Le projet de recherche financé par une subvention RDC du CRSNG et le CRIAQ est un partenariat entre Bombardier Aéronautique, Bell Helicopter, l'Université de Sherbrooke et l'Université Laval. Le principal objectif de ce projet est d'évaluer le potentiel de remplacer les actionneurs hydromécaniques par des actionneurs électromécaniques pour les commandes de vols primaires du Bell 407. La composante critique de l'actionneur électromécanique visé est un embrayage magnétorhéologique (MR). En effet, le fonctionnement de ce type d'embrayage est bien connu, mais la fiabilité ainsi que la durabilité de cette technologie restent à être prouvées. Le présent projet de maîtrise consiste donc à étudier la fiabilité ainsi que la durabilité d'un embrayage MR utilisé en glissement continu. Dans un premier temps, une analyse de fiabilité du système complet aux composantes (Top-Down) a été réalisée selon les méthodes et les techniques standards (FMEA et FTA) utilisées dans le domaine de l'aéronautique. Le manque d'informations concernant les modes de défaillance et la durabilité des embrayages MR a nécessité une étude expérimentale. Pour ce faire, un banc d'essais de longue durée complètement autonome a été conçu et fabriqué. Au total, 1750 heures de tests en glissement continu ont été réalisées sur des embrayages MR. Il y avait deux objectifs à ces tests. Le premier était d'étudier l'effet des paramètres d'opération (température, vitesse, couple) sur la durée de vie du fluide MR. Le deuxième était d'évaluer l'impact de la dégradation du fluide MR sur les performances d'un embrayage MR. Au final, le projet de recherche a permis de : 1. Évaluer les requis de fiabilité pour chacune des composantes d'un embrayage MR lorsqu'utilisé dans un système d'actuation pour des commandes de vol primaire d'un hélicoptère ; 2. Obtenir une compréhension plus fine du processus de dégradation du fluide MR et l'impact sur les performances des embrayages MR; 3. Doubler la durée de vie des embrayages MR par le développement d'une technique de circulation interne du fluide MR permettant l'utilisation d'un plus grand volume de fluide MR et ce, sans pénalité de poids, de volume et de coût.

Les fluides magnétorhéologiques (MR) sont des fluides intelligents dont la viscosité apparente peut être modifiée rapidement (<1ms) par l'application d'un champ magnétique externe. À l'aide de cette caractéristique unique, les embrayages MR permettent de moduler rapidement un couple entre deux surfaces sans contact mécanique direct. De construction simple et robuste, les embrayages MR offrent ainsi un potentiel remarquable d'innovation pour diverses applications robotiques nécessitant un contrôle rapide et une haute fiabilité, comme dans les domaines de l'automobile [10], de l'aéronautique [16] ou de l'interaction humaine [77]. À ce jour, les embrayages MR exploitent le fluide MR strictement en cisaillement pur. Dans de telles conditions, la densité de couple des embrayages est limitée par l'optimisation de la mécanique des embrayages (ex. : poids) [63] et les propriétés fondamentales des fluides MR (ex. : contrainte) [11]. Alors qu'en cisaillement pur, la contrainte des fluides MR est limitée à ∼100 kPa, des études récentes démontrent qu'elle peut être augmentée d'un ordre de grandeur (>1000 kPa) lorsque le fluide MR est soumis à une compression, avant d'être cisaillé [89]. La combinaison de la compression et du cisaillement du fluide MR pourrait ainsi décupler la densité de couple des embrayages MR, mais ce phénomène d'agrégation assistée par compression, aussi appelé squeeze-strengthening ou super-strong} (SS), est toujours très mal compris. Beaucoup d'incertitude persiste quant à l'origine exacte du phénomène [45], des conditions qui le favorisent [55] [75] et des effets qu'il engendre [31]. Dans le but ultime d'augmenter la densité de couple des embrayages MR à l'aide du phénomène SS, le présent projet de recherche vise à étudier le comportement rhéologique des fluides MR dans des conditions de compression et de cisaillement simultané afin d'en comprendre les conditions qui favorisent le phénomène d'augmentation des contraintes. Pour ce faire, un banc d'essai permettant la compression pure, le cisaillement pur et la compression-cisaillement simultanée des fluides MR est conçu et utilisé pour étudier le fluide MR lorsque soumis à des conditions de chargement typique des embrayages MR. Les résultats expérimentaux issus de cette vaste étude expérimentale permettront d'établir un lien direct entre ce phénomène et le celui de filtration, duquel un modèle prédictif sera proposé. À l'aide du modèle théorique, le phénomène SS sera étudié à l'aide de diverses compositions de fluide MR (ex. : concentration, taille des particules, viscosité) et différentes géométries de compression, ce qui permettra de valoriser le modèle pour la conception préliminaire d'embrayages MR qui exploitent le phénomène SS.

La grande majorité des robots actuels sont utilisés dans le domaine industriel. Ils doivent travailler à l’intérieur d’un environnement contrôlé afin de ne pas blesser les gens qui les entourent. Les robots industriels sont habituellement rigides et ne sont pas adaptés pour travailler dans des environnements non contrôlés. Afin de pallier à ce problème, une nouvelle branche de la robotique est en émergence. Qualifiée de robotique sécuritaire avec les humains, elle permet à des robots de travailler à proximité des humains et par le fait même, d’être utilisés dans plusieurs autres domaines dont l’environnement n’est pas contrôlé. L’utilisation d’actionneurs compliants est une approche utilisée pour la conception de robot souple. La majorité de ces types d’actionneurs possèdent une bande passante limitée en force ce qui est problématique pour plusieurs tâches nécessitant un contrôle à la fois précis en position et en force. Ce projet de maîtrise traite de l’élaboration et du contrôle d’un nouveau concept d’actionneur à grande densité de force utilisant la technologie magnétorhéologique (MR), et ce, dans un embrayage combiné à l’enroulement de tendons. Les embrayages MR permettent d’avoir de larges bandes passantes en force, d’isoler l’inertie du moteur avec le joint externe, de distribuer la puissance d’une seule source d’énergie cinétique et possède une grande densité de force. En combinant les embrayages MR à l’enroulement de tendons, il est possible de repousser la masse du robot à sa base, ce qui réduit grandement l’inertie de la structure du système. En utilisant le fluide MR dans un embrayage, le contrôle du couple est plus simple à implémenter. Par exemple, il est possible d’effectuer des mouvements qui requièrent beaucoup de force dans un court intervalle de temps, tout en étant capable d’effectuer une tâche qui requiert une grande précision de mouvement. Cette combinaison, inexistante actuellement, pourrait mener à des changements importants dans le secteur de la robotique sécuritaire avec les humains et de la robotique mobile. En plus de combiner ces dernières technologies mécaniques, les techniques de contrôle doivent être adaptées afin d’exploiter le plein potentiel de ce type de système. Dans ce mémoire, la conception et la réalisation de prototypes et de techniques de contrôle sont présentés. Pour valider les performances du nouveau type d’actionneur, les performances de bande passante en couple de l’embrayage MR et en force en ajoutant le système de transmission par câble sont illustrées et discutées. Par la suite, un prototype complet utilisant quatre embrayages MR est présenté et caractérisé au niveau de la bande passante en force et en position. En plus de l’aspect mécanique, une technique de contrôle adaptée au nouveau système d’actionnement est présentée. Pour valider et développer l’algorithme de contrôle en position, un prototype utilisant des moteurs électriques est développé. La capacité à s’adapter au changement de configuration du système d’actionneur est illustrée et discutée. Les algorithmes de contrôle sont ensuite validés sur le prototype utilisant les embrayages MR.