Dans un article précédent, j’ai souligné l’intérêt, en phase de conception 3D, d’utiliser la rotation dynamique de FreeCAD pour obtenir une visualisation globale d’un modèle. Cette fonctionnalité, bien que pertinente pour apprécier l’architecture générale d’un objet, demeure toutefois insuffisante dès lors qu’il s’agit d’observer des déplacements relatifs entre plusieurs entités modélisées.
Il ne s’agit pas ici de simuler le fonctionnement d’un mécanisme articulé complexe — tel qu’un ensemble piston-bielle-vilebrequin ou un système de soupapes — pour lesquels des extensions spécialisées existent. L’enjeu porte plutôt sur l’animation coordonnée d’objets mécaniquement indépendants, mais dont les mouvements respectifs doivent être synchronisés ou, à tout le moins, ordonnés. À cet égard, les macros développées sous FreeCAD constituent un outil méthodologique particulièrement efficace.
Dans le cadre du projet BATLab112, la mise en mouvement virtuelle des quatre systèmes industriels modélisés répond à trois objectifs. Premièrement, la simulation permet de vérifier la compatibilité spatiale de leurs trajectoires dans l’environnement confiné de la Batcave. Deuxièmement, elle facilite la synchronisation de leurs déplacements afin d’optimiser le processus global de prise en charge de la Batmobile. Troisièmement, elle offre un support de médiation technique destiné à présenter de manière claire et dynamique le fonctionnement général du diorama pédagogique.
La vidéo illustre ce dispositif. Réalisée au moyen d’une macro Python sous FreeCAD, elle met en scène le parcours complet de la Batmobile à travers l’atelier robotisé, en contrôlant précisément le mouvement des différents systèmes industriels.
Enfin, un dernier élément mérite d’être souligné : l’usage de la fonction Enregistrer une macro. Celle-ci constitue un atout majeur pour la génération rapide de segments de code correspondant aux actions effectuées dans l’interface. Ces fragments peuvent ensuite être intégrés et structurés au sein d’un programme plus général, facilitant ainsi le prototypage et l’industrialisation des animations cinématiques.
L’origine de ma réflexion concernant l’usage d’un diorama comme support pédagogique s’inscrit initialement dans une démarche centrée sur la commande de bras robotiques. Cette orientation répondait pleinement à mon objectif de renouer avec des disciplines telles que l’électronique, l’automatisme et la robotique. Elle s’articulait également avec l’intérêt croissant que je portais à la technologie Arduino. Ayant étudié, au cours de mon cursus, la programmation de microcontrôleurs et d’automates programmables, j’ai été particulièrement impressionné par la simplicité d’utilisation et le potentiel offert par les cartes Arduino.
Cette réflexion serait probablement demeurée au stade théorique — limitée à quelques esquisses conceptuelles et fichiers de modélisation 3D conçus sous FreeCAD — sans un événement déterminant pour la suite du projet : la réception, à titre de don, d’une carte Arduino Due. Ce geste a constitué un véritable catalyseur, me conduisant à passer de la conceptualisation à l’expérimentation concrète. J’ai ainsi entrepris de me familiariser avec l’environnement matériel et logiciel propre à cette carte, prélude au développement d’une première maquette de bras robotique pilotée par l’Arduino Due.
Malgré les imperfections inhérentes à cette première construction, cette maquette a constitué une étape décisive en rendant le projet tangible et dynamique. Elle a renforcé ma motivation à poursuivre son développement. Je suis pleinement conscient que cette avancée doit beaucoup à Rémi, membre de ma famille et généreux donateur de la carte, dont le geste a joué un rôle déterminant dans l’évolution du projet.
Quelques années plus tard, dans le cadre du développement du projet BATLab112, j’ai été amené à mobiliser d’autres modèles de cartes Arduino, parmi lesquels les cartes Uno et Mega, ainsi qu’un ensemble de modules complémentaires tels que des capteurs divers et des écrans tactiles. Le modèle de console de commande conçu pour piloter les différents systèmes du diorama à l’échelle 1/12 intègre notamment deux cartes Arduino Mega. Celles-ci assurent à la fois la gestion de l’affichage sur deux écrans tactiles et l’interprétation des commandes émises par l’utilisateur.
Cet article présente l’intégration, la dernière étape de la conception préliminaire de la plateforme rotative du diorama pédagogique de la Batcave, à l’échelle 1/12, du projet BATLab112.
La simulation de l’intégration des équipements industriels, consiste à rassembler tous les équipements industriels conçus séparément, dans une modélisation globale de l’atelier de la Batcave du projet BATLab112. Le premier objectif est de contrôler la cohérence du dimensionnement respectif de ces équipements, ainsi que la conformité de leurs interactions fonctionnelles. Le deuxième objectif est de définir la structure de l’architecture générale de l’atelier.
Les quatre équipements industriels sont intégrés ici dans leurs dernières versions issues de la conception préliminaire. La structure générale du diorama supportant ces équipements est symbolisée par les deux plans horizontaux. Cette mise en situation permet de contrôler si les dimensions du diorama prévues dans le cahier des charges sont respectées.
Vues de détails
Situation n°1
Situation n°2
Cette simulation de l’intégration des équipements permet de contrôler l’implantation verticale des équipements.
La situation n°1 représente le pont roulant positionné au dessus de la plateforme de la Batmobile en position basse. Les bras robotiques en position initiale, passent au dessus de la Batmobile.
La situation n°2 représente la plateforme de la Batmobile en position haute. Les dimensions du pont élévateur assure le bon positionnement verticale de la plateforme par rapport au sol du niveau supérieur. Le dégagement du pont roulant permet l’élévation de la plateforme.
Simulation fonctionnelle 3D
L’intérêt de la simulation fonctionnelle en 3D, autrement dit visualiser à ce stade de la conception du projet, la mise en mouvement coordonné des équipements industriels composants l’atelier robotique de la Batcave du projet BATLab112, est double. Si la conception 3D permet une mise en situation statique des objets, la simulation 3D permet une appréhension plus fine des comportements dynamiques de ces objets. Cette approche a permis notamment d’expérimenter différents types d’organisation de l’atelier sans avoir besoin de réaliser de prototypes.
Modélisation 3D
FreeCAD
La modélisation de l’atelier de la Batmobile équipant la Batcave du projet BATLab112 a été réalisé avec le logiciel FreeCad V0.19.
La simulation fonctionnelle 3D de la version présentée de la configuration de l’atelier est satisfaisante, notamment la cinématique de la Batmobile et de l’ensemble ; pont roulant et bras robotiques. La conception préliminaire de chacun des quatre équipements est donc validée.
Cet article présente l’analyse détaillée du cahier des charges de l’atelier du diorama pédagogique de la Batcave, à l’échelle 1/12, du projet BATLab112.
La vidéo du cahier des charge de l’atelier de la Batcave est présenté un article dédiée. Cet article apporte des compléments d’informations dans la traduction de ce cahier des charges.
L’architecture verticale est imposée par un profil de grotte profonde et peu étalée horizontalement. Pour de pas occuper les niveaux supérieurs réservés aux accès quotidiens des personnes, l’implantation de l’atelier est donc située en profondeur, sous le niveau de l’entrée de la grotte.
Pour plus d’informations sur le profil de la grotte abritant la Batcave du diorama pédagogique du projet BATLab112, voir l’article suivant :
Dimensions du diorama pédagogique à l’échelle 1/12
Pour des raisons d’encombrement et de transportabilité, comme le montre la vidéo, les dimensions hors tout souhaitées de l’atelier du diorama de la Batcave correspondent à un code de 1 mètre de côté. Ces dimensions induisent une contrainte forte sur le diamètre maximum de la plateforme de transfert verticale de la Batmobile.
Cette contrainte se traduit par une restriction sur les modèles de Batmobiles acceptables par le projet BATLab112. Dans cette vidéo, le modèle utilisé est celui du film de 2016 de Zack Snyder – Batman vs Superman, Dawn of justice.
Plateforme rotative
Pour que la Batmobile puisse faire demi-tour sans manoeuvre et en temps masqué, la plateforme de stationnement doit assurer une fonction de rotation.
Translation verticale de la Batmobile
Si l’atelier est situé à un niveau inférieur de celui de l’entrée de la Batcave, un système doit donc assurer le transfert vertical de la Batmobile entre ces niveaux. Quelque soit la nature de ce système il apparaît évident qu’il doit être équipé d’une plateforme d’accueil de la Batmobile. Pour des raisons d’encombrement et d’optimisation de mouvement, cette plateforme doit être la même que celle de stationnement.
Bras robotiques
Deux types de robots possibles
La vidéo du cahier des charges présente deux configurations possibles pour l’utilisation de bras robotiques dans l’atelier de la Batcave. Soit des bras robotiques posés au sol, comme on le retrouve généralement sur les chaines de production automatiques, soit des bras robotiques suspendus de type « pick and place ».
Des bras robotiques posés au sol
La première solution, à base de robots posés, est d’une part, plus conforme avec le type de robots d’un environnement industriel automobile, et d’autre part, les performances de ces robots sont en adéquation avec le besoin de soulever des charges lourdes. Cependant, comme le montre la vidéo, la mise en oeuvre d’une telle solution, induit un nombre de contraintes vis-à-vis des autres systèmes automatiques, trop important.
Des bras robotiques suspendus
La deuxième solution à base de robots suspendus, présente moins de contraintes vis-à-vis des autres systèmes automatiques. C’est cette solution qui est retenue pour équiper l’atelier de la Batmobile.
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.
Les bras robotiques disposent de 4 degrés de liberté, autrement dit 4 articulations. Un moteur installé dans chaque articulation en assure sa rotation.
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
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.
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.
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.… Lire la suite →
Les bras robotisés occupent une fonction particulière dans l’atelier de la Batcave du projet BATLab112. Ils ne constituent pas uniquement des éléments décoratifs destinés à renforcer l’esthétique industrielle du diorama : ils doivent être capables de réaliser des mouvements réels et de répondre à des commandes définies par le système de contrôle du diorama.
Avant leur intégration définitive dans l’atelier, une première étape consiste donc à développer et à tester leur électronique de commande. Cette première version, développée autour d’une carte Arduino Due, a pour objectif de valider les principes fondamentaux de commande des servomoteurs et d’explorer plusieurs modes de fonctionnement : commande manuelle, fonctionnement automatique et apprentissage de positions.
Cahier des charges
Objectif général
L’objectif de cette première version est de réaliser une maquette électronique capable de commander les bras robotisés équipant l’atelier de la Batcave. Le système doit permettre de piloter les différents axes des bras et d’expérimenter plusieurs modes de fonctionnement.
Trois modes de fonctionnement des bras robotiques sont retenus :
Un mode manuel permettant de commander directement la position des bras robotisés à l’aide des commandes de la console de commande.
Un mode automatique permettant d’exécuter une série de mouvements préalablement enregistrés, sans intervention humaine.
Un mode apprentissage permettant d’enregistrer successivement plusieurs positions afin de définir une séquence de mouvements qui pourra ensuite être reproduite automatiquement.
Au-delà de la réalisation du système lui-même, cette expérimentation présente également un intérêt pédagogique. Elle permet d’aborder concrètement les principes de commande d’un servomoteur, de positionnement angulaire et de programmation d’une séquence de mouvements. L’objectif n’est donc pas encore de reproduire le fonctionnement d’un robot industriel réel, mais de construire une première architecture fonctionnelle permettant de valider les choix techniques.
Spécifications fonctionnelles
Le mode manuel
Le mode manuel constitue le point de départ du système. Chaque articulation est commandée individuellement à partir d’un potentiomètre rotatif. La position du potentiomètre est convertie par la carte Arduino en consigne de position pour le servomoteur correspondant.
Le principe est volontairement simple :
action sur le potentiomètre → lecture de la position → génération du signal de commande → déplacement du servomoteur.
Cette commande en temps réel permet de vérifier individuellement le comportement de chaque articulation. Pour les deux bras robotisés, huit servomoteurs sont donc nécessaires au total, soit quatre servomoteurs par bras.
Mode automatique
Le mode automatique permet de reproduire une succession de positions préalablement définies dans le programme de l’Arduino. Contrairement au mode manuel, l’opérateur n’agit plus directement sur les articulations. La carte de commande exécute une séquence programmée. Ce fonctionnement permet notamment de tester la capacité du système à reproduire une trajectoire prédéterminée.
Dans cette première version, les positions sont directement intégrées au programme Arduino. Cette solution est suffisante pour valider le principe, mais elle montre rapidement ses limites dès lors que le nombre de mouvements augmente. La modification d’une séquence nécessite en effet de modifier le programme puis de reprogrammer la carte.
Mode apprentissage
Le mode apprentissage constitue une première tentative pour rapprocher le fonctionnement du système de celui d’un robot programmable. L’opérateur utilise les commandes du mode manuel pour positionner les différentes articulations. Une position peut alors être mémorisée. Plusieurs positions successives peuvent ainsi constituer une séquence. Une fois l’apprentissage terminé, la séquence enregistrée peut être restituée en mode automatique.
Le principe peut être résumé de la manière suivante :
Cette fonction constitue une étape importante dans l’expérimentation, car elle introduit la notion de trajectoire programmée sans nécessiter la définition préalable de chaque position dans le code source.
Spécifications techniques
Les actionneurs
Chaque bras robotisé dispose de quatre degrés de liberté. Chaque articulation est équipée d’un servomoteur assurant directement son positionnement angulaire.
Le choix du servomoteur présente plusieurs avantages pour cette première expérimentation :
alimentation en courant continu ;
commande relativement simple ;
positionnement angulaire intégré ;
maintien de la position ;
encombrement réduit ;
compatibilité avec une commande Arduino.
Ce choix permet ainsi de disposer rapidement d’une chaîne complète de commande :
Arduino → signal de commande → servomoteur → articulation.
Il ne s’agit cependant pas encore d’une solution représentative de la motorisation d’un véritable robot industriel. Le projet doit par la suite tenir compte de cette différence technologique. Les essais mécaniques permettront notamment de vérifier si le couple disponible est suffisant pour les différentes articulations.
L’unité de contrôle, une carte Arduino Due
La première unité de contrôle repose sur une Arduino Due. Cette carte constitue le cœur du système électronique. Elle assure simultanément :
la lecture des potentiomètres ;
la lecture des boutons poussoirs ;
la gestion des voyants d’état ;
la génération des signaux de commande des servomoteurs ;
la gestion des séquences automatiques ;
la mémorisation des positions en mode apprentissage.
Le choix de l’Arduino Due résulte avant tout d’une opportunité : une carte ayant été donnée pour le projet BATLab112, elle a naturellement été réutilisée pour développer cette première version du système de commande des bras robotisés.
Réalisation de la maquette électronique
La première version est volontairement réalisée sous la forme d’une maquette de prototypage sur breadboard. Cette approche permet de modifier facilement le câblage et de tester différentes configurations avant de concevoir une électronique plus définitive.
Listes du matériel
À propos des marques et sources d’approvisionnement. Les marques, fabricants et sites marchands mentionnés dans cet article le sont uniquement à titre informatif, afin d’indiquer les références du matériel utilisé et, lorsque cela est pertinent, sa source d’approvisionnement. Ces mentions ne constituent pas de la publicité, un partenariat commercial ou une recommandation rémunérée. BATLab112 n’est pas rémunéré pour la présentation de ces produits ou de ces fournisseurs.
Une première version du schéma de câblage de la commande des bras robotisés
Pour cette première version, le schéma permet de représenter l’ensemble des connexions entre l’Arduino Due, les potentiomètres, les boutons poussoirs, les LED et les servomoteurs. Cette étape est essentielle dans la démarche de conception du projet. Même lorsqu’une électronique est réalisée sous forme de prototype sur breadboard, le schéma constitue la référence permettant de comprendre l’architecture du système et de préparer ses évolutions.
Un schéma électronique réalisé avec le logiciel KiCad.
KiCad dans le projet BATLab112 :
Dans le projet BATLab112, KiCad est utilisé pour concevoir et documenter les circuits électroniques nécessaires au fonctionnement du diorama. Il permet notamment de réaliser les schémas électriques et de concevoir les circuits imprimés (PCB) qui assurent l’interface entre les systèmes de commande, les capteurs et les différents équipements de la Batcave.
KiCad est une suite logicielle open source pour la conception électronique.
Le programme développé pour cette première version constitue avant tout un prototype fonctionnel. L’objectif est de vérifier que la carte Arduino Due est capable de gérer simultanément les différentes fonctions nécessaires à la commande des bras. Le code n’est donc pas encore optimisé pour une utilisation définitive. Cette distinction est importante dans la démarche BATLab112 : le prototype logiciel sert d’abord à valider le fonctionnement avant d’engager un travail d’optimisation et d’industrialisation de l’architecture.
Pour valider la commande électronique, une maquette du bras robotisé est réalisée. Le choix du matériau peut sembler surprenant : certaines parties sont fabriquées à partir d’emballages de briques de jus de fruit. Cette solution répond à une logique simple de prototypage. Le matériau est suffisamment léger et résistant pour permettre la réalisation des assemblages nécessaires. Sa surface présente par ailleurs un aspect proche de celui de l’aluminium, ce qui permet d’obtenir un résultat visuel acceptable pour une maquette expérimentale.
La maquette ne cherche donc pas à reproduire parfaitement le modèle 3D définitif. Son rôle est avant tout de fournir un support mécanique permettant de vérifier le comportement de l’électronique. Cette distinction entre prototype fonctionnel et prototype esthétique est importante dans le développement du projet BATLab112.
La vidéo du mode automatique
Premiers essais
Les premiers essais permettent de confirmer le fonctionnement général de la chaîne de commande. Les servomoteurs répondent aux consignes envoyées par l’Arduino et les différents modes de fonctionnement peuvent être expérimentés. La validation est donc positive sur le plan électronique.
En revanche, les essais mettent également en évidence les limites de la maquette mécanique. Sa qualité de fabrication et sa rigidité insuffisante provoquent notamment des vibrations et des perturbations dans les mouvements. Il devient alors difficile de déterminer précisément si certaines limitations proviennent de l’électronique, du servomoteur ou de la mécanique. Cette difficulté est caractéristique d’une phase de prototypage : plusieurs sous-systèmes interagissent simultanément et doivent progressivement être isolés afin d’identifier l’origine des problèmes.
Les limites identifiées par cette première version
La réalisation de cette V1 permet surtout d’identifier les améliorations nécessaires pour la suite du projet.
Une interface de commande trop rudimentaire
Les potentiomètres utilisés pour la commande manuelle nécessitent initialement l’utilisation d’un tournevis. Cette solution est acceptable pour un prototype électronique mais difficilement compatible avec une future console de commande intégrée au diorama.
Évolution envisagée : équiper les potentiomètres de boutons afin de disposer d’une véritable interface opérateur.
Une programmation trop dépendante du code Arduino
En mode automatique, les positions sont directement enregistrées dans le programme. Chaque modification d’une séquence impose donc une nouvelle programmation de la carte. Cette méthode devient rapidement contraignante.
Évolution envisagée : développer une interface permettant à l’utilisateur de définir et d’enregistrer les positions sans modifier directement le programme. Un clavier associé à un écran, voire un écran tactile, constitue une piste possible.
Une capacité d’apprentissage limitée
Le mode apprentissage permet de mémoriser seulement un nombre limité de positions. Cinq positions constituent une capacité suffisante pour démontrer le principe mais deviennent rapidement insuffisantes pour réaliser des trajectoires complexes.
Évolution envisagée : augmenter la capacité de mémorisation et développer une interface permettant de gérer les séquences de manière plus intuitive.
Des mouvements encore trop saccadés
Les premiers essais automatiques mettent également en évidence une limitation du programme. Les servomoteurs sont commandés successivement pour atteindre les différentes positions. Le mouvement global du bras apparaît alors lent et décomposé. Un véritable mouvement coordonné nécessiterait au contraire que plusieurs articulations évoluent simultanément afin de produire une trajectoire plus fluide.
Évolution envisagée : développer un pilotage simultané des différents servomoteurs et travailler sur la gestion des trajectoires.
Le problème du couple moteur
Les essais permettent également de mettre en évidence une interrogation concernant le choix des servomoteurs. Le servomoteur utilisé pour l’articulation de l’épaule semble, dans certaines configurations, manquer de couple. Il faut toutefois rester prudent dans l’interprétation de ce résultat. La maquette mécanique utilisée pour les essais présente des défauts de fabrication et des phénomènes de vibration. Il est donc difficile d’attribuer directement cette faiblesse au seul servomoteur.
Cette observation conduit néanmoins à intégrer la question du couple disponible dans les étapes suivantes de conception. Le dimensionnement mécanique du bras doit en effet être associé au choix de l’actionneur. Un moteur suffisamment puissant sur le papier peut se révéler insuffisant si la géométrie du bras, la masse des éléments mobiles ou les bras de levier augmentent les efforts nécessaires.
Une première validation, mais surtout une étape de conception
Cette première version de l’électronique de commande remplit donc son objectif principal. Elle permet de vérifier que le principe général fonctionne :
potentiomètres → Arduino Due → commande des servomoteurs → mouvements des articulations.
Elle permet également d’expérimenter trois niveaux de fonctionnement :
commande directe ;
exécution automatique ;
apprentissage et restitution d’une séquence.
Mais l’intérêt principal de cette V1 réside peut-être dans les problèmes qu’elle permet de révéler. L’expérimentation met en évidence les limites de l’interface, de la programmation, de la mémorisation des trajectoires, de la synchronisation des mouvements et du dimensionnement des actionneurs. Autrement dit, la première version ne constitue pas l’aboutissement du système de commande.
De la maquette à l’intégration dans la Batcave
La réalisation de cette électronique doit être replacée dans l’évolution générale des bras robotisés du projet BATLab112. Après la validation du principe de commande, les travaux se poursuivent sur la conception mécanique et la réalisation du prototype des bras. La modélisation 3D permet notamment de définir un bras à quatre degrés de liberté et d’étudier son intégration dans l’espace contraint de l’atelier de la Batcave.
Le prototype mécanique réalisé ultérieurement permet alors de confronter les choix de conception aux contraintes réelles de fabrication, de motorisation et de mouvement. Les essais mettent notamment en évidence des phénomènes d’oscillation du bras et conduisent à explorer différentes pistes concernant l’alimentation des servomoteurs, le signal PWM et le choix de l’actionneur de l’épaule.
12. Conclusion
La première électronique de commande des bras robotisés constitue une étape fondatrice du développement du système. Construite autour d’une Arduino Due et de servomoteurs, elle permet de valider les principes essentiels de commande et d’expérimenter les trois fonctions envisagées initialement : manuel, automatique et apprentissage.
Les essais montrent cependant qu’une architecture fonctionnelle ne suffit pas à obtenir un système réellement satisfaisant. L’évolution devra porter simultanément sur plusieurs niveaux :
l’interface opérateur ;
la gestion des trajectoires ;
la synchronisation des articulations ;
la capacité de mémorisation ;
l’alimentation électrique ;
le dimensionnement des actionneurs ;
la conception mécanique ;
l’intégration de l’ensemble dans le diorama.
Cette V1 doit donc être considérée comme une étape expérimentale dans la construction du système robotique de la Batcave, plutôt que comme une solution définitive.
C’est précisément ce qui fait son intérêt dans le cadre du projet BATLab112 : la maquette permet de transformer une idée issue de la fiction en un problème concret d’ingénierie, puis de confronter progressivement la conception aux contraintes réelles de l’électronique, de la mécanique et de l’automatisation.
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.
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.
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
