De plus, une fonctionnalité facultative consiste à offrir la possibilité de régler la vitesse de déplacement du robot via l'interface utilisateur. Cela permet d'ajuster la vitesse de tracé en fonction des besoins spécifiques de chaque dessin.
**Fonctions contraintes** Les contraintes imposées pour le projet Robot Écrivain sont : - Respect des règles d'utilisation du FABLAB de Sorbonne Université - Utilisation de composants (moteurs, contrôleurs, boutons, éléments de guidage, alimentation stabilisée, boutons, etc.) parmi un ensemble imposé. - Fabrication des pièces grâce au Machine à découpe LASER et Imprimantes RAISE 3D PRO2. - Programmation en C utilisant la chaîne de développement Arduino IDE. **Liste des composants et matériels disponibles** - Un crayon - Interface de commande : - Une carte Arduino UNO avec câble USB-B; - Un joystick: - Une platine de prototypage; - Alimentation régulée 5V ; - Câbles, LEDs, boutons poussoirs, résistances. - Motorisation : - Deux servomoteurs HS422 180°; - Un servomoteur Emax ES08A 180°. - Mécanique : - Matière PLA pour impression 3D; - Feuilles medium : 3mm et 6mm d'épaisseur; - Vis et écrous : M2, M2.5, M3, M4. - Roulements et axes de diamètre 4mm. **Gantt**Répartition du travail en équipe [ici](https://docs.google.com/spreadsheets/d/1l3xwK5V_pOysevd3q7F5Jwf33_8ALGLU7fZH52m7O9I/edit#gid=1115838130).
## **I - Conception préliminaire** **Proposition 1:** ##  Cette proposition utilise un système comprenant un premier rail de guidage linéaire immobile, fixé à deux masses, auquel est ajouté un chariot. Un second rail, perpendiculaire au premier, est également présent. Sur ce rail mobile, un chariot est fixé, intégrant l'effecteur, ici un stylo. Ainsi, lorsque le rail mobile se déplace, le stylo se déplace selon l'axe y, et lorsque le chariot bouge, le stylo se déplace selon l'axe x, conformément au repère tracé sur le dessin. Un premier servomoteur est utilisé pour déplacer le chariot le long de l'axe y, et un second, fixé sur le chariot, contrôle les déplacements de l'effecteur le long de l'axe x. Enfin, un dernier servomoteur, plus petit, est monté sur le chariot afin de pouvoir abaisser ou relever le stylo.Inspiration : [AxiDraw V3](https://eu.robotshop.com/fr/products/axidraw-v3-personal-writing-drawing-robot-intl?gad_source=1&gclid=Cj0KCQiAw6yuBhDrARIsACf94RXAKLoYkCLJ3MuaRa6hlcLJr7fabXooPkDBvN3BWfvUlw3OVqt995QaAhrQEALw_wcB)
**Proposition 2:** ##  Dans la même idée que la proposition 1, cette proposition est constituée d’un chariot auquel est fixé le stylo, qui se déplace linéairement sur un rail de guidage mobile qui lui-même se déplace linéairement et repose sur deux autres rails immobiles. Ce système est déjà commercialisé non pas pour faire du dessin mais plutôt pour de la gravure au laser. Pour les mêmes raisons que précédemment cette proposition ne sera pas notre choix final.Inspiration : [Machine à Graver Laser](https://www.vevor.fr/machine-de-gravure-laser-c_11141/vevor-machine-a-graver-laser-graveur-laser-cnc-6-w-zone-de-gravure-460x810-mm-p_010795045860)
**Proposition 3:** ##  Le robot est composé d'un corps principal sur lequel est montés deux servomoteurs pour contrôler les bras. Les bras sont joints au niveau de leur main, où est fixé le crayon. Pour relever le crayon, nous avions pensé à soulever le corps du robot mais il est possible que le servomoteur ne supporte pas la charge de tout le système.Inspiration : [Robot dessinateur](https://shopibest.com/product/robot/)
**Proposition 4:** ##  Cette idée reprend la proposition 3, mais au lieu de soulever le corps entier du robot pour relever le cayon, on met en place un mécanisme indépendant pour soulever uniquement le crayon. Le mécanisme se situe au niveau des principales articulations. Il existe tout de même un risque minime que l'ensemble soit trop lourd à porter pour les deux servomoteurs si les mains trop lourdes et/ou si la longueur des bras sont trop importantes. Cependant ces servomoteurs sont plus gros et plus puissants que celui qui se situe sur les mains. L'inconvénient de ce système se situe au niveau de la tenue du crayon, puisqu'il faut à la fois qu'il soit serré et qu'il soit glissant pour permettre le mouvement des pièces. **Choix retenu:** [](https://wiki.fablab.sorbonne-universite.fr/BookStack/uploads/images/gallery/2024-02/choix.jpeg) Cette solution reprend la proposition 4, sauf qu'on allonge l'avant bras sur lequel est fixé le servomoteur du crayon. Le crayon se trouve à l'extrémité de cet avant-bras où il est serré. Entre le crayon et le servomoteur qui le relève, les deux pièces se rejoignent ce qui permet le mouvement. ## **II - Conception détaillée** #### **2.1. Conception mécanique** ##### **2.1.1. Modélisation et vérification des ajustements** Nous avons utilisé le logiciel de CAO SolidWorks pour modéliser l'ensemble du robot. Pour simplifier notre processus de conception et d'assemblage, nous avons divisé l'assemblage en plusieurs parties distinctes : - Le premier sous-assemblage, nommé "base", est un boîtier abritant tous les composants électroniques, laissant les deux servomoteurs des bras visibles à l'extérieur. Sur le dessus de ce boîtier, se trouve le joystick, l'élément unique avec lequel l'utilisateur interagit. Pour faciliter le montage, des ouvertures sont prévues sur la plaque supérieure du boîtier pour permettre le passage des moteurs et la fixation du joystick. De plus, une ouverture latérale est réalisée pour permettre l'alimentation de la carte Arduino. La face inférieure du boîtier est constituée d'une plaque qui couvre entièrement la surface du robot, servant de support pour la feuille de dessin. - Le deuxième sous-assemblage, appelé "effecteur", est mis en place par l'utilisateur à l'aide d'une vis, similaire au dispositif des compas, qui serre le stylo au système. Pour lever le stylo, un petit servo-moteur est fixé au bras le plus long, prévu avec des encoches pour permettre sa fixation. Des trous sont également prévus dans l'avant-bras pour fixer le mécanisme de levage du stylo, qui sera fabriqué en impression 3D.Séparer notre assemblage en plusieurs sous-assemblages simplifie l'identification et la manipulation de chaque composant individuel, favorise une meilleure collaboration entre les membres de l'équipe et simplifie la maintenance et les potentielles modifications ultérieures.
Il convient de souligner que notre processus de conception a nécessité la réalisation de tests sur les pièces nécessitant un montage serré, afin d'ajuster avec précision les dimensions des composants. Les variations dues aux ajustements et aux tolérances des machines ont été prises en compte pour garantir un assemblage correcte du robot.
Nous avons maximiser l'utilisation de la découpe laser pour la fabrication de nos pièces pour plusieurs raisons. Tout d'abord, la découpe laser offre une solidité, une précision supérieures et un avantage en termes de rapidité de production, nous permettant de concrétiser notre projet de manière efficace. De plus, cette méthode nous a permis de réduire les coûts matériels.
L'ensemble des pièces ainsi que l'assemblage sont disponibles [ici](https://drive.google.com/file/d/1NKOxVvD_H19jJoK8b_mGIjhFfFu6UY81/view?usp=drive_link). Les fichiers de fabrication sont également disponibles aux formats DXF, SVG ou STL.
##### **2.1.2. Schéma cinématique** Ci dessous le schéma cinématique du robot : [](https://wiki.fablab.sorbonne-universite.fr/BookStack/uploads/images/gallery/2024-05/image18.jpg) ##### **2.1.3. Calcul du modèle géométrique direct et inverse** Dans cette section, nous procédons au calcul du modèle géométrique direct et inverse pour notre système. Ces calculs sont nécessaires pour prédire le comportement du système. **Références du Système :** [](https://wiki.fablab.sorbonne-universite.fr/BookStack/uploads/images/gallery/2024-05/zALimage.png) **Modèle Géométrique Direct :** Le Modèle Géométrique Direct (MGD) permet de déterminer la position et l'orientation de l'effecteur final d'un robot en connaissant les valeurs des angles de ses articulations. En d'autres termes, il permet de prédire où se situera l'effecteur du système en fonction des positions de ses articulations. Pour valider nos résultats et assurer leur précision, nous avons utilisé les logiciels SolidWorks et MATLAB. SolidWorks a été employé pour récréer le modèle du système à l'aide d'une esquisse, tandis que MATLAB a été utilisé pour effectuer des simulations numériques à l'aide des équations trouvées précédemment. Les résultats de nos calculs sous Matlab ont été comparés avec les valeurs renvoyées par le logiciel SolidWorks.
Les fichiers SolidWorks et MATLAB correspondants sont disponibles [ici](https://drive.google.com/file/d/1NKOxVvD_H19jJoK8b_mGIjhFfFu6UY81/view?usp=drive_link).
#### **2.2. Conception électronique** ##### **2.2.1. Architecture électronique** Dans notre conception électronique, nous distinguons deux aspects essentiels : l'électronique de commande, où la carte Arduino UNO joue un rôle central dans la gestion et la synchronisation des composants, et l'électronique de puissance. Le joystick, en tant qu'interface utilisateur principale, transmet les données d'entrée à la carte Arduino. Les deux servomoteurs HS422 et le servomoteur FT90MR servent d'actionneurs, les HS422 contrôlant les mouvements du système en x et y et le FT90MR en contrôlant la hauteur du stylo sur l'axe z. Une alimentation régulée de 5V assure une tension constante pour les moteurs. Cette alimentation régulée alimente à la fois la carte Arduino et les servomoteurs.Il est important de noter que la carte Arduino ne peut pas fournir des courants élevés à des actionneurs tels que les servomoteurs. Cette limitation peut compromettre le fonctionnement de la carte et entraîner des dysfonctionnements ou des dommages. C'est pourquoi en séparant la partie puissance de la partie électronique, nous évitons que la carte soit surchargée en courant ou détériorée.
Nous avons fait le choix d'utiliser uniquement un joystick dans notre système, ce qui permet à la fois de naviguer dans les menus et de piloter manuellement le robot. Ce choix simplifie l'interface utilisateur et sera expliqué en détail dans la section sur la conception logicielle.
##### **2.2.2. Schéma des connexions électriques** Nous utilisons le logiciel KiCad pour réaliser le schéma des connexions. Il offre une interface conviviale et des fonctionnalités avancées pour la conception de circuits électroniques. Il nous permet de représenter de manière claire et précise les connexions entre les différents composants de notre système électronique. [](https://wiki.fablab.sorbonne-universite.fr/BookStack/uploads/images/gallery/2024-03/FSnimage.png) #### **2.3. Conception logicielle** ##### **2.3.1. Architecture du code du menu principal**  ##### **2.3.2. Architecture du code "Exercice 1"** Le programme complet est disponible [ici](https://drive.google.com/drive/folders/1I3kV_7YYsN62A0KeueDZHmTrLymUBlCz?usp=sharing)
## **III - Réalisation **    ## **IV - Guide d'utilisation** **1. Navigation dans le menu principal :** - **Choix des exercices :** - **Joystick à gauche ou à droite :** Sélectionner l'exercice 1 ou 2. - **Joystick en position neutre et validation :** Terminer le programme. - **Validation :** Appuyer sur le bouton poussoir du joystick pour confirmer la sélection et entrer dans l'exercice choisi. **2. Exercice 1 - Tracé de figures :** - **Sélection du mode de tracé :** - **Joystick à droite :** Tracé d'une ligne continue. - **Joystick vers le haut :** Tracé d'un cercle continu. - **Joystick à gauche :** Tracé d'une ligne discontinue. - **Joystick vers le bas :** Tracé d'un cercle discontinu. - **Validation :** Appuyer sur le bouton poussoir du joystick pour lancer le tracé de la figure sélectionnée. **3. Exercice 2 - Tracé libre :** - **Déplacement et dessin :** - **Joystick :** Utiliser le joystick pour déplacer librement le robot dans le carré de 5 cm par 5 cm. - **Dessin :** Le robot dessine tant que le joystick est déplacé. - **Fin du tracé :** Appuyer sur le bouton poussoir du joystick pour arrêter le dessin et revenir au menu principal. **4. Retour au menu principal :** - Une fois un exercice terminé, le robot retourne automatiquement au menu principal. - Le processus de sélection peut être répété pour lancer un autre exercice ou terminer le programme. ## **V - Limite du projet** Bien que le projet Robot Écrivain ait été une réussite, il est important de noter certaines limitations liées aux matériaux et aux composants utilisés : 1. **Précision du matériel :** - **Servomoteurs :** Les servomoteurs que nous avons utilisés ont une résolution d'1°, ce qui limite la précision des mouvements. Cela pose des défis pour le tracé de figures nécessitant une haute précision. - **Absence de homing :** Le manque de capteurs de position initiale (homing) rend difficile le repositionnement exact du robot après une mise hors tension ou une interruption. Chaque redémarrage doit en théorie, nécessiter un recalibrage manuel. 2. **Capacités du microcontrôleur :** - **Carte Arduino UNO :** Notre système repose sur un microcontrôleur AVR à 16 MHz, avec un seul cœur. Cette architecture ne supporte pas le multitâche, ce qui signifie que les calculs et les tâches doivent être exécutés séquentiellement, ralentissant ainsi les performances globales. - **Limites de calcul :** Les capacités limitées de calcul du microcontrôleur entraînent des délais supplémentaires, surtout lors de la gestion des calculs géométriques pour le tracé des figures. Un microcontrôleur plus puissant, comme un ESP32, aurait permis des calculs plus rapides et une gestion multitâche. 3. **Conception mécanique et matériaux :** - **Découpe laser et impression 3D :** Bien que ces méthodes offrent de la précision et de la rapidité, les matériaux utilisés (PLA pour impression 3D et medium pour découpe laser) ont leurs propres limitations en termes de rigidité et de durabilité. - **Encombrement et stabilisation :** La structure du robot, en raison de la simplicité des matériaux et de la conception, peut manquer de la stabilité et de précision Ces limitations ont impacté la précision, la rapidité et la facilité d'utilisation du robot. Cependant, elles ont également fourni des opportunités d'apprentissage précieuses et ont mis en lumière les domaines à améliorer pour des projets futurs plus ambitieux. Nous envisageons que des améliorations, telles que l'utilisation de composants plus avancés et la conception de systèmes de retour de position (servomoteurs intelligents), pourraient considérablement augmenter les capacités de notre robot. ## **Conclusion** Le projet Robot Écrivain a été une expérience enrichissante, combinant mécanique, électronique et programmation pour créer un robot capable de dessiner sur une surface plane. En respectant un cahier des charges précis et en utilisant les ressources du FABLAB, nous avons surmonté plusieurs défis techniques. À travers les étapes de brainstorming, planification, modélisation CAO sur SolidWorks, et programmation en C++, chaque membre a contribué à la réussite du projet. Nos choix de conception, validés par nos professeurs ainsi que par des simulations et tests, ont assuré la précision et la fonctionnalité du robot. L'architecture électronique a optimisé la gestion de la puissance et des commandes via Arduino, tandis que le développement du code a permis le tracé précis de figures imposées et la gestion de l'interface utilisateur. Les tests finaux ont confirmé le bon fonctionnement du robot, accomplissant toutes les tâches requises. Ce projet nous a permis de développer des compétences techniques et de collaboration, constituant une base solide pour nos futures études et projets en ingénierie. Nous sommes fiers du travail accompli et des connaissances acquises tout au long de cette expérience. ## Journal de bord 08 février - **Découverte du projet** : Présentation PowerPoint détaillant le cahier des charges du robot dessinateur. - **Formation des groupes** : Les équipes ont été formées. - **Brainstorming** : Séance de brainstorming, générant une variété d’idées et de projets différents. - **Choix d’un système :** Sélection du robot le plus réalisable et efficace. - **Répartition des tâches :** Création d’un diagramme de Gantt. - **Schéma électronique :** Sélection des composants nécessaires 15 février - **Choix des matériaux :** quels matériaux sont les plus adaptés en tenant compte des choix disponibles. - **Début de la modélisation solidworks.** - **Schéma électronique :** élaboration du schéma électronique sur Kicad. - **Modèle géométrique:** Discussion autour de celui-ci en interne pour savoir comment le déterminer 28 février - **Finalisation de la modélisation solidworks** - **Fabrication des pièces :** Les premiers tests de fabrication ont été réalisés, notamment ceux liés à des ajustements (ex: les bras qui accueillent les roulements) - **Modèle géométrique:** avec l’aide de nos professeurs nous avons pu déterminer le modèle géométrique 07 mars - **Fabrication des pièces:** Création de toutes les pièces fabriquées à la découpeuse laser - **Assemblage:** Le robot est entièrement monté sauf l’organe terminal - **Câblage + codage :** On test de manière unitaire les composants 02 mai - **Fabrication des pièces:** Impression des dernières pièces qui permettent de lever le crayon - **Assemblage:** le robot est monté entièrement - **Codage :** exercice 1, exercice 2 30 mai - **Codage:** Derniers ajustements du code.