vignette| Ballbot de la CMUCMU Ballbot, le premier ballbot réussi, construit par le Ralph HollisProf. Ralph Hollis aux USA en 2005. vignette| Le BallIP, développé par le Masaaki KumagaiProf. Masaaki Kumagai à l'Université Tōhoku gakuin au Japon en 2008 vignette| Le Rezero développé à l'ETH Zurich (Suisse) en 2010 vignette| Le ballbot KugleKugle - Modelling and Control of a Ball-balancing développé à l'Université d'Aalborg au Danemark en 2019 vignette| Le Ballbot CMU avec une paire de bras à 2 degrés de liberté (2011). C'est le premier ballbot à bras. Un robot en équilibre sur boule, plus connu sous le nom de ballbot, est un robot mobile dynamiquement stable conçu pour s'équilibrer sur une seule roue sphérique (c'est-à-dire une boule). Grâce à son point de contact unique avec le sol, un ballbot est omnidirectionnel et donc exceptionnellement agile, maniable et organique en mouvement par rapport aux autres véhicules terrestres. Sa stabilité dynamique permet une navigabilité améliorée dans des environnements étroits, encombrés et dynamiques. Les ballbots fonctionnent sur le même principe que celui d'un pendule inversé.
Historique Le premier ballbot fonctionnel est développé en 2005 par le Ralph Hollis du Robotics Institute de l'Université Carnegie Mellon (CMU), et est breveté en 2010. Le Ballbot CMU est construit pour être à échelle humaine, à la fois en taille et en encombrement. Le Hollis et son groupe à la CMU ont démontré que le ballbot peut être résistant aux perturbations, y compris les coups de pied et les bousculades, et peut également gérer les collisions avec les meubles et les murs. Ils ont montré qu'une variété de comportements d'interactions humain-robot physiques peuvent être développés avec le ballbot, et ont présenté des algorithmes de planification et de contrôle pour obtenir des mouvements rapides, dynamiques et gracieux à l'aide du ballbot. Ils ont également démontré la capacité du ballbot à naviguer de manière autonome dans des environnements humains pour réaliser des tâches de surveillance. Une paire de bras à deux degrés de liberté est ajoutée au Ballbot CMU en 2011, ce qui en fait le premier ballbot au monde doté de bras.
En 2005, à peu près au même moment où CMU Ballbot est présenté, un groupe de chercheurs de l'Université de Tokyo présente la conception d'un fauteuil roulant ballbot, qui s'équilibre sur un ballon de basket et nommé "BB Rider". Cependant, ils n'en rapportent que la conception et ne présenteront jamais de résultats expérimentaux.
Depuis l'introduction du Ballbot CMU en 2005, plusieurs autres groupes à travers le monde ont développé des ballbots. Masaaki Kumagai a développé BallIP en 2008 à l'Université Tohoku Gakuin, au Japon. Kumagai et son groupe ont démontré la capacité des ballbots à transporter des charges et à être utilisés pour le transport coopératif. Ils ont développé un certain nombre de petits ballbots et ont fait la démonstration du transport coopératif en les utilisant. Un groupe d'étudiants en génie mécanique de l'ETH Zurich, en Suisse, a développé Rezero en 2010. Rezero a de nouveau souligné les mouvements rapides et gracieux qui peuvent être réalisés sur les ballbots.
Tomás Arribas (Espagne) a développé en 2008 le premier ballbot utilisant des LEGO Mindstorms NXT, dans le cadre de son projet de Master à l'Université d'AlcalaTomás Arribas (August 2008). https://www.youtube.com/watch?v=FZ5K0tZ2ZOk. Il a développé un projet de simulation avec Microsoft Excel pour simuler facilement le système. Dans le cadre des recherches menées au sein du Groupe de recherche spatiale de l'Université d'Alcalá (SRG-UAH), en Espagne, l'équipe de travail, spécialisée dans le contrôle optimal et la planification appliqués aux systèmes dynamiques non linéaires, a publié en 2012 l'article intitulé "A Monoball Robot Based on LEGO Mindstorms"( S. Sánchez, T. Arribas, M. Gómez and O. Polo, “A Monoball Robot Based on LEGO Mindstorms,” IEEE Control Systems Magazine, vol. 32, no. 2, pp. 71–83, 2012.). Cet article décrit le modèle mathématique et le contrôle de trajectoire comme base pour les systèmes de contrôle instables et non linéaires.
Yorihisa Yamamoto (Japon), s'inspirant du projet de Tomás Arribas, a également développé un ballbot en utilisant LEGO Mindstorms NXT en 2009. Il a créé une démonstration détaillée pour construire, modéliser et créer des contrôleurs à l'aide de MATLAB.
Un groupe d'étudiants en génie mécanique de l'Université d'Adélaïde (Australie) a développé à la fois un ballbot LEGO et un ballbot à grande échelle en 2009. Un groupe d'étudiants de l'Université ITMO (Russie) a introduit un algorithme et construit un ballbot basé sur le kit robotique LegoNXT qui a atteint la stabilité avec seulement deux actionneurs utilisés. Des vidéos sur YouTube présentent des ballbots développés dans le monde entier. Certains d'entre eux ont été développés à l'aide de LEGO Mindstorms NXT.
D'autres conceptions utilisent des roues omnidirectionnelles pour actionner la balle.
Thomas Kølbæk Jespersen (Danemark) a développé le ballbot Kugle dans le cadre de son mémoire de fin d'études à l'Université d'Aalborg en 2019. Équipé de trois moteurs et de roues omnidirectionnelles, d'un Intel NUC embarqué, de deux Lidars SICK, d'un microprocesseur ARM et d'une tablette sur le dessus, le robot est capable de manœuvrer de manière autonome dans des environnements intérieurs et de guider les personnes. Son mémoire de Master et tout le matériel, y compris le code source MATLAB et les implémentations de contrôleur C++ sont accessibles publiquement sur GitHub.
Les ballbots apparaissent également dans le monde de la science-fiction. Le film Wall-E de Pixar en 2008 présente "MO" (Microbe Obliterator), un ballbot de nettoyage. La série télévisée Caprica de Syfy en 2010 présentait "Serge", un ballbot majordome.
Motivation et caractéristiques Historiquement, les robots mobiles ont été conçus pour être statiquement stables, ce qui signifie que le robot n'a pas besoin de dépenser d'énergie lorsqu'il est immobile. Ceci est généralement réalisé grâce à l'utilisation de trois roues ou plus sur une base. Afin d'éviter le basculement, ces robots mobiles statiquement stables ont le plus souvent une large base, pour un grand polygone de sustentation, et beaucoup de poids mort dans la base pour abaisser le centre de gravité. Ils ont également tendance à avoir une faible accélération ou décélération pour éviter le basculement. Les larges bases des robots mobiles statiquement stables compliquent leur navigation dans des environnements humains encombrés. De plus, ces robots ne sont souvent pas holonomes ce qui les rend peu adaptés aux environnements humains.
Le désir de construire des robots mobiles hauts et étroits qui ne basculent pas a conduit au développement de robots mobiles dynamiquement stables comme les ballbots. Un ballbot a généralement un corps qui s'équilibre au-dessus d'une seule roue sphérique (boule). Il forme un système sous-actionné, c'est-à-dire qu'il possède plus de degrés de liberté (DOF) que d'entrées de contrôle indépendantes. La boule est directement contrôlée à l'aide d'actionneurs, alors que le corps n'a pas de contrôle direct pour l'équilibre et la navigation. Le corps est maintenu debout autour de son point d'équilibre instable en contrôlant la boule, de façon comparable au contrôle d'un pendule inversé. Ceci conduit à des déplacements de position limités mais perpétuels du ballbot. L'aspect contre-intuitif du mouvement du ballbot est que pour avancer, le corps doit se pencher vers l'avant, et pour se pencher vers l'avant, la balle doit rouler vers l'arrière. Toutes ces caractéristiques font de la planification des mouvements souhaités du ballbot une tâche difficile. Afin d'obtenir un mouvement en ligne droite vers l'avant, le ballbot doit se pencher en avant pour accélérer et se pencher en arrière pour décélérer. De plus, le ballbot doit se pencher dans les courbes afin de compenser les forces centripètes, ce qui se traduit par des mouvements élégants et gracieux.
Contrairement aux robots mobiles d'équilibrage à deux roues comme le Segway, qui s'équilibrent dans une direction, mais qui ne peuvent pas se déplacer dans la direction latérale, les ballbots sont omnidirectionnels. Ils n'ont pas de rayon de braquage minimal et n'ont pas besoin de l'angle lacet (yaw) pour changer de direction.
Description du système
Principaux paramètres de conception Les paramètres de conception les plus fondamentaux d'un ballbot sont sa hauteur, sa masse, son centre de gravité et le couple maximal que ses actionneurs peuvent fournir. Le choix de ces paramètres détermine le moment d'inertie du robot, l'angle de tangage (pitch) maximal et donc ses performances dynamiques et d'accélération et son agilité. La vitesse maximale est fonction de la puissance de l'actionneur et de ses caractéristiques. Outre le couple maximal, l'angle de tangage est en outre limité par la force maximale qui peut être transmise au sol par les actionneurs. Par conséquent, les coefficients de frottement de toutes les pièces impliquées dans la transmission de la force jouent également un rôle majeur dans la conception du système. De plus, une attention particulière doit être portée au rapport du moment d'inertie du corps du robot et de sa boule afin d'éviter une rotation indésirable de la boule, en particulier lors du lacet (yaw).
Boule et actionnement La boule est l'élément central d'un ballbot puisqu'elle doit transmettre et supporter toutes les forces générées et résister à l'usure mécanique causée par des surfaces de contact rugueuses. Un coefficient de frottement élevé de sa surface et une faible inertie sont indispensables. Le Ballbot CMU utilisent tous les trois une sphère métallique creuse avec un revêtement en polyuréthane. BB Rider utilise un ballon de basket, tandis que BallIP utilisent des boules de bowling recouvertes d'une fine couche de caoutchouc.
Afin de résoudre le problème assez complexe de l'actionnement d'une sphère, une variété de mécanismes d'actionnement différents ont été introduits. Le Ballbot CMU a utilisé un mécanisme de boule de souris inversé. Contrairement à la boule de souris traditionnelle qui entraîne les rouleaux de la souris pour fournir une entrée informatique, l'entraînement par boule de souris inversée utilise quatre rouleaux pour entraîner la boule, chaque rouleau étant actionné par un moteur électrique indépendant. Afin d'obtenir un mouvement de lacet (yaw), le Ballbot CMU utilise un assemblage de roulement et de collecteur tournant et un moteur séparé pour faire tourner le corps sur le dessus de la balle. Le Ballbot Lego a également utilisé une boule de souris inversée, mais utilisait des roues normales pour entraîner la balle au lieu de rouleaux.