Robots mobiles pour Arduino

Cahier des charges

Présentation générale du projet

Contexte

La robotique est un moyen ludique de se rapprocher de matières telles que l'informatique, l'électronique, la mécanique, etc. C'est pourquoi nous avons trouvé intéressant de créer un outil plus attirant pour les nouvelles générations dans leur découverte des nouvelles technologies. Nous avons choisi de concevoir un robot mobile capable de mettre en oeuvre ces matières.

Objectif

Notre objectif au terme de ce projet est de réaliser un robot éducatif, facile à monter et bon marché. Il devra rassembler des éléments permettant de réaliser des expériences amusantes de découvertes de la robotique, l'électronique et l'informatique.

Description du projet

Pour créer notre robot, nos encadrants nous ont conseillé de s'inspirer d'un kit voiture Arduino déjà conçu et disponible à l'école. L'objectif est de créer notre propre kit made in Polytech utilisable par le grand public, même des enfants. Nous voulons donc concevoir un robot capable d'interagir avec son environnement au moyen de capteurs. Il sera commandé à l'aide de différents programmes C qui auront pour intérêt de mettre en valeur une des matières citée plus haut. Nous pouvons diviser notre travail en trois parties principales :

• la conception d'une base mécanique pour un robot 4 roues pilotable par ces moteurs ;

• la création d'une plateforme robotique simple avec électronique de commande et microcontroleur. Nous irons au fabricarium pour découper les pièces nécessaires, en fonction du matériel que l'on souhaite embarquer ;

• l'écriture d'une bibliothèque sur Ardublock, permettant l'utilisation du robot et ces différentes fonctionnalités, pour un extérieur au projet

Plus spécifiquement, notre robot devra embarquer un certain nombre d'éléments pour son utilisation. Tout d'abord, la partie mécanique nous permettra d'asservir les moteurs. Pour cela, il est impératif d'utiliser des réducteurs de vitesse pour contrôler sa rotation. Nos recherches nous orientent vers l'utilisation d'engrenages comme le montre le schéma ci-dessous. Par la suite nous déterminerons la taille des engrenages en fonction du rapport couple d'entrée sur couple de sortie.

Ensuite nous "designerons" une plateforme capable de prendre en charge les moteurs, capteurs et cartes nécessaires à son fonctionnement. Nous essayerons de donner à notre robot quelques capacités d'une voiture automatique. Par exemple, il pourra détecter le niveau de luminosité et décider d'allumer automatiquement les phares. Ou encore, éviter les obstacles grâce à son capteur de distance, et même émettre un son répétitif de prévention des collisions.

Choix techniques

Matériel

• 2 moteurs
• 1 capteur ultrasons
• 1 capteur de température
• 1 capteur de lumière
• Un boitier de 4 piles AA
• 4 résistances de 330 Ω
• 4 transistors
• 4 diodes
• 1 haut parleur
• 2 leds rouges
• 2 leds jaunes
• 1 breadboard
• Un arduino UNO
• 1 kit arduino

Logiciel

• Ardublock
• Arduino IDE (utilisant le langage C)
• AutoCAD pour le design de nos pièces

Utile

• imprimante 3D pour concevoir la base ou des pièces manquantes du robot

Communication

Nous avons eu un premier contact par mail avec nos encadrants Mme Pichonat et Me Boé, qui nous ont expliqué plus en détail les attentes pour ce projet. Ils nous ont aussi donné des pistes sur le matériel à utiliser. Une rencontre est prévue lundi prochain afin de discuter du projet et de sa réalisation.

Après notre rencontre avec nos encadrants, nous avons pu revisiter notre cahier des charges. Nous avons apporter des modifications sur le concept du robot et avons précisé le matériel nécessaire. Mme Pichonat nous a fais une démonstration du logiciel Ardublock, ce qui nous a permis de comprendre quelle genre de bibliothèque serait accessible aux utilisateurs du robot.

Dans les semaines qui suivent, nous définirons les paramètres des composants utilisés, comme par exemple les dimensions des engrenages, la puissance des moteurs, la limite d'utilisation des capteurs, etc, afin de créer un robot peu couteux et pratique.

Déroulement du projet

Réalisation mécanique

La première semaine nous a servi à rassembler les informations récoltées au cours des semaines précédentes afin de cerner les différentes tâches à effectuer.Notamment un tuto pour la réalisation de réducteurs fournis par 2 étudiants en CM5... Nous avons deux grandes étapes à réaliser:

1. Conception du châssis du robot
Notre objectif est de créer une partie basse au niveau de l'axe des roues qui prendra en compte le matériel à embarquer sur le robot. Ainsi qu'une partie haute qui protégera le matériel.

2. Conception des réducteur de vitesse

Nous utiliserons l'imprimante 3D pour la conception des différentes pièces.

Semaine 1

Nous avons pu établir la liste précise de matériel à commander.
Puis nous avons fait les calculs nécessaires pour la réalisation des réducteurs de vitesse, en nous servant du tuto suivant:

Fichier:Tuto reducteur.pdf

Nous avons fait un premier essai de dimensionnement.

Engrenage du MCC:
angle de pression = 20°
dents = 10
module = 0.5
diamètre D(mcc) = 6.02mm
En suivant le tuto, nous avons obtenu les valeurs suivantes pour nos dimètres et nombre de dents des roues:
Z1=20 ; D1=12
Z2=10 ; D2=6
Z3=34 ; D3=20.4

Essai sur logiciel de modélisation mécanique AutoCAD, dans le but de créer les pièces à l'I3D.

Semaine 2

Modélisation des engrenages sur AutoCAD.

Validation de la liste du matériel.

Utilisation du logiciel Arduino IDE. Test avec un programme de commande d'un moteur.

Essai d'impreesion 3D d'une roue dentée. Mais à refaire car dimensionnement des dents a été mal fait. Redimensionnement de tous les engrenages pour correspondre au moteur remis par notre tuteur.

Semaine 3

Au cours de cette semaine, nous avons continué les tests de l'imprimante 3D en imprimant cette fois un double engrenage fait sur FreeCad.

Semaine 4

Après avoir réfléchi à l'aspect esthétique de notre robot, nous avons repensé la forme de nos réducteurs afin qu'il soient protégés par un support qui soit ensuite intégré à la plateforme basse du robot. Nous avons par la suite redimensionné les engrenages avec la mesure des moteurs reçus. Voilà comment nous avons procédé:

Nous avons commencé par modéliser le modèle complet de notre réducteur

En bleu :Le support extérieure avec protection pour le petit moteur CC
En vert : Les engrenages du réducteur
En magenta : Le moteur CC
En gris : Les axes de rotation des engrenages
En jaune : La roue

Dimensions du support

Les carrés : 50mm x 50mm x 5mm
Les axes de connexion : 4mm rayon x 31mm
Le support du moteur : 8mm rayon externe / 6mm rayon interne x 33mm
Les trous pour les axes des engrenages : 1,7mm rayon x 5mm
Le trou pour la roue : 5,3mm rayon x 5mm

Dans un tutoriel trouvé sur internet, nous avons découvert un moyen de créer des engrenages plus rapidement à l'aide du logiciel FreeCad. Avec l'option Involute Gear, il suffit de rentrer les paramètres des roues (nombre de dents, angles de pression, module, engrenage externe ou interne) que nous avons déterminé grâce à la datasheet de notre MCC. En effet, pour que des roues s'engrènent parfaitement, il faut qu'elles aient le même module, le même angle de pression. Nous avons dû prendre en main ce nouveau logiciel, mais la création d'engrenage a été grandement facilitée.

Semaine 5

Afin de réaliser un robot le moins coûteux et le plus home-made possible, nous avons décidé de réaliser nous-mêmes les roues. Pour cela, nous avons pensé à des jantes circulaires imprimées en 3D recouvertes de 3 couches de ruban mousse adhésive simple face. Nous avons aussi réfléchi au design du corps de notre robot. Comme prévu, nous l'avons conçu en deux parties, qui intégreront chacune une partie du matériel à embarquer.

Semaine 6

Nous avons imprimé toutes les pièces du réducteur. En discutant avec des membres de robotech, qui ont l'habitude de développer des robots mobiles, nous nous sommes rendus compte que pour que nos moteurs puissent tourner dans les deux sens, il nous fallait ajouter un pont en H à l'entrée du moteur. Principe:
C'est un système d'interrupteurs qui conduiraient le courant dans un sens du moteur puis dans l'autre. Pour que le moteur tourne dans un sens, on ferme les interrupteurs K1 et K4.
Pour qu'il tourne dans le sens inverse, on ferme K2 et K3.
On peut aussi freiner le moteur en fermant les interrupteurs K1 et K2.

Les difficultés rencontrées

La conception du robot passait par une réalisation mécanique. Ainsi, nous avons dû modéliser l'ensemble de nos pièces sur un logiciel adapté (plusieurs même) ce qui était une grande première pour nous. Il nous a aussi fallut faire des recherches sur la conception des réducteurs de vitesse pour nos moteurs. Plusieurs tests ont été nécessaires avant de trouver les bonnes dimensions. L'utilisation de l'imprimante 3D était aussi une première. Quelques ratés au début nous ont permis d'éviter les erreurs par la suite et les heures d'impression pour rien.