PRORA - Projet Robot Inertiel

Dans le cadre de ce projet, notre objectif a été de concevoir, modéliser et expérimenter un robot inertiel, c’est-à-dire un système capable de se mouvoir ou de se réorienter sans interaction mécanique directe avec son environnement, en exploitant uniquement les effets dynamiques d’un volant d’inertie. Le principe repose sur l’utilisation des effets gyroscopiques : en modifiant l’orientation ou la vitesse de rotation du volant, on génère un couple interne qui permet de faire pivoter la structure du robot sur elle-même.

Plus précisément, nous avons cherché à réaliser une rotation contrôlée de la structure d’un quart de tour, sans appui externe, uniquement grâce aux variations d’accélération angulaire transmises par le volant d’inertie. Ce type de système présente un intérêt particulier dans des contextes où les appuis sont inexistants ou limités, comme dans le domaine aérospatial, ou dans des environnements confinés.

Notre démarche s'est articulée autour de plusieurs axes : la modélisation physique du comportement du système, la conception mécanique et électronique du robot, ainsi que l’expérimentation et l'analyse des performances obtenues.

Pour la réalisation de notre projet, nous avons mobilisé divers composants mécaniques et électroniques, choisis en fonction des exigences techniques du robot inertiel. Parmi les éléments principaux figurent :

1. Un moteur brushless, utilisé pour entraîner le volant d’inertie à grande vitesse, générant ainsi les effets gyroscopiques nécessaires au mouvement du robot.
2. Une carte Arduino, servant de microcontrôleur pour piloter l’ensemble du système, assurer la gestion des capteurs, ainsi que le contrôle des actionneurs.
3. Un servomoteur, intégré afin de contrôler l’orientation du volant d’inertie ou d'autres parties mobiles du système.
4. Des pièces mécaniques sur mesure, conçues et fabriquées à l’aide d’une découpeuse laser et d’une imprimante 3D. Parmi ces pièces, on trouve notamment le volant d’inertie lui-même ainsi que le châssis du robot, adaptés spécifiquement aux contraintes de masse, d’équilibre et d’encombrement du projet.

L’intégration de ces différents composants nous a permis de construire un système cohérent, compact et fonctionnel, tout en offrant une certaine modularité pour les essais et ajustements successifs.

Pour concevoir notre robot inertiel, nous nous sommes inspirés de deux modèles emblématiques illustrant des approches différentes mais complémentaires de la locomotion gyroscopique. Le premier, un robot cubique monté sur une structure métallique ajourée, met en valeur l’intégration de volants d’inertie dans une architecture tridimensionnelle, permettant un contrôle précis de l’orientation dans l’espace. Ce système, à la fois compact et ingénieusement conçu, nous a guidés dans la réflexion autour de la stabilité et de l’équilibrage du robot.

Toutefois, en raison du matériel mis à notre disposition, nous nous sommes restreint à un robot plus simple. En effet, le moteur que nous avions ne pouvait effectivement tourner que dans un sens, ce qui rend l'équilibrage du robot complétement impossible. C'est pourquoi nous avons décidé de le faire tourner dans quart de tour à la place.

Le second modèle, plus simple visuellement, présente en effet une roue d'inertie montée sur un axe vertical, et démontre de façon pédagogique comment un mouvement de rotation interne peut générer une rotation externe de la structure. Cette configuration nous a servi de base pour comprendre les principes physiques sous-jacents (conservation du moment cinétique, effet gyroscopique) et les transposer dans notre propre prototype, en les adaptant à nos contraintes techniques et aux composants à notre disposition.

La conception de notre robot inertiel repose sur une structure simple, légère et fonctionnelle, telle qu’illustrée dans le croquis ci-dessus. Le châssis est constitué de deux plateaux parallèles, imprimés à l'aide d'une imprimante 3D, reliés entre eux par des tiges verticales rigides, réalisées par découpe laser. Ces plateaux assurent à la fois la stabilité de l’ensemble et le support mécanique pour les composants internes.

Au centre de la structure inférieure est fixé un moteur brushless, chargé d’entraîner un volant d’inertie circulaire. Ce dernier constitue le cœur du système inertiel : en accélérant ou en freinant sa rotation, il génère un moment gyroscopique qui permet de provoquer la rotation du robot. Ce design modulaire facilite l’assemblage et l’ajustement des composants, tout en assurant une bonne répartition des masses pour maximiser l’effet gyroscopique recherché.

L’assemblage du robot s’est déroulé en plusieurs étapes, une fois que toutes les pièces étaient découpées ou imprimées.

Nous avons d’abord commencé par fixer le moteur brushless sur la plaque inférieure découpée au laser. Ce moteur est solidement maintenu à l’aide de vis et d’un support imprimé en 3D, assurant un alignement précis avec l’axe de rotation du volant d’inertie. Le volant, également découpé au laser, a ensuite été monté directement sur l’axe du moteur, pour améliorer au maximum son équilibrage, augmenté sa stabilité, et réduire au maximum les vibrations engendrées par la rotation du moteur.

Les quatre entretoises verticales ont ensuite été insérées entre la plaque inférieure et la plaque supérieure, venant stabiliser l’ensemble. Les coins, imprimés en 3D, servent de jonction pour fixer les tiges filetées, tout en offrant un bon maintien structurel. La plaque supérieure, également découpée au laser, a été positionnée de façon à permettre l’intégration des autres composants électroniques, comme la carte Arduino et les éventuels capteurs ou modules d’alimentation.

L’ensemble a été assemblé à l’aide de vis et d’écrous standard, rendant le système démontable et évolutif. Une attention particulière a été portée à la répartition des masses et à la rigidité de la structure, afin de garantir le bon fonctionnement du système gyroscopique sans vibration excessive.

La phase de codage sur Arduino a constitué une étape essentielle pour assurer le bon fonctionnement du robot inertiel. Le programme a été développé pour piloter le moteur brushless via un contrôleur électronique de vitesse (ESC), tout en permettant un contrôle précis de la vitesse de rotation du volant d’inertie. À partir de la carte Arduino, nous avons généré un signal PWM (modulation de largeur d'impulsion) pour commander le moteur, en adaptant la fréquence et le cycle de travail en fonction des besoins du système.

Nous avons également intégré des fonctions de calibration pour s'assurer que le moteur démarre correctement et atteint la vitesse désirée de manière progressive. Dans une version plus avancée du programme, nous avons prévu la possibilité d'ajouter des capteurs inertiels (IMU) afin de mesurer en temps réel les variations d'orientation du robot, et d'adapter dynamiquement la commande du moteur pour optimiser l’effet gyroscopique.

Le code a été structuré de manière modulaire, avec des fonctions dédiées à l’initialisation des composants, à la commande du moteur, et à la lecture de données (si capteurs utilisés). Cette approche nous a permis de tester chaque partie indépendamment, puis d'intégrer progressivement les différentes fonctionnalités dans un programme principal robuste et évolutif.

Les 3 codes ci-dessous représentent donc chacun un essai différent sur notre robot. Le code "rota_moteur_initial" permet de modifier manuellement la vitesse de rotation du moteur. Nous l'avons donc utilisé pour voir la puissance et le couple qui pouvait être déployés par le moteur. Le code "rotation_moteur" permet de piloter en plus du moteur, un servo-moteur qui nous sert de frein (voir Step 6: Amélioration). Finlament le code "moteur_nano" est le code qui permet de controler le moteur avec une carte Arduino Nano et donc d'avoir accès au capteur gyroscopique.

Une fois tous les codes implementés, nous avons réalisé les montages en suivant les schémas ci dessus.

Une fois le robot assemblé, nous avons mené une série d’essais sur la structure afin d’évaluer sa solidité, sa stabilité et son comportement dynamique lors du fonctionnement du volant d’inertie. Le premier objectif était de vérifier la rigidité de l’assemblage : en mettant progressivement le moteur en marche, nous avons observé la réaction de la structure aux vibrations et aux forces gyroscopiques générées. Ces essais nous ont permis d’identifier certains points faibles, notamment des légers jeux mécaniques au niveau des fixations ou des déformations dans les parties imprimées en 3D (légère flexion).

Nous avons ensuite effectué des tests en conditions réelles, en plaçant le robot sur une surface lisse pour observer s’il parvenait à produire une rotation de la structure sous l'effet du volant d'inertie. Ces essais ont permis d’ajuster la vitesse de rotation du moteur pour voir si la structure pouvait effectuer une rotation sur elle même. Cependant le moteur mis à notre disposition n'était pas assez puissant, ce qui ne permet pas à la structure d'avoir les effets dynamiques recherchés.

Étant donné que le moteur utilisé ne développait pas un couple suffisant pour mouvoir directement la structure, nous avons exploré d'autres solutions pour générer le mouvement souhaité. En nous inspirant du phénomène que l’on observe lorsqu’un cycliste freine brusquement sa roue avant — provoquant un basculement de son vélo, appelé communément "soleil" — nous avons expérimenté l’idée de freiner brutalement le volant d’inertie lorsqu’il atteint sa vitesse maximale. L’objectif était de créer un moment impulsif capable de faire pivoter la structure. Pour ce faire, nous avons conçu un frein imprimé en 3D (voir ci-dessus), actionné par un servo-moteur contrôlé via Arduino.

Cependant, cette solution s’est révélée inefficace pour deux raisons principales. D'une part, le couple fourni par le servo-moteur était insuffisant pour exercer un freinage significatif sur le volant d’inertie. D'autre part, les propriétés tribologiques (frottement et adhérence) entre la surface du frein et celle du volant n’étaient pas adaptées : le frein glissait excessivement, empêchant toute décélération brusque. Ces limitations mécaniques ont compromis l'efficacité du système à produire le basculement attendu.

En conclusion, pour obtenir un projet pleinement fonctionnel, plusieurs améliorations auraient été nécessaires. Notamment, l’utilisation d’un moteur plus puissant, capable de générer une accélération suffisante du volant d’inertie, ainsi qu’un système de freinage plus robuste et mieux adapté, capable de transmettre l’énergie de rotation de manière plus efficace à la structure. Une meilleure optimisation des matériaux et des interfaces de contact aurait également été bénéfique. En complément, une autre piste d’amélioration aurait été de modifier la géométrie de la structure elle-même. Plutôt que d'utiliser des plateaux en forme d’étoile à quatre branches, nous aurions pu opter pour une étoile à six branches ou davantage, permettant une discrétisation plus fine des points de basculement. Une telle configuration aurait réduit la distance angulaire nécessaire pour initier un mouvement perceptible, et donc diminué l’accélération requise pour faire pivoter la structure. Cela aurait permis de compenser en partie le manque de puissance du moteur, en facilitant le déclenchement du mouvement rotatif avec une énergie moindre.