Exercice Sous-partie 2 - Choix A · Bac Sciences de l'Ingénieur Métropole 1 remplacement 2022

Partie 1 - Sciences de l'ingénieur

Mise en situation

Le robot d'assistance opérationnelle Colossus (figure 1) est un robot de soutien technique polyvalent destiné à intervenir dans les zones à risque aux côtés des sapeurs-pompiers.

Figure 1: le robot Colossus en intervention

Figure 2: exemple de configuration du robot Colossus

Grâce à sa plateforme à chenilles offrant des capacités de franchissement exceptionnelles et à un canon à eau motorisé ultra-puissant (figure 2), le robot Colossus est capable d'éteindre un feu à distance.

Il est facilement pilotable avec sa caméra et son système d'éclairage puissant à l'avant.

Sa plateforme modulable associée à un large choix d'équipements optionnels permet d'assister les pompiers dans une grande variété de missions en limitant l'exposition aux risques des personnes (figure 3).

Figure 3: plateforme modulable Colossus

La modularité (figure 4) est assurée par:

un large choix d'équipements pour s'adapter au besoin d'intervention;

un système de fixation réglable sur rail et sans outil de l'ensemble des équipements.

Figure 4: exemples d'équipements optionnels Colossus

Le robot Colossus d'assistance opérationnelle a été utilisé lors de l'incendie de la cathédrale Notre-Dame de Paris pour éteindre les flammes, au moment où la flèche menaçait de s'effondrer. Les pompiers de Paris ont fait intervenir ce robot afin d'éteindre le feu et de faire baisser la température à l'intérieur de la nef (figure 5).

Le robot Colossus de Shark Robotics bénéficie du retour d'expérience de la Brigade des Sapeurs-Pompiers de Paris (BSPP).

Figure 5: le robot Colossus lors de l'incendie de Notre-Dame de Paris - 15 et 16 avril 2019

Créé en 2016, Shark Robotics est le spécialiste français de la robotique terrestre. Grâce à son savoir-faire de pointe, cette entreprise conçoit et fabrique en France, à La Rochelle, des robots haut de gamme conjuguant puissance, fiabilité et robustesse.

Son expertise en robotique et en mécanique de précision lui permet de proposer à la fois des robots dits « catalogue » et des robots sur-mesure répondant aux besoins spécifiques de ses clients (figure 6). Shark Robotics intervient notamment dans les domaines de la sécurité, de la défense, de l'industrie, de l'énergie et du nucléaire.

Figure 6: la gamme de robots Shark

Ce sujet vise à vérifier les performances actuelles du robot Colossus, pour les comparer avec les attendus du cahier des charges.

Les principales caractéristiques techniques annoncées par le constructeur de la dernière évolution de ce robot configuré avec le canon à eau et la tourelle vidéo (figure 7) sont données sur le diagramme partiel des exigences (figure 8).

Figure 7: Colossus version canon à eau + tourelle vidéo

Il faut s'assurer que les caractéristiques du robot Colossus sont conformes aux attentes:

fiabilité des échanges d'informations entre les sapeurs-pompiers et le robot;

capacités de déplacement en milieu difficile;

portée du canon à eau.

Les trois sous-parties visent à s'assurer de la réponse donnée à ces besoins.

Figure 8: diagramme partiel des exigences du robot Colossus avec canon à eau et tourelle vidéo

Sous-partie 2 – choix A

Capacités de déplacement en milieu difficile

L'objectif de cette partie est de vérifier les capacités de déplacement du robot Colossus. Il doit notamment être capable de franchir une pente importante et rendre ainsi son utilisation efficace malgré des accès difficiles tels que des escaliers. Pour ce faire, il est important de s'assurer des capacités statique et dynamique du robot.

Le système de propulsion du robot Colossus assure: une capacité de franchissement importante; une vitesse de déplacement adaptée; un déplacement du robot avec sa charge maximale.

Pour valider les performances annoncées par le constructeur, un modèle multi-physique doit être construit en y intégrant l'environnement extérieur (masse du robot, masse de l'emport, coefficient de frottement des chenilles sur le sol, la pente en degré) et les éléments constitutifs du système de propulsion du robot Colossus.

Modélisation de l'environnement

La situation d'étude correspond au déplacement du robot Colossus sur une pente importante et sur un terrain humide. Afin de permettre au robot Colossus de gravir cette pente, un câble exerce une traction sur l'avant du robot. Une modélisation des actions mécaniques mises en jeu est illustrée figure 16.

Il faut, dans un premier temps, déterminer les forces $\overrightarrow{F_{Sol/Robot}}$ et $\overrightarrow{T_{Câble/Robot}}$ à l'équilibre (hypothèse d'un modèle plan).

Le robot Colossus est donc placé sur une pente avec les conditions suivantes: le robot Colossus est en liaison appui plan de normale $(G, \vec y)$ avec le sol (1); $R = (O, \vec x, \vec y, \vec z)$ est un repère galiléen lié au sol (1). Il est incliné par rapport à l'horizon (0) d'un angle $\alpha$.

Le point $G$ représente le centre de gravité du robot Colossus et de sa charge et $M_{Totale}$ la masse de l'ensemble robot Colossus avec sa charge.

La modélisation des actions mécaniques ramenées au centre de gravité G du robot et de sa charge se résume à trois forces: $\vec P$ le poids total du robot Colossus et de sa charge; $\overrightarrow{F_{Sol/Robot}}$ la réaction de l'ensemble robot + charge sur le plan incliné ramenée au point G; $\overrightarrow{T_{Câble/Robot}}$ la force de traction exercée par le câble sur l'ensemble robot + charge.

Question 1.7 (DR1)

Tracer, sur le document réponse DR1, les composantes des actions mécaniques $\vec P$ et $\overrightarrow{F_{Sol/Robot}}$ en projection sur le plan $(G, \vec x, \vec y)$. Elles sont notées $\vec{P_x}$ et $\vec{P_y}$ pour le poids total, $\vec{F_x}$ et $\vec{F_y}$ pour la réaction de l'ensemble robot + charge.

Les calculs sont effectués avec les valeurs extrêmes suivantes: masse totale de l'ensemble robot + charge $M_{Totale} = 1050$ kg; accélération de la pesanteur $g = 9{,}81$ m·s⁻²; angle de la pente par rapport à l'horizontale $\alpha_{max} = 50°$.

Question 1.8

Question 1.9

N

L'étude menée vise à paramétrer le modèle illustré sur le document réponse DR2.

Question 1.10 (DR2)

Compléter, sur le document réponse DR2 (le bloc à compléter est repéré), l'élément manquant du modèle multi-physique de la force de résistance tangentielle au roulement liée à la gravité $P_x$.

On note $C_f$ le coefficient de frottement des chenilles du robot le long du sol sur le plan incliné. On considère que le système est à l'équilibre et à la limite du glissement. Le coefficient $C_f$ se détermine à l'aide de la formule suivante: $$C_f = \frac{\|\vec{F_x}\|}{\|\vec{F_y}\|}$$

Question 1.11

Question 1.12 (DR2)

Compléter, sur le document réponse DR2 (les blocs à compléter sont repérés), les éléments manquants du modèle multiphysique liés au frottement le long du plan incliné.

Modélisation du système de propulsion du robot Colossus

Après avoir réalisé la modélisation de $F_{Sol/Robot}$, il reste à modéliser la chaine de propulsion du robot Colossus pour simuler le comportement et vérifier la vitesse maximale possible. Le modèle simplifié du système de propulsion et les résultats de la simulation de la vitesse de déplacement des chenilles dans l'environnement extrême sont donnés sur la figure 17.

Question 1.13