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Association Tawassol pour le Développement de la Technologie
Premier module de formation :
Initiation à la robotique
Objectifs :
1.Vulgariser la robotique en enseignement de la technologie au collège ;
2. Concevoir et utiliser des supports pédagogiques qui suscitent l’intérêt des élèves .
Abdelkrim EL Marrakchi
Le dimanche 2 décembre 2012
Version béta
Un peu d’histoire :
Le terme robot est issu des langues slaves telles que le russe, le biélorusse, le polonais, ou encore le tchèque. Ce mot signifie esclave ou travailleur dévoué. Le mot robot a été présenté au public par Karel Čapek, écrivain tchèque, dans son spectacle R.U.R. (Rossum Universal Robots), créé en 1921.
La robotique est dérivée du mot robot.
L’histoire de la robotique a commencé avec l’apparition des automates. La différence entre un automate et un robot est très simple : Un automate est un dispositif qui exécute un programme pré-établit que ce soit de manière mécanique ou électrique ; on parle d’un système programmé. Tandis que le robot, il dispose de capteurs et ses actions seront décidées par l’intérmidiare de son système de contrôle.
La robotique assure une aide précieuse à l’homme dans ses tâches difficiles, répétitives ou pénibles. De plus, elle constitue le rêve de substituer la machine à l’homme. La robotique comporte deux grands pôles d’intérêt :• La robotique de manipulation ;• La robotique mobile.
Bras manipulateur Robotique mobile
Les robots mobiles ont vu leur apparition dans les années 60 avec le projet SHAKEY du Standard Research Institute. Ils occupent une place très importante et particulière en robotique. Leur intérêt réside dans leur mobilité qui ouvre des applications dans de nombreux domaines et qui offrent des possibilités d’exécution de tâches pénibles qui se résument aux transports de charges lourdes, ou en ambiance hostile (nucléaire, lute contre l’incendie…) et d’autres.
La mobilité et l’autonomie des robots imposent une complexité au niveau de la conception, la modélisation et la commande. Ce sont des caractéristiques fondamentales qui leur permettent de s’adapter ou de prendre des décisions sans l’intervention d’un opérateur.
D’ailleurs, leur classification est basée sur leur degré d’autonomie. Tant qu’à leur architecture, elle se structure en quatre éléments (1) :
• la structure mécanique et la motricité ;• le système de localisation ;• les organes de sécurités ,• le système de traitement des informations et
gestion des tâches.
(1) Alain PRUSKI. Robotique générale. Université de Metz. France
Un Robot Mobile Autonome, c’est quoi ?
« Un Robot Mobile Autonome (RMA) est un système automoteur doté de capacités décisionnelles et de moyens suffisants d’acquisition et de traitement de l’information qui lui permet d’accomplir, sous contrôle humain réduit, un certain nombre de tâches précises, dans un environnement non complètement connu d’avance" (2)
(2) Michel TAIX. Planification de mouvement pour robot mobile non-holonome. Thèse de doctorat. Université Paul Sabatier de Toulouse.
De la définition de Mr Michel TAIX , on peut faire apparaître plusieurs pôles de recherche :
• Etude des architectures mécaniques des robots (robots à roues, robots à chenilles ou robots à pattes). De ses architectures découlent des problèmes liés à la modélisation, à la mobilité et à l’énergie des robots, d’où l’étude des organes de motorisation ;
• Etude de la commande et de contrôle de tels systèmes (gouvernabilité, stabilité, précision (Discipline : Automatique) ;
• Etude de la perception en temps réel de l’environnement, d’où l’étude des données capteurs (ultrasons, télémètre laser, caméra, odométrie).
Si on s’intéresse aux robots mobiles, on les classe en quatre grandes familles : (3)
• des véhicules télécommandés par un opérateur qui impose chaque tâche élémentaire à réaliser ;
• des véhicules télécommandés au sens de la tâche à réaliser. Le véhicule contrôle automatiquement ses actions ;
• des véhicules semi autonomes réalisant des tâches pré-définies sans l’aide d’un opérateur ;
• des véhicules parfaitement autonomes qui imposent des problèmes d’un niveau de complexité élevé de représentation des connaissances, de capacités décisionnelles et de génération de trajectoires qui sont résolus à bord du véhicule ou par communication hertzienne.
L’ensemble des problèmes liés à la conception d’un robot sont :• la conception mécanique liée à la mobilité ;• la localisation du robot mobile en position et en
orientation ;• La détermination du chemin optimal pour atteindre le lieu
de la tâche.
La mobilité par roues est la structure mécanique la plus communément utilisée. C’est une technique qui assure un déplacement dans toutes les directions avec une accélération et une vitesse importantes selon le type de roues choisies.
Généralement, un robot mobile à roues est une plateforme rigide équipé d’un certain nombre de roues indéformables pour assurer son déplacement et son orientation sur un plan horizontal.
O fixe
x
yXm1
Ym1
y
x
Robot mobile dans le plan
Soient :• R(Ofixe, x,y,z) le repère absolu lié au sol ;• Rm1(P, Xm1,Ym1,Zm1) le repère mobile lié au point P
appartenant à l’axe de symétrie massive PXm1 ;
La localisation du robot est parfaitement définit par le triplet :x, y et .
Deux structures sont souvent utilisées dans les applications amateurs :
Une plate-forme munie de deux roues fixes sur un arbre moteur et une roue commandée en orientation généralement par un moteur pas à pas.
Une plate-forme munie de deux roues motrices et une roue folle de type roulette.
D’autres structures :
La composition d’un robot :
Actionneurs
Capteurs Contrôleur
Entrées
Sorties
Ordres
Informations
Interface
Alimentations
En
viro
nn
em
en
t
Le capteur va envoyer une information, telle que la présence d'un objet ou une distance, cette information sera interprétée par la logique de commande (Contrôleur) qui enverra un ordre à un actionneur, la plupart du temps un moteur afin de faire un mouvement, mais cela peut aussi être une LED, un haut-parleur…
Lorsque le signal passe d'un capteur à la partie logique de commande, on parle d'entrée. Inversement, lorsque c'est le contrôleur qui renvoie un signal à un actionneur, on parle de sortie.
L'information peut prendre différentes formes : booléen (que l'on appelle aussi binaire ou encore TOR (tout où rien)), analogique ou numérique.
La fonction de détection :
Des capteurs permettent aux robots de recevoir des informations sur l'environnement (présence d'un objet, température, luminosité...) ou sur les composants internes (comme la position d'un moteur ou d'un verrin). Cela est essentiel pour exécuter leurs tâches et calculer la réponse appropriée.
Capteurs de contacts :
Symbole d'un interrupteur ouvert
Capteur à établissement de masse
Il s'agit de capteurs fonctionnant en tout ou rien.
Les capteurs de contact envoient un signal dès qu'ils touchent quelque chose, à la manière d'un bouton. Ils peuvent fonctionner avec une certaine pression, une lamelle de métal établissant le contact entre les deux branches.Si l'utilisation de ce dispositif simple n'est pas possible, pour des raisons d'isolation électrique notamment, il existe des capteurs à établissement de masse. Dans ce cas, le signal ne passe pas directement par l'interrupteur, mais l'interrupteur sert à faire contact avec une masse et le signal transite par un relais électromécanique.
Capteurs infra-rouge
Également appelé capteur optique ou photoélectrique ; Le capteur de proximité infra-rouge (capteur photoélectrique) se compose d'un émetteur de lumière associé à un récepteur. La détection d'un objet se fait par coupure ou variation d'un faisceau lumineux. Le signal est amplifié pour être exploité par la partie de commande.
La détection en milieu de la robotique se fait également par caméra, par radar…
D’autres grandeurs physiques sont détectés telle que : la détection de température, de pression, d’humidité …
Les actionneurs :
Les actionneurs servent à effectuer différentes action, différents ordres. Les ordres sont transmis par l'intermédiaire du système de contrôle via les sorties.
Les différentes actions possibles sont :• Activer un moteur électrique afin de faire un
mouvement (déplacement, bouger un bras, faire tourner une roue)
• Activer une LED, une lampe ou un haut parleur• Activer un résistance chauffante …
Le système de contrôle :
La structure d'un robot est contrôlée de manière à effectuer une tâche. Ce contrôle inclut trois phases distinctes : La perception, la réflexion (ou le traitement) et l'action.Les capteurs donnent une information à propos de l'environnement ou des composants internes (par exemple : position d'un moteur ou d'un vérin, état d'une LED). Cette information est utilisée pour générer l'ordre approprié à envoyer aux actionneurs.La phase de traitement peut varier en complexité.À un niveau réactif, il peut traduire l'information brute d'un capteur directement en commande d'un actionneur. (p.e. un arrêt d'urgence ; si un obstacle est détecté alors arrêt des moteurs)Avec des tâches plus sophistiquées, il faut utiliser des algorithmes. Un algorithme est une suite finie et non-ambiguë d’opérations ou d'instructions permettant de résoudre un problème. On peut, entre autres, utiliser des opérations mathématiques simples ou complexes, des conditions (si...alors...) et d'autres outils dépendants du langage utilisé.
Exemple de réalisation
Robot auto-tampon : C’est un robot qui amusera surement les élèves du collège. Ce robot avance en ligne droite jusqu’à ce qu’il rencontre un obstacle, alors il recule, puis tourne un peu, et reprend son chemin en ayant évité l’obstacle. Cette approche de la robotique mobile fait appel au sens du toucher par le biais d’un contact à l’avant du robot.
Robot auto-tampon :
Robot suiveur : Ce robot suit une ligne noire sur un sol blanc.
Robot suiveur :
Robot tournesol :
Robot tournesol : Ce petit robot suit un faisceau de lumière que l’on dirige vers lui. Cette nouvelle approche de la robotique mobile utilise un capteur de lumière simple : la photorésistance.
Robot explorateur :
Ce robot se balade dans un cercle blanc, délimité par une bande adhésive noire. Il tourne à gauche jusqu’à ce qu’il rencontre une bande noire au sol, alors il tourne à droite, puis se positionne pour suivre cette ligne au sol: