IMA3/IMA4 2018/2020 P13

Présentation générale

Description

Sur le marché actuel, on trouve très peu de robots amphibies. En effet, les systèmes de propulsion traditionnellement utilisés ne sont pas adaptés pour fonctionner dans différents environnements. Cependant, de nouvelles techniques voient le jour notamment grâce à l’émergence de la robotique molle (Soft Robotic). Ce nouveau domaine s'inspire fortement de la manière dont les organismes vivants se déplacent et s’adaptent à leur milieu. L'un des objectifs de la robotique déformable est notamment d’accroître la mobilité des systèmes en utilisant des matériaux hautement déformables.

Ce projet consiste donc en la réalisation d'un robot amphibie pouvant se déplacer aussi bien sur la terre ferme qu'en milieu aquatique. Pour ce faire, nous nous inspirons du déplacement de la raie et du serpents. Ces deux animaux se déplacent par ondulation (verticale pour la raie et horizontale pour le serpent). Le robot sera donc munie de deux nageoires ondulantes dont on peut changer l'inclinaison afin de s'adapter a son environnement.

Objectifs

L'objectif est dans un premier temps de concevoir le système de propulsion a l'aide de matériaux déformables. Le mouvement des nageoires sera sinusoïdale contrairement a la raie dont le mouvement serai trop complexe a reproduire étant donne le temps consacré au projet. Le contrôle du robot se fera en boucle fermé donc de manière autonome.

Dans sa globalité, le projet comprend:

-la conception du système de propulsion par ondulation

-la fabrication de l'enveloppe hermétique

-la conception de la carte électronique

-l’intégration des différents capteur nécessaires au fonctionnement autonome

-le développement du programme de navigation (avec reconnaissance du milieu?)

Analyse du projet

Analyse du premier concurrent

Salamandra robotica II (École polytechnique fédérale de Lausanne)

Ses concepteurs se sont inspiré de la salamandre pour fabriquer un robot amphibie capable d’évoluer dans l'eau comme sur terre. Cet amphibien utilise deux modes de locomotion différents en fonction du milieu dans lequel il se trouve. Dans l'eau, son corps ondule: l'animal nage alors à la manière d'une anguille. En revanche, il utilise ses pattes pour se mouvoir sur la terre ferme.

Le robot se compose de dix modules articulés pouvant réaliser des mouvements latéraux. Les neuf premiers ont une forme rectangulaire et intègrent des circuits électriques et des microcontrôleurs. Quant au dernier, il ressemble à une palette natatoire. Les modules 3 et 6 sont en plus équipés d'une paire de pattes repliables.

Les mouvements sont donc coordonnés par un ordinateur principal faisant tourner la modélisation du réseau neuronal des salamandres. Une simple commande pouvant être émise à distance suffit pour changer le mode de locomotion du robot. La vitesse de nage comme sa direction sont également gérées par l'ordinateur central.

Analyse du second concurrent

Velox (PLIANT ENERGY SYSTEMS llC) https://www.pliantenergy.com/

Le robot Velox cumule plusieurs modes de locomotion empruntés au monde du vivant. Équipé d’une seule paire d’ailettes latérales souples qui changent de position selon l’environnement, l’engin est capable « de nager comme une raie, de ramper comme un mille-pattes, de jaillir comme un calamar et de glisser comme un serpent ».

Le secret de ses déplacements réside dans ses appendices ondulatoires. Lorsqu’ils sont alignés à l’horizontale, la machine peut se déplacer sous l’eau. En mode tout-terrain, ses ailettes se positionnent perpendiculairement au sol pour ramper, par exemple, sur des sables mouvants. Ses pédicules caoutchouteux lui permettent également de patiner sur la glace et de slalomer entre les obstacles sur la neige.

Ce robot n’est pour l’instant qu’un prototype mais intéresserait cependant le bureau de la recherche navale américaine pour ravitailler en armes et en matériel des troupes lors d’un débarquement.

Scénario d'usage du produit ou du concept envisagé

En raison de sa forte maniabilité et de son adaptation rapide, le robot peut évoluer dans différents milieux pour les applications suivantes:

- Reconnaissance et recherche de survivants: afin de facilité le travail des secouristes dans une zone sinistrée suite a un tremblement de terre ou une avalanche par exemple.

- Navigation dans des zones marécageuse/sable mouvants.

- Exploration de fonds marins (Résistant à l'enchevêtrement dans les plantes ou autres débris aquatiques).\

Bibliographie et webographie

• Magazine Pour La Science n 402 p66 "Onduler pour avancer"

• Pliant Energy Systems: https://www.pliantenergy.com/

• https://softroboticstoolkit.com/

Préparation du projet

Cahier des charges des équipes

Equipe 1

Damien Tillaux & Vincent Dubois

• Propulsion:

Le robot reprend le principe de propulsion du second concurrent. Pour reproduire ce mouvement sinusoïdale des nageoires artificielles on utilise des servomoteurs alignés de chaque côté du robot. Le nombre de servomoteurs est fixé à 5 de chaque côté afin d'avoir une meilleur stabilité. En effet, pour une période d'oscillation, le robot alterne entre 2 et 3 points d'appuis; l'avantage étant que les point d'appuis du robot sont centrés sur le milieu du chassie ce qui assure une meilleur stabilité.

La solution moteur+arbre est d’emblée éliminé car trop compliquée a mettre en place étant donne nos faibles connaissances en mécanique. De plus, la consommation en énergie des servomoteurs est bien moindre comparée a un moteur(DC).

• Chassie:

Comparée au robot massif et volumineux du deuxième concurrent, nous souhaitons concevoir un robot de plus petit taille et a faible coût... impression 3D peu de matériel embarque pour limiter le poids. dimension: doit pourvoir accueillir 5 servomoteurs alignés de chaque côté L'appareil étant amené a se déplacer dans l'eau, le boîtier de ce dernier doit être étanche. Étant donnée que le projet porte en premier lieu sur les compétences IMA, l’étanchéité du robot fera l'objet d'une étude secondaire avec l'aide de nos confrères en Conception Mécanique.

• Nageoires:

De chaque cote du robot, la pale est attaché aux servomoteurs via une bielle intégrée directement dans le design de la nageoire. cette dernière doit être déformable pour pouvoir s'adapter au mouvement sinusoïdale des servomoteurs. Elle doit aussi avoir une certaine adhérence(mais pas trop) au sol pour permettre au robot d'avancer correctement.

• Contrôle:

Le dispositif a pour but final d'être complètement autonome. Pour cela nous devrons créer un IA qui devra reconnaître son milieux et adapter son déplacement en fonction. Pour ce faire, le robot doit intégrer une camera, des détecteurs d'obstacles ainsi que des capteurs d’humidité pour la reconnaissance de milieux aquatiques. L'appareil doit également être télécommandable pour que l'utilisateur puisse prendre la main sur son déplacement. Nous proposons d’intégrer une télécommande infrarouge au projet (a voire si conflit avec détecteur d'obstacle).

Equipe 2

Eric Agbodjan

L'avantage de fabriquer sa carte électronique est de pouvoir placer où l'on veut ses pins mais aussi mettre uniquement les pins qui vont nous être utiles.

La carte électronique doit pouvoir fonctionner avec : 12 servomoteurs,3 capteurs infrarouges,4 capteurs ultrasons. On doit aussi pourvoir la programmer et la rénitialiser.

La carte doit passer dans le chassis.

De plus cette carte doit être modifiable pour pouvoir intégrer de futur capteurs en plus.

Choix techniques : matériel et logiciel

Equipe 1

• Servomoteurs:

SG90: Avantages: pas chère, léger, peu volumineux, facile a contrôler (PWM) Assez de couple pour soulever le robot?

estimation de la masse total du robot ~ 0,5kg.

Tableau des masses

	Masse (kg)	Quantité	Total
Arduino Mega	0,037	1	0,037
Batterie	0,2	1	0,2
SG90	0,009	10	0,09
Boitier	0,1	1	0,1
Pales	0,01	2	0,02
Capteurs	0,005	1	0,005
			0,497

D’après la datsheet, le SG90 peut développer un couple de 1800g/cm:

Dans le cas le plus défavorable le poids est repartie sur 4 points d'appuie (125g chacun).

On a donc un couple appliqué sur chaque servomoteur C = 125xL g.cm On calcule une largeur de pale L = 1800/125 = 14,4 cm maximal pour ne pas dépasser le couple max développé par les SG90. Etant donné l'estimation de la taille du châssis (~250mm*100mm), la largeur max de nageoire calculée est largement supérieur a l'estimation faite en amont. Validation du choix du servomoteur.

• Contrôle:
  • Camera:

La récupération des images de la camera a distance est impossible a mettre en oeuvre avec une simple carte basée sur l'ATmega. Pour recevoir les images en tant réel, on connecte la camera a carte RaspberryPi capable d’interagir avec un ordinateur via le réseau wifi. La carte RaspberryPi Zero (https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-zero-w/) possède une carte wifi et permet la connexion d'une camera CSI (https://www.raspberrypi.org/products/camera-module-v2/).

• • Détection d'obstacles:

Les capteurs ultrasons généralement vendus avec les cartes Arduino permettent de mesurer une distance et sont souvent utilisés pour la détection d'obstacle. Cependant, d’après notre expérience personnelle, leur fonctionnement ainsi que la précisions des mesures sont douteux. Les capteurs de distance infrarouges paressent être une alternative plus fiable. https://www.phidgets.com/?tier=3&catid=5&pcid=3&prodid=396 (Regarder le montage a mettre en place pour faire marcher le capteur (groupe2)).

• • Détection milieux aquatique:

https://www.robotshop.com/eu/fr/capteur-temperature-humidite-sonde-etanche.html

• • Pilotage manuel:

Equipe 2

Réalisation de la carte Arduino :

matériel :

- 12 servomoteurs (type : SG90)

- 4 capteurs Ultrasons (type : 3942)

- 2 ou 3 capteurs infrarouges ( type TSOP)

- Bouton reset

- led de contrôle ( Alimentation ...)

- Communication USB ( microprocesseur FT232R )

- programmateur ( prog spi avr)

- raspberry pi zero

- Caméra Raspberry Rev 1.3

Nous avons choisi de prendre un microcontroleur atmega2560 pour effectuer notre carte programmable. Ce microprocesseur possède 16 broches PWM ( 12 seront utilisés pour le servomoteurs). Ceci est un avanatge car le robot va devoir porter le chassis donc cela va permettre d'aléger de quelques grammes les palmes.

Le bouton va permettre de rénitialiser la carte s'il y a un problème dessus.

Les leds de controles vont être très utiles car avec ça, nous allons pouvoir repérer les éventuelles problèmes d'alimentation.

Le capteur infrarouge va nous permettre de télécommander le robot via une télécommande.

La carte raspberry pi zéro va servir pour la caméra car nous ne pouvons pas brancher directement la caméra à un arduino. Nous avons choisi cette car elle est petite, pas cher et assez puissante pour faire fonctionner une caméra.

Niveau logiciel, j'ai choisi d'utiliser Altium Designer car on va l'utiliser tout au long du cursus.

Liste des tâches à effectuer

Equipe 1

1) Choix des capteurs/servomoteurs. 2) Premier prototype de châssis (un seul cote = 5 servomoteurs). 3) Algorithme de déplacement (avec 5 servomoteurs seulement). 4) Design et impression de la pale. 5) Tests et ajustements algorithme/pale avec 5 servomoteur. 6) Impression du châssis final. 7) Algorithme de déplacement complet (10 servomoteurs). 8) Télécommande IR. 9) Camera + RaspberryPi. 10) Algorithme de pilotage automatique avec intégration des capteurs. 11) Châssis étanche.

Equipe 2

effectuer la carte électronique (PCB, routage, impression de la carte, test de continuité, implantation des composants, test).

programmation de la raspberry pour la caméra.

réfléchir pour l'alimentation

Calendrier prévisionnel

Equipe 2

mardi 2 et 23 avril : créationdu PCB

mardi 30 avril et 7 mai :routage + modification des pins

mardi 14 mai : dernière modification du routage

mardi 21 mai : impression de la carte, implantation des composants (test de la carte)

Réalisation du Projet

Projet S6

Eventuellement créer des sous-pages par équipe avec le compte-rendu des réunions de groupe sur cette page principale.

Semaine 4

Lors de la séance du 12/02, nous avons défini un premier jet du cahier des charges. En fonction des éléments que nous voulons inclure sur le véhicule, nous avons mis en prévision un masse total des composants (environ 500 gramme).

Pour la méthode de déplacement, nous avons décidé d'utiliser des servomoteurs mais nous devons définir le nombre à inclure sur le robot. Le nombre de servomoteur sera défini à partir de la masse qu'ils devront soulevé en fonction de la longueur des pâles. Nous sommes allé voir M Astori pour savoir si l'idée de mettre 5 servomoteurs de chaque côté était envisageable. Après étude du caractéristique couple/distance de l'arbre des servomoteurs SG90, nous devrions pourvoir réussir à soulever cette masse sans problème. Théoriquement, avec un SG90 qui a un couple de 1.8kg.cm, quand nous sommes au point critique de, donc 4 appuis, chaque servomoteur devra soulever une masse de 125 gramme. Si nous considérons la masse réparti équitablement, avec cette configuration, les pales devrons, au maximum être d'une largeur de 14.4 cm. Toutes ses informations seront retranscrites dans les choix techniques.

Semaine 5

Cette séance était très fortement consacrée à un brainstrorming du groupe de projet pour savoir qu'elle serait les choix techniques au niveau matériel.

• servomoteurs: nous partons sur un model de servomoteur FS90. Ce sont les sevomoteur plus basique que les SG90
• chassi: nous partons dans un premier temps sur la conception d'une moitiée latérale du chassi pour les premiers test à effectuer
• pale du véhicule imprimé par imprimante 3D, avec une structure souple permettant son ondulation.
• capteurs utilisés: au niveaux des capteurs à utiliser nous sommes parti sur une liste simple qui pourra être modifié par la suite
  • tsop et led infra-rouge pour une communication infra-rouge
  • 3 sonnar à l'avant du véhicule pour repérer les obstacles en mode autonome
  • une rasberry Pi pour une communication direct avec l'utilisateur s'il veut passer en mode télécommandé

Semaine 6

La scéance fut principalement réservée pour la remplissage du wiki.

Semaine 7

Durant cette séance, nous avons commencé à programmer les servomoteurs pour avoir une base pour les premiers tests lorsque le chassis sera imprimé.

Pour le chassis, un modèle 3D à été fait est devrait être imprimé pour la semaine prochaine.

Modification des choix techniques: nous avons décidé de changer les sonars par des détecteurs de distance infra-rouge. Ce changement est dû à la différence d'efficacité entre les 2 composants. Les détecteurs infra-rouge on une meilleure précision et un meilleur fonctionnement.

Pendant la séance j'ai effectué des recherches sur le branchement des différents composants ( capteurs de distances, servomoteurs ...) sur l'arduino afin de réaliser le schéma électrique.

Semaine 8

essais TSOP + telecommande IR

J'ai effectué la réalisation du PCB (schéma électrique) sur Altium. J'attends la validation de M.Boé pour passer au routage et voir les éventuelles modifications à effectuer.