La majorité des robots, en particulier ceux utilisés dans l’industrie, sont immobiles. Ces dernières années beaucoup d'attention a été concentrée sur le succès des robots mobiles. Aujourd'hui, le marché commercial de la robotique mobile est toujours relativement restreint. Les applications de ses robots peuvent se trouver dans de nombreuses activités 'épuisantes, salissantes ou dangereuses', mais également pour des applications ludiques ou de service, comme l'assistance aux personnes âgées ou handicapées. L’application visée est la validation d’une conception et sa fabrication en utilisant des matériaux composites comme base du robot mobile. Nous décrivons de manière formelle la structure complète du robot mobile. Cette synthèse aborde l’interaction entre le robot mobile et un partenaire humain distant ou partageant son environnement dans le cadre de la robotique d’assistance à la personne. Une telle interaction s'exprime pleinement dans des situations où l'homme et le robot doivent agir en collaboration pour réaliser une tâche où ils partagent l'espace de travail et se perçoivent directement.  Le succès d’un robot mobile dépend principalement de la bonne adéquation de la plate forme mobile à la stratégie globale que nous avons déterminé. Dans ce travail, quatre aspects fondamentaux de l’étude, conception, fabrication et validation de la base mobile en matériaux composite (polyptère, tissu) du prototype du robot mobile seront abordés. En effet, que ce soit pour un seul individu ou pour toute une équipe, se lancer dans la conception et la réalisation d'un robot est toujours un défi

BENYAHIA, Hamza

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Conception et réalisation de rover en matériaux composites           
M Rover 12  
H. Benyahia, D. Ouinas et M. Sahnoun 
Laboratoire de Modélisation Numérique et Expérimentale des Phénomènes Mécanique, 
Université Ibn Badis BP 188 Mostaganem 27000 Algérie 
 
Résumé :  
La majorité des robots, en particulier ceux utilisés dans l’industrie, sont immobiles. Ces dernières années 
beaucoup d'attention a été concentrée sur le succès des robots mobiles. Aujourd'hui, le marché commercial 
de la robotique mobile est toujours relativement restreint. Les applications de ses robots peuvent se trouver 
dans de nombreuses activités "épuisantes, salissantes ou dangereuses", mais également pour des 
applications ludiques ou de service, comme l'assistance aux personnes âgées ou handicapées. 
L’application visée est la validation d’une conception et sa fabrication en utilisant des matériaux composites 
comme base du robot mobile. Nous décrivons de manière formelle la structure complète du robot mobile. 
Cette synthèse aborde l’interaction entre le robot mobile et un partenaire humain distant ou partageant son 
environnement dans le cadre de la robotique d’assistance à la personne. Une telle interaction s'exprime 
pleinement dans des situations où l'homme et le robot doivent agir en collaboration pour réaliser une tâche 
où ils partagent l'espace de travail et se perçoivent directement.  Le succès d’un robot mobile dépend 
principalement de la bonne adéquation de la plate forme mobile à réaliser. Dans ce travail, quatre aspects 
fondamentaux de l’étude, conception, fabrication et validation de la base mobile en matériaux composites du 
prototype du robot mobile seront abordés. En effet, que ce soit pour un seul individu ou pour toute une 
équipe, se lancer dans la conception et la réalisation d'un robot est toujours un défi. 
 
Abstract : 
The majority of robots, especially those used in industry, are immobile. In recent years much attention has 
been focused on the success of mobile robots. Today, the commercial market of mobile robotics is still 
relatively small. The applications of robots can be found in many activities "exhausting, dirty or dangerous", 
but also for gaming applications or services, such as assistance to the elderly or disabled. 
The success of a mobile robot depends mainly on the good fit of the mobile platform with the overall strategy 
that we have determined. This paper deals with manipulator robot comprising a movable base on which is 
mounted a robot arm provided with a visual sensor. The task is to achieve visual servoing of the manipulator 
arm to capture an object from visual information acquired by camera. Indeed, whether for an individual or a 
team, get into the design and implementation of a robot is always a challenge.. 
Mots clefs : Robot mobile autonome, bras manipulateur, asservissement visuel, comportement 
reactif. 
Introduction  
    Depuis plusieurs décennies, le robot mobile réveille beaucoup d’intérêts et trouve son emploi dans 
diverses  disciplines ou activités de la vie moderne (robots industriels, robots domestiques, robots policiers, 
etc..). Il existe aussi des domaines où l’homme ne peut pas intervenir directement, soit parce que le milieu est 
hostile (nucléaire, sous-marin, spatial, …), soit parce qu’il est inaccessible à son échelle (micromanipulation, 
microchirurgie, chirurgie mini invasive, …). Pour de telles applications, l’homme a recours à des robots [1]. 
A présent, il est possible de classifier le besoin de l’homme pour les robots en deux catégories [4]: 
Besoin de substitution: Le robot doit se substituer totalement l’homme dans l’exécution d’une tache. 
Le rôle de l’homme se limite donc à ordonner le départ de l’exécution de la tâche. Ces types de robots sont 
utilisés principalement pour la production (robots industriels). 
Besoin de coopération: L’aide du robot permet à l’homme d’exécuter des tâches impossibles ou 
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dangereuses   à mains nues, comme par exemple la maintenance d’appareils placés dans des environnements 
hostiles (radioactifs ou chimiquement contaminés) ou l’exploration et l’étude de lieux inaccessibles 
(inspection de canalisations souterraines, l’exploration des planètes...). 
De plus, la conception d’un robot mobile est de nature multidisciplinaire et nécessite, souvent, beaucoup 
d’imagination et de créativité [2]. Cette nature multidisciplinaire s’observe dans l’exploitation de 
l’électronique,  l’instrumentation, la commande en temps réel et l’acquisition des données, les moteurs et la 
conversion de l’énergie, la programmation et surtout la conception mécanique du châssis et de ses 
composantes. 
     L'emploi des composites dans les structures industrielles largement sollicitées (domaine des applications 
militaires ou civiles par exemple) est en évolution permanente. Au début, l'importance de cette tendance était 
dans la diminution en poids du composite par rapport à ceux des métaux (acier, aluminium...). De ce fait, 
notre étude  s’est orientée vers le compromis Design/Poids. Le choix le plus délicat dans la conception avec 
des composites est probablement la sélection du matériau, car il en existe une très grande variété sur le 
marché. Des critères techniques, de production, d'environnement et économiques doivent être considérés  
Notre but principal est de réaliser un robot mobile (M Rover 12) avec une structure en matériaux à matrice: 
polyester et renfort : tissu taffetas [0
0
/90
o
] en fibre de verre-E avec huit couches, embarqué par un PC.  
 
1 Cahier des charges 
Avant de passer à la conception et à la modélisation du système, nous avons défini les charges 
fonctionnelles qu'il devra supporter notre robot: vitesse de déplacement, encombrement, poids maxi...etc. 
 
TABLEAU 1. Contraintes imposées au prototype. 
Designation Poids, longueur, ... 
Masse totale de la structure 
Poids maxi du robot 
18 kg 
65 kg 
Hauteur maxi du robot 1.4 m 
Vitesse maximale 1.6 m/s 
Déplacement du robot Deux degrés de liberté en tout 
temps (x, theta) 
Transmission de puissance Montage et démontage facile 
Distance de commande 100 m 
Roue à utiliser Simple gonflable 
 
Le cahier de charges établi pour assurer la conception du robot envisagé et les plus importantes étapes de 
conception de ses différentes parties sont présentes comme suit [5]: 
 La conception d’un support mobile qui permettra au robot de se déplacer sur un plan horizontal. 
 La conception d’un système d’émission et de réception de données par un réseau à distance Wifi. 
 La conception d’une interface graphique facilitant la commande du robot. 
 L’assemblage des différentes parties afin d’obtenir un système mécanique entièrement fonctionnel. 
Il faut signaler que le poids du robot, les caractéristiques de son déplacement, la communication avec le 
robot à distance et sont les principales contraintes de ce travail. 
 
 
FIG. 1 – M Rover 12, vue d’ensemble. 
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2 Conception et choix des composants du robot mobile 
    Le processus de conception adopté est celui de Abdelmalek et al. [7]. Il se décompose en quatre grandes 
phases, exécutées séquentiellement, présentées sur le schéma suivant [3]: 
 
 
FIG. 2 – Processus de conception. 
 
Notre robot mobile est un ensemble de mécanique associé à l’électronique. La mécanique consiste à 
construire une base roulante (châssis) en matériaux composites qui pourra accueillir l’électronique qui 
permettra la commande de la base et du bras manipulateur. Chaque composant mécanique est complètement 
défini en spécifiant les dimensions, les tolérances de fabrication, les matériaux, les schémas et les plans 
détaillés. Cette phase est accompagnée par la réalisation du robot. Nous avons effectué des phases de 
vérification et de validation des résultats tout le long du processus de conception grâce, d’une part aux tests 
de caractérisation du composite, des simulations numériques et d’autre part par l’observation et la 
manipulation d’une maquette 3D. Durant la phase de conception la principale difficulté est le respect de la 
contrainte des formes géométriques liée à la technique de mise en forme de chaque pièce. Le modèle 
numérique (DAO)  du robot (M Rover 12) avec sa nomenclature et les assemblages ont été réalisés avec le 
logiciel Solidworks modeleur volumique. 
 
FIG. 3 – Modèle numérique, Espace de travail du robot M Rover 12. 
 
Les mécanismes sont représentés en tant qu'assemblages de composants rigides et disposent de peu de 
degrés de liberté. Un solveur numérique résout les équations du mouvement très rapidement.  
Les résultats obtenus comprennent des informations complètes concernant les déplacements, vitesses, 
accélérations, réactions aux liaisons et chargements d'inertie de tous les composants du mécanisme, ainsi que 
la puissance nécessaire pour maintenir le mouvement. Cependant, la résolution d'un tel problème "à la main" 
nécessite des calculs ardus ; même en s'aidant de feuilles de calcul électroniques, plusieurs heures peuvent 
s'avérer nécessaires pour établir les tracés de vitesse et d'accélération. En outre, si la géométrie du système 
est a modifiée par la suite, toute l'opération doit être répétée. Le logiciel de simulation du mouvement rend 
possible la simulation presque instantanée du mouvement du système du bras manipulateur, en utilisant des 
données déjà présentes dans le modèle d'assemblage CAO (Fig.3). L’espace de travail homogène en 
orientation (défini comme l’angle maximum d’ouverture du cône que peut parcourir le bras manipulateur 
tout en permettant une rotation propre autour de son axe d’une valeur identique) dans une coupe de l’espace 
de travail pour différentes structures. 
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Agissant sur la largeur de la partie supérieure du support avec les mêmes conditions aux limites et 
chargement ; l’analyse d’optimisation effectuée nous conduit à une nouvelle géométrie qui s’adapte aux 
conditions précédentes. Afin d’atteindre notre objectif, on s'est proposé de simplifier les éléments de la 
structure, surtout en ce qui concerne les petites pièces secondaires et mécanismes de mis en mouvement. La 
simplification proprement dite a été limité pour les divers mécanismes de commandes ainsi que les éléments 
de fixation (boulons, vis etc..). 
Cette première simplification a donnée lieu à une structure schématisée dans la figure ci-dessous. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIG. 4 – Représentation de la structure simplifiée, maillage et conditions aux limites appliqués à la 
structure du robot. 
 
L'objectif de cette partie étant de vérifier statiquement la résistance et la rigidité de la structure du robot 
"M Rover 12", et cela par un calcul de résistance pour différentes matériaux (composite 1, composite 2, 
aluminium). Cette étude nous permettra surtout de comparer la résistance des différents  châssis en fonction 
de leur légèreté et de leur prix de revient, et cela dans les conditions de chargement les plus défavorables. 
2.1 Vérification de la structure en matériau composite 1 (polyester-mat) 
    Pour bien illustrer les résultats obtenus en déplacements, déformations et contraintes, nous présentons la 
déformée de la structure simplifiée, afin de voir et considérer toutes les zones dangereuses de concentrations 
de contraintes. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIG. 5 – Contraintes de Von Mises et déplacements nodaux. 
 
    Les résultats de l’étude statique vérificative de la structure du robot marcheur nous ont donné grande 
satisfaction, en effet au regard des gradients de contraintes de Von Mises obtenus, nous remarquons que le 
maximum est obtenu au niveau de l’assemblage des roues pivotantes, d’une valeur de 12,96  MPa au nœud: 
78629. La limite élastique donnée au composite 1 (polyester-Mat) étant de : 70 MPa. 
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On conclu que le châssis conçu et élaboré par le composite 1 résiste bien aux sollicitations imposées, car la 
contrainte maximale obtenue est beaucoup plus inférieure par rapport à la limite élastique. 
Le déplacement maximal de la structure en composite 1 est de l’ordre de 9.154.3 mm au nœud 13021, au 
niveau du fond à l’emplacement des batteries. Cette valeur n’étant pas excessive et nous permet aisément de 
statuer sur une structure rigide du châssis. 
2.2 Vérification de la structure en matériau composite 2 (polyester-tissu) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIG. 6 – Contraintes nodales de Von Mises, Déplacements nodaux. 
 
Pour ce deuxième modèle de châssis, les résultats obtenus des contraintes de Von Mises, montrent que le 
maximum est atteint au niveau de l’assemblage des roues pivotantes, de la même façon que pour le châssis 
en composite 1, d’une valeur 4.,52  MPa au nœud 77051. La limite élastique au composite 2 (polyester-
tissus) étant de Re = 103,5 MPa. 
De la même façon que pour le composite 1, le châssis conçu résiste bien aux sollicitations imposées, car la 
contrainte maximale obtenue est très inférieure à la limite élastique. Concernant la rigidité globale, le 
déplacement nodal maximal de la structure est de 4.6541 mm au nœud 16521, au niveau du fond à 
l’emplacement des batteries. Il est clair que cette valeur étant bien inférieure à celle obtenue pour le 
composite 1, nous permet aussi de statuer sur une structure du châssis encore plus rigide. 
2.3 Structure en aluminium  
 
 
 
 
 
 
 
   
 
 
 
FIG. 7 – Contraintes nodales de Von Mises, Déplacements nodaux. 
 
Pour le châssis en aluminium, on remarque que la contrainte de Von Mises maximale obtenue est 
relativement dispersée à travers toute la structure, elle de l’ordre de .4,022  MPa au nœud .6.58. La limite 
élastique de l’aluminium étant de : Re = 76 MPa. 
Nous remarquons que dans cas de l’aluminium, nous sommes à la limite avec la résistance élastique du 
matériau, et donc si on prend un coefficient de sécurité, même très faible, on risque de travailler en dehors de 
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la zone élastique, ce qui est incompatible avec l’analyse linéaire entamée. Concernant la rigidité globale, le 
déplacement nodal maximal de la structure est obtenu au nœud 218... Il est de l’ordre de 0.983562 mm au 
niveau de l’emplacement du bras, cette valeur est biensûre infime par rapport à l’envergure de la structure. 
3 Réalisation de la base du robot mobile 
Le châssis est une base sur laquelle sont disposés les éléments de notre robot mobile, il doit être solide, 
léger et d’une forme adaptée pour notre application. Le choix des matériaux de la base et du bras 
manipulateur fait généralement partie de la procédure, mais dans notre cas les matériaux ont été choisis en 
matériaux composites (polyester/tissu). Après la validation par les tests de caractérisation on passe à la 
procédure de réalisation:  
 
. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIG. 8 – Etapes de la réalisation du robot. 
 
Conclusion 
L’objectif de cette étude était la conception et la réalisation d’un robot mobile à quatre roues comportant 
un bras manipulateur avec une base mobile en matériau composite. Les résultats expérimentaux obtenus sont 
satisfaisants sur les trois aspects abordés (mécanique,  électronique et informatique). 
Nous avons ensuite présenté des outils et méthodes  à la disposition du concepteur pour dimensionner 
correctement ce type de robot en fonction des spécifications du cahier de charges. Ce dimensionnement doit 
être effectué en même temps que la conception du robot afin de tenir compte de toutes les contraintes 
technologiques. Enfin, nous avons présenté trois exemples de matériaux utilisés pour la plate. Ces matériaux 
ont des architectures variées et répondent à des besoins différents.  
On conclu que le châssis conçu est élaboré par le composite (polyptère, tissu) résiste bien aux sollicitations 
imposées, car la contrainte maximale obtenue est très inférieure à sa limite élastique. 
References  
[1] Florian Gosselin: Optimisation des interfaces haptiques : problèmes, méthodes, applications. 17ème 
Congrès Français de Mécanique, Troyes, 29 août – 2 septembre 2005. 
[2] Jean-Luc Bedwani: Atlas multicouches pour robot mobile.Mémoire de DEA, Université de Sherbrooke 
(Québec) Canada. Août2009. 
[3] N.J. Nilson: A mobile automation: An application of artificial intelligence techniques. In IJCAI, pages 
509–520. IJCAI, 1969. 
[4] D. Zanetti, R. Zambelli, M. Ghribi, O. Johnsen, etA. Kad-douri Conception d’un robot mobile 
télécommandé via Internet et Réseau local. IEEE Canadian Review - Fall / Automne 2004. 
[5] S. Perreault: Conception mécanique d’une plate-forme de marche entraînée par câbles, Mémoire de DEA, 
Université laval québec.2007. 
[6] Laurence Nouaille: Démarche de conception de robots médicaux Application à un robot de télé-
échographie. Université d’Orléans, décembre 2009. 
[7] A. Abdelmalek, A. Bensaci: Modelisation du processus de conception etude experimentale du systeme 
compositionnel, instance conception. Courrier du Savoir – N°07, Décembre 2006, 
[8] Stéphane Lens, 3ELIN: Locomotion d'un robot mobile. Mémoire d’ingénieur. Université de Liège - 
Faculté des Sciences Appliquées Institut Montiore, mai 2008. 


Conception et réalisation de rover en matériaux composite M Rover 12

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