Comment fabriquer un Robot - Leçon 2 : Choisir une plate-forme robotique

Index des leçons :

• Leçon 1 - Mise en route
• Leçon 2 - Choisir une plate-forme robotique
• Leçon 3 - Donner un sens aux actionneurs
• Leçon 4 - Comprendre les microcontrôleurs
• Leçon 5 - Choisir un contrôleur de moteur
• Leçon 6 – Contrôler votre robot
• Leçon 7 - Utiliser des capteurs
• Leçon 8 - Disposer des bons outils
• Leçon 9 - Assembler un robot
• Leçon 10 - Programmer un robot

Suite à la première leçon, vous avez maintenant une compréhension de base de ce qu'est un robot et de ce que font normalement les robots actuels. Il est temps à présent de décider du type de robot que vous allez construire. Une conception d'un robot personnalisée commence souvent par une « vision » de ce à quoi le robot va ressembler et de ce qu'il va faire. Les types de robots possibles sont illimités, mais les plus populaires sont :

• Les robots terrestres à roues, à chenilles, et sur pattes
• les avions, hélicoptères et dirigeables
• Les bateaux, sous-marins, et robots aquatiques
• Les robots mixtes et divers
• Les manipulateurs et bras, robotiques stationnaires

Cette leçon est destinée à vous aider à décider quel type de robot construire pour l'adapter au mieux à votre mission. Puisque vous avez réfléchi aux tâches ou fonctions que vous souhaitez accomplir (après la leçon 1), vous pouvez à présent choisir le type de robot qui répondra le mieux à vos besoins. Ci-dessous, vous trouverez une description de tous les principaux types de robots. Terrestre Les robots terrestres, en particulier à roues, sont les robots mobiles les plus populaires parmi les débutants car ils nécessitent généralement le moins d'investissements tout en offrant une exposition importante à la robotique. Par ailleurs, le type le plus complexe de robots est l'humanoïde (semblable à un être humain), car il nécessite de nombreux degrés de liberté et la synchronisation du mouvement de nombreux moteurs, et utilise de nombreux capteurs.

Les robots à roues

Les roues sont de loin la méthode la plus populaire pour fournir de la mobilité à un robot et sont utilisées pour propulser de nombreux robots et plates-formes robotiques de tailles différentes. Les roues peuvent être de n'importe quelle taille, de quelques centimètres à 30 cm et plus. Les robots de table ont tendance à avoir les plus petites roues, généralement moins de 5 cm de diamètre. Les robots peuvent avoir n'importe quel nombre de roues, bien que 3 et 4 soient les plus communs. Un robot à trois roues utilise généralement deux roues et une roulette à une extrémité. Les robots sur deux roues plus complexes peuvent utiliser une stabilisation gyroscopique. Il est rare qu'un robot à roues utilise quoi que ce soit d'autre qu'une direction à glissement (comme celle d'un char). Une direction à crémaillère, telle que celle que l'on retrouve sur une voiture, nécessite de trop nombreuses pièces, et sa complexité et son coût l'emportent sur la plupart de ses avantages. Les robots à quatre et six roues ont l'avantage d'utiliser plusieurs moteurs d'entraînement (un relié à chaque roue) ce qui réduit le glissement. Les roues omnidirectionnelles ou les roues mecannum, correctement utilisées, peuvent également procurer des avantages significatifs en terme de mobilité au robot. Une idée fausse courante au sujet de la construction d'un robot à roues est que les grands moteurs CC à faible coût peuvent propulser un robot de taille moyenne. Comme nous le verrons plus tard dans nos formations, le moteur n'est pas la seule chose impliquée.

Avantages

• Habituellement d'un faible coût par rapport à d'autres méthodes
• Conception et construction simples
• Abondance dans le choix
• Six roues ou plus rivalisent avec un système à chenilles
• Excellent choix pour débutants

Inconvénients

• Peut perdre de la traction (glissement)
• Petite surface de contact (seul un petit rectangle ou une ligne en dessous de chaque roue est en contact avec le sol)

Robots sur chenilles

Les chenilles (ou bandes de roulement) sont les éléments utilisés par les chars. Bien que les chenilles ne fournissent pas de « force » (couple) supplémentaire, elles réduisent le glissement et répartissent mieux le poids du robot, ce qui les rend pratiques sur des surfaces meubles telles que le sable et les graviers. En outre, un système de chenilles doté d'une certaine souplesse peut mieux se conformer à une surface bosselée. Enfin, la plupart des gens ont tendance à convenir que les chenilles de chars ajoutent également un look « agressif » au robot.

Avantages

• Un contact constant avec le sol empêche le glissement pouvant se produire avec des roues
• Le poids uniformément réparti aide votre robot à aborder de nombreux types de surfaces
• Elles peuvent être utilisées pour augmenter de manière significative la garde au sol d'un robot sans incorporer une plus grande roue d'entraînement

Inconvénients

• En tournant, il se produit une force latérale qui agit sur le sol ; cela peut causer des dommages à la surface sur laquelle le robot est utilisé, et amener les chenilles à s'user
• Il n'existe que peu de différentes chenilles disponibles (un robot est généralement construit en fonction des chenilles)
• Un pignon d'entraînement peut limiter considérablement le nombre de moteurs pouvant être utilisés.
• Complexité (placement de tendeurs et nombre de liens) mécanique et nombre de connexions accrus

Pattes

Un nombre croissant de robots utilise des pattes pour sa mobilité. Les pattes sont souvent préférées pour les robots devant naviguer sur un terrain très accidenté. La plupart des robots amateurs sont conçus avec six pattes, qui permettent au robot d'être statiquement équilibré (équilibré en permanence sur 3 pattes) ; les robots avec moins de pattes sont plus difficiles à équilibrer. Ces derniers exigent une « stabilité dynamique », ce qui signifie que si le robot s'arrête de bouger à mi-foulée, il peut tomber. Des chercheurs ont expérimenté des conceptions monopodes (un robot « sauteur » à une seule patte), cependant les bipèdes (à deux pattes), quadrupèdes (à quatre pattes), et hexapodes (à six pattes) sont les plus répandus.

Avantages

• Plus proches du mouvement organique ou naturel
• Ils peuvent potentiellement surmonter de gros obstacles et naviguer sur des terrains très accidentés

Inconvénients

• Complexité mécanique, électronique et de codage accrue (pas la meilleure façon de débuter en robotique).
• Taille de la batterie plus petite en dépit des demandes accrues en puissance
• Coût de construction plus élevé

Aérien

Un AUAV (Véhicule aérien autonome sans pilote) est très attrayant et est parfaitement à la portée de nombreux amateurs de robots. Cependant, les avantages de la construction de drones autonomes, surtout si vous êtes un débutant, ne l'emportent par sur les risques. Lorsque l'on prend en compte un véhicule aérien, la plupart des amateurs utilisent encore des avions télécommandés existants du marché. Sur le plan professionnel, des avions tels que le Predator de l'armée américaine étaient initialement semi-autonomes même si durant les dernières années, des avions Predator ont volé de manière autonome lors de missions.

Avantages

• Les aéronefs contrôlés à distance existent depuis des décennies (il existe donc une grande communauté, au moins pour les parties mécaniques)
• Excellents pour la surveillance

Inconvénients

• La totalité de l'investissement peut être perdue en un seul crash.
• Communauté robotique limitée si on recherche de l'aide pour un contrôle autonome

Aquatique

Un nombre croissant d'amateurs, d'institutions et d'entreprises se mettent à développer des drones sous-marins. Il existe encore de nombreux obstacles à surmonter pour réaliser des robots sous-marins attrayants pour la communauté robotique la plus large, même si au cours des dernières années, plusieurs entreprises ont commercialisé des « robots » nettoyeurs de piscine. Des véhicules sous-marins peuvent utiliser un ballast (air comprimé et compartiments inondés), des propulseurs, une queue et des nageoires ou même des ailes pour plonger. D'autres robots aquatiques, tels que les nettoyeurs de piscine, sont des produits commerciaux utiles.

Avantages

• La plus grande partie de notre planète est constituée d'eau, il en reste donc beaucoup à explorer et à découvrir
• Le design est presque assuré d'être unique
• Peut être utilisé et/ou testé dans une piscine

Inconvénients

• Le robot peut être perdu de nombreuses façons (naufrage, fuite, enchevêtrement ...)
• La plupart des parties électroniques n'aiment pas l'eau (il faut également prendre en considération l'eau tombant sur l'électronique lors de l'accès au robot après une plongée)
• Dépasser 10 m ou plus de profondeur peut nécessiter des recherches et des investissements importants
• Une communauté robotique très peu nombreuses pour fournir de l'aide
• Options de communication sans fil limitées

Combinaisons diverses et hybrides

Votre idée de robot peut ne pas correspondre exactement à l'une des catégories ci-dessus, ou peut se composer de plusieurs sections fonctionnelles différentes. Notez encore que ce guide est destiné aux robots mobiles par opposition aux conceptions stationnaires ou fixes de façon permanente (autres que des bras et pinces robotiques). Il est sage d'envisager d'utiliser une conception modulaire (chaque partie fonctionnelle peut être enlevée et testée séparément) lors de la construction d'une conception hybride. Des modèles divers peuvent inclure des aéroglisseurs, des concepts de type serpents, des tourelles et bien plus encore.

Avantages

• Conçu et construit pour répondre à des besoins spécifiques
• Multi-tâches et pouvant être composé de modules
• Peut conduire à une augmentation de la fonctionnalité et de la polyvalence

Inconvénients

• Possible complexité et coût accrus
• Souvent, les pièces doivent être conçues et construites sur mesure

Bras et Pinces

Bien que ceux-ci ne tombent pas dans la catégorie de la robotique mobile, le domaine de la robotique a commencé essentiellement avec des bras et des effecteurs d'extrémité (appareils qui se fixent à l'extrémité d'un bras tels que des pinces, électroaimants, etc.). Les bras et les pinces sont le meilleur moyen pour un robot d'interagir avec l'environnement qu'il explore. Des bras robotiques simples peuvent n'avoir qu'un seul mouvement, tandis que des bras plus complexes peuvent avoir une douzaine ou plus de degrés uniques de liberté.

Avantages

• Possibilités de conception de la plus simple à la plus complexe
• Il est facile de fabriquer un bras robotique à 3 ou 4 degrés de liberté (deux articulations et une base tournante)

Inconvénients

• Fixe, à moins d'être monté sur une plate-forme mobile
• Le coût de construction est proportionnel à la capacité de levage

Exemple pratique Dans notre cas, nous avons opté pour la construction d'un robot qui fournira l'exposition maximale à la robotique. Une plate-forme à chenilles programmable qui peut accueillir une variété de capteurs et une pince semble idéale dans ce cas, spécialement parce que nous considérons que les chenilles de char sont beaucoup plus sympas que les roues. Afin de minimiser les coûts, nous avons opté pour la construction d'un petit robot de bureau qui sera en mesure de se déplacer à l'intérieur et sur les tables. Nous avons également pris en considération le fait qu'il n'y a pas beaucoup de chenilles disponibles et, pour garder les choses simples, nous n'allons envisager qu'un seul système de pignon tendeur unique, cela ne devrait pas être un problème puisque le robot sera d'un poids très léger. Le schéma CAO préliminaire ci-dessous résume les caractéristiques décrites jusqu'ici.

Nous allons ensuite choisir les bons actionneurs (par exemple des moteurs) pour votre robot. Pour de plus amples informations concernant l'apprentissage de la construction d'un robot, veuillez consulter le Centre de formation de RobotShop. Consultez le Forum de la communauté RobotShop pour demander de l'aide dans la construction de robots, présenter vos projets ou simplement discuter avec d'autres collègues roboticiens.