Comment fabriquer un Robot - Leçon 3 : Donner un sens aux actionneurs

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

Donner un sens aux actionneurs

Maintenant que nous avons acquis des notions générales sur la robotique dans Leçon 1 et décidé du robot à construire dans Leçon 2, nous allons maintenant choisir les actionneurs qui feront bouger le robot.

Qu'est-ce qu'un actionneur ?

Un « actionneur » peut être défini comme un dispositif qui convertit l'énergie (en robotique, cette énergie tend à être électrique) en un mouvement physique. La grande majorité des actionneurs produit un mouvement soit rotatif, soit linéaire. Par exemple, un « moteur à courant continu » est donc un type d'actionneur.

Choisir les bons actionneurs pour votre robot nécessite une compréhension de ce dont les actionneurs sont capables, d'un peu d'imagination, et d'un peu de maths et de physique.

Actionneurs rotatifs

Comme son nom l'indique, ce type d'actionneurs transforme l'énergie électrique en un mouvement rotatif. Il existe deux principaux paramètres mécaniques qui les distinguent les uns des autres : (1) le couple, la force qu'ils peuvent produire à une distance donnée (généralement exprimée en N•m ou Oz•in), et (2) la vitesse de rotation (habituellement mesurée en tours par minute, ou tr/min).

Moteur CA

Le CA (courant alternatif) est rarement utilisé dans les robots mobiles puisque la plupart d'entre eux sont alimentés en courant continu (CC) provenant de batteries. De plus, comme les composants électroniques utilisent le CC, il est plus pratique d'avoir également le même type d'alimentation électrique pour les actionneurs. Les moteurs à courant alternatif sont principalement utilisés dans les environnements industriels où un couple très élevé est nécessaire, ou lorsque les moteurs sont connectés à une prise secteur/murale.

Moteurs CC

Les moteurs CC revêtent diverses formes et tailles bien que la plupart soient cylindriques. Ils disposent d'un arbre de sortie qui tourne à des vitesses élevées, habituellement dans la plage de 5 000 à 10 000 tr/min. Bien que les moteurs CC tournent très rapidement, en général, la plupart ne sont pas puissants (faible couple). Afin de réduire la vitesse et d'augmenter le couple, une roue dentée peut être ajoutée. Pour intégrer un moteur dans un robot, vous devez fixer le corps du moteur au châssis du robot. Pour cette raison, les moteurs disposent souvent de trous de montage qui sont généralement situés sur la face du moteur de sorte qu'ils peuvent être montés perpendiculairement à une surface. Moteurs CC peut fonctionner avec une rotation dans le sens horaire (CW) et dans le sens antihoraire (CCW). Le mouvement angulaire de l'arbre tournant peut être mesuré en utilisant des encodeurs ou des potentiomètres.

Moteurs CC à engrenages

Un moteur CC à engrenages est un  moteur CC combiné avec une boîte à engrenages qui agit pour diminuer la vitesse du moteur et augmenter le couple. Par exemple, si un moteur CC tourne à 10 000 tr/min et produit 0,001 N•m de couple, ajouter un engrenage de 256:1 (deux cent cinquante six pour un) réduira la vitesse par un facteur de 256 (ce qui se traduira par 10 000 tr/min/ 256 = 39 tr/min), et augmentera le couple par un facteur de 256 (0,001 x 256 = 0,256 N•m). Les types d'engrenages les plus courants sont « coniques » (les plus courants), « planétaires » (plus complexes, mais permettent une diminution de vitesse supérieure dans un espace plus restreint, ainsi qu'une plus grande efficacité), et « vis sans fin » (qui permettent un rapport d'engrenage très élevé avec juste une seule phase, et empêchent également l'arbre de sortie de se déplacer si le moteur n'est pas alimenté). Tout comme un moteur CC, un moteur CC à engrenages peut également tourner dans le sens horaire ou anti-horaire. Si vous avez besoin de connaître le nombre de rotations du moteur, un « encodeur » peut être ajouté à l'arbre.

Servomoteurs R/C

Les servomoteurs R/C (ou amateurs) sont des types d'actionneurs qui tournent vers une position angulaire spécifique, et sont classiquement utilisés dans des véhicules télécommandés plus coûteux, pour la direction ou la commande des surfaces de vol. Maintenant qu'ils sont utilisés dans un grand nombre d'applications, le prix des servomoteurs amateurs a diminué de façon significative, et le choix (différentes tailles, technologies, et force) a augmenté. Le point commun à la plupart des servomoteurs est que la majorité ne tourne qu'autour des 180 degrés. Un servomoteur amateur actuel comprend un moteur CC, un engrenage, l'électronique et un potentiomètre rotatif (qui, pour l'essentiel, mesure l'angle). L'électronique et le potentiomètre travaillent à l'unisson pour activer le moteur et arrêter l'arbre de sortie à un angle déterminé. Ces servomoteurs sont généralement équipés de trois fils : terre, tension en entrée, et impulsion de commande. L'impulsion de commande est habituellement générée avec un contrôleur de servomoteur. Un « servomoteur robot » est un nouveau type de servomoteur qui offre à la fois la rotation continue et la rétroaction de la position. Tous les servomoteurs peuvent tourner dans le sens horaire ou anti-horaire.

Servomoteurs industriels

Un servomoteur industriel est commandé de façon différente qu'un servomoteur amateur et on le retrouve plus généralement sur de très grandes machines. Un servomoteur industriel est généralement constitué d'un grand moteur CA (parfois triphasé), d'un démultiplicateur et d'un encodeur qui fournit des informations sur la position et la vitesse angulaire. Ces moteurs sont rarement utilisés dans les robots mobiles en raison de leurs poids, taille, coût et complexité. Vous pourriez trouver un servomoteur industriel dans un bras robotique industriel plus puissant ou de très gros véhicules robotiques.

Moteurs pas à pas

Un moteur pas à pas agit exactement comme son nom l'indique : il tourne selon des « étapes » spécifiées (en fait, des angles spécifiques). Le nombre de degrés auxquels l'arbre tourne à chaque pas (dimension du pas) varie en fonction de plusieurs facteurs. La plupart des moteurs pas à pas n'incluent pas d'engrenages, c'est pourquoi, tout comme pour un moteur à courant continu, le couple est souvent faible. Configuré correctement, un incrémenteur peut tourner dans le sens horaire et anti-horaire et peut être déplacé vers une position angulaire souhaitée. Les moteurs pas à pas peuvent être de type unipolaire et bipolaire. Un inconvénient notable des moteurs pas à pas est que si le moteur n'est pas alimenté, il est difficile d'être certain de l'angle de départ du moteur. L'ajout d'engrenages à un moteur pas à pas a le même effet que des engrenages ajoutés à des moteurs CC : cela augmente le couple et diminue la vitesse angulaire en sortie. Puisque la vitesse est réduite par le rapport d'engrenage, la dimension du pas est également réduite du même facteur. Si le moteur pas à pas non démultiplié avait une dimension de pas de 1,2 degrés, et que vous ajoutiez un démultiplieur de 55:1, la nouvelle dimension de pas serait de 1,2 / 55 = 0,0218 degrés. Actionneurs linéaires Un actionneur linéaire produit un mouvement linéaire (mouvement le long d'une ligne droite) et dispose de trois principales caractéristiques mécaniques distinctes : les distances minimales et maximales sur lesquelles la tige peut se déplacer (c'est à dire la « course », en mm ou en pouces), sa force (en kg ou livres), et sa vitesse (en m/s ou en pouces/s)

Actionneur linéaire CC

Un actionneur linéaire CC est souvent constitué d'un moteur à courant continu relié à une tige filetée. Lorsque le moteur tourne, il en va de même pour la tige filetée. Un système se déplaçant sur la tige filetée est forcé soit vers, soit loin du moteur, ce qui convertit essentiellement le mouvement de rotation en un mouvement linéaire. Quelques actionneurs linéaires intègrent un actionneur linéaire qui fournit un retour de position linéaire. Afin d'empêcher l'actionneur de se détruire lui-même, de nombreux fabricants incluent des commutateurs de fin de course à chaque extrémité qui coupent l'alimentation de l'actionneur lorsqu'ils sont pressés. Les actionneurs linéaires CC existent dans un grand choix de tailles, courses et forces.

Solénoïdes

Les solénoïdes se composent d'une bobine enroulée autour d'un noyau mobile. Quand la bobine est alimentée, le noyau est poussé hors du champ magnétique et produit un mouvement dans une direction unique. Plusieurs bobines ou des arrangements mécaniques seraient nécessaires afin de fournir un mouvement dans deux directions. La course d'un solénoïde est généralement très faible mais sa vitesse est très rapide. La résistance dépend principalement de la taille de la bobine et de la quantité de courant qui la traverse. Ce type d'actionneur est couramment utilisé dans les vannes ou systèmes de verrouillage et il n'y a généralement pas de retour de position (il est soit complètement rétracté ou étiré).

Muscle électrique

Un muscle électrique est un type particulier de fil qui se contracte lorsqu'un courant électrique le traverse. Une fois que le courant a disparu (et que le fil se refroidit) il reprend sa longueur d'origine. Ce type d'actionneur n'est pas très solide et rapide ou n'offre pas une longue course. Néanmoins, il est très pratique lorsque l'on travaille avec de très petites pièces ou dans un espace très confiné.

Pneumatique et hydraulique

Les actionneurs pneumatiques ou hydrauliques utilisent respectivement de l'air ou un liquide (par exemple de l'eau ou de l'huile), afin de produire un mouvement linéaire. Ces types d'actionneurs peuvent avoir de très longues courses ainsi qu'une force et une vitesse élevée. Afin d'être opérationnels ils nécessitent l'utilisation d'un compresseur de fluide qui les rend plus difficiles à exploiter que les actionneurs électriques réguliers. En raison de leur grande vitesse, de leur force et généralement de leur grande taille, ils sont principalement utilisés dans des environnements industriels. Choisir un actionneur Pour vous aider à choisir un actionneur pour une tâche spécifique, nous avons développé les questions suivantes pour vous guider dans la bonne direction. Il est important de noter que des technologies nouvelles et novatrices apparaissent constamment sur le marché et que rien n'est gravé dans la roche. Notez également qu'un seul actionneur peut effectuer des tâches très différentes dans des contextes différents. Par exemple, avec de la mécanique supplémentaires, un actionneur qui produit un mouvement linéaire peut être utilisé pour faire pivoter un objet et vice versa (comme avec l'essuie-glace d'une voiture). (1) Est-ce que l'actionneur va être utilisé pour déplacer un robot sur roues ? Les moteurs d'entraînement doivent déplacer le poids de l'ensemble du robot et imposeront plus que probablement un engrenage abaisseur. La plupart des robots utilisent une « conduite par glissement » tandis que les voitures ou les camions ont tendance à utiliser une direction à crémaillère et pignons. Si vous choisissez une conduite par glissement, les moteurs CC à engrenages sont un choix idéal pour des robots dotés de roues ou chenilles car ils fournissent une rotation continue, et peuvent avoir un retour de position en option en utilisant des encodeurs optiques, et sont très faciles à programmer et à utiliser. Si vous souhaitez utiliser une crémaillère et des pignons, vous aurez besoin d'un moteur CC d'entraînement (un engrenage est également suggéré) et un moteur pour diriger les roues avant. Par s'agiter, étant donné que la rotation requise est limitée à un angle spécifique, un servomoteur R/C serait le choix logique.

(2) Le moteur est-il utilisé pour soulever ou faire tourner un poids lourd ?

Soulever un poids nécessite beaucoup plus de puissance que pour déplacer un poids sur une surface plane. La vitesse doit être sacrifiée pour gagner en couple et il est préférable d'utiliser une boîte à engrenages avec un rapport d'engrenage élevé et un moteur CC puissant ou un actionneur linéaire. Envisagez d'utiliser un système (avec des vis sans fin ou des brides) qui empêche la masse de tomber en cas de perte de puissance.

(3) L'amplitude de mouvement se limite-t-elle à 180 degrés ?

Si l'amplitude se limite à 180 degrés et que le couple requis n'est pas significatif, un servomoteur R/C est idéal. Les servomoteurs sont disponibles dans un grand choix de tailles et couples différents et procurent un retour de position angulaire (la plupart utilisent un potentiomètre, et certains plus spécialisés utilisent des encodeurs optiques). Les servomoteurs R/C sont utilisés de plus en plus pour créer de petits robots marcheurs.

(4) L'angle doit-il être très précis ?

Les moteurs pas à pas et les moteurs pas à pas à engrenages (associés à des contrôleurs de moteurs pas à pas) peuvent offrir un mouvement angulaire très précis. Ils sont parfois préférés aux servomoteurs, car ils offrent une rotation continue. Cependant, certains servomoteurs numériques haut de gamme utilisent des encodeurs optiques et peuvent offrir une très grande précision.

(5) Le mouvement se fait-il en ligne droite ?

Les actionneurs linéaires sont les meilleurs pour déplacer des objets et les positionner le long d'une ligne droite. Ils sont disponibles dans un grand choix de tailles et de configurations. Le muscle électrique ne doit être envisagé que si votre mouvement ne nécessite que très peu de force. Pour un mouvement très rapide, envisagez les solutions pneumatiques ou solénoïdes, et pour des forces très élevées, envisagez des actionneurs linéaires CC (jusqu'à environ 227 kg) puis l'hydraulique. Outils Afin de calculer la force (ou le couple), et la vitesse nécessaires pour votre application, de nombreux calculs (plutôt complexes) sont nécessaires impliquant la partie matérielle de la machine à créer. Afin de simplifier le processus de conception, nous avons mis en place quelques outils qui peuvent vous aider.

• Sélecteur de moteur d'entraînement CC (utile pour les robots sur roues ou chenilles). Veuillez également consulter le Didacticiel de dimensionnement des moteurs d'entraînement pour obtenir plus d'informations.
• Didacticiel du couple d'une jambe robotique
• Calculateur du couple d'un bras robotique

Exemple pratique

Dans leçon 1 nous avons déterminé que l'objectif de notre projet sera d'obtenir une meilleure compréhension des robots mobiles, tout en maintenant le budget aux environs de 200 $ et à un maximum de 300 $. Dans leçon 2 nous avons décidé que nous voulions un petit char sur chenilles qui pourrait fonctionner sur le dessus d'un bureau.

Tout d'abord, déterminons le type des actionneurs qui seront nécessaires en répondant aux cinq questions précitées :

1. Est-ce que l'actionneur va être utilisé pour déplacer un robot sur roues ? Oui. Un moteur CC à engrenages est le type d'actionneur suggéré et une direction par glissement est appropriée à un char, ce qui signifie que chaque chenille aura besoin de son propre moteur.
2. Le moteur est-il utilisé pour soulever ou faire tourner un poids lourd ? Non, un robot pour bureau n'est pas bien lourd.
3. L'amplitude de mouvement se limite-t-elle à 180 degrés ? Non, les roues doivent pouvoir tourner en continu.
4. L'angle doit-il être précis ? Non, notre robot ne nécessite pas de rétroaction de position.
5. Le mouvement se fait-il en ligne droite ? Non, puisque nous voulons que le robot tourne et se déplace dans toutes les directions.

Puisque faire tourner une roue nécessite un mouvement de rotation, nous pouvons rapidement éliminer tous les actionneurs linéaires et choisir un moteur CC à engrenages. La question logique suivante est « lequel ? »Une recherche en ligne montre qu'il n'existe pas trop de systèmes de chenilles destinés à de petits robots, ce qui en soi restreint le nombre des moteurs que nous pouvons envisager.

Les Système de chenilles actuellement disponibles

Chez 2" et 3" larges, les chenilles Lynxmotion sont plus destinées aux robots de taille moyenne, donc nous allons les oublier. Le prix n'entre également pas dans notre budget.

Le Kit de chenilles Vex est vraiment une bonne option, mais cela nous limite à un moteur spécifique.

Le Jeu de roues et de chenilles Tamiya est vraiment une bonne option, et limiterait nos choix à des moteurs et boîtes à engrenages Tamiya. Cela entrerait dans notre budget.

Il existe plusieurs Kits de chenilles Johnny Robot, un pour un servomoteur à rotation continue Hitec (qui est essentiellement un moteur à engrenages dans le corps d'un servomoteur), un autre pour un servomoteur à rotation continue Futaba, un pour des moteurs Tamiya et un autre pour des moteurs Pololu ou Solarbotics. C'est certainement une bonne option et qui rentre dans notre budget. Principalement pour des raisons d'esthétiques et de compatibilité moteur, nous allons nous en tenir à ce choix.

Il reste toujours la possibilité de pirater un jouet comme un char R/C et de le convertir en un robot Cette option nous procurerait également des moteurs compatibles, cependant, l'objectif est de concevoir notre propre robot et non de pirater un autre produit.

Calcul des exigences du moteur

L'étape suivante consiste à compléter l'outil sélecteur d'un moteur d'entraînement CC, au moyen de valeurs approximatives.

Détails des données

• Masse totale du robot : 200 g devant tout inclure : moteurs, châssis, batteries et le reste.
• Nombre de moteurs d'entraînement : deux moteurs sont nécessaires pour une direction par glissement.
• Rayon de la roue motrice : de 1,27 cm à environ 2,54 cm devraient correspondre aux dimensions pour un robot de bureau.
• Vitesse du robot : 0,2 m/s serait bien pour un robot de bureau.
• Inclinaison maximale : escalader des livres serait sympa, choisissons 30 degrés.
• Tension d'alimentation : incertaine pour le moment, nous choisissons donc la valeur par défaut de 12 V
• Accélération souhaitée : pas sûre, choisissons donc par défaut 0,2 m/s²
• Durée de fonctionnement souhaitée : 30 minutes est raisonnable entre deux rechargements.
• Rendement total : pas sûr, nous choisissons donc par défaut 65 %

En utilisant un rayon de la roue de 1,27 cm, nous obtenons 150 tr/min à 1,4 oz-in. Lorsqu'on utilise une roue de 2,54 cm, le calculateur indique 75 tr/min à 2,8 oz-in.

Choisir le moteur

Ainsi, les moteurs que nous recherchons doivent tourner à environ 150 tours par minute et fournir environ 1,4123 onces/pouce de couple. Nous pouvons utiliser le Tableau de comparaison des moteurs CC afin de trouver le moteur approprié. Il existe de nombreux moteurs disponibles qui correspondent au Kit de chenilles Johnny Robot : Le Solarbotics GM8 et GM9 proposent respectivement 70 tr/min à 43 oz-in et 66 tr/min à 43 oz-in. Les deux se vendent à 5,46 $ chacun. Une combinaison de boîte à engrenages et de moteur Tamiya se vend pour environ 11 $ et plus, et propose une large gamme de couples et de vitesses. Un servomoteur à rotation continue Hitec et des servomoteurs à rotation continue Futaba se vendent respectivement à 17  et 14 $. Pour finir, nous avons opté pour une paire de Solarbotics GM9 afin d'utiliser l'entrainement par glissement, principalement en raison de leur faible coût. Il est important de noter que même si le calculateur spécifie qu'il nous fallait environ 150 tr/min, nous avons tout de même choisi ce moteur, en sachant qu'il se déplacera à environ la moitié de la vitesse (souhaitée) d'origine. Le couple produit par ce moteur est nettement supérieur à celui dont nous avons besoin, ce qui signifie qu'il peut transporter un poids supplémentaire, ou monter des angles pas à pas.

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