémité à la hanche (5). Chaque jambe (4) est libre en rotation autour d’un unique axe de la hanche (5), et chaque jambe est mue en rotation par un moteur dédié de manière indépendante des autres jambes. Figure pour abrégé : Figure 1 .

Description

Véhicule terrestre compact à haute mobilité

L’invention se situe dans le domaine des véhicules terrestres. Et l’invention est particulièrement pertinente dans le domaine des robots mobiles terrestres, autonomes ou télécommandés, destinés à se déplacer, transporter une charge ou effectuer une activité, en particulier dans un milieu non-structuré, et à l’intérieur de bâtiments.

Les usages de véhicules et robots dans les milieux non-structurés et à l’intérieur de bâtiments représentent de nombreux cas d’usage : exploitation forestière, agricole et minière ; construction pour le transport de matériaux, la surveillance ou la cartographie d’un bâtiment, notamment en cours de construction, après un séisme etc ; sécurité civile, militaire (déminage, NRBC...) et pompier, recherche et sauvetage de personnes suite à un évènement climatique catastrophique, dans une grotte, un immeuble partiellement effondré, pendant ou après un incendie, dans un milieu inhospitalier… Dans ces cas d’usage, ledit robot doit être capable de porter la charge utile nécessaire à l’exécution de sa mission, constituée d’ordinateur, de caméra, de communication sans fil, source d’énergie, capteur, et d’effecteur, dont la masse est à minima de 20kg, et jusqu’à 150kg !

Le cas d’usage typique pour lequel l’invention apporte une solution efficace, est le déplacement rapide et stable du robot dans un immeuble en bon état (escalier colimaçon ou droit, changement de direction dans un couloir étroit), ou qui a subi un tremblement de terre (obstacles désordonnés et nombreux, forte pente, terrain instable...). .

Ce robot est également adapté à des activités extérieures ou intérieures, de transport logistique, surveillance de site, et contrôle de processus. Par extension de nombreux cas d’usage, actuellement dévolu à des humains, peuvent être aussi concernés comme opérateur de ligne de production flexible, concierge, majordome, garde du corps, transporteur de fonds, agent de police, militaire, ou pour la manipulation ou mesure de présence de produits dangereux (nucléaire, radiologique, biologique ou chimique)...

Etat de l’art industriel

Actuellement, le déplacement d’un véhicule ou robot terrestre est réalisé par des dispositifs mécaniques dédiés, principalement: chenille, jambes, ou roues.

Le retour d’expérience des dispositifs existants est le suivant :

Les robots à chenilles (incluant les flippers), tel que celui décrit dans le document WO 2008/010189, sont limités dans le franchissement d’obstacles élevés (>0.4m en général) ou verticaux (murets, barrière) sauf si leur masse est de plusieurs centaines de kg.

Les robots qui se déplacent sur 2 jambes (rarement une) sont communément appelé « humanoïdes ». Ce type de de robots humanoïdes sont par exemple décrits dans les documents CN 112776914, CN110217308, EP 3441197, US2005275367A1, CN209938771, WO 2015/145710 et US 9555846. Les robots humanoïdes sont capables de passer des obstacles verticaux, en sautant par exemple, ou de monter de fortes pentes... Ils seraient également capables de se déplacer sur des sols meubles (sables, boues, neige), mais la gestion de l’équilibre d’un humanoïde est délicate, car elle exige d’une part une précision élevée des données issues des capteurs, et d’autre part un arbitrage correct par le circuit de traitement électronique des données, qui sont contradictoires entre les différents capteurs. Aujourd’hui ces deux exigences ne sont pas toujours satisfaites, notamment pour les sols meubles. C’est pourquoi les humanoïdes ne peuvent pas encore valoriser l’avantage de mobilité intrinsèque dont ils disposent.

Les robots à plus de 2 roues fixes ont une assiette sensiblement parallèle au sol, tel que le robot décrit dans les documents CN 112722107, ou CN108992259 . Ils souffrent donc de manière importante du glissement sur sol meuble. Et les pentes élevées (>40°) peuvent entraîner le retournement du robot. Et enfin, ils ne passent pas d’obstacle vertical de hauteur supérieure au rayon de la roue en général.

Les robots mus par roues, ou chenilles, situées au bout d’un bras, présentent une mobilité avantageuse, et sont prometteurs. Néanmoins, ils présentent aussi une complexité de conception, qui les cantonne pour l’instant au domaine de la recherche, voire au domaine spatial (tel que le document WO2016119068A1, JP2004034169 ou le CN109501880A).

La situation des robots, à 1 ou 2 roues est différente (tel que le CN111776106): la stabilité et la mobilité du robot est réalisable sur tous les terrains durs et réguliers, quelle que soit la pente, mais pas sur des terrains irrégulier et glissant (sable, boue et pente...). L’équilibre d’un robot à (1 ou ) 2 roues est régi par l’équation du pendule-inversé, qui requiert une bonne connaissance des masses et moments d’inertie du robot, mais n’exige pas un niveau de précision supérieur à ce qui accessible avec des capteurs usuels du marché.

Aujourd’hui, les robots commercialisés, présentant la meilleure mobilité, dans la catégorie légers, c’est-à-dire présentent un poids inférieur à 500kg, sont:

• Les véhicules de la société Milrem (Estonie) à chenilles peuvent se déplacer en milieu non-structuré ouvert, mais sont incapables de se déplacer dans un sous-bois dense, de passer des obstacles de 0.5 m de haut, et a fortiori de se rentrer dans un immeuble, et de s’y déplacer.
• Le robot humanoïde Atlas de Boston Dynamics, dont les performances sont excellentes en général, mais limitées sur sols meubles, et dont la complexité logicielle, et mécanique, est extrême, ce qui en fait des produits excessivement coûteux, et qui nécessitent une équipe fournie d’ingénieurs et techniciens pour les mettre en œuvre à chaque changement d’environnement ou de mission.

Il apparaît donc que les produits actuels et solutions techniques qui permettent de se déplacer sur sol accidenté ou meuble, et à l’intérieur de bâtiments, notamment dans les escaliers ou couloirs étroits, nécessitent des moyens mécaniques complexes et des stratégies de contrôle très complexes à mettre en œuvre. Par exemple, certaines solutions proposent d’utiliser une articulation au niveau des genoux ou de multiplier les roues et les axes.

Le problème technique de l’invention peut donc être d’obtenir un véhicule terrestre permettant de se déplacer sur sol accidenté ou meuble et à l’intérieur de bâtiments avec des moyens mécaniques plus simples que les dispositifs existants.

L’invention

L’invention propose de répondre à ce problème technique en utilisant trois jambes montées uniquement en rotation autour d’un même axe d’une hanche. Le degré de rotation des jambes par rapport à l’axe de la hanche est contrôlé par au moins un moteur , de sorte que l’orientation de chaque jambe par rapport à la hanche puisse être modifiée pour adapter l’équilibre du véhicule par rapport aux variations du sol. Chaque jambe est dotée à son extrémité distale d’une roue, et au moins une roue est motorisée.

Ainsi, l’invention permet de répondre au problème technique avec des moyens plus simples à mettre en œuvre et à commander que ceux des dispositifs existants. En ce sens, l’invention résous de manière simple les défis mécaniques que soulève le besoin de mobilité en milieu non-structuré (sous-bois, dune de sable, champ cultivé ou non, sentier de montagne, urbain post-séisme) ou à l’intérieur de bâtiments (escalier, couloir, cave). Enfin, il est à noter que les lois d’équilibre et de contrôle des robots mobiles humanoïde se complexifient exponentiellement avec leur nombre de degré de liberté du robot, ce qui exige de recourir à des théories mathématiques extrêmement avancées, et des ordinateurs avec de grandes capacités de calculs, qui sont à la fois très coûteux et consommateurs en énergie (avec un impact négatif sur l’autonomie du robot). La simplification des moyens mécaniques de déplacement du véhicule est donc un élément clef permettant la diffusion du robot humanoïde, pour toutes les tâches pour lesquelles il est capable d’assister, ou de remplacer l’homme !

A cet effet, l’invention concerne un véhicule terrestre comportant:

• un corps ;
• trois jambes ; une jambe centrale et deux jambes latérales ; chaque jambe portant, à son extrémité distale, une roue, au moins une des roues des trois jambes étant motorisée ; et
• une hanche sur laquelle le corps et l’extrémité proximale de chaque jambe sont montés ; la hanche comportant un axe autour duquel chaque jambe est mobile en rotation avec un unique degré de liberté; la position angulaire de chaque jambe étant réglée indépendamment des autres jambes, par au moins un moteur de jambe; le au moins un moteur de jambe permettant de modifier la position angulaire de chaque jambe lors du mouvement du véhicule.

Le corps (A) peut être constitué d’une tête (3), d’un tronc (1) et de bras (2) de sorte à présenter un aspect humanoïde. Le ou les bras (2) est préférentiellement configuré pour manipuler ou transporter un objet. Le, ou les, bras peut être un bras robotisé industriel léger, fixé au tronc ou à la hanche. Le, ou les, bras peut alternativement aussi être de conception très variée, notamment il doit souvent être très robuste, afin d’être muni d’outils de travail tels que : électrodes de soudage/brasage dans l’industrie, outils de coupe pour les espaces verts, lance à incendie...

Outre le corps permettant d’assurer les capacités de support ou de manipulation du véhicule, le véhicule comporte également des jambes munies de roues assurant les déplacements du véhicule. Pour garantir la stabilité et le franchissement des obstacles, le véhicule comporte trois jambes mobiles l’une par rapport à l’autre. Les trois jambes sont montées sur un axe d’une hanche.

Le corps peut être monté directement sur l’axe de rotation des jambes. De préférence, dans ce mode de réalisation, la hanche comporte un axe sur lequel les jambes et le corps sont montés, le au moins un moteur assurant la rotation des jambes par rapport à l’axe étant fixé à côté de l’axe ; un pignon sortant lié au rotor du au moins un moteur, éventuellement par l’intermédiaire d’une boite d’engrenages, engrenant un pignon lié à une jambe montée sur l’axe de la hanche. Par convention, nous considérerons d’une part que le rotor est l’axe mû en rotation sortant du moteur, le rotor pouvant porté un pignon dit sortant ; et d’autre part que le stator est lié solidairement à la carcasse extérieure du moteur, elle-même fixée sur la hanche.

En variante, le véhicule comporte trois moteurs dédiés entraînant en rotation chacun une jambe ; le corps peut être monté sur une plateforme fixée sur le stator des moteurs de sorte que les rotors des moteurs entraînent directement les jambes en rotation autour de l’axe. Dans ce mode de réalisation, la hanche comporte un axe sur lequel les rotors de moteurs de chaque jambe sont alignés, les rotors de chaque moteur entraînant directement en rotation les jambes ; le corps étant monté sur une plateforme fixée sur les stators des moteurs associés à la rotation des jambes autour de l’axe.

De préférence, au moins une jambe présente une longueur réglable par un moteur dédié. En outre, les deux autres jambes peuvent également être réglables en longueur.

En variante, les trois jambes peuvent présenter des longueurs fixes. Dans ce mode de réalisation, la longueur de la jambe centrale peut être inférieure de 5 à 10 % à celle des jambes latérales, ces dernières étant d’égale longueur, le diamètre des roues des jambes latérales étant compris entre 25 à 40cm alors que le diamètre de la roue de la jambe centrale étant compris entre 60 à 90cm.

En outre, la jambe centrale peut également être munie d’une articulation et d’un moteur supplémentaires, entraînant la roue en rotation autour de l’axe longitudinal de la jambe centrale, le véhicule pouvant alors être dirigé par l’orientation de sa roue centrale, en complément ou en substitution, d’un différentiel de vitesse de rotation des roues latérales.

En ce qui concerne les roues, au moins une roue est motorisée pour assurer les déplacements et les franchissements du véhicule. Le moteur de la roue peut être intégré au niveau du moyeu de la roue ou relié à l’axe de la roue, par exemple par engrènement. Si une seule des roues est motorisée, il est préférable de motoriser uniquement la roue montée sur la roue centrale. Si seulement deux roues sont motorisées, il est préférable de motoriser les deux roues latérales. De préférence, les trois roues sont motorisées.

En outre, l’axe de chaque roue peut être fixé directement sur l’extrémité distale de la jambe associée. En variante, au moins une roue peut être fixée à l’extrémité distale de la jambe associée par un mécanisme amortisseur. Ainsi, dans ce mode de réalisation, un mécanisme d’amortisseur en rotation est intégré à au moins une des jambes ; ladite jambe intégrant le mécanisme d’amortisseur étant subdivisée en deux sous-membres rigides, le sous membre lié à la roue et le sous-membre lié à la hanche, les deux sous-membres étant liés par une articulation autorisant un unique degré de liberté en rotation selon un axe de rotation sensiblement perpendiculaire à la longueur de la jambe et l’axe de la hanche.

Description sommaire des figures

: elle représente un véhicule selon un mode de réalisation de l’invention.

: elle représente uniquement la partie basse du véhicule de la .

: elle illustre une vue arrière de la partie basse du véhicule de la .

: elle illustre une vue de dessus de la partie basse du véhicule de la .

: elle illustre une vue schématique d’un premier mode de fixation des moteurs au niveau de la hanche du véhicule.

: elle illustre une vue d’un second mode de fixation des moteurs au niveau de la hanche du véhicule.

: elle illustre une vue schématique d’un mode de mise en rotation des trois jambes autour de l’axe (X1) de hanche par un seul moteur muni d’une boite d’engrenages.

: elle illustre une vue schématique de la jambe centrale munie d’un moteur permettant d’en orienter la roue.

: elle illustre une vue schématique de côté, d’une jambe munie d’un amortisseur passif en rotation.

: elle illustre une vue schématique de dessus de la jambe de la , centrée sur l’amortisseur passif en rotation.

: elle illustre une vue schématique d’une jambe disposant du mécanisme amortisseur motorisé.

Description détaillée des figures

Tel qu’illustré sur la , le véhicule (100) comporte une partie haute (A) et une partie basse (B). Dans l’exemple de la , la partie haute (A), dite le corps, comporte un tronc (1), des bras (2) et une tête (3). La forme de la partie haute (A) peut varier sans changer l’invention. Par exemple, la partie haute (A) peut comporter un ou plusieurs bras (2), un siège ou tout autre élément de transport et/ou de préhension.

Dans le mode de réalisation des figures 1 à 4, le dispositif (100) comporte en outre une partie basse (B), dite plateforme mobile, présentant une hanche (5), dite également articulation de la hanche, et trois jambes (4).

La hanche telle qu’illustrée sur la , porte trois moteurs (13) qui mettent en rotation chacun une jambe. Quand les jambes sont fixées sur la hanche,alors chaque jambe est en rotation par rapport à l’axe (X1) de hanche, et chaque moteur entraîne un dispositif intermédiaire de rotation fixée à la jambe, typiquement une courroie, ou une roue dentée.

Quand les jambes sont fixées sur l’axe de sortie des moteurs, tel qu’illustré sur la , alors les jambes ont pour axe de rotation l’axe (X2) de hanche, défini comme l’axe d rotation sortant des moteurs (dans ce dernier cas, les trois axes sortant des trois moteurs doivent être alignés).

La motorisation des jambes, telle qu’illustrée sur la , ne nécessite qu’un seul moteur (13) muni d’une boite d’engrenages (15). Afin de commander individuellement chaque jambe, la boite d’engrenages permet d’engrener le pignon sortant du moteur (13) avec le pignon solidaire de la jambe à mettre en rotation. L’engrènement du pignon sortant du moteur (13) avec un pignon solidaire d’une jambe est commandé par un moteur d’engrenage (16). Sur la , c’est un mécanisme de fourchette (17) actionné par le moteur (16) qui déplace en translation une roue dentée le long d’un axe intermédiaire, dont la roue dentée est solidaire en rotation. Le dit axe intermédiaire est lié en rotation au pignon sortant du moteur (13). Ainsi la dite roue dentée est mise en face du pignon solidaire de la jambe à mettre en mouvement. Par ailleurs, le pignon lié solidairement à chaque jambe latéral est porté par un arbre (14) parallèle à l’axe (X1), qui permet de positionner les 3 pignons des 3 roues à l’intérieur de la boite d’engrenages, et proches entre-eux. Ainsi la boite d’engrenages peut être compacte. Ce dispositif à un moteur est une solution intéressante quand le couple nécessaire à la rotation des jambes est élevé. En effet, un couple élevé signifie une masse de moteur importante, et avoir trois moteurs lourds sur la hanche peut diminuer sensiblement les performances du véhicule.

Chaque jambe (4) est composée d’une fourche, ou d’une structure mono-bras, dont l’extrémité basse est reliée à une roue (6) et dont l’extrémité haute est reliée à la hanche (5). Les jambes (4) sont libres en rotation autour de l’axe de la hanche (5), préférentiellement selon un angle d’environ +/- 120°, et ce de manière indépendante des autres jambes, et sans interférer avec le corps. La partie basse (B) est une plateforme mécanique, qui s’adapte en dynamique au terrain traversé. Ainsi, l’invention permet d’obtenir un déplacement facilité sur sol meuble ainsi qu’un franchissement efficace des obstacles en utilisant simplement le déplacement d’une ou plusieurs des jambes autour de l’axe de rotation de la hanche (5).

Le robot se déplace typiquement selon un axe horizontal, dit Oy, qui définit l’avant et l’arrière. Dans le mode de réalisation des figures 1 à 4, la hanche est typiquement une barre métallique, orientée selon l’axe Ox. L’axe Ox est l’axe dans le plan horizontal, qui est perpendiculaire à la direction du déplacement. Ox définit la gauche et la droite. L’axe Oz est l’axe vertical, perpendiculaire à Ox et Oy. Typiquement l’axe du corps au repos est positionné selon l’axe Oz, mais le corps peut être incliné dans toutes les directions selon l’orientation des jambes par rapport à la hanche. Par commodité descriptive, nous dirons que le robot dispose d’une roue centrale, d’une roue latérale gauche, et d’une roue latérale droite. Gauche et droite sont définis par rapport à un sens de translation conventionnel du robot (selon l’axe Oy, qui définit avant-arrière). La plateforme mobile selon l’invention ne dispose pas de sens préférentiel de déplacement, donc l’avant et l’arrière sont défini par rapport au tronc, et en particulier par l’orientation préférentielle de ses capteurs, généralement vers l’avant. Gauche et droite sont donc des adjectifs utiles pour la description, mais n’ont pas de sens fonctionnellement pour la plateforme mobile.

Le torse (1) embarque typiquement, tous les éléments fonctionnels et génériques du robot, à savoir ordinateurs, moyen de communication sans fil et filaire, source d’énergie, capteurs, et éventuellement des effecteurs spécifiques. L’ordinateur désigne un ou plusieurs calculateurs, ou modules électroniques, qui remplissent les fonctions de perception du terrain (lidar, caméra stéréoscopique, SLAM...), de navigation (IA), de communication et de commande des multiples actionneurs et systèmes du robot, internes et externes.

Au torse (1) sont donc usuellement liés un ou plusieurs bras (2), et une tête (3), souvent positionnés de manière anthropomorphique. La tête (3) portent typiquement des capteurs extéroceptifs, tels que caméra, lidar, et aussi parfois des indicateurs lumineux, ou écran pour une communication visuelle avec les humains alentour.

La hanche est solidaire du corps , et donc du tronc, et en l’absence de tronc l’éventuelle tête, bras et accessoires peuvent être reliés directement à la hanche, ces éléments forment alors le corps du véhicule.

La présente invention se concentre sur la plateforme mobile. Le corps est, dans la présente invention, relié à 3 jambes (4) par l’articulation de hanche (5). Les 3 jambes (4) sont mobiles en rotation autour de la hanche, selon un unique degré de rotation.

Les 3 jambes (4) sont rigides, et elles peuvent être composées de sous-membres. Les jambes se terminent par une roue (6) usuellement motorisée. Le moteur de chaque roue se positionne idéalement au centre de la roue, mais il peut être également portée par la jambe, voire dans le tronc, avec une transmission à la roue par chaîne, courroie, réducteur avec renvoi d’angle ou tout dispositif mécanique réalisant la fonction de transmission du mouvement. Typiquement, les roues (6) ne sont pas orientables.

Chaque jambe (4) est indépendante en rotation par rapport au corps, et aux autres jambes. La position angulaire de chaque jambe par rapport à la hanche est réglée par un moteur dédié.

Chaque jambe (4) est de longueur réglable, ou alternativement les jambes sont de longueur fixe et sensiblement égale, ou alternativement les jambes sont de longueur fixe et la jambe centrale est un peu plus longue que les jambes latérales.

La longueur, si elle est réglable, et la position angulaire de chaque jambe (4) sont ses caractéristiques modifiables. Les dites caractéristiques des jambes (4) sont toutes modifiables de manière indépendantes entre elles. Et selon un mode de réalisation préférentiel, chaque caractéristique est modifiable en dynamique par commande électronique pour s’adapter au terrain, par l’actionnement d’un moteur dédié.

Afin de prendre des courbes à grande vitesse, tel qu’illustré sur les figures 2 à 4, , la rotation selon l’axe Ox des jambes permet d’incliner l’axe de la hanche vers l’intérieur de la courbe (à savoir l’extrémité de la hanche à l’intérieur de la courbe est plus proche du sol, que l’extrémité à l’extérieur de la courbe : il résulte donc une rotation autour de l’axe Oy). Le corps du robot s’incline donc vers l’intérieur du tournant, comme le ferait un motard prenant une courbe à grande vitesse. La modification des longueurs des jambes, si elle est possible, permet de réaliser cette même inclinaison de la hanche sans faire varier les angles des jambes. Idéalement, la variation de longueur des jambes peut se combiner avec la variation des angles des jambes pour accentuer cette inclinaison, tout en abaissant le centre de gravité du robot, améliorant ainsi sa stabilité (triangle de stabilité plus grand).

En termes fonctionnels, et donc de conception mécanique & et de système de commande (à savoir : électronique & actionneur) les jambes latérales sont identiques entre elles, mais elles peuvent avoir des aspects différents, car leurs caractéristiques sont adaptées au terrain, et au déplacement prévu. La jambe centrale peut avoir une conception différente de celles latérales.

Selon un mode de réalisation particulier, la roue centrale est d’un diamètre sensiblement supérieur à celui des roues latérales. De la sorte, un obstacle sera plus facilement abordé et dépassé par la roue centrale, et si elle se trouve devant les roues latérales cela facilite la progression du robot. Le diamètre de la roue centrale est néanmoins limité par la mobilité requise du robot dans un couloir étroit, typiquement 60cm. Et de manière correspondante, le diamètre des roues latérales ne doit pas non plus être trop grand, afin de permettre de tourner dans un espace restreint.

Le dispositif selon l’invention autorise une infinité de configurations. Le robot inclus des capteurs (typiquement Lidar, radar, caméra, ultrason) et des logiciels associés (SLAM abréviation de « Self Localization And Mapping », vision par ordinateur, navigation, évitement d’obstacle...) permettant au robot d’avoir une représentation virtuelle du terrain avant de l’aborder, et donc d’adapter sa configuration selon le terrain à traverser. Il existe quelques configurations remarquables, décrites dans les paragraphes suivants.

Première configuration remarquable : pendule inversé sur une roue. Pour des raisons de stabilité, la roue (en contact avec le sol) est celle sous le centre de gravité du robot, typiquement la roue centrale. Cette configuration présente l’avantage d’avoir une empreinte au sol très faible, elle est économe en énergie sur sol dur et relativement lisse. Sur sol accidenté, cette configuration pourra également être mise en œuvre, en portant les roues latérales en avant du robot, de sorte à ce qu’en cas d’obstacle important qui déséquilibrerait le robot vers l’avant, alors le robot tomberait sur ses deux roues latérales, permettant au robot de se stabiliser rapidement sur 3 roues. Sur une roue la translation est forcément linéaire, mais il est possible de diriger le robot en jouant sur un mouvement des bras, ou des jambes latérales (qui ne sont pas en contact avec le sol), typiquement en actionnant la jambe droite d’un angle de 0° à 30° vers l’avant, le robot tournera à droite etc.

Second configuration remarquable : pendule inversé sur deux roues. Pour des raisons de stabilité, les 2 roues (en contact avec le sol) devront être le plus éloignées possible du centre de gravité du robot, logiquement ce sont les roues latérales. Cette configuration présente l’avantage d’avoir une empreinte au sol très faible, elle est également économe en énergie sur sol dur et relativement lisse. Sur sol accidenté, cette configuration pourra également être mise en œuvre, en portant la roue centrale en avant du robot, de sorte à ce qu’en cas d’obstacle important qui déséquilibrerait le robot vers l’avant, alors le robot tomberait sur sa roue centrale. Par un différentiel de vitesse entre les roues latérales, il est possible de diriger le robot, même dans un environnement très contraint, comme un couloir étroit.

Dans la 1ere ou 2nde configuration remarquable, il est possible de mettre en rotation chaque roue qui n’est pas en contact avec le sol. Deux effets peuvent être recherché :

• soit avec un vitesse de rotation élevée : il en résulte une inertie dynamique, qui permet de stabiliser le robot, notamment en cas de choc latérale lors du déplacement, typiquement une montée d’escalier en biais ;
• soit avec une vitesse linéaire proche de celle du centre de gravité du robot : cela permet en portant la jambe vers l’avant, en cas de chute vers l’avant du robot, une prise de contact en douceur de la roue suspendue avec le sol.

Dans une troisième configuration, dont les figures 2,3 &4 sont une variante, les 3 roues du robot sont en contact avec le sol. Il ne semble pas pertinent d’aligner les 3 roues, elles sont donc décalées, et définissent un triangle de stabilité à l’intérieur duquel, en statique, la projection du centre de gravité du robot doit se trouver. Dans cette troisième configuration, la jambe centrale est devant le robot, et les jambes latérales sont à l’arrière, typiquement parallèles si le déplacement est en ligne droite sur un terrain plat. Le robot est ainsi très stable, rapide et peut absorber des obstacles d’autant plus haut que l’angle formé entre la roue centrale avant et les roues latérales arrières peut être grand, proche de 180°. Mais il est possible que le besoin de motricité, à savoir sur terrain glissant, incite à positionner une ou plusieurs jambes selon un angles proche de 0°.

Dans une quatrième configuration, dont les figures 2,3 &4 sont une représentation, le robot est dans la troisième configuration, mais afin de pouvoir aborder un terrain pentu en biais, ou pour aborder une courbe à grande vitesse, la roue latérale à l’intérieur de la courbe, ou celle en haut de la pente verra son angle augmenter, ou bien sera allongée, afin soit d’incliner la hanche vers l’intérieur de la courbe, ou soit de conserver l’horizontalité de la hanche (dans le cas d’une montée de terrain en biais.)

Dans une cinquième configuration, qui est dédiée à la montée ou descente d’escalier, la jambe centrale est portée à l’opposé des jambes latérales. Pour ce type d’obstacle, afin d’abaisser le centre de gravité du robot et en accroître la stabilité, l’angle formé entre chaque jambe latérale et la jambe centrale peut être entre 135° à 225°.

• Selon une première variante de cette 5^e. configuration : si la longueur des jambes est réglables, alors celles des jambes latérales seront différentes entre elles. La première jambe latérale (à l’intérieur de l’escalier, ce qui est particulièrement important si l’escalier est en colimaçon) est plus courte, et l’autre (à l’extérieur) est plus longue. La différence de longueur a pour objectif de diminuer le tangage de la hanche (rotation selon Oy), cette différence de longueur est donc importante pour la mobilité du robot . En termes mathématiques, si les jambes latérales sont parallèles (à savoir à angle identique par rapport à la hanche) pour un escalier dont la marche est de profondeur « m », et la hauteur « h », la différence de longueur des jambes latérales sera de 0,5* (h²+m²)^1/2, soit la moitié de l’hypoténuse.

• Selon une seconde variante de cette 5^e. configuration : si on considère que les longueurs des jambes latérales sont égales, alors les angles seront définis avec le même objectif d’accroître la stabilité du robot, en diminuant l’oscillation latérale de la hanche à chaque marche. La jambe intérieure aura un angle supérieur à la jambe extérieure. La jambe intérieure sera donc sensiblement plus loin par rapport à la jambe extérieure. Dans ce cas également, la projetée (sur la pente définie par l’escalier) de la distance entre les axes des roues des jambes latérales sera égale à la moitié de l’hypoténuse (telle que définie au paragraphe précédant).

Dans une sixième configuration, les 3 roues sont en contact avec le sol, mais cette fois-ci les 2 roues latérales sont portées à l’avant, et à l’approche d’un obstacle de grande hauteur (supérieur à 50 % du rayon de la roue latérale concernée), l’une des deux jambes latérale sera d’une part soulevée afin de pouvoir quasiment poser sa roue sur l’obstacle à venir (idéalement la hauteur restante de l’obstacle à franchir, sera comprise entre 0 et 30 % du rayon de la roue), et d’autre part sa longueur sera accrue, en conséquence elle posera sa roue sur l’obstacle avant que l’autre roue latérale ne touche l’obstacle. La roue soulevée une fois en appui sur l’obstacle deviendra porteuse d’une masse importante, ce qui permettra alors soit de soulever l’autre roue latérale, ou soit de faire rouler cette autre roue sur l’obstacle sans choc. Il est à noter que le passage de 3 roues en contact avec le sol, à uniquement 2 roues implique une phase de préparation complexe, avec inclinaison de la hanche et rééquilibrage du robot, ce qui peut être délicat en dynamique.

Dans une septième configuration : le passage d’obstacle décrit dans la sixième configuration se fera en positionnant le robot selon la 1ere ou 2nde configuration. A savoir, soit les 2 roues latérales seront portées vers l’avant sans contact avec le sol, soit la roue centrale sera portée vers l’avant sans contact avec le sol. L’obstacle sera abordé par la (les) roues sans contact avec le sol, en réduisant la hauteur de l’obstacle à passer à moins de 30 % du rayon de la (les) roue. L’angle ou la longueur de jambe sera adapté au préalable selon l’obstacle à passer.

Cette 7^econfiguration est particulièrement adaptée au passage d’obstacles élevés, ou même pour monter sur un obstacle de type table. Pour monter sur une table, il est préférable que les 2 roues latérales soient portées vers l’avant puis posées sur le plateau de la table, le tronc est alors incliné vers l’avant (2^econfiguration), afin de pouvoir soulever la roue arrière du sol. Enfin les roues latérales avancent, la roue centrale reste soulevée jusqu’à pouvoir aborder le plateau de la table avec une motricité suffisante. Une fois les 3 roues posées sur la table, le robot peut reprendre une configuration différente.

Selon un mode de réalisation particulier, illustré sur les figures 1 à 4, au moins une jambe porte un amortisseur, pour absorber les chocs et irrégularités de terrain dans le sens longitudinal de la jambe, où chaque jambe du robot est représentée par une fourche de vélo, dotée d’un amortisseur longitudinal sur chaque branche de la fourche.

Selon un autre mode de réalisation particulier, tel qu’illustré sur la , la roue centrale peut être orientée afin de diriger le véhicule. Dans le détail, l’axe de rotation de la roue centrale peut disposer d’un degré de liberté en rotation autour de l’axe définit par la jambe centrale (à savoir son axe longitudinal) selon un angle d’environ + ou - 60°, et être orientée par un moteur dédié (18). Dans le cas où les 3 roues touchent le sol, l’orientation de la roue centrale permet à petite vitesse de faire des virages dans un espace réduit, et en courbe à grande vitesse de limiter le glissement latéral de la roue centrale, et donc d’avoir un déplacement plus linéaire et plus facilement modélisable pour le calculateur du robot. Le moteur (18) est fixé sur le sous-membre supérieur de la jambe (20), la roue est portée par le sous-membre inférieur de la jambe (19). Les deux sous-membres sont liés par une articulation dite de genoux, à un degré de liberté en rotation selon l’axe longitudinal de la roue. Le pignon de sortie du moteur (18) engrène une roue dentée liée solidairement au sous-membre inférieur (19), entraînant en rotation la roue.

Selon un autre mode de réalisation particulier, tel qu’illustré sur la , au moins une jambe peut porter un système d’amortissement passif permettant une rotation de la roue selon un axe de rotation, dit axe directeur, sensiblement perpendiculaire à la longueur de la jambe (4) et l’axe (X1, X2) de la hanche (5) dit amortisseur en rotation. En effet, les obstacles abordés en biais sont très déstabilisants pour les robots à roue, et les capteurs n’offrent pas une précision élevée concernant l’orientation exacte d’obstacle même proche, typiquement une marche d’escalier. C’est pourquoi, le mécanisme suivant a été développé : la jambe (4) est liée non plus à la roue (6) directement, mais à un organe de direction de la roue, dit organe (7) ou organe de direction. L’organe (7) dispose d’un unique degré de liberté en rotation selon l’axe directeur. L’organe (7) s’oriente de manière passive et latéralement en réaction aux obstacles rencontrés.

Selon un mode de réalisation particulier de l’invention : un mécanisme d’amortisseur en rotation est intégré à au moins une des jambes (4) ; ladite jambe intégrant le mécanisme d’amortisseur étant subdivisée en deux sous-membres rigides, le sous membre lié à la roue et le sous-membre lié à la hanche (5), les deux sous-membres étant liés par une articulation autorisant un unique degré de liberté en rotation selon un axe de rotation, dit axe directeur, sensiblement perpendiculaire à la longueur de la jambe (4) et l’axe (X1, X2) de la hanche (5) ; la longueur et la forme des 2 sous-membres devant être telles que le point d’intersection, entre l’axe directeur et la droite définie par le vecteur vitesse de la roue positionné sur le centre de l’axe de rotation de la roue, est devant le centre du dit axe de rotation de la roue.

Afin que la roue ne freine pas le mouvement du robot, l’angle de rotation de l’organe (7) sera limité au niveau du mécanisme d’amortisseur, à typiquement + ou – 30° (le 0° étant le plan définit par la rotation de la jambe). De plus, afin que le dispositif favorise le passement d’obstacle, il est nécessaire qu’une fois la roue en butée à un obstacle de biais, l’amortisseur dirige la roue non pas dans le sens de la fuite (à savoir où la roue est parallèle avec le nez de la marche de l’escalier) mais vers un angle proche de la normale à l’obstacle au point de contact (la normale, soit 90°, est l’angle optimal pour passer un obstacle de type marche). L’amortisseur est donc orienté, il est conçu pour fonctionner soit en avançant, soit en reculant. Comme par convention, nous pouvons considérer que le robot avance la plupart du temps, un amortisseur orienté vers l’avant sera privilégié (c’est pourquoi le sens du mouvement est représenté sur les figures représentant ce dispositif): c’est ce type de mécanisme qui est décrit dans le paragraphe suivant. Par suite, s’il est utilisé à l’envers, cet amortisseur peut avoir un effet défavorable sur le déplacement, il est donc nécessaire de pouvoir bloquer l’amortisseur à 0°. Le blocage sera notamment enclenché en marche arrière, ou quand la jambe est proche de la verticalité (à savoir un angle proche de 0° par rapport à Oz) ou au cas par cas, sur un terrain où la roue réaliserait de nombreux mouvements latéraux rapides et aléatoires sur des obstacles de petites tailles (typiquement sur des petites pierres de quelques centimètres de diamètre). A grande vitesse également, le changement d’orientation dû au mouvement d’une roue peut être perturbant en termes de calcul de trajectoire, de plus la force centrifuge étant élevée, l’amortisseur serait rapidement en butée, et le comportement sur-vireur qui en résulterait pourrait être un désavantage. Il en résulte qu’un dispositif, préférentiellement motorisé, libérant ou bloquant l’amortisseur doit être ajouté au mécanisme. Un dispositif de blocage sera décrit à la suite de la description de l’amortisseur, dans les paragraphes suivants.

Selon un autre mode de réalisation particulier, tel qu’illustré sur la , l’organe (7) est solidaire de l’axe de rotation de la roue (la roue est donc toujours libre en rotation autour de son axe). L’organe (7) traverse la jambe à son extrémité, peut tourner dans la jambe, et est de forme cylindrique. Et une fente, dans le sens longitudinal de la jambe, et un alésage perpendiculaire à la fente, ont été pratiqués sur la tête de l’organe dépassant la jambe. La jambe (4) porte un téton (9), disposé à quelques centimètre de la tête de l’organe (7) en direction de la hanche. Ce téton (9) est également fendu dans le sens longitudinal de la jambe. Une lame (8), réalisée en acier ressort, est disposée parallèlement à la jambe, et s’insère dans la fente ménagée dans l’organe (7), puis dans la fente réalisée dans le téton. De plus, la lame (8) est bloquée à l’intérieur de l’organe (7) par une goupille (10) en forme de lettre Beta (qui est sa désignation technique). La lame ressort (8) traverse le téton (9) par la fente prévue à cet effet, la lame peut se déplacer linéairement, dans le sens longitudinal de la jambe, à l’intérieur du téton (9). Le déplacement linéaire de la lame (8) dans le téton (9) est limité par la goupille (11), fendue, disposée à quelques millimètres du téton en direction de la hanche, dans un trou pratiqué dans la lame au préalable.

A l’abord d’un obstacle en biais, définissons arbitrairement que le nez de marche de l’escalier est plus proche à droite qu’à gauche, à savoir la roue au contact de la marche se trouve à droite de la normale du nez de marche, définissons qu’elle forme un angle de 45° par rapport à la normale. Donc au contact de la marche, une force selon la normale à la marche, de droite vers la gauche s’exerce sur le côté de la roue. Ensuite, du fait que l’axe de rotation de l’organe (7) est en avant de l’axe de rotation de la roue, ou plus précisément que le point d’intersection entre l’axe directeur et la droite définit par le vecteur vitesse de la roue, est devant le centre de l’axe de la roue ; alors l’organe (7) et la roue (6) vont pivoter dans la jambe de sorte à diminuer l’angle entre la roue et la normale à la marche. La lame (8) va offrir une certaine résistance, et elle va tourner ; en tournant elle va former une courbe entre la tête de l’organe (7) et le téton (9) dont la longueur est plus longue que la ligne droite. Plus l’angle de rotation de l’organe (7) est important, plus la longueur de lame (8) entre le point fixe de la lame au centre de la tête de l’organe (7) et le téton, est importante. En conséquence, à partir d’un certain angle, la goupille (11) fendue traversant la lame entrera en contact avec le téton, bloquant toute rotation supplémentaire de l’organe (7). De la sorte, le mécanisme d’amortissement passif réalise à la fois le rapprochement de la roue de la normale de l’obstacle, et en limite le débattement.

Comme explicité précédemment, un dispositif de blocage de l’amortisseur en rotation est également nécessaire. Plusieurs conceptions d’amortisseur avec blocage sont imaginables (ces mécanismes de blocage étant très simples, ils n’ont pas été repris sur les figures), en voici trois conceptions alternatives :

Selon une première conception : un moteur, ou une action manuelle, fait rentrer ou sortir deux goupilles dans des trous pratiqués dans la jambe, proches de la tête de l’organe (7), et disposés de part et d’autre de la lame, ainsi la lame n’a plus la possibilité de tourner, bloquant la rotation de l’organe (7).

Une seconde conception est la suivante: sur le dessous de la jambe, deux extrusions sont positionnées de part et d’autre, et diamétralement opposées par rapport à l’organe (7), un trou orienté dans le sens longitudinal de la jambe est pratiqué dans l’organe (7) et dans les deux extrusions, alors une goupille actionnée par un moteur, ou manuellement, peut venir se positionner au travers des deux extrusions et de l’organe (7), bloquant la rotation de l’organe (7).

Une troisième conception, représentée en , est la suivante: le téton (9) est mobile longitudinalement au travers d’un trou oblong, ménagé dans la jambe, le mouvement du téton est linéaire et guidé par un moteur (12) dédié. Quand le téton est au plus proche de l’organe (7), la rigidité de la lame est tellement élevée que la rotation de l’organe est bloquée. En éloignant le téton de l’organe, la rigidité de la lame diminue autorisant la rotation de l’organe (7), la lame peut alors se déformer sur une portion angulaire importante avant que la goupille fendue n’entre en contact avec le téton. En éloignant encore un peu le téton, l’amortisseur devient plus souple, mais la portion angulaire possible pour l’organe (7) se réduit. Enfin, si le téton continue son mouvement d’éloignement, il arrive en butée sur la goupille fendue, ce qui bloque à nouveau la rotation de l’organe. En définitive, le mécanisme permet de régler la rigidité de l’amortisseur et l’angle de rotation maximale de l’organe, entre deux positions extrêmes qui bloquent la rotation de l’organe (7).

Pour conclure, l’invention permet d’obtenir un véhicule avec une compacité et une capacité de franchissement proche ou meilleur que les dispositifs existants mais avec des moyens mécaniques, et donc des organes de contrôle et de commande, limités et des algorithmes plus simples.

Claims (8)

1. Véhicule terrestre (100) comportant:

   • un corps (A) ;
   • trois jambes (4) ; une jambe centrale et deux jambes latérales ; chaque jambe (4) portant, à son extrémité distale, une roue (6), au moins une des roues (6) des trois jambes (4) étant motorisée ; et
   • une hanche (5) sur laquelle le corps (A) et l’extrémité proximale de chaque jambe (4) sont montés ; la hanche (5) comportant un axe (X1, X2) autour duquel chaque jambe (4) est mobile en rotation avec un unique degré de liberté; la position angulaire de chaque jambe (4) étant réglée indépendamment des autres jambes, par au moins un moteur (13); le au moins un moteur (13) de jambes (4) permettant de modifier la position angulaire de chaque jambe (4) lors du mouvement du véhicule (100).
2. Véhicule selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la longueur d’au moins une jambe (4) est réglable par un moteur dédié.
3. Véhicule selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque roue (6) est motorisée par un moteur intégré à la roue, et chaque jambe (4) est mue en rotation autour de l’axe (X1, X2) par un moteur (13) spécifique.
4. Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trois jambes (4) présentent une longueur fixe, la longueur de la jambe centrale étant inférieure de 5 à 10 % à celle des jambes latérales, ces dernières étant d’égale longueur, le diamètre des roues des jambes latérales étant compris entre 25 à 40cm alors que le diamètre de la roue de la jambe centrale étant compris entre 60 à 90cm.
5. Véhicule selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la jambe centrale est munie d’une articulation et d’un moteur (18) supplémentaire, entraînant le sous-membre porteur de la roue en rotation autour de l’axe longitudinal de la jambe centrale, le véhicule (100) pouvant alors être dirigé par l’orientation de sa roue centrale, en complément ou en substitution, d’un différentiel de vitesse de rotation des roues latérales.
6. Véhicule selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’un mécanisme d’amortisseur en rotation est intégré à au moins une des jambes (4) ; ladite jambe intégrant le mécanisme d’amortisseur étant subdivisée en deux sous-membres rigides, le sous membre lié à la roue et le sous-membre lié à la hanche (5), les deux sous-membres étant liés par une articulation autorisant un unique degré de liberté en rotation selon un axe de rotation, dit axe directeur, sensiblement perpendiculaire à la longueur de la jambe (4) et l’axe (X1, X2) de la hanche (5) ; la longueur et la forme des 2 sous-membres devant être telles que le point d’intersection, entre l’axe directeur et la droite définie par le vecteur vitesse de la roue positionné sur le centre de l’axe de rotation de la roue, est devant le centre du dit axe de rotation de la roue.
7. Véhicule selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la hanche (5) comporte un axe (X1) sur lequel les jambes (4) et le corps (A) sont montés, chaque jambe (4) est mue en rotation autour de l’axe (X1) par un moteur spécifique,les moteurs assurant la rotation des jambes (4) par rapport à l’axe (X1) étant fixés à côté de l’axe (X1) ; un pignon lié au rotor de chaque moteur engrainant un pignon lié à une jambe (4) montée sur l’axe (X1).
8. Véhicule selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque jambe (4) est mue en rotation autour de l’axe (X2) par un moteur spécifique, la hanche (5) comporte un axe (X2) sur lequel les rotors de moteurs (13) de chaque jambe (4) sont alignés, les rotors de chaque moteur entraînant directement en rotation les jambes (4) ; le corps (A) étant monté sur une plateforme fixée sur les stators des moteurs associés à la rotation des jambes (4) autour de l’axe (X2).