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Projet ROB3: Rami, Yannis, Vasilis

THE SCARA-B

Dossier de Préconception

Informations

Membres

Nom Prénom Email
TOBBAL Yannis tobbalya@gmail.com
ARIDI Rami rami.aridi@etu.sorbonne-universite.fr
SKARLEAS Vasileios vasileios.skarleas@etu.sorbonne-universite.fr

Cursus

Polytech 3eme année | Spécialité: Robotique

Délais

Début: 14/02/24  |  Fin: 23/05/24

But, objectifs et contexte

But

Le but est de créer un robot capable de dessiner différentes formes sur une feuille de papier. Il doit pouvoir réaliser des formes préprogrammée ainsi qu'être contrôlé manuellement.

Objectifs

Le robot est fixé sur un support carré horizontal comportant une zone de dessin de 10*10 cm. Il y a 2 exercice qu'il doit réussir. En outre, le robot faitfaut être capable de repondre au cahier des charges disponible ici.

Exercice 1
Dessiner des formes prédéfinies

Le robot doit être capable de réaliser en 10 +- 0.2 secondes:

-Une ligne droite de 5cm
-Une ligne droite de 5cm en pointillés
-Un cercle de 2.5cm de rayon
-Un cercle de 2.5cm de rayon en pointillés

Exercice 2
Permettre à un utilisateur de dessiner

L'utilisateur doit être capable d'utiliser le robot pour dessiner la forme qu'il veut sur la zone de dessin. Le robot est contrôlé par un joystick qui doit donc être doté des fonctions utilisés dans l'exercice 1 (Déplacement, relever le stylo etc...)

Besoins

Il faut donc créer un robot qui:

  • Maintienne un effecteur (le stylo) afin de dessiner
  • Se déplace:
    • Dans un plan horizontal: Créer les formes
    • Verticalement: Dessiner ou non, pour les pointillés
  • Enregistre des formes prédéfinies
  • Soit capable d'être contrôlé précisément par le joystick

Matériel

CopiéLes dumoyens sujetqu'on a à notre disposition sont les suivantes:

  • Un crayon
  • Interface de commande :
    • Une carte arduino UNO avec câble USB-B;
    • Un joystick:
    • Une platine de protoypage;
    • 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.
  • Informatique
    • Ressources CAO.zip contient les fichiers Solidworks pour les deux modèles de servomoteurs
    • datasheets.zip contient les documentations de quelques-uns des composants fourni

Machines utilisées

Utilisation de l'impression 3D pour les pièces principales et éventuellement de la technologie de découpe laser pour la surface d'écriture de notre robot.

BrainstormingDiagramme de GANTT

Il y a un lien interactif qui est mis à jour à chaque modification via https://airtable.com/appVydj1BDLSFj432/shrm5Cjk0diMBPmgL 

project-fablab-rob3-tasks-1.jpgproject-fablab-rob3-tasks-2.jpg

Nota bene
Ce diagramme de GANTT est donnée à titre indicatif

Project FabLab ROB3 Tasks (GANTT).pdf

Étape 1: Brainstorming, idées de réalisation et analyse des risques

Durant notre brainstorming: nous eûmes 5 idées que nous avons ultimement rejetées:

IMG_6529.png

Figure

1: Photo de notre tableau (Tout- estjuste enpour désordre)demonstration. Explications sont disponibles ci-dessous

  • Le
  • système

    Avantages:

  • C'est
  • Idée 1 - Robot de roues


    Idée 2 - 3D Printing

    Principe:

    Un robot sur deux roues motorisées:es. Il peut faire de rotations en faisant tourner ses roues dans des directions opposées

    • Le stylo est attaché au centre de celui-ci.de la plateforme.
    • Les roues seraient contrôlées grâce aux 2 servomoteurs HS422 d'une façon similaire au robot E-PUC. Les servomoteurs sont connectés à la plateforme et aux roues via des biellettes ou des engrenages.
    • LeUn servomoteur ES08A est utilisé pour contrôleraitler le mécanisme de levée et de descente du stylostylo. quiCe seraitservomoteur utiliséest pourplus formerpetit que les dessinsHS422 enet pointillés.peut être monté sur la plateforme à proximité du stylo.

    CeCroquis:

    image.pngFigure 2: Croquis du robot de roues (type voiture avec une bille pour la stabilisation)

    Avantages:

    • Le robot est très facile à contrôcontroller avec un joystick (important pour la réalisation de l'exercise 2)
    • Sa construction et modélisation est simple

    Inconvenients: 

    • On ne peut pas réaliser de trajectoires complexes. Le robot ne peut pas suivre des trajectoires complexes sans l'aide de capteurs odométriques.
    • L'utilisation des servomoteurs empêcherait de faire rouler le robot indéfiniment. Cela ne serait pas un problème avec l'exercice 1. L'exercice 2 pourrait se révéler impossible à faire (Prenons par exemple un cas hyperbolique et fantaisiste: La forme à dessiner au joystick

       est une réplique de la Joconde. Le robot ne pourrait jamais faire ceci). Pour depaser cet obstacle, il faudrait utiliser de roues avec une diamétre assez grande entraînant des complications aux glissements sur la surface.

    Idée 2 - Robot XY (cartésien)

     Principe:

    Un système similaire au fonctionnement d'une imprimante 3D:

    • A l'aide d'un système de bielle manivelle, les deux servomoteurs HS422 commandent des liaisons glissières sur les axes x et y.
    • La bielle tenant le stylo est elle même tenue par une bielle. Cette dernière se positionne sur la coordonnée de son axe, tandis que la bielle de l'effecteur choisit alors la deuxième coordonnée du point.
    • Le servomoteur ES08A commande la levée et descente du stylo

    Croquis:

    image (1).pngFigure 3: Le croquis d'un robot cartésien

    Avantages:

    • Cette solution ne présente pas de singularités dans sa configuration. De plus, les calculs sont simplifiés par le fait qu'on ne réfléchisse que sur le plan cartésien. Ce qui signifie qu'il peut atteindre toutes les positions du plan cartésien.
    • Ce système permet un mouvement fluide et précis du stylo.
    • Les calculs pour contrôler le robot sont simplifiés par le fait qu'on ne réfléchit que sur le plan cartésien sans faire ce changements de bases.

    Inconvenients:

    de bielle-manivelle peut être plus lourd qu'un système à roues motorisées, ce qui peut affecter la performance du robot.
  • Le système de bielle manivelle pourrait se révéler trop massif pour le robot. 
  • La solution consommerait beaucoup de matière
  • Idée 3 - Scissors mecanism

    Idée 4 - Point d'intersection

    Principe:

    Inspirés du "Scissors mechanism", on voudrait attacher deux servomoteurs à la base du mécanisme et un système de commande d'actionneur au point "STYLO". Cette solution présente des avantages telles que :

    Croquis:

    image (3).pngFigure 4: Démonstration du mécanism de sciseaux

    Avantages:

    • NousLe pouvonsmécanisme "Scissors" permet d'avoir un espace d'écriture plus grand grâceque les systèmes à roues motorisées ou à bielle-manivelle. Cela est dû à la tendance du mécanisme à s'étendretendre.
    • FaciliterDe plus, ce mécanisme est particulièrement adapté à la création de cercles. La rotation des bras permet de dessiner des cercles de différentes tailles avec précision.
    • AinsiEn queoutre, le mécanisme "Scissors" permet de dessiner des lignes droites très précises dans le même sens du stylomouvement trèsdu précisstylo.

    Inconvenients:

    • Malheureusement, cette solution présente également un inconvénient. Les mouvements étant plutôt révolutionnaires, créer des lignes droites verticales du stylo semble limité et dans certains cas extrêmes impossible.


    Idée 4 - Point d'intersection

    Fully-deployed-overconstrained-scissors-mechanism-units-a-Inner-overconstrained.pngPrincipe:

    Le robot sera doté d'un mécanisme de ciseaux alimenté par deux servo-moteurs positionnés aux coins de la base d'écriture. Chacun entraînera la rotation d'une poutre, permettant des mouvements de glissement dans les deux directions du vecteur r de rotation,. Le point d'intersection des deux poutres (créant ainsi une liaison glissière complexe) serait équipé du stylo, assurant une couverture totale de la feuille grâce à cette configuration ingénieuse.

    Cependant,Croquis:

    malgré

    File_000.pngFigure la5: simplicitéUne apparenteconception de cettel'idée solution,de despoint défisd'intersection

    significatifs

     rendent

    son implémentation impraticable:

    Inconvenients:

    • L'effort tangent au mouvement du stylo généré par une poutre sur l'autre serait extrêmement important, dépassant probablement les limites de faisabilité. La nécessité d'un glissement ultra-lisse, sans aucun frottement, et d'une précision extrême dans les mouvements représente un défi technique considérable.

    File_000.png


    Idée 5 - Robot type SCARA

    Idée 6 - Robot parallélépipède

    Principe:

    On a pensé de faire un robot qui a deux axes de rotation verticales et une axe de rotation horizontale. En fait, il y aura deux rotations autour de deuz axes Z (Z1 et Z2) verticales et une troisieme rotation autour de Z3 qui est perpandiculier au axe (Z2).

    Croquis:


    image (2).pngFigure 6: croquis du robot avec 2 degrées de liberté

    un modèle connu du groupe, la partie mathématique est donc plus simple à réaliser
  • Il y a beaucoup de manières de retirer de la matière avec une modélisation inteligente. 
  • Inconvenients:

    Raisons
    • Poids excessive sur l'endroit du moteur 2, quelque chose qui pourrait impacter la precision de designs. Idéalement, on voudrait trouver une solution qui permettra de deplacer ce moteur sur le corps de la base principale du robot (oú se trouve le moteur 1) en utilisant les outils qu'on a à notre disposition.

    Idée 6 - Robot parallélépipède

    Principe:

    Inspiré par le mécanishm du robot type SCARA, on avait une reflexion: "Pourquoi on ne deplace pas le moteur de la 2éme rotation (moteur2), sur le même axe de rotation qui cellui du moteur 1. Le résultat du mouvement sera la même tout en ayant deplacé la majorité du poids sur le corps principale du robot.

    Croquis:

     

    Avantages:

    • Moins de poids sur les articulations mobiles du robot => meilleur précision par rapport l'idée d'avant.

    Inconvenients:

    • Selon la manière d'expression du modèle géométrique direct, le calcul du modèle géométrique inverse pourrait être compliqué.
    • La modélisation des rejetsquelques piéces unique pour la réalisation de ce type du robot pourrait augmenter le temps de fabrication et l'utilisation de matiére.

    Solution retenue

    Ayant effectué une évaluation approfondie des différentes alternatives, notre équipe a choisi de privilégier le développement d'un robot type parallélépipède pour la prochaine étape du projet. Cette décision est basée sur plusieurs points clés :

    1. Idée robotRobot de roues
      • Pour s'assurer de la validité de la trajectoire, il faudrait l’équiper de capteurs odométrique. Nous ne disposons pas de ce matériel
      • L'utilisation des servomoteurs empêcherait de faire rouler le robot indéfiniment. Cela ne serait pas un problème avec l'exercice 1. L'exercice 2 pourrait se révéler impossible à faire (Prenons par exemple un cas hyperbolique et fantaisiste: La forme à dessiner au joystick est une réplique de la Joconde. Le robot ne pourrait jamais faire ceci)
    2. 3DRobot Printing ideaXY
      • Le système de bielle manivelle pourrait se révéler trop massif pour le robot. 
      • La solution consommerait beaucoup de matière
    3. ScissorsRobot mechanism idea"scissors"
      • Selon la mécanique de la pièce, la création des lignes droites perpendiculaires du stylo n'est pas toujours possible à cause des mouvements révolutionnaires du mécanisme
      • Les déplacement sont limités à des trajectoires bien précises, ce qui rend le contrôle au joystick frustrant.
    4. IdéeRobot point d'intersection
      • Il s'agit d'une idée très complète. Cependant, lorsque l'effecteur se trouve à l'extrémité des deux axes de guidage, il faut exercer une force massive pour l'en sortir et le faire revenir près des moteurs.
        Nous pourrions contourner ce problème en faisant en sorte que les axes soient bien plus grand que la zone de travail. Mais:
        • Cela impliquerait un ajout de matière, et donc de masse
        • Cela n'empêcherait pas un utilisateur au joystick de bloquer le robot
  • Robot

    Décisiontype Finale

    SCARA

    Le robot

    Nous avons finalement tablé sur un bras robotique (SCARA, FANUC etc.) à 3 articulations. 2 articulations pour les mouvements dans le plan, 1 articulation qui dirige la montée et descente du stylo. 

    Les risques

      • Il fauts'agit biende évidementnotre prendreidée ende comptedepart lesde singularités
      • base,
      • Il faut faire attentionmais à la répartitiondécouverte de l'idée numero 6 qui nous permetra de deplacer les deux moteur sur le corp de la base du poids,robot, on a decidé de developer le robot étanttype beaucoupparallélépipède.
      • plus volumineux que les autres idées rejetées.

    Les

    Étape avantages

    2:
    1.  C'est un modèle connu du groupe, la partie mathématique est donc plus simple à réaliser
    2.  Beaucoup de manières de retirer de la matière.

    GANTT

    Il y a un lien interactif qui est mis à jour à chaque modification via https://airtable.com/appVydj1BDLSFj432/shrm5Cjk0diMBPmgL 

    project-fablab-rob3-tasks-1.jpgproject-fablab-rob3-tasks-2.jpg

    Project FabLab ROB3 Tasks (GANTT).pdf

    Conception détaillée

    Nota bene
    On avait déjà commencé l'analyse du modéle cinematique du robot de l'idée numero 5 (type SCARA). Ci-dessous vous allez trouver l'option également de visualiser et voir le calcul qui était effectué pour ce robot, ainsi que pour le robot type parallélépipède (idée numero 6).

    Robot type SCARA

    Cinématique

    Schéma Cinématique + Tableau DH

    Solid ai αi di+1 θi+1
    0 0 0 h1 θ1
    1 L1 -π/2 h2 θ2-π/2
    2 0 0 L2 θ3

    Schema cinématique du robot type SCARALes deux premières liaisons, pour 𝑖∈{1,..,2}, sont des liaisons pivot d’axe (𝑂𝑖,𝑧𝑖). La troisième liaison est une liaison pivot d'axe aussi selon z3.

    MatricesModèle degéométrique transformationdirecte homogènes(complet)

    Calculant T0->1, T1->2, T2->effector, ansi que T0->effector.

    Equations scara-1.png

    Equations scara-2.jpg

    Les résultas sont disponibles en PDF sur: Matrices de transformation homogene.pdf

    Electronique

    Modèle

    WIP

    géométrique

    CAO

    directe

    Croquis(simplifié)

    WIPOn peut également s'intereser seulement sur les deux prémieres rotations car ils sont eux qui vont donner la position finale du stylo. Comme ça on peut simplifier le calcul comme ci-dessous:

    Programmation

    Modèle géométrique inverse

    WIPAinsi selon le modèle géométrique directe et le calcul du Jacobien inverse on peut obtenir le modèle géométrique inverse:

    Conception

    détaillée
    (Robot type parallélépipède)de

    Modèle géométrique directe

    Ci-dessous vous pouvez trouver l'approche mathématique du robot type parallélépipède.de pour sa modèle géométrique directe.

    Parallelipede-1.png

    Parallelipede-2.jpg

    Les résultas sont disponibles en PDF sur: Paralléléplipède Robot.pdf

    Electronique

    Schéma

    WIP

    CAO

    Croquisélectronique

    WIPSur notre schéma électronique il y a un bouton qui permet de changer entre mode manuelle et mode automatique. De plus, il y a deux LEDs qui indique sur quel mode on est un moment donnée. Par exemple si on est en mode manuelle, le LED bleu est allumé, sinon le LED vert est allumé. Em outre, vous pouvez aussi trouver la connection du joystick analogique qu'on a besoin pour la réalisation de l'exercice 2. Il faut noter que le joystick a un fonctionnement de bouton intégré. On peut utiliser cette fonctionnalité pour controller plean different chooses par exemple:

    Programmation

    • Le stylo écrit ou pas.
    • On fait un dessin avec le joystick qu'on visualise sur l'écran de l'ordinateur et on tap le bouton pour confirmer le dessin afin qu'il est créé par le robot.

    WIPimage (4).png

    Réalisation

    Modélisation

     

    Journal de bord / Calendrier

    Avancée du projet à chaque étape, difficultés rencontrées, modifications et adaptations

    14/02/2024

    Discussion autour du Projet Robotique ROB3 - différents idées, décission, planning.

    16/02/2024

    Provided a first kinematics schema and version 1 of DH table

    19/02/2024

    Wiki: preliminary dossier was updated + DH: more detailed conception and corrected the table

    22/02/2024

    Debut de modélisation des pieces du robot

    24/02/2024

    Recherche sur les méthodes de géometrieométrie inverse du robot

    02/03/2024

    Finalisation de la partie modèle géométrique directe et inverse