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Roues omnidirectionnelles

jeudi 2 février 2012, par Julien H.

Les roues classiques permettent un déplacement dans une seule direction, celle perpendiculaire à l’axe de la roue. C’est une liaison linéaire rectiligne. Seuls des dérapages et des glissements à forte friction peuvent faire dévier la roue de sa trajectoire. C’est un des problèmes de mécanique qu’on rencontre lors de la construction d’un robot avec odomètres sur roues libres si les axes ne sont pas alignés.

Avec ces roues classiques, les changements de direction ne sont pas instantanés : il faut définir une trajectoire courbe (type voiture) ou une rotation autour de l’axe des roues motrices (type char).

Mais des roues au profil très particuliers permettent un déplacement très libre par changement instantané de direction : ce sont les roues omnidirectionnelles.

 Exemples en robotique

Les roues omnidirectionnelles pour la robotique ludique sont devenues accessibles à partir de 2003, et on en trouve désormais de différentes tailles. Elles sont constituées de 8 galets sous forme de deux couches de 4 galets disposés à 90° les uns des autres, les deux couches étant décalées de 45°.

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Grâce à ces galets, toute force appliquée sur l’axe de la roue va entrainer un glissement dans la direction de cette force. Ce glissement peut être inférieur ou supérieur à la force de rotation, ce qui permet toutes sortes de combinaisons des axes des deux forces et ainsi permet d’obtenir une direction du robot variable selon le rapport des deux forces. Bien entendu, rajouter d’autres forces est tout à fait possible.

 Utilisation

Bien entendu, l’objectif n’est pas d’avoir un robot qui se fait chahuter par les obstacles qu’il rencontre, mais d’organiser la mécanique du robot de telle sorte que ces forces d’axes différents soient générées selon un modèle prédéfini et contrôlées de telle sorte que le robot suive des trajectoires complexes.

Premier intérêt : être plus agile

Lorsqu’on se déplace dans des labyrinthes, qu’on navigue en eaux vives, ou qu’on a une structure imposante qui limite les mouvements, l’usage de roues omnidirectionnelles va permettre de se sortir de situations compliquées.

Second intérêt : dissocier le bas du haut

Si on a l’habitude sur un robot classique de nommer "avant" et "arrière" les différentes parties du châssis selon la direction du train moteur, ce n’est plus vraiment le cas sur un robot "holonome" (c’est le nom qu’on lui donne quand il utilise des roues omnidirectionnelles).

Au final, la partie motrice au contact du sol peut déplacer le robot dans une direction tout en conservant l’orientation de la partie supérieure, soit parallèle à la position d’origine, soit en gardant un point spécifique en visée.

C’est l’usage principal de ces roues hors robots ludiques : les énormes engins de chantier peuvent être équipés d’un outil (excavatrice, chariot élévateur, vérins hydrauliques) qui reste indépendant de la direction prise par le châssis.

 Les déplacements holonomes

Tout d’abord, il faut préciser que les roues omnidirectionnelles ne sont pas seulement destinées à un châssis en triangle avec une roue à chaque pointe. C’est effectivement un mode répandu sur bon nombre de châssis de robots mobiles du commerce, mais ce n’est pas le seul : on trouve désormais des châssis à quatre roues (par exemple Segway ou Yerobot) omnidirectionnelles. Les galets ne sont plus cylindriques et parallèles mais coniques et transversaux sur ces roues de nouvelle génération.

Mais le cas du robot triangulaire est intéressant car c’est celui qu’on a déjà vu sur des robots de la Coupe... et c’est surtout celui que Pobot utilisera puisque nous avons deux châssis hors d’usage dont nous allons pouvoir récupérer les roues et les moteurs.

Loi de commande courante

L’algorithme de contrôle est assez simple, mais nécessite de la méthode : les trois variables à disposition sont les vitesses de rotation de chacun des trois moteurs identiques.

En fonctionnant en coordonnées polaires (angle de direction et vecteur force moyen), on combine chacune des trois vitesses pour définir comment le robot va se déplacer en appliquant des consignes différentes.

Loi de commande simplifiée

Il existe une façon moins complexe, mais qui réduit les mouvements possibles : elle consiste à éteindre un des trois moteurs et de considérer les deux autres roues comme un type char.

Mais ce mode fait subir des frottements inutiles aux roues et ne doit servir qu’en cas de force majeure.

 Encore plus fort

Lien : des roues omnidirectionnelles de toutes tailles.

Lien : des roues sphériques au laboratoire Kaneko Higashimori

Lien : une roue omnidirectionnelle sphérique

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