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Robots pédagogiques

Robot à câbles

Une découverte des robots parallèles à câbles

Les robots à câbles sont des manipulateurs, c’est à dire des robots qui ne se déplacent pas eux mêmes, mais qui déplacent et/ou orientent des objets ou des personnes dans l’espace. Ils existent de nombreux exemples de manipulateurs, mais en utilisant un câble le manipulateur le plus connu est la grue. Les robots parallèles à câbles sont donc des sortes de grue, mais qui n’exploitent non pas un mais plusieurs câbles. L’utilisation de plusieurs câbles permet de nombreux avantages comme le dicton « diviser pour mieux régner » peut le faire sentir : plus fort, rapide, précis…Mais l’utilisation de plusieurs câbles rend le robot plus compliqué à commander.

Pour faire ressentir ce phénomène, on peut se placer dans le cas d’un déménagement : pour porter un canapé ou un réfrigérateur, il est plus facile de s’y mettre à plusieurs, cependant dans les escaliers, il est nécessaire de se synchroniser, de discuter sinon l’accident est inévitable. Pour les robots parallèles, le problème est le même, avec plusieurs actionneurs, le travail est plus facile, mais il faut que chacun d’entre eux travaille en harmonie avec les autres afin d’éviter la détérioration du robot !

Un article explique très bien ce qu’est un robot à câbles : Robots et marionnettes

Nous proposons ici tout ce qu’il faut pour construire son propre robot à câbles afin de découvrir ce type d’architecture de robot manipulateur et également d’illustrer différents théorèmes mathématiques ou principes physiques.
Cette ressource est donc destinée aussi bien aux passionnés de robotique ludique (à partir de 12 ans), aux étudiants pour les TPE/TIPE, qu’aux enseignants du secondaire.

Robot à câbles en Lego Mindstorm

Pour construire notre robot pédagogique, nous avons choisi la technologie Lego Mindstorm, facile de prise en main et accessible à tous. De plus, l’outil de programmation fourni repose sur la notion de programmation par blocs (ou briques) ce qui est désormais l’approche enseignée en secondaire pour découvrir la notion de programme.

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Images pour les commandes du robot
Commande moteurs
Commande 1 : moteurs
Commande moteurs
Commande 2 : espace

Les documentations

Documentation utilisateur

Le robot peut fonctionner sans pc connecté au NXT :

  • Connecter les moteurs, le capteur de couleurs ainsi que le contacteur;
  • Allumer le nxt;
  • Aller dans les programmes;
  • Choisir un des 3 programmes : étalonnage, commande1 ou commande2.

Les différents programmes

Commande moteur (1)

Le programme le plus simple est celui de la commande 1, qui permet d’enrouler ou de dérouler chaque câble indépendamment.

  • Presser le contacteur pour démarrer le programme : affichage des consignes
  • Utiliser le capteur couleur et la feuille « commande 1 » pour enrouler ou dérouler chaque moteur séparément
  • Presser le contacteur pour arrêter le programme
Étalonnage

Le premier programme à exécuter avant d’utiliser la commande cartésienne (c’est à dire dans l’espace : avant, arrière, haut, bas, gauche, droite) est celui qui réalise l’étalonnage du robot. Cette étape importante permet au programme qui commande le robot de connaitre les longueurs des câbles et la position de la plateforme.

  • Presser le contacteur pour démarrer l’étalonnage : « étalonnage démarré
  • Enfoncer et garder enfoncé le contacteur pour dérouler les câbles jusqu’à pouvoir fixer la plateforme sur son support, puis lâcher
  • Fixer la plateforme sur son support et presser le contacteur pour signaler la fixation effective de la plateforme : le câble du moteur A s’enroule
  • Lorsque le câble est tendu (pas trop car le robot est fragile), presser le contacteur
  • Le câble du moteur B s’enroule
  • Lorsque le câble est tendu, presser le contacteur
  • Le câble du moteur C s’enroule
  • Lorsque le câble est tendu, presser le contacteur
  • Fin d’étalonnage
Commande cartésienne (2)

La deuxième commande permet, grâce à un modèle géométrique du robot de commander le robot dans l’espace, suivant des directions connues de tous (avant, haut, etc…).

  • Presser le contacteur pour démarrer le programme : affichage des consignes
  • Utiliser le capteur couleur et la feuille « commande 2 » pour déplacer la plateforme suivant x, y, z
  • Presser le contacteur pour arrêter le programme

Documentation développeur

Voici les instructions pour installer et/ou modifier les programmes fournis pour commander le robot à câbles :

  • Installer Lego mindstorms NXT sous windows (avec le cdrom)
  • Copier les programmes de Mindstorms project au format compressé fourni ci dessus dans le même répertoire de l’installation de Lego NXT
  • Connecter le nxt au port usb
  • Lancer l’outil lego NXT
  • Ouvrir le ou les programmes à modifier
  • Faire les modifications souhaitées (sauvegarder fréquemment, l’outil étant peu stable)
  • Connecter le nxt via l’application (bouton en bas a droite)
  • Compiler et charger dans le nxt (bouton en bas a droite)
  • Le programme démarre !

Dans le répertoire du projet NXT fourni, vous retrouverez les trois programmes principaux:

  • Étalonnage
  • Commande moteur par moteur (robotcables1)
  • Commande cartésienne (robotcables2)

Détail de l’architecture du programme :

  • Pour la commande 2:
    • Dans le fichier principal : initialisation des valeurs suite à la phase d’étalonnage
    • Affichage des consignes
    • La commande proprement dite est dans le sous bloc « commande »
  • Dans le sous bloc « commande »:

    • Suivant la couleur choisie: mise à jour de x, y, ou z (+ ou – 10 mm)
    • Calcul des longueurs à enrouler ou dérouler dans d’autres sous blocs
    • Lancement des actionneurs avec ces longueurs a enrouler ou dérouler
    • Mise à jour des longueurs dans un sous bloc supplémentaire

Un exemple d’explication pédagogique

La commande (2) nécessite de modéliser la géométrie du robot. Ceci est une question intéressante faisant intervenir deux théorèmes importants et difficiles à illustrer : Chasles et Pythagore.

Un article présente le modèle de ce type de robot : Modélisation des robots à câbles

Une présentation pour décrire les robots à câbles, illustrer l’intérêt des mathématiques pour réaliser une tache avec un robot ou les théorèmes évoqués ci dessus :
Présentation de la fête de la science

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