Comment fabriquer un Robot - Leçon 9 : Assembler un robot

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

À présent que vous avez choisi tous les blocs de construction de base utilisés pour fabriquer un robot, l'étape suivante consiste à concevoir et construire une structure ou un cadre qui les maintient tous ensemble et donne à votre robot une apparence et une forme distincte.

Fabriquer le cadre

Il n'existe aucun moyen « idéal » pour créer un cadre car il y a presque toujours des compromis à faire ; vous voudrez peut-être un cadre léger, mais il peut être nécessaire d'utiliser des matériaux coûteux sous peine qu'il ne soit trop fragile. Vous voudrez peut-être un châssis robuste ou grand, mais le réaliser sera coûteux, lourd ou difficile à produire. Votre cadre « idéal » peut s'avérer complexe et prendre trop de temps à concevoir et à créer, alors qu'un cadre simple peut être tout aussi bon. Il est également rarement d'une forme « idéale », mais certains modèles peuvent certainement paraître plus élégants dans leur simplicité, tandis que d'autres peuvent attirer l'attention en raison de leur complexité.

Matériaux

Il existe de nombreux matériaux que vous pouvez utiliser pour créer un cadre. Plus vous utilisez de matériaux pour construire non seulement des robots, mais aussi d'autres périphériques, plus vous obtenez un meilleur ressenti de ce qui est le plus approprié à un projet donné. La liste des matériaux de construction proposés ci-dessous n'inclut que les plus courants, et une fois que vous en avez essayé quelques-uns, n'hésitez pas à en expérimenter qui ne se trouvent pas sur la liste, ou à en mixer certains ensemble.

Utilisez des produits existants du commerce

Vous avez probablement vu des projets scolaires fondés sur des produits de grande consommation tels que des bouteilles, des boîtes en carton, des Tupperware, etc. Cela consiste essentiellement à trouver une nouvelle utilisation à un produit et est plutôt susceptible, soit de vous faire économiser beaucoup de temps et d'argent, soit de vous créer plus de soucis et de maux de tête. L'incroyable RoboBrrd, sur la gauche, est un très bon exemple de la façon de réutiliser des matériaux et d'en faire un robot très compétent.

Matériau basique de construction

Certains des matériaux de construction les plus basiques peuvent être utilisés pour fabriquer d'excellents cadres. L'un des matériaux disponibles les moins chers et les plus faciles est le carton, vous pouvez souvent en trouver gratuitement et il peut être facilement coupé, plié, collé et stratifié. Exemple : vous pouvez créer une boîte en carton renforcé, qui semble bien plus agréable et soit plus proportionnelle par la taille à votre robot. Vous pouvez ensuite étaler de l'époxy ou de la colle pour la rendre plus résistante, puis la peindre.

Matériau structurel plat

Une des façons les plus courantes de fabriquer un cadre consiste à utiliser un matériau standard, tel qu'une feuille de bois, de plastique ou de métal, et d'y ajouter des trous pour connecter tous les actionneurs et l'électronique. Un morceau de bois solide a tendance à être assez épais et lourd, tandis qu'une mince feuille de métal peut être trop souple. Exemple : une pièce plate de bois dense de 0,32 cm peut être facilement découpée avec une scie, forée (sans crainte de la briser), peinte, poncée, et bien plus encore. Vous pouvez connecter des périphériques sur les deux faces (par exemple relier les moteurs et des roulettes vers le bas, et l'électronique et la batterie vers le haut) et le bois restera toujours intact et solide.

Découpe au laser/ plastique ou métal courbé

Si vous en êtes à l'étape où vous êtes prêt à externaliser la réalisation du cadre, les meilleures options sont encore la découpe de précision des pièces au moyen d'un jet d'eau ou d'un laser. Faire produire une partie personnalisée par une entreprise n'est idéal que si vous êtes certain de toutes vos mesures, car des erreurs peuvent s'avérer être très coûteuses. Les entreprises qui offrent des services de découpe contrôlée par ordinateur offrent également de nombreux autres services, dont le ceintrage et la peinture.

Impression 3D

L'impression 3D d'un cadre est rarement la solution la plus structurellement saine (car il est construit par couches), mais ce processus peut produire des formes très complexes qui ne seraient pas possibles (ou très difficiles) par d'autres moyens. Une seule pièce imprimée en 3D peut contenir tous les points de montage nécessaires pour tous les composants électriques et mécaniques tout en économisant un poids considérable. Plus l'impression 3D devient populaire, plus le coût de production des pièces baisse. Un avantage remarquable de l'impression 3D n'est pas seulement que votre conception est facile à reproduire, mais c'est surtout qu'elle est facile à partager. Par exemple, vous pouvez cliquer sur l'exemple de carapace de tortue sur la gauche et obtenir toutes les instructions de conception et les fichiers de CAO.

Polymorphe

Le polymorphe est vraiment dans une classe à part ; à température ambiante, le polymorphe est un plastique dur, mais lorsqu'il est chauffé (dans de l'eau chaude par exemple), il devient malléable et peut être façonné en pièces complexes qui, une fois refroidies, se solidifient en pièces de plastique robustes. Normalement, les pièces en plastique nécessitent des températures élevées et des moules, ce qui les met hors-limites pour la plupart des amateurs. Exemple : vous pouvez combiner différentes formes (cylindres, feuilles plates, etc.) pour former des structures complexes en plastique qui semblent sortir de production. Vous pouvez également faire de l'expérimentation avec du moulage basique, le bras robotique en polymorphe est un bon exemple de ce que vous pouvez réaliser avec ce matériau.

Assembler le robot

Compte tenu de la sélection des matériaux et des méthodes, comment allez-vous commencer ? Suivez les étapes ci-dessous pour créer un cadre de robot de petite taille, esthétique, simple et structurellement sain.

1. Arrêtez votre choix concernant les matériaux de construction.
2. Obtenez toutes les pièces nécessaires à votre robot (électriques et mécaniques) et mesurez-les. Si vous n'avez pas toutes vos pièces en main, vous pouvez vous référer aux dimensions fournies par le fabricant
3. Réfléchissez et esquissez quelques modèles différents pour le cadre. N'entrez pas dans trop de détails.
4. Une fois fixé sur un modèle, assurez-vous que la structure est solide et que les composants seront bien supportés.
5. Dessinez chaque pièce de votre robot sur du papier ou du carton à l'échelle 1:1 (taille réelle). Vous pouvez également les dessiner à l'aide de logiciels de CAO et les imprimer.
6. Testez votre conception de CAO et, dans la vraie vie, au moyen de votre prototype en papier, testez le montage de chaque pièce et connexion.
7. Mesurer à nouveau tout ! Puis une fois que vous êtes absolument sûr que votre conception est correcte, commencer à découper le cadre dans le matériau définitif. Rappelez-vous, mesurez deux fois et ne coupez qu'une fois !
8. Essayez chaque composant avant l'assemblage de la structure, au cas où des modifications seraient nécessaires.
9. Soyez fou et assemblez votre cadre à l'aide de colle chaude, de vis, de clous, de ruban adhésif ou de toute autre technique de liaison que vous aurez choisie pour votre robot.
10. Montez tous les composants sur le cadre, et voilà : vous venez de créer un robot à partir de zéro !

Assemblage des composants du robot

L'étape 10 de la liste ci-dessus mérite d'être détaillée ultérieurement. Dans les leçons précédentes, vous avez choisi les composants et les actionneurs électriques. À présent, vous devez les faire fonctionner ensemble. Pour la section suivante, nous allons utiliser des couleurs de câbles génériques et des noms de terminaux qui ne couvrent que les cas courants Comme toujours, la fiche technique et les manuels sont vos meilleurs amis pour comprendre comment fonctionne un équipement robotique.

Raccorder des moteurs à des contrôleurs de moteurs

Un moteur (a engrenages) CC, ou un actionneur linéaire CC auront probablement deux fils : rouge et noir. Connectez le fil rouge à la borne M+ sur le contrôleur de moteur à courant continu, et le noir à M-. Inverser les fils ne fera qu'amener le moteur à tourner dans la direction opposée. Pour un servomoteur, il y a trois fils : un noir (GND), un rouge (4,8 à 6 V) et un jaune (signal de position). Un contrôleur de servomoteur comporte des broches qui correspondent à ces fils, de sorte que le servomoteur peut y être directement branché.

Raccorder des batteries à un contrôleur de moteur ou à un microcontrôleur

La plupart des contrôleurs de moteur ont deux borniers à vis pour les câbles de la batterie marqués B+ et B-. Si votre batterie est livrée avec un connecteur et que votre contrôleur utilise des borniers à vis, vous pourriez être en mesure de trouver un connecteur d'accouplement avec des tresses (fils) pouvant être connectés au bornier à vis. Si non, vous devrez peut-être trouver un autre moyen de connecter la batterie au contrôleur de moteur, tout en restant capable de débrancher la batterie et de la connecter à un chargeur. Il est possible que tous les produits électromécaniques que vous avez choisi pour votre robot puissent fonctionner à la même tension, et donc puissent nécessiter plusieurs batteries ou circuits de régulation de tension. Vous trouverez ci-dessous les niveaux de tension habituels impliqués dans les composants robotiques de loisir courants :

• Moteurs à engrenages CC : de 3 à 24 V
• Servomoteurs standards : de 4,8 à 6 V
• Servomoteurs spéciaux : de 7,4 à 12 V
• Moteurs pas à pas : de 6 à 12 V
• Les microcontrôleurs comprennent généralement des régulateurs de tension : de 3 à 12 V
• Capteurs : 3,3/ 5/ et 12 V
• Contrôleurs de moteurs CC : de 3 à 48 V
• Les batteries standards font 3,7/ 4,8/ 6/ 7,4/ 9/ 11,1 et 12 V

Si vous fabriquez un robot avec des moteurs à engrenages CC, un microcontrôleur et peut-être un servomoteur ou deux, il est facile de voir comment une batterie peut ne pas être en mesure de tout alimenter directement. Nous vous recommandons néanmoins de choisir une batterie pouvant alimenter directement autant de dispositifs que possible. La batterie avec la plus grande capacité s'associe aux moteurs d'entraînement. Par exemple, si les moteurs que vous avez choisis sont de classe nominale 12 V, votre batterie principale devra également être de 12 V, vous pouvez alors utiliser un régulateur ou alimenter un microcontrôleur en 5 V. Sans entrer dans les détails, NiMH et LiPo sont les deux meilleurs choix pour des robots de taille petite à moyenne. Choisissez NiMh pour un prix moins cher et LiPo pour un poids plus léger. Avertissement : Les batteries sont des appareils puissants et peuvent facilement brûler vos circuits s'ils sont incorrectement connectés. Toujours contrôler trois fois que la polarité est juste et que votre appareil peut gérer l'énergie fournie par la batterie. Si vous n'êtes pas sûr, ne « devinez » pas. L'électricité est beaucoup plus rapide que vous, avant même que vous réalisiez que quelque chose ne va pas, la fumée bleue magique s'échappera déjà de votre appareil.

Connecter des contrôleurs de moteurs à un microcontrôleur

Un microcontrôleur peut communiquer avec des contrôleurs de moteur de diverses façons :

• Série : le contrôleur dispose de deux broches nommées Rx (réception) et Tx (transmission). Connectez la broche Rx du contrôleur de moteur à la broche Tx du microcontrôleur et vice versa.
• I2C : le contrôleur de moteur comporte quatre broches : SDA, SCL, V, GND. Votre microcontrôleur aura les mêmes quatre broches, mais pas nécessairement marquées, il suffit donc de les raccorder une à une.
• MLI : le contrôleur de moteur aura à la fois une entrée MLI et une entrée numérique pour chaque moteur. Connectez la broche d'entrée MLI du contrôleur de moteur à une broche de sortie MLI sur le microcontrôleur, puis connectez chaque broche d'entrée numérique du contrôleur de moteur à une broche de sortie numérique du microcontrôleur.
• R/C : pour connecter un microcontrôleur à un contrôleur de moteur R/C, vous devez connecter la broche de signal à une broche numérique sur le microcontrôleur.

Indépendamment de la méthode de communication, la logique du contrôleur de moteur et le microcontrôleur doivent partager la même référence de masse (ceci est réalisé en connectant les broches GND ensemble) et le même haut niveau logique (cela peut être réalisé en utilisant la même broche V+ à l'alimentation des deux appareils). Un dispositif de décalage de niveau logique est nécessaire si les dispositifs ne partagent pas les mêmes niveaux logiques (3,3 et 5 V par exemple)

Connecter des capteurs à un microcontrôleur

Les capteurs peuvent être interfacés avec des microcontrôleurs d'une manière similaire à celle des contrôleurs de moteur. Les capteurs peuvent utiliser les types de communication suivants :

• Numérique : le capteur comporte une broche de signal numérique qui se connecte directement à une broche du microcontrôleur numérique. Un simple interrupteur peut être considéré comme un capteur numérique.
• Analogique : les capteurs analogiques produisent un signal de tension analogique qui doit être lu par une broche analogique. Si votre microcontrôleur n'a pas de broches analogiques, vous aurez besoin d'un circuit séparé analogique/numérique (CAN). En outre, certains capteurs avec le circuit d'alimentation requis ont généralement trois broches : V+, GND et Signal. Par exemple, si un capteur est une résistance variable simple, il vous demandera de créer un diviseur de tension afin de lire la tension variable en résultant.
• Série ou I2C : les mêmes principes de communication que ceux expliqués pour les contrôleurs de moteur s'appliquent ici.

Communication d'un dispositif à un microcontrôleur

La plupart des appareils de communication (par exemple XBee, Bluetooth) utilisent la communication série, de sorte que les mêmes connexions RX, TX, GND et V+ sont nécessaires. Il est important de noter que, bien que plusieurs connexions séries puissent être partagées sur les mêmes broches RX et TX, l'arbitrage de bus approprié est nécessaire afin d'éviter de la diaphonie, les erreurs et la folie en général. Si vous avez très peu de périphériques série, il est souvent simple d'utiliser un port série unique pour chacun d'eux.

Roues vers moteurs

Idéalement, vous avez choisi des roues ou des pignons conçus pour s'adapter à l'arbre du moteur que vous avez choisi. Sinon, heureusement, il existe un moyeu qui s'ajuste entre les deux. Si vous trouvez que la roue et le moteur que vous avez choisis ne sont pas compatibles l'un avec l'autre, et ne peuvent pas trouver un moyeu approprié, vous devrez peut-être trouver un autre moyeu qui se connecte à la roue, mais présente un alésage plus petit, vous auriez alors à percer le trou de la plaque tournante au même diamètre que l'arbre.

Composants électriques au cadre

Vous pouvez monter de l'électronique sur un cadre en utilisant diverses méthodes. Assurez-vous que tous les moyens que vous utilisez ne conduisent pas l'électricité. Les méthodes classiques comprennent : entretoises hexagonales, vis, écrous, ruban adhésif double face, Velcro, colle, attaches de câble, etc.

Exemple pratique

1. Arrêtez votre choix concernant les matériaux de construction.
2. Nous recevons les pièces suivantes afin de mesurer et de tester qu'elles s'adaptent :
   • 2 x Moteur à engrenage avec arbres à 90°
   • 1x Arduino Uno
   • 1 x Kit de chenilles GM Johnny Robot Standard
   • 2 x Blindage de contrôleur de moteur Arduino
   • 2 x Mini carte d'essais
3. Nous allons essayer de rester proches d'une boîte à six faces, mais peut-être devrons-nous apporter des modifications afin de tenir compte de toutes les pièces
4. Certaines modifications doivent être faites à la conception, afin de tenir compte de toutes les pièces comme en :
   • Ajoutant plus de trous de montage pour le bloc batterie
   • Ajoutant plus de points de montage pour des servomoteurs ou d'autres accessoires
   • Affinant l'emplacement du trou
5. Le cadre en carton sera fait par impression du projet sur un carton blanc (ou collage d'une feuille de papier imprimé sur du carton), découpez-le, pliez-le et utilisez de la colle (chaude), afin de renforcer les courbures, bords et surfaces.
6. Nous assemblons complètement le robot en utilisant le cadre de carton, afin de nous assurer que tout est bien ajusté.
7. Nous mesurons à nouveau tout et, une fois que nous sommes absolument sûrs de la conception, nous la fabriquons professionnellement.
8. Essayez chaque composant au cas où des modifications seraient nécessaires.
9. Le cadre est fait d'une seule pièce donc aucun assemblage n'est nécessaire
10. Un fois assemblé, le robot intègre de nombreux accessoires.

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