ROCR : un robot léger et écoénergétique qui grimpe aux murs comme un gibbon

Avec une paire de griffes en forme de crochet, une queue motorisée qui oscille comme le pendule d'une horloge de grand-père, et une structure légère, le robot ROCR (« rocker ») gravit un mur tapissé de 8 pieds en un peu plus de 15 secondes. Premier robot conçu pour grimper efficacement tout en imitant le mouvement des grimpeurs humains et des singes arboricoles, ROCR offre une plateforme prometteuse pour les tâches d'inspection, de maintenance et de surveillance.

« Bien que les applications ultimes de ROCR soient l'inspection, la maintenance et la surveillance, son impact immédiat le plus grand réside comme outil pédagogique et démonstration convaincante de la robotique », déclare William Provancher, professeur adjoint de génie mécanique à l'Université de l'Utah et développeur principal du projet.

Les conclusions de l'équipe paraîtront en ligne ce mois-ci dans Transactions on Mechatronics, une revue conjointe de l'IEEE et de l'ASME. L'article, intitulé « ROCR Oscillating Climbing Robot », établit le premier référentiel d'efficacité pour les robots grimpeurs, fournissant un point de référence pour les futurs designs.

Pourquoi l'efficacité est importante

La plupart des robots grimpeurs à ce jour privilégient la stabilité plutôt que l'efficacité, s'assurant qu'ils ne tombent pas tout en cherchant vitesse ou adhérence. ROCR, cependant, est le premier à se concentrer sur l'efficacité énergétique, atteignant une efficacité de grimpe de 20 % — un chiffre notable comparé à l'efficacité d'environ 25 % du moteur à combustion interne d'une voiture.

L'efficacité est ici définie comme le rapport du travail mécanique effectué pendant l'ascension à l'énergie électrique tirée de la batterie du robot. En optimisant le timing et l'amplitude de l'oscillation de sa queue, ROCR équilibre consommation d'énergie et vitesse de grimpe.

Points forts du design

• Dimensions : 31 cm large × 45,7 cm long (haut en bas)
• Poids : 0,54 kg
• Espacement des griffes : 12,4 cm
• Amplitude d'oscillation de la queue : 120° (60° de chaque côté de la verticale)
• Fréquence d'oscillation optimale : 1,125 Hz (1,125 fois par seconde)
• Vitesse de grimpe : 15,7 cm/s sur contreplaqué tapissé

La queue du robot est alimentée par un petit moteur qui entraîne un engrenage, provoquant l'oscillation de la queue. Une batterie montée à la base de la queue fournit la masse nécessaire pour le mouvement pendulaire. Les deux griffes en acier en forme de crochet saisissent le mur alternativement, déplaçant le centre de gravité pour lever la griffe libre pour la prochaine prise.

Tests et résultats

Avant de construire le prototype, l'équipe a utilisé des simulations informatiques pour identifier les stratégies de grimpe les plus écoénergétiques. Les essais expérimentaux ont ensuite validé ces conclusions : le robot performait mieux lorsqu'il opérait près de sa fréquence de résonance naturelle, de manière similaire à la façon dont le pendule d'une horloge de grand-père oscille le plus efficacement à sa fréquence inhérente.

Lorsque la queue oscillait trop vite (deux fois par seconde), le robot perdait le contact avec le mur et était rattrapé par un cordon de sécurité. À la fréquence optimale de 1,125 Hz, ROCR atteignait un taux d'efficacité de 20 % et maintenait une ascension stable sans tomber.

Directions futures

Provancher et ses collaborateurs prévoient d'améliorer le design de ROCR en ajoutant des mécanismes de préhension plus sophistiqués pour gérer une plus large gamme de surfaces — y compris la brique, le grès et d'autres matériaux industriels. Ils visent également à développer des algorithmes de contrôle plus avancés qui améliorent davantage l'efficacité et la polyvalence des tâches.

En prolongeant la durée de vie de la batterie grâce à une efficacité accrue, ROCR pourrait entreprendre des missions plus longues en opérations autonomes et auto-contenues — étendant son utilité pour les tâches réelles d'inspection, de maintenance et de surveillance.

Le développement de ROCR a été financé par la National Science Foundation et l'Université de l'Utah. L'équipe de recherche inclut Mark Fehlberg, doctorant en génie mécanique, et Samuel Jensen‑Segal, ancien étudiant en master à l'Utah travaillant maintenant comme ingénieur au New Hampshire.

Le robot grimpeur oscillant ROCR, développé par William Provancher et ses collègues à l'Université de l'Utah, démontre une grimpe murale efficace utilisant deux griffes en forme de crochet, un moteur et une queue de style pendulaire. Pesant seulement 0,54 kg et mesurant 31 cm de large sur 45,7 cm de long, ROCR offre des applications potentielles en surveillance, inspection, maintenance, éducation en ingénierie, et comme jouet engageant.