Projet de ROB3 : Damien CORSET et Romane COUEDEL

Informations

• CORSET Damien - damien.corset@etu.sorbonne-universite.fr

• COUEDEL Romane - romane.couedel@etu.sorbonne-universite.fr
  
  

• Date de début : 08/02/2024 - Date de fin : 30/05/2024

Introduction 

Le projet Robot Écrivain a pour objectif de concevoir un système robotique capable de dessiner sur une surface plane horizontale. En combinant les domaines de la mécanique, de l'électronique et de la programmation, notre équipe s'engage à relever ce défi. Pour ce faire, nous devons respecter un cahier des charges précis et utiliser les machines disponibles au FABLAB, ainsi qu'une liste de matériel prédéfinie. Ce projet représente une opportunité d'apprentissage, nous permettant de développer nos compétences en collaboration d'équipe et en utilisant des technologies avancées comme la découpe LASER et l'impression 3D.

Cahier des charges

Le robot doit être fixé ou posé sur une plaque horizontale carrée de 250mm par 250mm et doit être capable de réaliser les deux exercices suivants :

Exercice 1

Le robot doit être capable de tracer différentes figures imposées dans le plan de la plaque support, avec un crayon fixé sur son organe terminal. Chaque figure doit être réalisée en 10 secondes, avec une marge d'erreur de +/- 0,2 secondes. Les chiffres imposés sont les suivants :

• Une ligne de 5 cm de long,

• Une ligne pointillée de 5cm de long,

• Un cercle de 2,5 cm de rayonne,

• Un cercle pointillé de 2,5 cm de rayonne.

Exercice 2

Le robot doit être capable de tracer un dessin dans un carré de dimensions 5 cm par 5 cm, avec un crayon fixé sur son organe terminal. Le déplacement de celui-ci doit être contrôlé par un joystick. Il est important de noter que la figure à tracer peut être discontinue, ce qui signifie qu'il faut prévoir la possibilité de relever le crayon du support horizontal pendant le tracé.

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.

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

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

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

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:

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. Les fichiers de fabrication sont également disponibles aux formats DXF, SVG ou STL.

2.1.2. Schéma cinématique

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.

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.

Détails des calculs du MGD

Modèle Géométrique Inverse :

D'autre part, le Modèle Géométrique Inverse (MGI) permet à l'inverse de calculer les valeurs des angles des articulations nécessaires pour atteindre une position spécifique de l'effecteur final. Autrement dit, il permet déterminer les mouvements que le système doit effectuer pour placer son effecteur à un endroit précis dans l'espace.

Détails des calculs du MGI

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.

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.

2.3. Conception logicielle

2.3.1. Architecture du code

III - Réalisation