Concours C Génial HEXAROBOT. Ophélia BOLMIN Fanny RISBOURG Céline LAY. Lycée Louis Le Grand

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1 Concours C Génial HEXAROBOT Ophélia BOLMIN Fanny RISBOURG Céline LAY Lycée Louis Le Grand 1

2 Remerciements : Nous tenons à remercier nos professeurs : M. Fabrice BOISNEAU M. Didier LE PAPE pour l aide et les conseils qu ils nous ont apportés au cours de la réalisation de ce projet. Nous tenons également à remercier nos parents pour leur soutien. 2

3 Comment un robot peut-il imiter le déplacement d'un hexapode, tout en utilisant un minimum d énergie? SOMMAIRE : Introduction I. Étude d'un hexapode réel A. Observation d'un cafard B. Définition des contraintes à respecter II. Modélisation d'un hexapode A. De l observation à la modélisation B. De la modélisation à la conception d un robot C. De la conception à la réalisation D. Prototype final Conclusion 3

4 Introduction : Dans la nature, les êtres vivants possèdent des caractéristiques que l Homme cherche à reproduire, en effet la nature a réalisé des prouesses techniques, fruit de millions et de millions d années d évolution. Ainsi, dès la Renaissance, alors que l Europe renoue avec la culture antique et place l Homme au centre de l univers, les savants commencent à s inspirer de la nature. Léonard de Vinci, par exemple, imagine les premières machines volantes après avoir étudié le vol des oiseaux. Mais il faudra attendre les années 1960 pour que l imitation des formes animales apporte de résultats concrets : c est en s inspirant du bec du martin pêcheur, oiseau connu pour sa vitesse de pénétration dans l eau, que les ingénieurs réussissent à augmenter la vélocité du Shinkansen (le TGV japonais, en service depuis 1964), tout en réduisant sa consommation énergétique. Cette capacité à reproduire le réel, produit de l «intelligence» naturelle ou biomimétisme, connait aujourd hui un véritable essor. C est dans cette optique que nous avons donc décidé de reproduire la démarche d un hexapode. De nombreux robots s inspirent aujourd hui de ces petits insectes à six pattes. Ils sont complexes et possèdent généralement un moteur par patte et sont donc relativement lourds, onéreux et dépensent des quantités conséquentes d énergie. Nous avons décidé de concevoir un robot simple et peu couteux, tout en respectant la contrainte principale imposée par le biomimétisme : le principe de la minimisation énergétique. Nous utiliserons donc un unique moteur à cette fin. Nous avons donc étudié et détaillé, les caractéristiques du mouvement de l hexapode, pour aboutir à une modélisation. Notre réalisation nous permet de répondre à la question suivante : Comment un robot peut-il imiter le déplacement d'un hexapode, tout en utilisant un minimum d énergie? 4

5 A. I. Etude d un hexapode réel 5

6 A. Observation d un hexapode : le cafard Pour modéliser le déplacement d un hexapode, nous avons choisi d étudier en particulier le déplacement du cafard. Les cafards sont des créatures très sophistiquées et très résistantes (les blattes ont, par exemple, survécu aux radiations atomiques d'hiroshima). Ils possèdent donc de nombreuses caractéristiques qu il est intéressant de reproduire. Nous avons donc observé les différentes caractéristiques du mouvement de cet hexapode afin de pourvoir notre modélisation des mêmes attributs. C est donc à travers des vidéos, des images et des ouvrages consacrés aux insectes que nous avons extrait certaines caractéristiques essentielles qui contribuent à la conception de notre robot hexapode. Description physique Cafard ou blatte lllllllllllllllllllll Le cafard a une longueur avoisinant les 4 cm. Il possède une forme générale très profilée (un ovale allongé) et un corps fortement aplati, doté de téguments (peau) à la fois lisses et souples, ce qui lui permet de s'insinuer dans les moindres fissures, fentes, ou interstices. 6

7 Leurs pattes du cafard sont longues, grêles et composées de plusieurs segments tous reliés au thorax de l insecte par des liaisons rotules (fig. 1 et 2) Description Fig.2 du mouvement Fig.1 Cafard en cours de déplacement Le cafard, lors de son déplacement, alterne un mouvement sur trois pattes : chaque tripode est composé de la patte antérieure et de la patte postérieure d un côté ainsi que de la patte centrale du côté opposé. Il n y a donc que trois pattes en contact avec le sol à la fois, au cours du mouvement. Vitesse et changement de direction Les cafards possèdent des réflexes de fuite très développés, grâce aux soies, poils très fins disposés sur tout le long de leurs pattes. Ces soies les dotent d une sensibilité directionnelle extrême : leur première réaction motrice en cas de fuite est orientée dans le sens du mouvement de l air, donc en sens opposé à la position du prédateur. Aussi le cafard démarre-t-il en moins de 54 millièmes de secondes, et à la vitesse moyenne de 3,6 km/h, il peut changer 25 fois de direction par seconde. Le cafard est le seul animal connu doté d'un tel sens de l'orientation dans l'espace, et 7

8 capable de changer de direction si fréquemment. B. Définition des contraintes à respecter Nous notons que les précédents robots hexapodes, inspirés de la nature, sont très complexes et requièrent de nombreux composants. Pour modéliser l hexapode, nous nous sommes imposé les contraintes suivantes, motivées par la similitude nécessaire avec le cafard et par le budget limité pour réaliser le prototype : Présence de pattes Légèreté Rapidité Petite taille Faible coût 8

9 II. Modélisation d un hexapode 9

10 A. De l observation à la modélisation Pour comprendre comment nous avons modélisé le déplacement d un cafard, nous allons retracer les différentes étapes de notre travail : nous avons d abord observé le déplacement du cafard pour aboutir à une modélisation de son mouvement. a. b. c. d. Figure 1 Nous avons tout d abord remarqué que la patte est divisée en deux segments (en jaune et en vert sur la figure1) dont le premier a un mouvement de rotation par rapport au corps du cafard. La liaison entre le corps de l insecte et le premier segment possède trois degrés de liberté : trois rotations autour des axes, et. (Repère orthogonal de centre O représenté ci-contre). Nous avons donc modélisé le lien entre le corps et la patte, par une liaison rotule (figure 2). Repère Figure 2 De plus, les deux segments repérés sur la figure 1 sont en mouvement l un par rapport à l autre. On peut remarquer que la patte est droite lorsqu elle touche le sol (a. et e.). Ainsi, nous avons supprimé le mouvement du deuxième segment par rapport au premier n modélisant la liaison entre ces deux segments par une liaison encastrement. 10

11 Nous avons ensuite observé le mouvement des pattes les unes par rapport aux autres. Le mouvement est caractérisé par une rotation de deux groupes de trois pattes. Chacun de ces deux tripodes est composé de la patte antérieure et de la patte postérieure d un côté, ainsi que de la patte centrale du côté opposé. Le mouvement des tripodes est alterné, il n y a donc que trois pattes en contact avec le sol à la fois. a. b. Figure 5 Position des tripodes au cours du mouvement Sur la figure 5, les pattes d un tripode sont entourées de la même couleur. On peut ainsi voir qu en a. le tripode jaune est en contact avec le sol alors qu en b. c est le tripode vert. Nous avons modélisé le mouvement des deux tripodes par deux rotations alternées. Figure 6 : modélisation du cafard 11

12 B. De la modélisation à la conception du robot Et si nous utilisions un seul moteur? Cette idée nous est venue du système utilisé sur les marionnettes. La marionnette est une figurine composée de plusieurs parties distinctes : d un corps, luimême composé de différentes parties articulées entres elles, et d une croix de bois, permettant de contrôler les mouvements du corps. Ces deux parties sont reliées par des fils : chaque fil est fixé, par une de ses extrémités sur le corps de la marionnette, et par l autre sur la croix de bois. Cette configuration est visible sur la figure 8 : la croix est constituée de deux segments perpendiculaires : un rouge, un bleu. Chacune des pattes est reliée à une des extrémités du segment rouge de la croix, la tête et la queue étant fixées au segment bleu. Pour notre étude, nous nous intéresserons uniquement au segment bleu. Nous fixerons le centre de la croix, comme si un marionnettiste la tenait. Figure 8 Analysons les différents mouvements possibles. Marionnette Si on abaisse l extrémité A du segment bleu, la patte A descend mais par réaction, l extrémité B monte et la patte B également. De même, si on abaisse l extrémité B, la patte B descend, et la patte A monte (figure 9). Si on déplace l extrémité A, vers l avant, la patte A s avance également. En réaction, l extrémité B décrit un mouvement opposé, entrainant la patte B vers l arrière (figure 10). O O Figure 9 Déplacement du segment bleu Figure 10 vu de face D éplacement du segment bleu vu du dessus Ce système de croix permet donc d obtenir à partir d une action unique, deux mouvements opposés. 12

13 Supposons maintenant que l on exerce sur le segment bleu un mouvement de rotation autour de l axe. L extrémité A décrit alors un cercle, et la patte A a un mouvement de translation circulaire. L observation nous montre que l extrémité B décrit également un cercle, de diamètre et de sens de rotation identiques que celui décrit par A, et B a aussi un mouvement de translation circulaire. Mais B conserve un mouvement en décalage de celui de A, et B de celui de A (figure 11). Quand A est baissée, B est levée, et quand A recule, B avance. B B O O A B A B A A Figure 11 Mouvements des extrémités A et B au cours d une rotation de A Le système de la marionnette nous permettrait donc d obtenir, à l aide d une action unique, deux rotations en alternance de même sens. Nous reprenons le système de la marionnette, mais à l envers : cette fois-ci ce sont les pattes qui créent le mouvement et l imposent au segment bleu. Les pattes de notre hexapode doivent avoir un mouvement de rotation autour de. Elles remplacent donc le segment bleu de la marionnette. Nous séparons le corps de notre robot en deux. Une partie est fixe et remplace le centre maintenu de la croix. La seconde est entrainée par le moteur dans un mouvement de translation circulaire dans le plan formé par et et remplace les pattes de la marionnette. On l appelle partie mobile. Zone d attache arrière Zone d attache avant Les pattes remplacent le segment bleu. Elles sont donc attachées à la fois à la partie mobile et à la partie fixe. 13

14 Figure 12 : Une patte La figure 13 ci-dessous présente le mouvement d une patte. Apparaissent en gris la partie mobile, en bleu, la partie fixe. L avant de la patte est fixé sur la partie mobile ; l arrière sur la partie fixe. Figure 13 : Système d attache des pattes d un des deux tripodes En gris : la partie mobile En bleu : la partie fixe En vert : la patte Revenons à notre première étude du mouvement d un hexapode. Sur la figure 6 nous avions remarqué que les trois pattes d un même tripode avaient un mouvement identique : Rappel de la figure 6 Les deux pattes antéropostérieures d un même côté sont animées d un mouvement similaire. Nous obtenons donc le schéma suivant : 14

15 Figure 14 : les deux pattes du même côté d un tripode De plus, la patte centrale de ce côté doit décrire un même mouvement mais alterné par rapport aux deux autres. Une simple inversion des points d attache résout le problème : l avant de la patte est fixé sur la partie fixe ; l arrière sur la partie mobile. Figure 15 : patte inversée de l autre tripode sur le même côté Regroupons ces deux modèles, de manière à obtenir le mouvement recherché. Les deux pattes antéropostérieures d un même côté sont animées d un mouvement de rotation strictement identique ; la patte centrale décrit une trajectoire circulaire alternée par rapport aux deux autres. Nous aboutissons ainsi à un bâti fixe et à une partie mobile unique, sur lesquels sont fixées les trois pattes. Les deux pattes antéropostérieures sont fixées sur le bâti fixe par l arrière et sur la partie mobile par l avant. La patte centrale est fixée sur le bâtit fixe par l avant et sur la partie mobile par l arrière. 15

16 Figure 16 : trois pattes d un côté Le côté opposé présente des contraintes similaires. Mais de ce côté les deux pattes antéropostérieures ont le même mouvement que la patte centrale du premier côté. La patte centrale de ce côté à quant à elle le même mouvement que les pattes antéropostérieures du premier côté. Le deuxième côté n est donc qu une inversion du premier. Ainsi, nous attachons les pattes suivant un schéma inversé : les pattes antéropostérieures sont fixées au bâti fixe par l arrière et à la partie mobile par l avant ; la patte centrale est fixée au bâti fixe par l avant et à la partie mobile par l arrière. Figure 17 : trois pattes de l autre côté On peut maintenant réunir les deux côtés pour aboutir à un modèle réaliste. Le bâti bleu est fixe. La partie mobile est animée d un mouvement rotation, qu elle transmet aux pattes. 16

17 Figure 18 : Représentation du robot hexapode C. De la conception à la réalisation Nous allons maintenant voir comment le moteur qui a un mouvement de rotation peut imprimer un mouvement de translation circulaire à la partie mobile. La partie mobile est fixée par l intermédiaire d une barre en V à une roue, non pas en son centre mais de manière excentrée. Ainsi, quand le moteur fait tourner la roue, la barre en V n a pas un mouvement de rotation autour du centre de la roue, mais un mouvement de translation circulaire. Le moteur est fixé sur la partie fixe. Figure 19 : barre en V en rouge, roue en jaune et porte moteur en bleu Enfin nous allons voir comment nous avons entrepris de faire tourner notre robot : 17

18 Pour cela, nous avons placé deux servomoteurs sur la partie mobile. A chacun de ces servomoteurs est relié l un de coins avant de la partie mobile, par le biais d une tige de carbone (Voir figure 20). Tiges de carbone Servomoteurs Figure 20 : vue de dessus de l Hexarobot. Quand on actionne les servomoteurs, le corps du robot est déformé. Cette déformation modifie l axe de rotation des pattes et permet à notre robot de tourner (voir Figure 21). Figure 21 : Mouvement des pattes une fois le robot déformé. D. Prototype final Le matériau Le corps du robot est en carbone et en polycarbonate. Toutes les parties du corps sont collées entre elles avec de la colle cyanoacrylate ou du ruban adhésif armé. 18

19 Les composants Notre robot comprend : - un motoréducteur, qui met la partie mobile en mouvement de translation circulaire pour déplacer le robot. - une batterie, qui assure l alimentation et l autonomie du robot Maquette réalisée sous Solidworks 19

20 Hexarobot Conclusion Comment un robot peut-il imiter le déplacement d un hexapode? Pour aboutir à une modélisation fidèle du cafard, notre étude a suivi trois lignes directrices : l observation du déplacement du cafard dans son environnement, la modélisation de son mouvement ; qui a conduit à la conception du robot hexapode. La réalisation du robot. Notre projet a été essentiellement basé sur l'observation de l insecte, nous permettant de déterminer les caractéristiques du mouvement d un hexapode. La démarche d un hexapode est caractérisée par le mouvement alterné de deux tripodes : chacun est constitué des deux pattes antéropostérieures d un côté et la patte centrale du côté opposé. Chaque tripode décrit, au cours du mouvement, une trajectoire circulaire, ce qui nous a permis de modéliser la liaison entre le corps et la patte de l hexapode par une liaison rotule. Nous avons ainsi définit des contraintes spécifiques à la démarche de l hexapode que notre modèle doit respecter : alternance des deux tripodes, laison 20

21 rotule entre le corps et la patte. Notre robot doit aussi respecter le cahier des charges, qui nous impose légèreté, petite taille et faible coût de production. Nous avons donc conçu un modèle qui répond à toutes ces contraintes. Ainsi, nous avons en nous inspirant du modèle de la marionnette, modélisé la démarche d un hexapode et abouti à un robot hexapode. Nous pourrions maintenant munir ce robot, petit, léger et peu coûteux d une microcaméra, ce qui élargirait considérablement son domaine d utilisation. Espionnage, visée humanitaire? 21