Bras robotique

Bras robotique – Prototype 1

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Cet article présente la réalisation du prototype des bras robotiques qui équipent l’atelier de la Batcave du projet BATLab112. L’objectif de ce prototype est de permettre la validation de la conception du design général ainsi que le choix de fabrication par impression 3D.

Modélisation 3D

Logiciel de CAO 3D

La modélisation 3D des bras robotiques de la Batcave du projet BATLab112 a été réalisé avec le logiciel FreeCad V0.17.

Des bras robotiques à 4 degrés de liberté

Les bras robotiques disposent de 4 degrés de liberté, autrement dit 4 articulations. Un moteur installé dans chaque articulation en assure sa rotation.

Fabrication

Impression 3D des pièces mécaniques

Les impressions 3D des premières pièces de ce prototype sont réalisées par Paul membre de la communauté de soutien du projet BATLab112, avec une imprimante ANET A8.

Motorisation des articulations

Le choix des moteurs équipant les articulations est déterminant en terme de performance pour les bras robotiques en termes de vitesse et de fluidité des mouvements. Les moteurs sélectionnés pour la réalisation de cette première version sont des servomoteurs.

Servomoteurs

Qualification de ce choix

Avantages

Alimentation électrique en courant continu
- Intégration technique facilité
- Compatibilité avec l'électronique de commande (Arduino notamment)
Asservissement en position angulaire
- Commande simplifiée
- Conforme avec la logique mécanique des articulations
Maintien de la position
- Commande simplifiée
Dimensions réduites
- Intégration mécanique facillité
 Approvisionnement et coût

Inconvénients

Technologie
Cette technologie n'est pas conforme avec celle des robots industriels. Cet aspect sera pris en compte dans une futur version
Couple
Capacité incertaine à assurer le mouvement

Voir le calcul de masses en fonction du couple

Tests de fonctionnement

Electronique de commande

Ce test de fonctionnement utilise une électronique de commande décrite dans l’article suivant :

Commande du bras robotique .V1

Présentation de la réalisation de la première version de l’électronique de commande des bras robotisés équipant l’atelier de la Batcave du projet BATLab112.

Pour valider cette électronique de commande, une maquette du bras robotique a été réalisée en emballage alimentaire. Le résultat obtenu est plutôt satisfaisant, compte tenu d’un niveau passable de qualité de fabrication, comme le montre la vidéo suivante.

Alimentation électrique

Le circuit d’alimentation électrique utilisé est le même que celui pour valider la commande électronique. Ce circuit est constitué des composants suivants :

Un convertisseur 230VAC / 12VDC – 180 W pour l’alimentation électrique des 2 convertisseurs suivants.

Source : www.amazon.fr

Un convertisseur 12V DC / 5V DC – 50W pour l’alimentation électrique de l’électronique de commande et de la carte Arduino Due.

Source : www.amazon.fr

Un convertisseur 12VDC / 6VDC – 60W pour l’alimentation électrique des 4 servomoteurs.

Source : www.amazon.fr

Test fonctionnel mécanique

Configuration mécanique

Le montage utilisé comprend la tourelle et l’épaule en impression 3D associé uniquement au bras, réalisé en emballage alimentaire.

Résultats

Les résultats des premiers tests sont plutôt décevants. Le bras entre en oscillation très rapidement.
Plusieurs pistes sont à explorer pour résoudre ce problème :
– Le découplage de l’alimentation électrique des servomoteurs.
– La modification de la fréquence des signaux PWM émis par la carte Arduino.
– Le changement du servomoteur de l’épaule.

A suivre !…

Commande du bras robotique .V1

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Cet article présente la réalisation de la version 1 de l’électronique de commande des bras robotiques équipant le diorama de la Batcave du projet BATLab112.

  1. Cahier des charges
  2. Listes du matériel
  3. Schéma de câblage
  4. Code Arduino
  5. Validation fonctionnelle
  6. Conclusions

Cahier des charges

  1. Objectif général
  2. Spécifications fonctionnelles
  3. Spécifications techniques

Objectif général

L’objectif opérationnel est de réaliser une maquette électronique assurant la commande en mode manuel et en mode automatique des bras robotisés équipant le diorama de la Batcave du projet BATLab112. Cette maquette doit permettre dans un premier temps, une commande des bras robotiques suivant trois modes de fonctionnement : Mode manuel, Mode automatique, Mode apprentissage.

L’objectif pédagogique consiste à se familiariser avec les principes de commande des servomoteurs.

Spécifications fonctionnelles

La sélection des différents mode de fonctionnement des bras robotiques par l’opérateur doit s’effectuer par des boutons poussoirs. Des voyants assurent la visualisation des états de fonctionnement.

Mode manuel

En mode manuel, les 2 bras robotiques sont commandés indépendamment. La commande des articulations est réalisée par l’intermédiaire de potentiomètres rotatifs. Cette commande doit s’effectuer en temps réel. La rotation de l’axe d’un potentiomètre doit entrainer la rotation de l’articulation correspondante.

Mode automatique

En mode automatique, les 2 bras robotisés sont commandés, indépendamment ou simultanément, suivant des consignes différentes. La commande des articulations est gérée par une unité de contrôle dans laquelle sont enregistrées l’ensemble des consignes nécessaires.

Mode apprentissage

En mode apprentissage, les 2 bras robotisés sont commandés indépendamment ou simultanément. L’enchainement des positions à apprendre pour chaque bras robotisé est défini par l’utilisation des commandes du mode manuel. La restitution de l’enchainement des positions enregistrées pour chaque bras est réalisée en mode automatique.

Spécifications techniques

Les actionneurs à commander

Chaque articulation des bras robotiques est équipée d’un servomoteur. Chaque bras est ainsi équipés de 4 servomoteurs.

L’unité de contrôle

L’unité de contrôle est une Carte Arduino Due.

Listes du matériel

Liste du matériel support

DésignationQtéRéférenceSource
Platine de prototype1Breadboard 830 NeufTechwww.amazon.fr
Alimentation 5VDC2USB
Alimentation 6VDC1Servomoteurs

Remarque : Les composants des alimentations électriques seront spécifiquement traités dans un prochain article.

Liste des composants utilisés

DésignationQtéRéférenceSource
Unité de contrôle1Carte Arduino Duestore.arduino.cc
Bouton rotatif8Potentiomètrewww.amazon.fr
Bouton poussoir6Bouton poussoir tactilewww.amazon.fr
Voyant rouge2Led 3mm rougewww.amazon.fr
Voyant bleu3Led 3mm bleuwww.amazon.fr
Voyant vert5Led 3mm vertewww.amazon.fr
*9Résistance

Schéma de câblage

Dans le cadre du projet BATLab112, les schéma électriques ou électroniques sont réalisés avec le logiciel KICAD. Vous pouvez télécharger le fichier du schéma de câblage au format PDF par le lien qui suit.

BATLab112 – Commande Bras Robotique – V1 – Schema CâblageTélécharger

Code Arduino

Commentaires concernant ce code

Le code présenté ici est une première approche pour mettre en oeuvre les fonctions nécessaires aux commandes des servomoteurs et valider le principe général de commande de la maquette. Ce code n’est donc pas optimisé.

BATLab112 – Commande Bras Robotique – V1 – Code Arduino DueTélécharger

Validation technique et fonctionnelle

La maquette du bras robotisé

Cette maquette est réalisée pour les besoins de la validation technique et fonctionnelle de l’électronique de commande associée au code développé pour la carte Arduino Due qui pilote l’ensemble.

Cette maquette est réalisée avec des emballages de briques de jus de fruit. Cette matière légère, est suffisamment résistante pour supporter les assemblages nécessaires (ruban adhésif + boulon). Elle présente aussi une face dont l’état de surface est semblable à celui de l’aluminium, ce qui donne un rendu plutôt satisfaisant.

Cette maquette ne respecte pas fidèlement le design conçu en modélisation 3D et présente des défauts de fabrication qui induisent des perturbations dans les mouvements telles que des vibrations.

La vidéo du mode automatique

Conclusions

Electronique de commande

Ces tests permettent de valider le montage de l’électronique de commande des servomoteurs.

Trois points d’améliorations sont identifiés pour être intégrés dans les futures versions.

  • Point n°1 : Commandes manuelles
    • Constat : Les actions sur les potentiomètres de commande des servomoteurs impliquent l’usage d’un tournevis.
    • Evolution : Equiper les potentiomètres de boutons
  • Points n°2 : Enregistrement des positions en mode automatique
    • Constat : Les positions prédéfinies du mode automatique nécessitent la programmation de la Carte Arduino Due.
    • Evolution : Disposer d’un interface plus élaboré que des boutons poussoirs pour enregistrer ces positions sans avoir recours à la re-programmation systématique de la carte (exemples : clavier + écran ou écran tactile).
  • Points n°3 : Enregistrement des positions en mode apprentissage
    • Constat : Le nombre de positions disponible dans le mode apprentissage est limité à 5, ce qui est insuffisant pour envisager des enchaînement de trajectoires complexes.
    • Evolution : Disposer d’un interface plus élaboré que des boutons poussoirs et des Leds pour enregistrer ces positions (exemples : clavier + écran ou écran tactile).

Arduino Due + Code

Ces tests permettent de valider l’utilisation de la Carte Arduino Due et sa capacité à supporter le code nécessaire à la commande des servomoteurs.

Un point d’amélioration est identifié pour être intégré dans les futures versions.

  • Point n°4 : Codage de trajectoire plus fluide
    • Constat : Dans la démonstration réalisée en mode automatique les servomoteurs sont pilotés les uns après les autres pour atteindre chacune des positions. Cette méthode induit des mouvements lents et décomposés.
    • Evolution : Développer un pilotage simultané des servomoteurs pour obtenir des mouvement plus fluides et rapides

Servomoteurs

Ces tests permettent de valider l’utilisation de 3/4 servomoteurs comme actionneurs des articulations des bras robotisés. Une effet, le servomoteur utilisé pour l’articulation de l’épaule semble manqué par moment de couple. Cependant, compte tenu de la qualité de fabrication de la maquette qui n’est pas optimum il est difficile de conclure.

Bras robotiques – Conception préliminaire

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Résumé :

Cet article présente la conception préliminaire des bras robotiques du diorama pédagogique de la Batcave, à l’échelle 1/12, du projet BATLab112.

+ d’infos :

Méthode de gestion du projet BATLab112

Actualisé :

Mots clés :

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Sommaire :

  1. Introduction
  2. Présentation générale
  3. Modélisation 3D
  4. Vues de détails
  5. Calcul de masse
  6. Voir aussi

Introduction

Les bras robotiques du projet BATLab112 sont entièrement conçus pour répondre aux exigences du projet. Même si il existe de nombreux modèles commerciaux de bras robotiques dits d’apprentissage, la taille de ces modèles n’est pas forcément compatible avec l’échelle de réalisation au 1:12 du projet et leur esthétique n’est jamais conforme à celle d’un robot industriel.

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Présentation générale

Les bras robotiques disposent de 4 degrés de liberté, autrement dit 4 articulations. Un moteur installé dans chaque articulation en assure la rotation.

Modélisation 3D

Evolution du design des versions des bras robotiques

Le design des bras robotiques est contraint par l’espace disponible dans l’atelier automatisé de la Batcave, notamment la hauteur sous plafond. A cette contrainte s’ajoute la contrainte de pouvoir accéder à tous les points de la surface de la Batmobile.

FreeCAD

La modélisation de la plateforme rotative de la Batmobile équipant la Batcave du projet BATLab112 a été réalisé avec le logiciel FreeCad V0.19.

Voir la page dédiée à FreeCAD

Vues de détails

Base

La base est la pièce qui assure la fixation du bras robotique sur le pont roulant bipoutre. Ses dimensions sont conditionnées par l’implantation du servomoteur qui assure la rotation 1/2 de l’épaule.

Epaule

La pièce constituant l’épaule du bras robotique se fixe sur la base. Ses dimensions sont conditionnées par l’implantation du servomoteur qui assure la rotation 2/2 de l’épaule.

Bras et Avant-bras

Coude

La pièce qui assure la rotation 1/1 du coude intègre le Troisième servomoteur.

Poignet

La pièce constituant le poignet intègre un éventuel cinquième servomoteur dont la présence dépendra du design final du préhenseur.

Préhenseur

La conception du préhenseur reste à faire. L’objectif est de concevoir ( ou d’utiliser un concept existant ) un préhenseur capable de de s’équiper de différents outils spécialisés.

Calcul de masse

Le calcul de la masse maximale de chacune des composantes mécaniques du bras ; épaule, bras, avant-bras, permet de sélectionner le matériau adéquat pour la fabrication de ces pièces et de les dimensionner plus précisément ; épaisseur, densité …

Configurations de calcul

Configuration n°1 :

Cette première configuration présente des conditions favorables de ce calcul : Le bras à l’horizontal et l’avant bras vertical. Le poids équivalent aux poids de ces deux pièces (P) s’exerce à une distance restreinte du point de rotation. Par conséquent, le couple exercé par le moteur de l’épaule est plus faible que dans la deuxième configuration.

Configuration n°2 :

Cette configuration présente des conditions défavorables de ce calcul : le bras et l’avant bras sont tendus à l’horizontale. Le poids équivalent aux poids des deux pièces, s’exerce à une distance plus grande que dans la première configuration. Par conséquent, le couple exercé par le moteur de l’épaule est plus important.

Remarque : Même si la deuxième configuration reste improbable compte tenu de l’implantation des bras robotiques dans le diorama, elle permet une estimation des valeurs limites.

Données et approximations pour ce calcul

Le bras et l’avant-bras du bras robotique ont la même longueur (L = 15 cm).
Le bras et l’avant-bras du bras robotique ont la même masse (m) répartie de manière homogène.
La masse du poignet ( et du préhenseur ) sont négligées.

Caractéristiques techniques d’un servomoteur

Le site affiche un couple sous 4,8V de 1kg/cm (voir extrait). L’unité utilisée n’est pas conforme avec celle d’un couple qui devrait être 1kg.cm. Nous utiliserons cette valeur pour la suite des calculs.

Calculs

Configurations 1 :

C = L/2 x m + L x m
C = (L/2 + L) x m
C = 3/2L x m
m = C / 3/2L
m = 1 / (3/2×15)
m = 44g

Configuration 2 :

C = L/2 x m + 3/2L x m
C = (L/2 + 3/2L) x m
C = 2L x m
m = C / 2L
m = 1 / (2×15)
m = 33g

Voir aussi

Articles – Bras robotique

Articles – Conception préliminaire

Bras robotique – Parangonnage

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Introduction

Dans l’industrie, plusieurs types de robots peuvent cohabiter sur un même site de production. Chacun de ces robots étant dédiés à des tâches, des charges ou des vitesses d’exécution spécifiques. Dans cette phase de recherche de solutions inspirantes pour le projet BATLab112, seules les robots de type bras articulés sont pris en compte.

Systèmes industriels existants

Robots de ligne de production

Ces robots sont conçus pour exécuter quelques actions de manière très répétitive et avec une très grande précision. L’organisation en ligne de production d’un grand nombre de ces robots permet d’exécuter l’ensemble des tâches élémentaires d’un processus de fabrication complexe.

Robots manipulateurs suspendus

Les bras robotiques suspendus offrent l’avantage de ne pas occuper de place au sol, ce qui répond à un besoin d’optimisation de l’espace sur certain site de production.

Robots de levage de charge lourde

Les bras manipulateurs de charges lourdes sont conçus pour la manutention de charges dont la masse peut s’élever jusqu’à plusieurs centaines de kilos.

Quelques exemples inspirants

Cet exemple montre un bras robotique capable de soulever une charge lourde telle qu’une voiture. Ce concept est particulièrement intéressant, car il laisse envisagée une solution de pouvoir soulever la Batmobile si nécessaire.

Cet exemple montre un bras robotique suspendu, dont le design est proche de celui d’un bras capable de lever des charges lourdes. Ce concept est intéressant pour intégrer dans le diorama des bras robotiques capables de lever des charges lourdes tout en ayant un encombrement réduit.

Voir aussi

Articles – Bras robotiques

Articles – Parangonnage