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ROBOT SUMO energie_COR .docx Page 1

1 PRSENTATION DE LETUDE ET DU SYSTEME

1.1 Introduction

La robotique science et technique de la

conception et de la construction des robots a aujourdhui investi de nombreux domaines tels que le domaine industriel, arospatial, grand public sous forme daspirateurs ou de tondeuses autonomes et tout dernirement, le milieu du jouet.

Le robot qui fait lobjet de notre tude, permet de participer des concours de robotique trs apprcis outre atlantique, ainsi quau Japon. Ces concours se dveloppent actuellement sur le vieux continent.

Ces robots sont appels : Robot Sumo ou Robot Mini Sumo .

Les Sumos, ce sont ces normes japonais qui se servent de leur corpulence pour pousser leur adversaire au-del dun cercle. Certains sont mme considrs comme des demi-dieux au pays du soleil levant. Aujourdhui, nul besoin davoir le rgime alimentaire dun Sumotori pour assouvir votre passion pour ce sport, il vous suffit de possder un Robot Sumo et en jouant sur la masse, la puissance et la programmation de votre robot, vous pourrez peut-tre dominer votre adversaire.

1.2 Extrait du rglement du concours

En dehors des limitations physiques des robots lies aux diffrentes catgories, les

rgles sont directement issues des combats de Sumos. Il faut tout simplement, pousser son adversaire en dehors dun disque, appel DOHYO . Ce disque est peint en noir mat et bord par une ligne blanche brillante (voir figure ci-dessous).

Un combat oppose deux Robots Sumos sur le Dohyo . Chaque Robot Sumo est mis en route par une personne. Le Dohyo a un diamtre de 1540 mm. Les dimensions initiales du Robot Sumo sont au maximum de 20cm x 20cm de cot pour une hauteur sans limite.

- Cette classe de robots correspond celle des moins de 1000g.

- Les robots sont autonomes et doivent dmarrer au bout de 5 secondes.

- La source dnergie est imprativement lectrique de type piles ou accumulateurs. Un combat consiste en 3 rencontres de 3 minutes chacune.


Consulter la documentation technique DT0 et DT1.

Le Robot Sumo est autonome et programmable, il est muni de 2 roues indpendantes motrices. Chacune des roues est actionne par un motorducteur courant continu 12 V.

La dtection du bord du dohyo, qui est une ligne blanche brillante, est ralise par deux capteurs de type reflex direct placs lavant droit et gauche.

La dtection du robot adverse est confie deux metteurs infrarouges et un rcepteur de lumire infrarouge.

Le traitement des donnes est confi un microcontrleur PIC cadenc 20 MHz.

1.3 Prsentation du Robot Sumo : FAST du Robot

FONCTION PRINCIPALE 1 : POUSSER LE ROBOT ADVERSE HORS DU DOHYO

FONCTION TECHNIQUE 1 :

SE DPLACER SUR LE DOHYO

FT 11 :

Stocker lnergie lectrique

Accumulateurs

FT 12 :

Grer lnergie du systme

Carte lectronique

FT 13 :

Convertir lnergie lectrique en nergie mcanique de rotation

FT 14 :

Adapter lnergie mcanique de rotation

FT 15 :

Transformer lnergie mcanique de rotation en nergie mcanique de translation


SORIENTER SUR LE DOHYO

FT 21 :

Elaborer une stratgie de dplacement

Programmation

FT 22 :

Dtecter le bord du dohyo


DTECTER LE ROBOT ADVERSE

FT 31 :

Elaborer une stratgie de dplacement

Programmation

FT 32 :

Dtecter distance

On peut galement citer les Fonctions Contraintes suivantes :

FC1 : Rsister aux agressions du robot adverse.

FC2 : Respecter le rglement.

FC3 : Rsister au milieu extrieur.

FC4 : Etre autonome en nergie lectrique.

FC5 : Etre esthtique.


1.4 Identification de choix technologiques

Lobjectif de cette tude est dIDENTIFIER certaines solutions technologiques de la chane dnergie et de la chane dinformation.

Pour permettre la Fonction Technique FT1 (se dplacer sur le dohyo), un certain nombre de solutions technologiques simples, ont t envisages. Ainsi FT1 peut notamment se diviser en 3 sous fonctions :

- FT13 : convertir lnergie lectrique en nergie mcanique de rotation. - FT14 : adapter lnergie mcanique de rotation. - FT15 : transformer lnergie mcanique de rotation en nergie mcanique de translation.

Consulter les chanes dinformation et dnergie du systme en documentation technique DT0 et la prsentation du Robot Sumo en DT1. Rpondre ces questions sur feuille de copie.

1.4.1 - Citer quelles sont les solutions technologiques permettant : FT13, FT14 et FT15. FT13 : Moteurs courant continu

FT14 : Rducteurs

FT15 : Roues motrices

Pour permettre la fonction Technique FT2 (sorienter sur le dohyo) et la Fonction Technique FT3 (dtecter le robot adverse) le robot est quip de capteurs.

1.4.2 - Citer quelles sont les solutions technologiques permettant : FT22 et FT32 FT22 : 2 capteurs photolectriques de type reflex direct

FT32 : 2 metteurs infrarouge + 1 rcepteur infrarouge

3 VALIDATION DU CHOIX DE LA MOTORISATION

Le Robot Sumo est quip de deux motorducteurs courant continu identiques et pouvant fonctionner de manire indpendante, lui permettant de se dplacer sur le dohyo et de pousser le robot adverse en dehors du dohyo lors dun contact avec celui-ci.

Lobjectif de cette tude est de VALIDER le choix des motorducteurs.

3.1 Etude prliminaire : dtermination de leffort de pousse : pousseF

Hypothses et donnes (Se reporter au document rponse DR1)

- Masse de ladversaire : m = 1000 g.

- On prendra lacclration de la pesanteur : g 10 m/s2. - Le robot adverse sera modlis par un cube de 20 cm de ct. - Le problme sera considr comme plan. - Laction mcanique exerce par votre Robot Sumo sur ladversaire sera modlise par

une force horizontale note : pousseF .

- Dans le but denvisager de rudes combats avec des adversaires tenaces, nous estimerons le facteur de frottement f au niveau du contact dohyo / adversaire S une

valeur particulirement leve : f = tan = 1,5 soit 56. - Dans ces conditions, laction mcanique de contact entre le dohyo et ladversaire S sera

modlise par une force note : adversairedohyoR port par le vecteur U (voir DR1).

3.1.1 - Sur feuille de copie, isoler ladversaire S et faire l'inventaire des actions mcaniques extrieures S.


L'adversaire S est soumis :

Action du poids :

=

0

= 0 0

10 00 0

Action du dohyo :

=

0

= sin 56 056 0

0 0

La force de pousse :

=

0

= 0

0 00 0

3.1.2 - Sur feuille de copie, dterminer la valeur numrique de toutes les actions

mcaniques extrieures S en appliquant le Principe Fondamental de Dynamique l'arrt.

Appliquons le PFD S :

+

+

= /0

A l'arrt, le torseur dynamique est nul : /0 = 0

L'quation de rsultante sur y donne : 10 + 56 + 0 = 0 d'o : =10

56= 17,9

L'quation de rsultante sur x donne : 0 + 56 + = 0 d'o :

= 10

5656 = 10 tan 56 = 14,8

Le signe - montre bien que la force est vers la gauche.

3.2 Dtermination du couple moteur : Cmoteur

Quelques soient les rsultats trouvs en 3.1.2, on prendra : N 15=Fpousse .

CONTRAINTE DE FONCTIONNEMENT 1 :

En phase de pousse, dans des conditions idales de fonctionnement, on souhaite que les moteurs fonctionnent aux environs de leur puissance utile maximum.

Hypothses et donnes supplmentaires

- On supposera le mouvement rectiligne uniforme pendant toute la phase de pousse. - Une tude prliminaire a permis de dterminer la vitesse du robot par rapport au dohyo

pendant la phase de pousse, on notera : pousseorobot/dohy V=V 0,33 m/s.

- On donne le diamtre des roues motrices : D = 73 mm. - On suppose quil y a roulement sans glissement au contact roues motrices / dohyo.

3.2.1 - Calculer la puissance de pousse Ppousse ncessaire pendant la phase de pousse du robot adverse.

= / = 4,95

La fonction TRANSMETTRE peut-tre diviser en deux sous-fonctions : - ADAPTER lnergie mcanique de rotation : cest le rle des 2 rducteurs - TRANSFORMER lnergie mcanique de rotation en nergie mcanique de translation :


Crd rd Prd

Crd rd Prd

Cmot mot

Pmot

P = 2Prd

ADAPTER

Cmot mot

Pmot

TRANSFORMER

le mouvement de ROTATION issue des roues en mouvement de TRANSLATION du robot

cest le rle des 2 roues motrices.

La sous-fonction TRANSFORMER a un rendement Transformer de lordre de 80 % en raison du frottement de lavant du robot avec le dohyo et de la rsistance au roulement des roues motrices.

3.2.2 - Calculer alors la puissance P fournir lensemble des 2 roues motrices et en

dduire la puissance Prd fournie par un seul rducteur.

=

= 6,2

3.2.3 - Calculer la vitesse angulaire roue = rd dune roue motrice.

= = /

2

= 9,04 /

3.2.4 - En dduire le couple Crd fourni par un seul rducteur.

=

= 0,342

3.2.5 - En utilisant la documentation technique DT3 sur le rducteur, calculer le rapport de

rduction mot

rdr

de ce rducteur.

=

= (1)413572468

=10 10 15 10

25 30 25 40=

1

50

Chaque tage de rduction du rducteur a un rendement tage = 0,9.

3.2.6 - En dduire le rendement rducteur du rducteur. =

4 = 0,656

3.2.7 - En dduire le couple moteur Cmot fourni par chaque moteur.

=

=

=

do : =

= 10,4

3.2.8 - Tracer EN BLEU sur les quatre courbes du document rponses DR2 (appel

Rducteur

rducteur

Roue motrice gauche

Fpousse = 15 N

Vpousse 0,33 m/s Ppousse

Transformer 80 %

Rducteur

rducteur

Roue motrice droite

TRANSMETTRE


phase de pousse ) le point de fonctionnement des moteurs en phase de pousse. La connaissance de permet, par lecture sur le document 2, de trouver Nmot = 4430 tours/min puis I = 1,8 A, Pmot = 4,8 W et le rendement = 38,4%

3.2.9 - Conclure au regard de la CONTRAINTE DE FONCTIONNEMENT 1. Pour cette phase de pousse, le moteur est utilis sa puissance maximum. La contrainte 1 est donc

respecte.

4 VALIDATION DES CHOIX STRATGIQUES

Lors dun combat, il faut sassurer que le Robot Sumo ne sorte pas du dohyo soit par une pousse du robot adverse, soit de lui-mme lorsquil rencontre le bord du dohyo.

Lobjectif de cette tude est de DTERMINER les caractristiques lectromcaniques ** permettant la ralisation du demi-tour lors de la dtection du bord du dohyo.

** = Les caractristiques lectromcaniques dterminer sont : - Vitesse angulaire du moteur. - Tension moyenne aux bornes du moteur et rapport cyclique de la MLI. - Paramtres de programmation.

4.1 - Dtermination de la vitesse angulaire du moteur

En phase de recherche du robot adversaire, le robot se dplace alatoirement sur le dohyo. Si lun ou les deux capteurs de lignes blanches placs lavant droit et gauche

dtectent le bord du dohyo, le robot doit reculer puis faire un demi-tour en une dure t.

CONTRAINTE DE FONCTIONNEMENT 2 :

En phase de recherche, pour des raisons dconomie dnergie, on souhaite faire fonctionner les 2 moteurs aux environs de leur rendement maximum.

Hypothses et donnes

- Le cahier des charges impose au robot de faire un demi-tour en une dure : t 0,5 s.

- R0 = )0000 ZYXO( est un repre fixe li au dohyo.

- R1 = )1110 ZYXO( est un repre li au robot.

- O0 , M et N aligns dans le plan du dohyo. - On donne : distance [O0M] = distance [O0N] = L = 85 mm.

Conditions de fonctionnement pendant la phase de demi-tour :

- Les deux motorducteurs tournent la mme vitesse angulaire, mais en sens inverse.

- Le robot a un mouvement circulaire uniforme la vitesse angulaire robot constante. - On suppose que les 2 roues motrices roulent sans glisser en M et N. - Dans ces conditions de fonctionnement, le robot est donc en mouvement de rotation

autour de laxe O0Z0.

Pour un mouvement circulaire uniforme : t

robotrobot

.

Robot en position initiale : robot = 0 Robot en position intermdiaire : robot [0,180]


4.1.1 - En respectant la dure t indique par le cahier des charges pour effectuer un

demi-tour, calculer la vitesse angulaire de rotation robot du robot.

Un demi tour correspond un angle de radians. =

= 6,28 /

4.1.2 - En dduire la vitesse

00 R/robotN

V du point N0 appartenant au robot par rapport au repre R0.

/ = 0 = 6,28

170. 103

2= 0,534 /

Hypothses et donnes supplmentaires

- On donne le diamtre des roues motrices : D = 73 mm tel que D = 2 x Rayon roue = 2 x distance [ON0]

- On donne le rapport de rduction des rducteurs r = 1/50.

- R2 = (O X2 Y2 Z2) un repre li au robot. - R3 = (O X3 Y3 Z3) un repre li la roue

motrice. - Chaque roue motrice effectue un

mouvement circulaire uniforme autour de laxe OY3 pendant toute la phase du demi-tour.

En considrant lhypothse de roulement sans glissement aux points de contact M0 et N0 entre les roues motrices et le dohyo, on montre :

000 R/robotNrobot/roueNVV

4.1.3 - En dduire la vitesse angulaire de

rotation roue des roues motrices.

/ = do :

= /

= 14,6 /


4.1.4 - Calculer la vitesse angulaire de rotation mot des moteurs, puis en dduire la

frquence de rotation Nmot des moteurs.

= 1

= 732/ donc : =

30

= 6990 /

4.1.5 - Tracer EN VERT sur les quatre courbes du document rponses DR3, le point de fonctionnement des moteurs en phase de recherche. La connaissance de permet, par lecture sur le document 3, de trouver Cmot = 3 mNm puis I = 0,62 A, Pmot = 2,2 W et le rendement = 54%

4.1.6 - En dduire le rendement des moteurs correspondant et conclure au regard de la

CONTRAINTE DE FONCTIONNEMENT 2.

Dans cette phase de recherche, le moteur fonctionne son rendement maximum. La contrainte 2 est donc

respecte.


DT0 DOSSIER TECHNIQUE DT0

CHANES DINFORMATION ET DNERGIE DU ROBOT SUMO

CHANE DINFORMATION

COMMUNIQUER

CHANE DNERGIE OU DACTION

Informations

sonores

et visuelles

Ordres

TRAITER ACQURIR

ALIMENTER DISTRIBUER CONVERTIR TRANSMETTRE POUSSER

LE ROBOT

ADVERSE

Consignes de

l'utilisateur

Informations

extrieures :

Prsence ligne blanche

Prsence robot adverse

Accumulateurs

Chargeur

Bouton M/A

Capteurs

- Buzzer

- DEL

Modules

de puissance

Moteurs

lectriques

courant continu

Rducteurs

Roues

motrices

tat de charge

de la batterie

Robot adverse

sur le dohyo

Robot adverse

hors du dohyo

Microcontrleur

PIC

nergie



Prsentation Robot Sumo

6 accumulateurs rechargeables

de 1,2 Volt chacun

metteur de lumire Infrarouge droit

Chssis du Robot Sumo

Roue motrice

Motorducteur courant

continu 12 V

Capteur droit de lignes blanches

Capteur gauche de lignes blanches

metteur de lumire Infrarouge

gauche

Description du Robot Sumo :

Chssis :

- Plexiglas translucide paisseur 3 mm - Barre de section carre 6 mm - Entretoises - lments de visserie

lectronique :

- metteurs Infrarouge - Capteurs de lignes blanches - Microcontrleur programmable

Motorisation :

- 2 motorducteurs courant continu 12 V - Rapport de rduction 1/50

- Pneus en mousse diamtre 73 mm

Le circuit imprim

Photomodule de rception TV



CARACTRISTIQUES DU MOTORDUCTEUR

1. Schma cinmatique minimal du rducteur

2. Caractristiques gomtriques des lments constitutifs du rducteur

Nombre de dents Z Module m en mm Diamtre primitif d en mm

Pignon moteur 1 Z1 = 10 0,5 5

Roue 2 Z2 = 25 0,5 12,5

Pignon 3 Z3 = 10 0,5 5

Roue 4 Z4 = 30 0,5 15

Pignon 5 Z5 = 15 0,5 7,5

Roue 6 Z6 = 25 0,5 12,5

Pignon 7 Z7 = 10 0,5 5

Roue 8 Z8 = 40 0,5 20

3. Rappel

Entre rducteur :

Couple moteur :

Cmot Vitesse angulaire moteur :

mot

Rducteur 4 tages de rduction

Moteur lectrique courant continu

Roue motrice Diamtre 73 mm

Sortie rducteur :

Couple rducteur :

Crd Vitesse angulaire rducteur :

rd = roue

Premier tage de rduction


Rapport de rduction mot

rdr

DR1 DOSSIER RPONSE DR1

312 Support des 3 Actions Mcaniques Extrieures S

Support de pousseF : effort de

pousse sur le robot adverse S

F

G

Cube modlisant le robot adverse S

chelle prconise : 0,5 cm pour 1 N

NP 10

NFpousse 8,14

NR adversairedohyo 18


Rendement en % du moteur en fonction du couple moteur Cmot en mNxm

DR2 Dossier Rponse : PHASE DE POUSSE DR2 Caractristiques du Moteur lectrique Courant Continu (ALIMENTE en 7,2 V)

Tension dalimentation 7,2 V

Caractristiques vide

Frquence de rotation ( tours/min ) 9300

Intensit absorbe ( A ) 0,15

Caractristiques moteur bloqu


Couple moteur ( mNxm ) 20

Caractristiques gnrales

Rsistance interne ( ) 2,3

Constante de couple ( Nxm/A ) 0,00621

Rendement maxi en % Environ 55%

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20

Pmot en Watt

I en Ampre

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20

Nmot en tours/min

Frquence de rotation Nmot en tours/min en fonction du couple moteur Cmot en mNxm Intensit absorbe I en Ampre en fonction du couple moteur Cmot en mNxm

Puissance moteur Pmot en Watt en fonction du couple moteur Cmot en mNxm

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20

Rendement moteur en %


Rendement en % du moteur en fonction du couple moteur Cmot en mNxm

DR3 Dossier Rponse : PHASE DE RECHERCHE DR3 Caractristiques du Moteur Electrique Courant Continu (ALIMENTE en Umoy)

Tension dalimentation Umoy

Caractristiques vide

Frquence de rotation ( tours/min ) 8396


Caractristiques moteur bloqu


Couple moteur bloqu ( mNxm ) 18

Caractristiques gnrales

Rsistance interne ( ) 2,3

Constante de couple ( Nxm/A ) 0,00621

Rendement maxi en % Env. 55%

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Pmot en Watt

I en Ampre

Frquence de rotation Nmot en tours/min en fonction du couple moteur Cmot en mNxm Intensit absorbe I en Ampre en fonction du couple moteur Cmot en mNxm

Puissance moteur Pmot en Watt en fonction du couple moteur Cmot en mNxm

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Rendement moteur en %

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Nmot en tours/min

1 prÉsentation de l’etude et du systemefamilleturck.free.fr/meca/ts/ressources/robot sumo...

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