Brevet FR2702552A1 — publié le 19940916

Robot pour la recherche d'un objectif au sol L'invention concerne un robot pour la recherche d'un objectif au sol, composé d'un corps roulant sphérique muni d'un dispositif de propulsion qui le fait avancer de manière intermittente par étapes de déplacement indépendantes et d'un dispositif de capteurs qui est activé entre les étapes de déplacement pour localiser l'objectif. On connaît par les documents DE-CI-31 48 169 et DE-AI-33 362 des systèmes de robots autochercheurs qui, à la manière de vé- hicules à roues guidés, sont maintenus dans une position donnée à l'ai- de d'éléments d'appui roulant ou glissant sur le sol et sont déplacés par étapes successives par des dispositifs de propulsion à moteurs électri- ques ou des dispositifs de propulsion à réaction qui agissent pendant un bref instant L'utilisation des robots guidés de ce type est limitée du fait de leur aptitude tous-terrains relativement mauvaise et de leur consommation en énergie élevée, notamment sur des terrains imprati- cables. Les robots du type revendiqué connus par exemple par le do- cument DE-AI-33 45 363 ou le document DE-AI-34 00 955 sont agen- cés en corps sphériques roulant librement qui, du fait de leur grande mobilité et de leur aptitude tous-terrains, sont beaucoup mieux à même de surmonter des obstacles du terrain et de parcourir de grandes dis- tances avec une faible consommation énergétique Ces robots sont mu- nis d'un dispositif de propulsion comportant des propulseurs à impul- sions solidaires de la sphère, avec une direction de poussée radiale par rapport au centre de la sphère, qui sont actionnés pendant les phases de repos entre des étapes de déplacement consécutives de manière telle que l'impulsion de propulsion du propulseur allumé agisse dans la di- rection de l'étape de déplacement à venir et si possible parallèlement à la surface du sol Un tel déplacement en tant que sphère non guidée a cependant pour conséquence que le robot peut s'immobiliser dans une position de roulement quelconque, c'est-à-dire avec un point quelcon- que de la surface de la sphère comme point d'appui sur le sol, et qu'il faut un mécanisme de commande et de propulsion compliqué, par exemple sous la forme de propulseurs de commande à action tangen- 2. tielle indépendants, pour orienter, pendant la phase de repos, un tel ro- bot sphérique dans une position qui est optimale pour le dispositif de capteurs afin qu'il localise l'objectif et pour le dispositif de propulsion en vue de l'étape de déplacement suivante. L'objectif de l'invention est d'agencer un robot du type indi- qué en introduction, qui se déplace en tant que corps sphérique roulant non guidé, de manière à obtenir avec une construction simple et une faible consommation énergétique un positionnement stable du robot dans une position de roulement définie entre des étapes de déplace- ment consécutives. Le problème est résolu selon l'invention par le fait que le corps roulant contient un dispositif d'appui qui est rentré automatique- ment à l'intérieur de la sphère pendant les étapes de déplacement par roulement et qui peut être sorti au-dessus de la surface de la sphère entre deux étapes de déplacement successives, lequel dispositif d'appui comporte des éléments d'appui disposés chaque fois sur des diamètre différents de la sphère du corps roulant qui assure l'appui sur le sol du corps roulant dans une position de roulement définie. Dans le robot selon l'invention, grâce à la disposition et à l'agencement revendiqués du dispositif d'appui, le nombre des posi- tions de repos possibles parmi lesquelles le robot prend automatique- ment une position après avoir sorti son dispositif d'appui est limité à quelques unes, de préférence à deux ou quatre positions, sans que cela gêne le déplacement du corps sphérique roulant non guidé On obtient ainsi une simplification importante de la construction et de la com- mande pour un dispositif de capteurs et un dispositif de propulsion qui sont orientés de manière optimale pendant la phase de repos, avec pour avantage supplémentaire que le dispositif d'appui fonctionne avec une faible consommation en énergie et assure, en position sortie, un posi- tionnement stable et précis du robot dans la position de roulement pri- se. Selon une disposition avantageuse de l'invention, le disposi- tif d'appui comporte deux éléments d'appui avec chaque fois des mas- ses de basculement qui sortent en même temps que ceux-ci et qui for- ment en position sortie du dispositif d'appui des poids excentrés qui font basculer le robot dans une position de repos stable, dans laquelle le robot prend appui sur le sol par l'intermédiaire des deux éléments d'appui et d'un point d'appui de la surface de la sphère De cette ma- nière le nombre des positions de repos possibles est limité à deux, c'est-à-dire que la surface de la sphère comporte seulement deux points prédéfinis qui, après actionnement du dispositif d'appui, vien- nent en position supérieure, et peuvent donc former le pôle nord géo- métrique de la sphère et auxquels est associé chaque fois un plan équa- torial qui est horizontal lorsque le pôle nord concerné est en position supérieure Une telle limitation des position de roulement à deux posi- tions stables simplifie encore la construction et la commande pour ob- tenir un système de capteurs et de propulsion efficace. Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif d'appui comporte quatre éléments d'appui disposés au niveau des angles d'un tétraèdre régulier inscrit dans la sphère Un tel dispo- sitif d'appui qui donne quatre positions de repos possibles avec des pôles nord uniformément répartis à la surface de la sphère, garantit surtout en terrain découvert une orientation sûre du robot dans la posi- tion d'appui concernée et, par suite de la disposition favorable des points d'appui sur le sol, un positionnement très stable du corps rou- lant, la dépense pour un système de capteurs et de propulsion position- nés efficacement étant il est vrai supérieure à celle du mode de réali- sation avec deux éléments d'appui, mais restant néanmoins dans des li- mites raisonnables. Afin que, avec une construction simple, le dispositif d'appui à l'état rentré soit protégé contre les actions extérieures et n'engendre pas de modification de la géométrie de la sphère, les éléments d'appui sont munis d'éléments terminaux en forme de calottes qui constituent une partie de la surface de la sphère lorsque les éléments d'appui sont rentrés. Selon un autre mode de réalisation important de l'invention, le dispositif d'appui est agencé de manière simple en dispositif de pro- pulsion par rotation qui, lorsque les éléments d'appui sont sortis, assu- re la rotation nécessaire du robot autour d'un axe vertical passant par le pôle nord concerné pour la localisation de l'objectif et l'orientation pour l'étape de déplacement suivante Selon un perfectionnement de l'invention, les roues d'appui qui assurent la rotation présentent de préférence au niveau de leur circonférence un profil avec des nervures et, afin de simplifier encore la construction, sont formées de manière avantageuse par les éléments terminaux en forme de calottes des élé- ments d'appui. Selon un autre mode de réalisation particulièrement avanta- geux de l'invention, chaque élément d'appui est muni d'un capteur qui peut être sorti en même temps que l'élément d'appui de manière telle que, pendant le mouvement de roulement du robot, les capteurs se trouvent dans une position protégée à l'intérieur de la surface de la sphère et, en position de repos du robot, sont amenés avec les éléments d'appui, par des moyens mécaniques simples dans une position active sortie au-dessus de la surface de la sphère, avec pour avantage supplé- mentaire que, dans le cas d'une disposition suivant un tétraèdre des éléments d'appui, un capteur en position sortie se trouve chaque fois au pôle nord du corps sphérique avantageux pour la localisation de l'objectif Dans ce cas, il est particulièrement intéressant, notamment dans le cas de capteurs d'orientation qui, pour une localisation efficace de l'objectif, doivent tourner autour d'un axe vertical, de fixer les dif- férents capteurs sur la roue d'appui pour obtenir un dispositif d'entraî- nement en rotation simple et d'entraîner de manière indépendante les roues d'appui de manière telle que, pour la localisation de l'objectif, la roue d'appui située au pôle nord de la sphère lorsque le robot est en position d'appui soit d'abord entraînée seule avec le capteur fixé des- sus, puis en fonction du résultat de la localisation de l'objectif les roues d'appui posant sur le sol des autres éléments d'appui soient en- traînées en rotation pour faire tourner l'ensemble du robot autour de l'axe vertical jusqu'à ce qu'il soit orienté avec précision dans la direc- tion de déplacement de l'étape suivante. Pour le réglage fin de la position d'appui, surtout dans le cas de surfaces du sol non planes, la longueur des éléments d'appui peut être modifiée de préférence de manière indépendante. Lorsque, de manière préférentielle, il est prévu comme dispo- sitif de propulsion du robot des propulseurs à impulsion solidaires du corps roulant, comme indiqué en introduction, avec une direction de poussée radiale par rapport au centre de la sphère, parmi lesquels le propulseur activé chaque fois pour l'étape de propulsion suivante doit être orienté en position de repos parallèlement à la surface du sol afin de permettre une exploitation élevée de l'impulsion de mouvement produite, on obtient avec le robot selon l'invention en combinaison avec le dispositif d'appui décrit une nouvelle simplification importante de la construction et de la commande en disposant les propulseurs dans la région des plans équatoriaux du corps roulant parallèles aux surfaces du tétraèdre ou des surfaces d'appui sur le sol formées par les éléments d'appui en position sortie Avec un agencement géométrique de ce type des propulseurs, on obtient une orientation exacte automatique des propulseurs groupés dans un plan équatorial lorsque le dispositif d'ap- pui est sorti, sans qu'il nécessaire d'avoir une commande supplémen- taire ou d'équiper la surface de la sphère d'une pluralité de propulseurs indépendants répartis de manière uniforme Afin d'obtenir dans ce cas une répartition favorable des éléments d'appui et des propulseurs à la surface de la sphère, il est avantageux de disposer les propulseurs en opposition par rapport à l'un des éléments d'appui et lorsqu'on utilise des propulseurs à combustible solide, qui ne peuvent être utilisés cha- cun que pour une étape de déplacement, de subdiviser chaque disposi- tif de propulsion en groupe de propulseurs indépendants disposés géo- métriquement côte à côte avec essentiellement la même direction de poussée, de manière telle que, dans la position d'appui, le positionne- ment en rotation du robot autour de l'axe vertical nécessaire pour l'orientation de la poussée en vue de l'étape de déplacement suivante, peut être exécuté avec une faible dépense de commande, à savoir indé- pendarnment de quel propulseur parmi les différents propulseurs situés dans le plan équatorial parallèle au sol a déjà été utilisé lors de l'étape de déplacement précédente ou est disponible pour la propulsion. L'invention est décrite ci-après dans le détail à l'aide de deux exemples de réalisation en se référant aux dessins Ceux-ci représen- tent de manière schématique: Figure 1, un système de robot avec son dispositif d'appui sor- ti et avec des éléments d'appui disposé en tétraèdre; Figure 2, un système de robot avec deux éléments d'appui pendant le mouvement de roulement (figure 2 a) et en position de repos et d'appui avec ses éléments d'appui sortis (figure 2 b). La figure 1 montre un robot 2 qui se présente sous la forme d'un corps sphérique qui, pendant les différentes étapes de déplace- ment, roule non guidé sur le sol et qui comporte un dispositif d'appui 4 rentré pendant le mouvement de roulement, dispositif qui est formé de quatre éléments d'appui 6 disposés dans les angles d'un tétraèdre in- scrit dans la sphère Chaque élément d'appui se compose d'une tige d'appui 8 télescopique qui peut être sortie par exemple par un moteur électrique dans la direction d'un diamètre de la sphère, laquelle tige peut être entraînée en rotation autour de son axe par exemple égale- ment au moyen d'un entraînement à moteur électrique (non représen- té) A l'extrémité extérieure de la tige d'appui 8 est fixée une roue d'appui 10 dont la circonférence est munie de profil en nervures et qui, lorsque le dispositif d'appui 4 est rentré, se présente sous la forme d'un élément d'obturation en forme de calotte qui fait partie de la sur- face de la sphère La longueur de sortie et l'entraînement en rotation de chacun des éléments d'appui 6 peuvent être commandés de manière individuelle Sur la face inférieure de chaque roue d'appui 10 est fixé un capteur 12, par exemple un capteur de localisation sonique, à radar, à infrarouge ou sensible au rayonnement laser. Les quatre surfaces qui délimitent le tétraèdre déterminant la disposition géométrique des éléments d'appui 6 par rapport au corps roulant 2 définissent quatre plans équatoriaux ou cercles équatoriaux différents à la surface de la sphère, parallèles chaque fois à l'une des surfaces du tétraèdre, qui sont représentés en pointillés et sont repérés de A à D sur la figure 1 Sur chaque cercle équatorial A D, une unité de propulsion 14 1-14 4 est disposée en opposition chaque fois avec l'un des éléments d'appui 6, c'est-à-dire qu'elle est située en un point du cercle équatorial qui est éloigné d'une longueur d'arc représentant -, environ 0,34 fois le rayon de la sphère par rapport à un point de la sur- face de la sphère opposé chaque fois à l'un des éléments d'appui 6, comnme on le voit clairement sur la figure 1 pour l'unité de propulsion 14 1 L'unité de propulsion est située sur le cercle équatorial A, en opposition avec l'élément d'appui 6 gauche sur la figure, c'est-à-dire est éloignée de la longueur d'arc S par rapport au point de la surface X diamétralement opposé audit élément d'appui 6. Chaque unité de propulsion 14 est formée d'un groupe serré de propulseurs indépendants 16 avec une direction de poussée essen- tiellement identique, orientée radialement vers le centre de la sphère. Parmi les propulseurs indépendants 16 qui se présentent sous la forme de propulseurs à combustible solide, on allume chaque fois un propul- O O seur pour exécuter une étape de déplacement du corps sphérique 2. Lorsque le robot sphérique 2 s'est immobilisé à la fin d'une étape de déplacement, les éléments d'appui 6 sont tout d'abord sortis simultanément tous les quatre, l'un des plans équatoriaux sur la figu- re 1, le plan équatorial A étant alors parallèle à la surface d'appui sur le sol et l'élément d'appui 6 dont l'axe de tige est perpendiculaire audit plan équatorial étant en position supérieure, puis le mécanisme d'en- traînement en rotation associé à cet élément d'appui 6 est actionné et le capteur 12 monté sur la roue d'appui 10 qui tourne alors autour de l'axe de la tige est activé En fonction du résultat de mesure du capteur 12, les mécanismes d'entraînement en rotation des trois autres élé- ments d'appui 6 reposant sur le sol sont commandés simultanément, de sorte que leurs roues d'appui 10 provoquent une rotation de l'ensemble du robot sphérique 2 autour de l'axe de la tige de l'élément d'appui 6 qui se trouve dans la position supérieure jusqu'à ce que la direction de poussée de l'unité de propulsion 14 1 disposée dans le plan équatorial A parallèle au sol coïncide avec la direction de roulement souhaitée de l'étape de déplacement suivante Après avoir rentré les éléments d'ap- pui 6, le robot sphérique 2 est mis en mouvement sous l'action de l'im- pulsion de propulsion de courte durée, qui est produite par allumage d'un propulseur indépendant 16 non encore utilisé de l'unité de propul- sion 14 1 et roule pendant l'étape de déplacement suivante Ce proces- sus se répète jusqu'à ce que l'objectif soit atteint ou qu'il n'y ait plus de propulseur indépendant 16 utilisable. Lorsque le robot sphérique doit se rendre par lui-même dans une zone d'objectif donnée, la direction de roulement est maintenue constante pour un certain nombre d'étapes de déplacement successives, par exemple à l'aide d'un compas Lorsque la zone d'objectif est attein- te, la direction de roulement jusqu'à la localisation de l'objectif est dé- terminée soit en fonction d'un modèle de recherche prédéterminé, soit de manière aléatoire, par exemple en suprimant le positionnement par rotation décrit précédemment du robot sphérique 2 à l'aide des roues d'appui 10 Les ordres de commande nécessaires aux différentes pha- ses sont produits par une unité de traitement de signal non représentée, disposée à l'intérieur de la sphère, à laquelle peuvent être également associés le compas en tant que capteur de direction et des capteurs supplémentaires, approximativement sous la forme de contacteurs à mercure pour la détermination du plan équatorial qui est chaque fois parallèle au sol. Le robot sphérique selon la figure 2, sur laquelle les élé- ments qui correspondent à ceux du premier exemple de réalisation sont désignés par une référence augmentée de 100, diffère du premier exemple de réalisation essentiellement par le fait que le dispositif d'appui 104 ne comporte que deux éléments d'appui 106 au lieu de quatre, dont les tiges 108 avec leurs axes sont disposées sur des dia- mètres différents et peuvent être sorties de manière individuelle En conséquence, lorsque le dispositif d'appui 104 est sorti, il n'y a que deux positions d'appui possibles, dans lesquelles le corps roulant 102 est maintenu dans une position de roulement définie par les éléments d'appui 106, la surface d'appui correspondante sur le sol étant située dans un plan qui est tangentiel à la surface de la sphère et touche les roues d'appui 110 sorties au niveau de leur circonférence A chacune des deux surfaces d'appui sur le sol possibles est associé un plan équa- torial A ou B parallèle à celle-ci dans lequel, à nouveau, une unité de propulsion 114 1 ou 114 2 composée de plusieurs propulseurs indépen- dants 116 est disposée en opposition par rapport aux éléments d'appui 106 Sur la demi sphère opposée aux éléments d'appui 106, des cap- teurs d'orientation 112 sont disposés en un point de la surface de la sphère qui est situé sur un rayon de la sphère perpendiculaire au plan équatorial A ou B, lesquels capteurs, dans la position d'appui du corps roulant 102, peuvent être sortis au-dessus de la surface de la sphère et, en position sortie, peuvent tourner par un entraînement à moteur élec- trique propre ou par rotation de l'ensemble du corps roulant 102 à l'ai- de des roues d'appui 110 autour du rayon de la sphère mentionné ser- vant d'axe de rotation. Pour que le corps roulant 102 parvienne toujours dans l'une des deux positions définies même lorsque les éléments d'appui 106 se trouvent dans une position éloignée du sol à la fin du mouvement de roulement, les éléments dappui 106 ne sont pas sortis simultanément mais l'un après l'autre, les roues d'appui 110 agissant par leur propre poids comme masses faisant basculer le corps roulant 102 dans la posi- tion de roulement définie, dans laquelle l'un des cercles équatoriaux - le cercle équatorial A sur la figure 2 b est parallèle au sol et le cap- teur associé 112 se trouve dans la position supérieure et peut ainsi être sorti et activé Pour le reste, la conception et le principe de fonction- nement du robot sphérique 102 sont sensiblement identiques à ceux du premier exemple de réalisation. Au lieu de disposer les capteurs d'orientation 12 ou 112 dans la position supérieure ou la position du pôle nord, il peut être avanta- geux avec certains types de capteurs d'orientation de disposer chaque fois deux capteurs diamétralement opposés sur un cercle parallèle de latitude situé entre les différents pôles nords de la sphère et le plan équatorial associé, le mouvement orbital des capteurs autour de l'axe vertical dans la position d'appui du robot sphérique étant obtenu par l'entraînement des roues d'appui. REVENDICATIONS 1 Robot pour la recherche d'un objectif au sol, composé d'un corps roulant sphérique muni d'un dispositif de propulsion qui le fait avancer de manière intermittente par étapes de déplacement indépen- dantes et d'un dispositif de capteurs qui est activé entre les étapes de déplacement pour localiser l'objectif, caractérisé en ce que le corps roulant ( 2; 102) contient un dispositif d'appui ( 4; 104) qui est rentré automatiquement à l'intérieur de la sphère pendant les étapes de dépla- cement par roulement et qui peut être sorti au-dessus de la surface de la sphère entre deux étapes de déplacement successives, lequel dispo- sitif d'appui comporte des éléments d'appui ( 6; 106) disposés chaque fois sur des diamètre différents de la sphère du corps roulant permet- tant l'appui sur le sol du corps roulant dans une position de roulement définie. 2 Robot selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'appui ( 104) comporte deux éléments d'appui ( 106) avec chaque fois des masses de basculement qui sont sorties avec ceux-ci pour faire basculer le corps roulant ( 102) dans une position de roule- ment donnée. 3 Robot selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'appui ( 4) comporte quatre éléments d'appui ( 6) disposés chaque fois au niveau des angles d'un tétraèdre régulier inscrit dans la sphère. 4 Robot selon l'une quelconque des revendications précéden- tes, caractérisé en ce que les éléments d'appui ( 6; 106) sont équipés d'éléments terminaux en forme de calottes qui constituent une partie de la surface de la sphère lorsque les les éléments d'appui sont rentrés. Robot selon l'une quelconque des revendications précéden- tes, caractérisé en ce que les éléments d'appui ( 6; 106) sont équipés de roues d'appui ( 10; 110) qui, en position sortie, sont entraînées en rota- tion pour faire tourner le corps roulant ( 2; 102) autour d'un axe verti- cal. 6 Robot selon la revendication 5, caractérisé en ce que les roues d'appui ( 10; 110) sont munies siur leur circonférence de profils en forme de nervures. 7 Robot selon l'une quelconque des revendication 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que les éléments terminaux sont agencés en roues d'appui ( 10; 110). 8 Robot selon l'une quelconque des revendication précéden- tes, caractérisé en ce que chaque élément d'appui ( 6) est équipé d'un capteur ( 12) qui peut être sorti avec lui. 9 Robot selon la revendication 8, caractérisé en ce que le capteur ( 12) est solidaire en rotation de la roue d'appui ( 10) de l'élé- ment d'appui ( 6) et les roues d'appui peuvent être entraînées en rota- tion de manière indépendante. Robot selon l'une quelconque des revendication précéden- tes, caractérisé en ce que la longueur de sortie des éléments d'appui ( 6; 106) est variable et peut être commandée de manière indépendante. 11 Robot selon l'une quelconque des revendication précéden- tes dans lequel il est prévu comme dispositif de propulsion des unités de propulsion à impulsion solidaires du corps roulant avec une direc- tion de poussée radiale par rapport au centre de la sphère, caractérisé en ce que les unités de propulsion ( 14 1 à 14 4; 114 1, 114 2) sont dis- posées dans la région des cercles équatoriaux (A-D) du corps roulant ( 2; 102) parallèles aux surfaces du tétraèdre ou aux surfaces d'appui sur le sol formées lorsque le dispositif ( 4; 104) est en position sortie. 12 Robot selon la revendication 11, caractérisé en ce que les unités de propulsion ( 14) sont disposées chaque fois en opposition par rapport à l'un des éléments d'appui ( 6). 13 Robot selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que chaque unité de propulsion ( 14; 114) est composée d'un groupe de propulseurs indépendants ( 16; 116) avec des directions de poussée sensiblement identiques. :-