Projet REF

Équipe

  • Pierre-André Bégin (méc.)
  • Vincent Carrier (méc.)
  • David Demers (méc.)
  • Jocelyn Gagnon (méc.)
  • Patrick Giguère (méc.)
  • Patrick Malenfant (méc.)
  • Philip Maltais (méc.)
  • Guy Rouleau (méc.)
  • Mathieu Boisvert (info.)
  • Christian Desjardins (info.)
  • Jean-François Desrosiers (info.)
  • Simon Gauthier (élec.)
  • Grégoire Sénéchal (info.)
  • Dany Thiffeault (info.)
  • Mathieu Tremblay (élec.)

Description

Dans le cadre de l'exploration planétaire robotique, le département des technologies spatiales de l'Agence Spatiale Canadienne (ASC) travaille à développer des technologies qui pourront être utilisées dans de futures missions d'exploration de Mars.

La surface de Mars étant balayée par des vents violents à l'échelle planétaire, la composition des couches supérieures du sol martien est probablement uniforme sur une grande partie de sa surface. Cette « contamination » par les vents efface les variations de la composition et de la structure géologique du sol en surface. Le forage, actuellement à l'étude par l'ASC, représente une solution permettant d'accéder à la structure géologique de Mars.

Cependant, le forage du sol martien présente un défi technologique de taille et permettra l'exploration du sous-sol à un seul endroit. Une autre approche consiste à utiliser le relief de Mars pour explorer le sous-sol. De la même façon que les géologues examinent les strates rocheuses mises à jour sur la face des falaises et des canyons, un robot pouvant se déplacer sur la face des escarpements permettrait d'examiner l'histoire géologique martienne .

Dans ce contexte, le concept d'un robot pouvant explorer des falaises a été mis de l'avant par le département des technologies spatiales. Afin de démontrer la faisabilité d'un tel concept, un prototype a été conçu et fabriqué par l’équipe REF de l'Université de Sherbrooke.

Le concept mis de l’avant pas l’ASC consiste à l’exploration de falaise à l’aide de deux robots (voir figure). Un premier robot a pour tâche de repérer les falaises sur la surface de Mars et de se positionner au sommet de ces dernières, ce robot est appelé le véhicule d’exploration (VE). Une fois au sommet d’une falaise, un deuxième robot quitte le VE pour aller explorer la falaise, il s’agit du robot d’exploration de falaise (REF). Les deux robots sont reliés par un câble pour faciliter les opérations en falaise. Le mandat de l’équipe REF se limite au REF.

La conception systèmes

La première phase du projet a été celle de la conception système. À ce stade, le travail consiste tout d'abord à identifier les besoins du clients et d'en déduire les fonctions que le produit devra accomplir. Ensuite, on classe, on caractérise et on pondère les fonctions, ce qui a pour effet de faire ressortir les fonctions les plus importantes pour le produit. Ce travail est consigné dans un cahier des charges fonctionnels (CDCF) , document qui servira à la validation du prototype.

Maintenant que nous savons ce que le produit doit faire, on doit trouver comment il va le faire. C'est la recherche de concept qui commence. Nous sommes en période de divergence. Grâce à des outils favorisant la créativité, nous avons trouvé différents moyens d'accomplir les fonctions du robot. Voici les trois concepts qui ont été retenus comme les plus prometteurs :

À partir de ces concepts, une analyse a été effectuée pour les améliorer et les combiner de sorte à obtenir le concept global le meilleur possible. Une fois de concept trouvé, on fait les analyses de faisabilité et des calculs préliminaires pour s'assurer que le concept choisi saura satisfaire les besoins du client. À la fin de cette étape de conception, nous étions convaincus que le meilleur concept de robot pour explorer les falaises était celui illustré à la figure ci-dessous.

La conception préliminaire

L'étape de la conception préliminaire consiste à concevoir le détail de chacun des mécanismes du produit. Cette étape fait encore intervenir une phase de génération de concept suivi d'une de convergence vers le meilleur concept. Une fois que les mécanismes ont été choisis, il importe de vérifier s'ils sont compatibles pour une intégration. En effet, il est possible que certaines combinaisons de concepts soient impossibles à réaliser. C'est pourquoi cette étape nécessite quelquefois des itérations. Cette tâche d'intégration est facilitée par l'utilisation de logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO). Le REF a d'ailleurs été développé avec le logiciel SolidWorks qui permet une représentation en 3-D du modèle.

La conception détaillée

La dernière étape de conception est la conception détaillée. C'est à cette phase que l'on dimensionne les différentes pièces de l'assemblage en tenant compte des efforts que le produit est susceptible de rencontrer. Le choix des différentes pièces est aussi une partie importante du travail car elle fait intervenir différents aspects de l'ingénierie (aspect économique, gestion de projet , négociation avec les fournisseurs, etc.). Le dimensionnement inlcus des calculs de résistance des matériaux, d'éléments de machines (transmissions, roulements, engrenages, etc.). Encore une fois, le travail se fait à l'aide de logiciels de CAO et aussi d'éléments finis pour les calculs de contraintes dans les pièces compliquées. Pour le projet REF, nous avons utilisé le logiciel CosmosWorks pour effectuer nos analyses numériques pas éléments finis. Voici le modèle CAO du REF à la fin de la conception détaillée qui, soit dit en passant, comptait plus de 600 pièces !

La fabrication

La fabrication du prototype a été effectuée en partie par les membres de l'équipe. En effet, on retrouve dans les locaux de l'Université, des machines-outils (tours, fraiseuses, scies à ruban, perceuses à colone, etc.) misent à la disposition des étudiants. Bien sûr, il y a une équipe de techniciens est disponible pour enseigner les rudiments de l'usinage ou pour donner des conseils à nos machinistes en herbe. Les pièces les plus complexes à usiner ont été fabriquées par des professionnels dans des ateliers d'usinages à l'extérieur de l'Université.

Une fois les pièces fabriquées, on passe à l'étape de l'assemblage et de l'intégration de l'électronique et de l'informatique à la mécanique. Cette étape nécessite souvent que l'on effectue des ajustements sur les composantes. Le concept du REF étant très compact et dense, l'assemblage fut donc un travail de précision et de patience.

La validation

La validation est la dernière étape du projet. Elle consiste à vérifier que le produit final répond aux critères énoncés dans le CDCF. Pour effectuer la validation, une falaise artificielle a été construite. On y retrouve divers obstacles qui correspondent à ce qu'avait demandé l'ASC pour les performances du robot.

Statistiques intéressantes sur le REF
  • Poids : 7.25 kg
  • Dimensions : 30 x 32 x 35 cm
  • Matériaux : Aluminium haute performance (séries 60 et 70)
  • Coût du prototype : 60 000 $
  • Nombres d'heures de travail : 15 000 heures
  • Coût de développement : 500 000 $

Partenaires et commanditaires

  • Agence Spatiale Canadienne

Photos