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1) Cinématique:
2) Actionneurs:
3) Equilibre:
4) Fût de bière:
5) Les pattes:
Nous avons commencé par réaliser une conception assistée par ordinateur (avec CATIA) d'une structure simplifiée. Nous avons cherché ensuite à réaliser les mouvements avec deux actionneurs (servomoteur AX12) par patte.
Une fois ce paramétrage mis en équation, nous avons pu continuer à construire le robot sur CATIA, avec la mise en place de 3 billes porteuses sur la base, puis la création d'une trappe pour passer les batteries au centre, et enfin continuer la superstructure en ajoutant un étage supplémentaire pour dissocier la base du reste du robot.
Nous avons continué par faire une étude de dimensionnement pour les actionneurs des pattes:
Le robot peut faire au maximum 10kg :
Mrobot = 10kg
Trois pattes soulèvent le robot et dans le pire des cas il y a deux pieds seulement qui tiennent le robot debout, chaque patte doit donc porter :
Mpatte = Mrobot / 2pattes = 10/2 = 5kg
On suppose (par excès) 1kg de masse supplémentaire pour les efforts de frottements. Au final et dans le pire des cas, la masse à soulever par patte est la suivante :
Ftot= Mpatte + 1kg = 6kg = 60N
Alimenté en 12V, un AX12 dispose d’un couple de :
Cmot=1 520N.mm
Alimenté en 12V, un AX12 dispose d’une vitesse de :
Vmot=354deg/s
Nous n'avons fait aucuns calculs pour la rotation des pattes: si on peut soulever le robot (inclinaison) l'effort pour le faire avancer est négligeable:
c2max = e * Ftot = e * 60N = 42 * 60 = 2520 N.mm
Il faut verifier que c2mot soit toujours plus important que c2max
c2mot = c1 = 1618N.mm
c2mot<c2max, le couple du servomoteur est trop faible sans réduction
n = r1/r2
c2mot = c1 / n = 1618 / (r1/r2)
Nous avons optimisé le système en prenant en compte la vitesse:
Sachant que Vmot=354deg/s et qu'on a besoin de faire 90°,
V2 = Vmot * n = 354 * (r1/r2)
t = 90* / V2 = 90/(354 * (r1/r2))
Le couple étant la priorité on cherche à avoir au moins 500N.mm de sécurité. Nous avons réalisé l'optimisation par un simple tableau Excel.
Il faut avoir un rapport de réduction entre 0.53 et 0.54:
Ce rapport de réduction est réalisé grâce aux engrenages. Nous avons fait le choix des diamètres grâce au précédent tableau d'optimisation en prenant en compte cette fois-ci, les contraintes mécaniques topologiques de la liaison engrenage. Au final: R1=8mm / R2=15mm / n=0.5333
Nous avons enfin terminé la conception mécanique par une dernière modification de la structure pour permettre au robot d'avoir plus d'enjambé. Pour cela nous avons réduit la largeur des pattes en laissant une partie du fût fixe avec la superstructure (cf. image ci contre).
Nous avons effectué un maximum de découpes tout en nous assurant que le robot tienne toujours sur deux pattes. Pour cela, il ne faut pas que (quand les deux pattes au sol sont repliées vers l'arrière) leurs surfaces de contact au sol ne dépassent le centre de masse du robot.
Celui-ci étant conçu avec une masse centrée sur le robot, nous avons pu effectuer la découpe sans difficulté :
Une des premières étapes a été de trouver le fût convenant au projet : taille, épaisseur de tôles… Nous avions à disposition des fûts de bière de 5L et nous avons effectué une découpe à la scie pour avoir une première idée des mesures et « capacités » de ce fût.
Première constatation : l’épaisseur très fine de la paroi. En effet la tenue de la paroi était très faible et dès que nous avons découpé le bas du fût, le cylindre s’est déformé. Il fallait donc prévoir de doubler au minimum les pattes, voire également la partie fixe du fût pour que cette carcasse puisse soutenir le robot.
De plus, quand nous somme passés à la conception du robot, nous nous sommes aperçus que les dimensions du fût nous contraignaient énormément, et les idées d’ajouts de bras, haut-parleurs… étaient remises en questions.
Nous avons alors la solution du fût de 6L, de dimensions plus importantes et nous laissant une plus grande marge de manœuvre. De plus, quand nous avons découpé le premier fût de 6L, nous avons remarqué que la paroi était bien plus épaisse et qu’il ne serait donc pas nécessaire de doubler les différents éléments extérieurs du robot.
Une des étapes de réalisation qui nous pose le plus de problème est la découpe du fût de bière. Nous avons fait plusieurs tests de découpes à la main mais aucune découpe ne convient. Comme nous n'avons pas les machines adéquates dans l'atelier de l'ISTY, nous l'avons fait usiné les fonds sur une CN à l'extérieur de l'école.
Une fois le fond supprimé (pour le remplacer par la base roulante), nous avons percé à la main les passages des boutons de commandes (ARU, switch...) et les haut-parleurs avec des forêts en cloche.
La dernière étape, qui est de loin la plus délicate et difficile, est la découpe des pattes. Nous avons commencé par tracer leurs positions sur le fût et nous avons découpé le tout avec une Dremel munie d'un disque pour métaux. L'usure des disques est très rapide, il faut en compter en moyenne un par découpe de patte.
La découpe des fûts nous a pour le moment couté une centaine d'euros (outils de coupes et EPI: les découpes font énormément de bruit avec les vibrations et la poussière d'aluminium est très mauvaise pour la santé !).
Toutes les pièces de tôlerie ont étés usinées sur la fraiseuse CN de l'ISTY avec une majorité de plaque d'aluminium, mais également de PVC pour alléger le robot.
Notre robot dispose également de nombreux axes (dû au grand nombre de liaisons pivots). Nous avons alors réalisé de nombreux tournages à la chaîne, avec de petites astuces pour gagner du temps, comme le contre-perçage pour fixer les palonniers des AX12 :
La pièce la plus difficile à faire et qui à donner du fil à retordre à Elodie, Laura et Sébastien, est l'axe principal de chaque patte. Nous avons dû revoir la conception de nombreuses fois après un nombre incalculable d'usinages ratés.
Au début cette pièce été raboutée en trois morceaux (laiton/aluminium/laiton) pour avoir un bon coef. de frottements aux liaisons pivots et une masse minimale. L'aluminium ne tenait pas, nous sommes passés à un usinage d'une seule pièce en laiton :
Au final l'usinage de la pièce cylindrique n'était jamais correct, surtout pour les dernières étapes de perçages. Nous avons trouvé une solution en usinant tout sur un profilé carré de laiton et avec un montage spécial (avec des mors usinés par M. L'Hostis) nous avons pu tourner les bouts des pièces pour faire les liaisons pivots :
Enfin, pour finir sur l'usinage, nous avons rencontré des problèmes d'ajustements lors des premiers essais de déplacement du robot. Les engrenages sautaient lorsque l'effort était trop important. Nous avons dû réaliser une pièce supplémentaire sur chacunes des liaisons engrenages afin qu'elles ne soient plus en porte-à-faux :
