Kit Robot

Présentation générale

Description

Il existe de nos jours de nombreux kits d'assemblage de robots programmables.

Ils permettent aux utilisateurs de créer leurs propres robots à l'aide de pièces, de moteurs et de capteurs. Il existe des kits pour tous les niveaux, du débutant à l'expert en robotique ; les robots sont programmables via une application mobile en Bluetooth ou via des langages de programmations (Scratch, C++, Python ...)

Le problème de ces kits est qu'ils sont souvent assez chers et surtout propriétaires. C'est à dire qu'ils ne sont pas Open-Source et que la perspective d'évolution du kit est limitée à la même marque.

Durant notre cursus, nous avons eu l'occasion de tester par exemple les kits MindStorm NXT, Bioloid et MakeBlock.

L'objectif de ce projet est d'y proposer une alternative, en concevant un kit Open-Source (open source en logiciel comme en matériel) permettant l’assemblage d’un robot et une programmation aisée et facilement modifiable à sa convenance.

Objectifs

Pour la réalisation de ce projet nous allons tout d'abord réaliser notre propre carte programmable qui sera le cerveau du robot. Elle permettra de connecter (principalement via RJ12 avec un protocole SPI ou I2C pour faciliter le câblage) les capteurs, les actionneurs, les moteurs, les modules de communication et de les contrôler facilement.

Ensuite nous trouverons un système d’alimentation du robot, proposant une autonomie correcte (par exemple batterie lithium). Nous ajouterons également un système de recharge simple et un régulateur de tension adapté aux besoins des composants du robot.

Ensuite nous allons réaliser ou adapter différents modules électroniques permettant d’aider à la conception des différents modèles (capteurs, actionneurs, modules de communication).

Ensuite nous réaliserons, à l'aide de la Découpeuse Laser et des imprimantes 3D du Fabricarium de l'école, les différentes pièces du Kit qui peuvent être facilement assemblées pour former plusieurs modèles de robots.

Enfin nous réaliserons différentes bibliothèques proposant un outil de programmation et d'utilisation simplifié du modèle et de ses modules.

Le Kit créé pourra être utilisé au club Robotech de Polytech Lille. Il permettra aux nouveaux membres de se familiariser avec la robotique, d'utiliser les machines du Fabricarium et de créer un robot. Il pourra également être utilisé pour la coupe de France à laquelle Robotech participe chaque année. Il constituera une base solide pour la fabrication et la programmation des deux robots (primaire et secondaire)

Analyse du projet

Positionnement par rapport à l'existant

Tous les kits disponibles de nos jours possèdent des points positifs et des points négatifs (autonomie, prix, facilité de programmation, facilité d'assemblage, diversité des modèles disponibles, possibilité d'additionner plusieurs kit...)

Notre kit sera, à l'inverse de la plupart des kits existants, Open Source en matériel et en logiciel.

Les utilisateurs pourront eux-mêmes imprimer les pièces du kit grâce à des fichiers stl (imprimante 3D) et svg (Découpeuse Laser). Ils pourront également reproduire la carte et les différents capteurs, actionneurs, modules de communication grâce aux fichiers partagés et à la liste des composants nécessaires. Cela permettra une économie d'argent considérable et également à l'utilisateur de comprendre en détails avec quels composants sont réalisés tout les éléments du kit et comment ceux-ci fonctionnent. De plus si un élément du Kit ne fonctionne plus ou est défectueux, il suffit de le réimprimer. Ce n'est pas le cas des Kit déjà existants qui ne sont pas Open Sources.

Notre Kit sera simple d'utilisation avec des codes couleurs pour faciliter les branchements et la programmation.

Analyse du premier concurrent

Notre premier concurrent est la marque Makeblock. Cette marque propose différents Kits pour construire des robots.

Nous étudierons ici deux de leurs kits :

Makeblock (mBot V1.1)

Makeblock (Ultimate 2.0)

Robot mBot V1.1 et Ultimate 2.0

Voici les différentes caractéristiques de ces kits:

Connectivité

Type d'interface: Wi-Fi ou Bluetooth
Port de chargement USB
Applications: Arduino IDE
Câbles inclus: LAN (RJ-45), USB

Puissance

Batteries requises
Type de source d'alimentation: Non-rechargeable battery
Tension des piles: 1,5 V
Type de batterie: AA
Nombre de batteries prises en charge: 4 pour le mBot et 6 pour l'Ultimate

Robot mBot V1.1

Caractéristiques

Nombre de moteurs: 4
Nombre de capteurs: 3
Ligne suivante: Oui
Support smartphone à distance: Oui
Support d'application: Oui
Applications: Graphical, Arduino , Python, Node JS, Mblock, Scratch
Chargeur: Oui
Guide de démarrage rapide: Oui
Piles fournies: Non

Ultimate 2.0

Caractéristiques

Nombre de pièces: 40 pièces
Nombre de robots programmables: 1
Chargeur: Oui
Guide de démarrage rapide: Oui
Piles fournies: Non
Nombre de moteurs: 2
Nombre de capteurs: 3
Ligne suivante: Oui
Nombre de haut-parleurs: 1
Compatible avec les effets de lumière: Oui
Couleur de la lumière: Multi
Nombre de DEL d'éclairage: 2
Support smartphone à distance: Oui
Support d'application: Oui

Robot mBot V1.1: Ce Kit est l'un des moins cher du marché (100 euros), il est néanmoins moins complet que certain autres Kit. La marque revendique ce Kit comme étant spécialement conçu pour les enfants. Il permet d'apprendre facilement les bases de la programmation.

Avertissement de sécurité pour le mBot

Pas pour les enfants âgés entre 0 et 3 ans
À utiliser sous la surveillance directe d'un adulte

Ultimate 2.0: Ce Kit propose un ensemble de 10 configurations programmables. Ce Kit n'est pas destiné aux jeunes enfants car il contient de nombreux petits éléments et le montage se fait à l'aide de vis. Ce Kit est au prix de 400 euros.

Avantages des 2 Kits:

Pièces très résistantes et assemblage robuste grâce aux vis
Compatible avec plusieurs moyens et langages de programmation
Compatibles avec des capteurs de marque autre que Mblock
Facile d'utilisation
Prix abordable pour le Robot mBot V1.1

Inconvénients des 2 Kits:

Autonomie limitée
Nombre et types de pièces très limités et non remplaçables pour le Robot mBot V1.1
Non évolutif

Analyse du second concurrent

Notre second concurrent est la marque LEGO. Elle propose des Kits de programmation de robots qui sont plus accessibles aux enfants. Le construction de ce kit est simplifiée: il n'y a pas besoin de vis.

Ces deux kits sont très utilisés pour l'enseignement et l'éducation des sciences et techniques.

Les prix de ces Kits sont autour de 300 euros.

LEGO (Mindstorm EV3)

LEGO (Mindstorm NXT 2.0)

Voici les différentes caractéristiques de ce kit:

Brique intelligente programmable NXT 4 ports d'entrée et 3 ports de sortie de forme proche du standard RJ12
Connexions USB et Bluetooth
Trois servomoteurs interactifs
Quatre capteurs : sonore, photosensible, ultrason, tactile (possibilité d'utiliser d'autres capteurs qui ne sont pas dans le Kit :couleur, autodirecteur infrarouge, gyroscopique, infrarouge, accéléromètre, boussole...)
NXT-G, le logiciel de programmation graphique, basé sur Labview compatible avec Windows et Mac
Alimentation : six piles AA (1,5 V) ; une batterie 9 V est commercialisée par Lego.

Il est possible d'utiliser des accessoires supplémentaires (non fournis dans la boite principale) comme une clé Bluetooth USB, une batterie rechargeable, des moyens de communication Wi-Fi, XBee (modules radio compatibles), des multiplexeurs, des panneaux solaires, des pilotes de relais, des roues holonomiques...

Avantages

Logiciel de programmation simplifié
Facile à assembler

Inconvénients

Capteurs et moteurs propriétaires cher à l'achat
Puissance des actionneurs limitée
Possibilité limitée du nombre de capteurs (4) et d'actionneurs (4) sur un même robot à cause du nombre de ports disponibles

Scénario d'usage du produit ou du concept envisagé

Scénario:

Hervé est en Peip à Lille et il s'est découvert une nouvelle passion pour la Robotique. Il a vu plusieurs reportages et vidéos sur le sujet. Il veut travailler plus tard dans ce domaine. Il décide alors qu'il ira en IMA . En attendant, il décide d'apprendre toutes les facettes de cette discipline. Mais il ne sait pas par quoi commencer. Il veut apprendre étape par étape et se renseigne alors sur des moyens d'apprendre la robotique facilement. Sur internet il découvre l'existence de Kit de robotique programmable qui constitue une excellente base de Robotique et qui sont accessibles aux débutants. Mais ils sont assez chers et il n'a pas les moyens (il est étudiant).

Il découvre alors l'existence du Club "Robotech". Quelle chance ! Les membres du club l'informent de l'existence d'un tout nouveau Kit crée par des étudiants pour leur projet de 4ème année. Hervé se renseigne alors : ce kit est Open Source et il pourra grâce à l'imprimante 3D et la découpeuse Laser du Fab fabriquer les pièces de son Kit. Cela lui permettra également de faire des économies d'argent. Pour ce qui est des capteurs et de la carte, les membres de Robotech (qui sont curieusement principalement des IMA) lui fournissent de l'aide et il pourra tout réaliser à Polytech.

Quelques semaines plus tard, Hervé réalise son premier robot qui est commandable en Bluetooth et possède toute une panoplie de capteurs lui proposant un champs d'application très varié. Il est également très content de la batterie en Lithium du Kit qui assure une bonne autonomie à son robot et qui se recharge très facilement.

Malheureusement il a fait tomber son robot (il est maladroit) et le capteur infrarouge ne fonctionne plus du tout. Pas de soucis ! Grâce au fichier opensource il peut en fabriquer un nouveau facilement.

Au fur et à mesure, Hervé crée les capteurs dont il a besoin et fabrique de nouvelles pièces pour améliorer son robot. Grâce à ce Kit il a pu apprendre à programmer son propre robot et à comprendre comment sont fabriqués les différents capteurs et comment ils fonctionnent.

Un an plus tard, le voilà nommé Secrétaire et Responsable de la communication de Robotech. La date de la compétition phare du club, la Coupe de France de Robotique, approche. Surchargés de travail entre les cours de réseau et d'électronique, les membres du club n'ont pas eu le temps de fabriquer le robot secondaire et il ne leur reste qu'un mois. Hervé décide alors, sur un éclair de génie, d’utiliser de nouveau le Kit : celui-ci est robuste et permettra de confectionner n'importe quel type de robot. L'avantage est qu'il est facilement programmable via l'IDE Arduino pour les jeunes IMA3, et on pourra y brancher énormément de capteurs sans un nombre incalculable de fils qui se prendront dans les roues !

Réponse à la question difficile

Qu'est-ce que notre Kit apportera de nouveau par rapport aux autres?

Notre Kit sera Open Source en logiciel et en matériel. Des bibliothèques seront conçues et des codes déjà implémentés. De plus les fichiers pour créer les pièces et les capteurs seront accessibles. Il sera donc facile pour un étudiant, grâce à tous les moyens mis à disposition à Polytech, de fabriquer tout ce dont il a besoin

Ce kit sera conçu par des étudiants pour des étudiants (Robotech). Nous allons faire notre possible pour pouvoir proposer un Kit contenant les principales pièces et capteurs à un prix abordable.

Pour ce qui est des possibilités d'extension du Kit, nous proposerons plusieurs capteurs et pièces pour ajouter au robot.

Nous allons faciliter la programmation et l'assemblage en utilisant des connectiques adéquates et des codes couleur.

En d'autres termes, nous voulons combiner les avantages de tous ces kits en 1 seul (prix, pièces, Open Source, facilité de programmation...) et les améliorer en proposant la possibilité de produire des pièces de rechange soi même.

Préparation du projet

Cahier des charges

Concevoir des bibliothèques pour faciliter la programmation sur l'IDE Arduino

Proposer des modèles et une programmation simplifiée par blocks

Concevoir les pièces du robot dans un matériel résistant, peu cher et facile à usiner : plexiglass

Créer et/ou modifier des capteurs pour le robot pour être adapté à l'I2C

Créer une carte programmable optimisée permettant le branchement facile des capteurs et actionneurs sur un ATMega2560

Faciliter la construction (code couleur, câbles simples à brancher)

Choix techniques : matériel et logiciel

Matériaux

Plaque de plexiglas 1m2, 4mm d'épaisseur pour des fines pièces
Plaque de plexiglas 1m2, 8mm d'épaisseur pour des pièces plus grosses et résistantes

Actionneurs

Moteur CC + Encodeur + contrôleur moteur
- Motoréducteur + encodeur FIT0520: [1]

Capteurs

1 Capteur de distance par Ultrasons HCSR04: [2]
2 Capteurs de distance par Infrarouges de type SHARP: [3]
1 Gyroscope: [4]
2 Capteurs de lignes: [5]
2 Fin de courses: [6]

Composants électroniques

5 ATTiny85 CMS: [7]
2 ADS1015 : [8]

Autre

Vis M4 12mm,16mm et écrous M4: [9] + [10] + [11]
câbles RJ12
RJ12 femelle
Batterie Lithium-ion + chargeur
Arduino Mega: [12]

Liste des tâches à effectuer

Les différentes tâches à effectuer :

Tâche 1 :Création de la carte principale Après en avoir parlé avec nos enseignants, nous utiliserons comme base de notre carte programmable, un Arduino Mega.

Tâche 2 :Création des pièces Nous avons défini les différents capteurs et actionneurs de notre Kit. Il s'agit maintenant de créer les pièces du Kit pour pouvoir créer son robot selon différents modèles disponibles.

Tâche 3 :Programmation Nous allons créer des bibliothèques pour faciliter la programmation des différents modèles. La programmation se fera avec l'IDE Arduino (langage C) ou avec ArduBlock (langage Java)

Calendrier prévisionnel

Septembre à Décembre

Présentation du projet(description et objectif)
Analyse du projet
Préparation du projet (cahier des charges, matériel)
Discussion avec les encadrants pour valider les différents choix proposés

Janvier

Analyse et répartition des différentes tâches à effectuer
Début de la création de la carte principale
Recherche sur le logiciel Ardublock
Recherche sur le protocole I2C

Février

Fin création de la carte principale et ajout du matériel à commander dans la liste
Création des pièces du Kit (en imprimante 3D et découpeuse laser sur du plexiglas)
Début programmation via IDE Arduino

Mars

Soudure de la carte principale
Création des différentes bibliothèques Arduino
Création ou modification des pièces du Kit (capteurs)

Avril

Création application Bluetooth
(Programmation Ardublock)
Conception de modèles de Robot de base

Mai

Rapport pdf et création d'un manuel d'utilisation pour le Kit
Soutenance

Réalisation du Projet

Feuille d'heures

Les heures indiquées dans ce tableau sont approximatives.

Tâche	Prélude	Heures S1 (14/01)	Heures S2 (21/01)	Heures S3 (28/01)	Heures S4 (04/02)
Analyse du projet	7 h
Création de la carte principale		4h	4h	4h	4h
Création des pièces du KIT	2h				7h
Protocole I2C		4h
Programmation bibliothèques IDE Arduino
Programmation bibliothèque ArduBlock			4h	4h
Programmation Bluetooth et création Application

Prologue

Semaine 1

Carte principale

Nous avons commencé par créer la carte. La première question est de savoir avec quel logiciel nous allions router notre carte(Fritzing ou Eagle). Nous avons décidé de prendre Eagle qui, même si il nous ne l'avons jamais utilisé contrairement à Fritzing, est plus performant pour notre application et est utilisé dans les entreprises de nos jours.

Nous avons effectué des recherches pour pouvoir créer notre carte et nous voulions nous inspirer des cartes Arduino crées dans les BE PEIP. Néanmoins nous voulons comme base un Arduino MEGA, donc nous nous sommes inspirés de schémas sur internet (open source).

Protocole I2C

Ce protocole est très utilisé en Robotique. Il permettra de simplifier le montage du Robot. En effet il y aura moins de fil à connecter!

Le Kit mBot de Makeblock utilise ce protocole par exemple pour un de son capteur de couleurs. De plus, toutes les communications entre la brique intelligente Lego Mindstorms NXT et les capteurs s’effectuent grâce au protocole I2C.

C'est quoi l'I2C?

Il s'agit d'un bus permettant d'échanger des données entre plusieurs systèmes numérique. Généralement, ce type de bus sert à connecter un micro-controlleur (dans notre carte principale) à plusieurs périphériques tel que des afficheurs, des capteurs ou des actionneurs.

Ce bus se compose de 2 fils :

SDA : qui sert à transmettre les données, c’est par cette ligne que transitent les informations échangée entre les deux systèmes.
SCL : qui sert à transmettre une horloge permettant la synchronisation entre les 2 systèmes échangeant des données.

Les systèmes étant numérique, ces fils ne transmettent que des niveaux logiques binaire :

pour transmettre un '0', le périphérique connecte le fil à la ligne de masse Gnd. C’est la référence des potentiels.
pour transmettre un '1', le périphérique ne fait rien et une résistance dite de pull-up se charge d'élever la tension de la ligne au niveau de la tension d'alimentation Vcc. Il permet d’alimenter le capteur.

Principe de fonctionnement

Par défaut, les 2 fils sont au niveau logique '1' grâce à la résistance de pull-up. Pour commencer à transmettre des données, un périphérique met la ligne SDA à l'état '0'. En détectant ce passage à '0', les autres périphériques savent qu'ils vont alors recevoir des données. Après avoir passé la ligne SDA à l'état '0', le périphérique émetteur génère un signal d'horloge sur la ligne SCL en passant alternativement la ligne de '0' à '1' et vice versa. Grace à cette alternance, les autres périphériques peuvent se synchroniser à la même vitesse que le périphérique émetteur. Il ne reste alors plus qu'au périphérique émetteur d'envoyer les bits qu'il souhaite transmettre un à un sur la ligne SDA.

Autre

Nous avons discuté au sujet des différents modèles de Robot que nous pourrions réaliser pour le Kit. Ces modèles seront expliqué dans le manuel et permettront à l'utilisateur d'avoir des modèles de base pour commencer à utiliser notre Kit. Nous allons faire en priorité:

Robot voiture
Robot voiture + pince (le plus utile pour la Coupe de France)

Nous avions également pensé à réaliser d'autres modèles de Robot si nous avons le temps:

Robot qui danse
Robot détecteur (style robotino mais attention au budget)
Robot 2 roue (nécessite un PID)
Robot sans roues (araignée,tortue...)
Robot caméra (attention au budget)

Semaine 2

Nous nous sommes répartis les tâches. L'un s'occupe de continuer l'élaboration de la carte électronique. Pendant ce temps, l'autre s'est informé sur le logiciel Ardublock afin de créer des blocks de programmation dédiés à notre kit de robots.

Carte Principale

Logiciel Ardublock

Logiciel Ardublock

Le logiciel ArduBlock est un plugin qui s’ajoute à l’IDE d'Arduino et qui vous permet de programmer en blocs de fonctions.

Il se code en langage JAVA, nous avons donc commencé à regarder des cours de Java sur Internet.

Nous avons installé l'IDE Eclipse, un environnement de développement destiné au langage Java. Il contient déjà tout le nécessaire pour le développement et la compilation. Nous avons également besoin du JRE (Java Runtime Environment) qui peut traduire le byte code généré lors de la compilation. En effet, lors de la phase de compilation de notre code source, celui-ci prend une forme intermédiaire appelée byte code : c'est un code inintelligible pour notre machine, mais interprétable par la machine virtuelle Java (JRE).

Semaine 3

Nous avons continué de travailler sur la création de la carte principale (début du routage) et nous avons continué les recherches sur la création de blocs sous ArduBlock

Logiciel Ardublock

D'autres recherches sur la création de blocs sous Ardublock nous ont amené à découvrir un nouveau moyen de réaliser ses blocs sans utiliser Eclipse.

Lors du téléchargement de Ardublock nous obtenons une archive. Dans Arduino\tools\ArdublockTool\tool\ardublock-all-20130712\com\adublock\Block nous pouvons créer nos différents blocs en modifiant à 3 fichiers:

ardublock.xml décrire tous les blocs boutons, connexion, choix multiples et autres.

ardublock.properties faire la déclaration pour les noms.

bloc-mapping.properties connecter les « noms » avec des fichiers de classe.

Semaine 4

Nous avons routé la carte principale et commencé à créer des pièces pour le kit.

Carte Principale

Pièce du kit

Nous avons modélisé une vingtaine de pièces avec l'outil de modélisation en ligne TinkerCad. Nous pouvons extraire nos fichiers en .stl pour les pièces en 3D et ainsi les imprimer grâce à l'imprimante 3D du Fabricarium. Enfin, nous pouvons extraire les en .csv pour les fichiers 2D et ainsi pouvoir imprimer nos pièces avec du plexiglas grâce à la découpeuse laser.

Semaine 5