Avancée du prototypage au 26/09/2017 :

Partie Mécanique :

Dans l’attente de la réception des bruts et des outils, nous avons préparer la fabrication des pièces pour que tout se passe au mieux :

• En réalisant la CFAO des pièces à usiner dans la plaque de 5mm
• En prenant en main le tour numérique de l’école
• En réalisant les programmes de fabrication des pièces

Image 1 : Prise en main du tour numérique

Image 2 : Programmation des pièces à fabriquer

Nous avons aussi commencé à réaliser les pièces les plus simples à l’aide du tour conventionnel.

Image 3 : Usinage au tour conventionnel (L’élève n’a pas dépassé le maître…)

Partie Electrique :

Pour la partie électrique, l’équipe a réalisé un montage de test de fonctionnement du programme. Puis à entamer la rédaction de celui-ci en testant les différents modules et sous-programmes. Le but de ce programme était de piloter les moteurs de manière simultanée ou indépendante à l’aide de la manette de commande et ainsi simuler les différents comportement futurs du Rica IV.

Image 4 : Programmation et test moteurs

Ce montage de test a été réalisé à partir de matériel disponible à l’école, dont un carte électronique, quelques câbles et plusieurs moteurs.

Image 5 : Réalisation du montage de test

L’équipe en charge de la partie électrique a aussi travaillé sur la conception des cartes électroniques à fabriquer pour le robot.

Image 6 : Conception électronique assistée par ordinateur

En parallèle de ces tâches, yoan s’est chargé de finaliser notre planning de réalisation du prototype pour les 3 prochaines périodes écoles, puis de réaliser les fiches de spécifications de Tests du fonctionnement de notre prototype.

Image 7 : Finalisation du planning

Avancement du prototypage

Nous voilà de retour d’entreprise, prêts à reprendre le prototypage de notre robot. Nous avons présenté les plans de fabrications à nos référents ainsi que le planning à suivre. Suite à cette réunion, nous avons effectué quelques modifications sur certaines pièces pour faciliter et permettre leur réalisation à l’école. Nous avons cependant dû prendre contact avec une entreprise extérieure pour la réalisation de nos rainures de clavette car l’école n’était pas équipée.

Nous avons aussi pris le temps de faire un bilan sur les commandes passées. Malheureusement, de nombreuses pièces ne sont pas arrivées et nous sommes contraints d’attendre pour pouvoir lancer toutes les fabrications.

En revanche les pièces à réaliser en impression 3D sont terminées.  

Figure 1 : Pièces d’Impression 3D

Dans un même temps, l’équipe en charge de la partie électrique/électronique et commande a commencé à tester le matériel de commande (Manette Xbox) via la carte Arduino, puis commence dorénavant à réaliser le convertisseur 24/5V pour les alimentations de moteurs de notre robot.

Figure 2 : Matériel électronique testé

Maquette Numérique

Suite aux différents dimensionnements, nous avons ensuite pu passer à la réalisation de la maquette numérique finale sous CatiaV5. Cette étape a été longue et a demandé énormément de rigueur pour suivre les modifications et adapter les géométries à nos contraintes budgétaires et à nos capacités de fabrications.

Figure 1 : Maquette Numérique Finale

Dans un même temps, une partie de l’équipe a été chargée de réaliser la totalité des plans des pièces à fabriquer tout en définissant les méthodes de fabrications :

Figure 2 : Plan des pièces à fabriquer

Pour la réalisation de notre prototype, nous aurons une partie d’usinage de pièces en aluminium et en acier, réalisées principalement au tour et à la fraiseuse numérique.

A la suite de quoi nous avons passé toutes les commandes de pièces auprès des fournisseurs nécessaires à la fabrication de notre prototype :

• Matériel électronique (cartes, commande, composants, …)
• Eléments mécanique du commerce (quincaillerie, pignon, roue, etc.…)
• Bruts pour usinage (acier, aluminium, etc…)

Pour clôturer ces étapes nous avons réalisé un planning complet de fabrication et de montage de notre prototype. Objectif ➔ Février 2018.

Dimensionnement des moteurs

Toute la partie motorisation est cruciale dans la conception du prototype du RICA, plus précisément les bras puisque sans eux le franchissement d’obstacle en devient alors impossible. Pour l’étude de notre prototype, nous avons estimé que l’ensemble des composants ferait une masse totale de 30 kg. Donc dans le but de limiter les prix et le dimensionnement de notre système.

Nous allons utiliser des moto-réducteurs à courant continu ayant une tension d’alimentation de 24V pour des raisons de praticités.

Moteurs d’entrainement (4&1) :

Dans le cadre de la motorisation des chenilles principales, afin de dimensionner nos moteurs, il faut se placer dans le cas le plus défavorable que l’on pourrait rencontrer. Nous avons décidé de dimensionner nos moteurs dans le cas où le prototype du RICA devrait franchir un escalier avec comme longueur de marche 28 cm et une hauteur de marche de 30 cm. Cela revient à monter une pente de 47° lorsque le robot a ses appuis à l’avant et à l’arrière en contact avec les marches. Pour notre étude nous avons arrondi à 50° ce qui nous permet de nous rajouter plus de sécurité.

Sans oublier que nous devons garantir une vitesse de déplacement du robot de 5m/min ce qui impose une vitesse de rotation en sortie d’arbre moteur.

Moteurs des flippers (2&3) :

La motorisation des bras de notre prototype va être importante puisque sous dimensionné il risque de ne plus répondre aux besoins et donc de ne plus être capable de franchir les obstacles.

Nous avons décidé de dimensionner les moteurs des bras dans le cas où il devrait franchir un escalier.

Le couple maximal à vaincre peut se calculer lorsque les bras du robot, dans notre cas ceux à l’avant, forme un angle de 0 degré avec le corps du robot (les chenilles principales).

Un simple calcul de bras de levier nous aurait permis de calculer le couple résistant permettant de rester dans cette position.

Cependant, ce n’est pas suffisant pour franchir la marche puisque lors du déplacement, il y aura une force d’inertie liée à l’accélération du robot en plus. Afin d’obtenir ce couple maximal, nous avons décidé de simuler le franchissement de l’obstacle en réalisant une modélisation sur CATIA V5 et d’étudier le système de manière analytique avec Sim Designer.

Suite à cette simulation nous obtenons directement dans les variables observables l’évolution du couple nécessaire dans la liaison pour réussir le mouvement.

Ainsi, à l’aide de calculs analytiques ou de simulations, il nous a été possible de déterminer les moto-réducteurs à implémenter sur notre robot pour que ce dernier réponde au cahier des charges.

Dimensionnement des bras du RICA IV

Comme vous avez pu le voir sur l’article précédent, notre prototype du RICA IV possède des bras à l’avant et à l’arrière.  Ces bras lui permettront de monter les différents obstacles qui se trouveront sur son passage.

Ces bras étant une partie important de notre système, nous avons donc réalisé des calculs de dimensionnement.

Par exemple, nous avons dimensionné le support de bras qui  représente la partie maintenant  en position les roues de courroie.

Pour vérifier que notre support résiste aux efforts qui lui seront appliqués durant son utilisation, une étude par éléments finis à l’aide du logiciel ANSYS a été réalisée.  

ANSYS est un logiciel de dimensionnement des structures. En simplifier,  il calcul les contraintes subies par la pièce. Via ces contraintes, il peut prédire les déformations subies par la pièce et les points sensibles.

Pour réaliser une étude sur ce logiciel, nous devons prendre en compte prendre en compte les paramètres suivant :

• la matière de la pièce, ici un acier avec les propriétés suivantes

• les efforts appliqués sur celle-ci : soit le poids du prototype d’environs 30 kg
• sa géométrie

Une fois tous ces paramètres rentrés dans le logiciel, nous devons réaliser un maillage.  Le maillage consiste à mettre en place des formes géométriques triangulaires ou quadrilatère sur l’intégralité de la pièce. Puis à chaque extrémité de ces formes, le logiciel devra réaliser un calcul des efforts subis en ce point.  

Le maillage de notre pièce est donc les suivants :

Apres avoir réalisé le maillage, on lance le calcul ce qui nous permet d’obtenir les résultats suivants :

Sur cette simulation, on peut observer la déformation.  Nous savons donc cette pièce aura un déplacement maximum de 0,6 mm dans le cas où elle doit porter l’intégralité du poids du prototype.  

Sur cette simulation, on peut observer les contraintes dans la pièce. Le support de bras subit de forte contraint au niveau des perçages. Cependant ces contraintes sont faibles, maximum 316 MPa et un acier peut supporter jusqu’à 415 MPa .

Grâce à ces simulations, on peut dire de notre support est correctement dimensionné et résistera aux différents efforts durant son utilisation. 

Prototypage

Suite à notre étude en ingénierie système avec l’étude des besoins et des exigences du client, notre équipe rentre enfin dans l’étape de conception.

L’école nous a donné pour objectif de réaliser un prototype du RICA IV qui franchirait une marche de 30 cm. Pour cela, une équipe enseignante a été mise en place pour nous aider dans nos choix techniques et nous avons libre accès à la plateforme avec l’ensemble des machines présentes telle que :

Pour le prototypage du RICA IV, nous avons dû faire des choix pour rentrer dans le budget alloué par l’école. Nous avons donc décidé de nous limiter au prototypage de la base mobile (la partie permettant le déplacement) du RICA IV et le système de commande de cette base.

Après avoir fait ce choix, nous devions trouver une solution répondant à notre exigence principale, la montée d’une marche de 30cm. Nous avons donc fait le choix de nous inspirer du robot Sakura envoyé pour investiguer dans la centrale nucléaire de Fukushima.   

 

Notre prototype sera équipé de quatre bras lui permettant de franchir les différents obstacles et de deux chenilles principales pour les déplacements sur le sol plat. Maintenant que nous savons dans quelle direction nous partons, nous devons réaliser les différentes études de dimensionnement et la conception globale de notre prototype. Ces études vous seront présentées dans les prochains articles.

Cellule de test

Comme vous avez pu le comprendre dans les précédents articles, le robot RICA IV a pour objectif d’investiguer et d’intervenir dans des cellules aveugles.  Avant de le livrer notre prototype de RICA à notre client, le CEA, il devra passer des qualifications. Pour cela, nous allons créer une cellule de test.

La cellule 55 

A la demande du client,  nous devons reproduire une cellule aveugle déjà existante et sur laquelle des interventions ont déjà été menées, la cellule 55.  Le CEA a déjà récolté plusieurs informations sur cette cellule, comme la présence d’huile sur le sol ce qui pose des problèmes d’adhérence ou encore la présence d’une fosse au niveau de l’entrée de la cellule. Il faut savoir que le CEA a obtenue ces informations en cartographiant la cellule depuis le haut et depuis l’entré de la cellule. Ils n’ont pas pu accéder à l’intérieur de la cellule car le RICA III n’était pas capable franchir la fosse et donc risquait de devenir un déchet si la tentative de franchissement échouait.

Ci-dessous, vous pouvez voir les photos prises de la cellule par le CEA :

Entrée de la cellule

Schéma vue de côté de la cellule 55

Notre banc de test

Afin de tester notre RICA IV, nous avons décidé d’apporter quelques modifications à la cellule 55.  Il faut savoir que de nombreux obstacles sont nécessaires à la validation de notre cahier des charges et la plupart ne sont actuellement pas présents dans cette cellule. Par exemple, aucun escalier n’est présent hors c’est le principal objectif de notre RICA IV.

Banc de test

Comme vous pouvez le voir sur l’image ci-dessus, nous avons rajouté de nombreux obstacles qui seront modulables. Pour le test d’adhérence, nous avons suggéré que la pente et le type de matériau soit modifiable. Nous pourrons donc définir les limites d’adhérence de notre RICA IV sur différentes matières et déterminer jusqu’à quel angle nous avons encore le contrôle sur celui –ci.

Il faut savoir que sur ce banc de test, les tests liés à la résistance aux radiations ne seront pas effectués. Notre banc de test sera construit dans l’enceinte de l’école, une source de radiation serait donc dangereux à mettre en place. De plus, nous ne sommes pas assez qualifiés pour valider ce type de test alors que le CEA est un expert.

Pour conclure, cette cellule de test devrait être construite après la fin de nos études, nous ne pourrons donc pas assister aux tests complets de notre prototype. Mais nous réaliserons la conception entière de cette cellule.

Robot pousseur : Partie 3 SOFTWARE

Afin que vous compreniez comment nous avons raisonné afin de programmer le comportement des différents robots nous avons décidé de vous exposer une des stratégies employées par un des groupes de notre promotion.

Les différents programmes qui vous seront expliqués par la suite ont été programmés sur le logiciel Arduino en C (Langage de programmation).

Comme expliqué dans l’article « Robot pousseur : Partie 2 Hardware », les robots sont équipés de 2 interrupteurs (voir photo ci-dessous) nous offrant la possibilité de choisir son programme de fonctionnement.

Le programme principal nous permet donc de choisir le sous programme en fonction des conditions suivantes :

Si les deux interrupteurs sont éteints alors aucun programme n’est activé.

Si le l’interrupteur 1 est activé alors le programme du suivi robot sumo côté gauche (voir 2ème sous programme) est activé.

Si l’interrupteur 2 est activé alors le programme du suivi robot sumo côté droit (voir 2ème sous programme) est activé.

Si les deux interrupteurs sont activés en même temps alors le programme suivi du RICA (voir 1er sous programme) est activé.

1er sous programme : Suivi du RICA

Principe de fonctionnement

                     

Le principe du programme est le suivant :

Si le robot voit un objet se trouvant dans la plage de fonctionnement  (comprise entre 11 cm et 75 cm) alors :

Si l’objet est compris dans cette plage, le robot sumo va avancer jusqu’à être à une distance de 11 cm de l’objet pour enfin s’arrêter.

Une fois disposés de telle sorte qu’il y est une distance de 11 cm alors :

Si l’objet avance, le robot va avancer.

Si l’objet recule, alors il va reculer.

Dans ce programme, les vitesses du moteurs sont directement liés (proportionnelles) aux informations des capteurs que le robot sumo perçoit, ce qui lui permet donc d’avancer, de reculer et de tourner.

Si le robot ne voit aucun objet alors il est à l’arrêt.

Logigramme correspondant au suivi RICA:

                                                                  

2ème sous programme : Suivi des robots sumo côté droit et gauche 

Principe de fonctionnement

    

Lors de son fonctionnement normal, le robot sumo doit être à une distance d’un autre robot sumo compris dans la plage 2, soit entre 7 et 8 cm.

Le robot sumo avance ou recule seulement lorsqu’un des deux capteurs perd de vue le robot sumo cible.

1er cas de figure : le robot sumo cible est compris à une distance respectant la plage 2 alors :

    Dans cette plage, la vitesse du moteur gauche = vitesse du moteur droit

Si le robot sumo cible avance de telle sorte que le capteur arrière droit de notre robot sumo le perde de vue alors celui si va reculer jusqu’à ce que les deux capteurs voient le robot sumo cible.

Si le robot sumo cible recule de telle sorte que le capteur avant droit de notre robot sumo le perdre de vue alors celui si va avancer jusqu’à ce que les deux capteurs voient le robot sumo cible.

Dans le cas où notre robot sumo est à l’arrêt et que le robot sumo cible pivote sur place, notre robot sumo va alors pivoter lui aussi afin d’être aligné par rapport au robot sumo cible.

2ième cas de figure : le robot sumo cible se rapproche de notre robot sumo et entre dans la plage 1 alors :

    Si le robot sumo cible avance et tourne  vers la gauche (simulé par la flèche rouge) de sorte à entrer dans la plage 1. La configuration est la suivante : 

                     

Le capteur avant droit de notre robot sumo voit le robot sumo cible se rapprocher. Il va alors vouloir s’en éloigner pour garder une certaine distance et se ramener finalement à la plage 2.

Pour se faire, la vitesse du moteur droit va être plus importante que celle du moteur gauche, lui permettant donc de tourner vers la gauche et de suivre le mouvement du robot sumo cible.

Il en va de même si le robot sumo cible recule et tourne vers la gauche. 

                      

3ième  cas de figure : le robot sumo cible s’éloigne de notre robot sumo et entre dans la plage 3 alors :

    Si le robot sumo cible avance et tourne  vers la droite (simulé par la flèche rouge) de sorte à entrer dans la plage 3. La configuration est la suivante :

                

Le capteur avant droit de notre robot sumo voit le robot sumo cible s’éloigner. Il va alors vouloir s’en rapprocher pour garder une certaine distance et se ramener finalement à la plage 2.

Pour se faire, la vitesse du moteur gauche va être plus importante que celle du moteur droit, lui permettant donc de tourner vers la droite et de suivre le mouvement du robot sumo cible.

Le principe est le même si le robot sumo cible recule et tourne vers la droite.

                 

Note : Le fonctionnement du suivi des robots sumo côté gauche reprend exactement les mêmes principes, nous n’avons donc pas pris la peine de le détailler.

Logigramme correspondant au suivi des robots sumo:

Note : Les valeurs numériques indiquées que vous avez pu voir sont celles que l’on a obtenues après avoir étudié les divers composants électroniques.