Un système d aide aux handicapés

Olympiades de physique 2006/2007 Un système d aide aux handicapés POTHAIN Mélanie LAFRECHOUX Leslie BOUGEANT Matthieu Lycée G. St Hilaire - ETAMPES encadrés par M. LEFEVRE

Sujet : Le carrousel Problématique : Peut-on faciliter le déplacement des personnes handicapées avec un système simple? Résumé : Les personnes handicapées rencontrant beaucoup de problèmes pour monter de simples trottoirs avec leurs fauteuils roulants motorisés, les élèves ont réfléchis à la possibilité d adapter un système motorisé sur les fauteuils afin de permettre facilement la montée d un trottoir. Une étude technique préalable a été réalisée et une maquette a été construite afin de modéliser le système baptisé «carrousel». Elèves : POTHAIN Mélanie LAFRECHOUX Leslie BOUGEANT Matthieu Professeur encadrant : LEFEVRE Yoann -2-

SOMMAIRE SOMMAIRE 3 INTRODUCTION 4 I. L'ETUDE DU BESOIN 5 1) La bête à cornes 5 2) La pieuvre 6 3) Le diagramme FAST 7 II. LA MISE EN OEUVRE 8 1) Construction d une première vraie maquette 8 2) Les problèmes rencontrés 8 3) La maquette virtuelle 9 III. L'ETUDE ENERGETIQUE ET LA MECANIQUE 11 1) Pourquoi ce système permet-il de monter les trottoirs? 11 2) Estimation du couple et des puissances des moteurs 12 3) Réalisation effective de la motorisation 15 IV. L'ABOUTISSEMENT FINAL (LA MONTEE D'UNE MARCHE) 19 1) La maquette réelle finale 19 2) La maquette virtuelle finale 20 3) Les problèmes persistants 22 CONCLUSION 24 BIBLIOGRAPHIE 25 ANNEXE 1 : NOTRE PARTENAIRE 26 ANNEXE 2 : LE CARROUSEL AU NIVEAU MOLECULAIRE! 29-3-

INTRODUCTION Notre projet fait suite au sujet de TPE que nous avons présenté en première. Nous avons choisis le domaine de l'handicap car nous étions fortement intéressés par l aspect social de celui-ci. Nous avions pour but d apporter de l aide aux personnes utilisant des fauteuils roulants car nous avions remarqué leurs difficultés de mobilité dès lors qu ils rencontraient un obstacle. Nous souhaitions donc trouver un système qui pouvait y remédier. C est ainsi que notre projet de «carrousel» fût mis en place. Il s agit d un système composé de trois petites roues que l on adapte sur chaque coté avant d un fauteuil motorisé. Cela permet de monter des petits obstacles tel qu un trottoir avec le moins d efforts possibles. Nous avons appelé notre système «carrousel» car notre système est comparable aux manèges carrousels pour lesquels l ensemble tourne autour d un axe central. Principe du «carrousel» en marche -4-

I. L'ETUDE DU BESOIN Pour commencer, nous avons essayer de décrire le besoin auquel devait répondre le système technique, en utilisant plusieurs outils de l ingénieur aux noms un peu barbares : la «bête à cornes», la «pieuvre» et le diagramme FAST. 1) La bête à cornes D abord, nous avons défini les enjeux de notre produit : il est fait pour être installé sur des fauteuils roulants et surtout électriques, ensuite, il est destiné aux utilisateurs de fauteuils roulants qui pourront ainsi avoir une plus grande autonomie. Car, finalement, notre système a pour but de monter les trottoirs ou les petits obstacles avec le moins d effort possible. La bête à cornes du «carrousel» -5-

2) La pieuvre Nous avons ensuite étudié l environnement de notre système. Nous avons utilisé un autre outil de l ingénieur, appelé «pieuvre», qui est un schéma regroupant les différentes fonctions qui sont liées au système. Il y a les fonctions principales qui permettent au système de répondre au besoin de l utilisateur et les fonctions contraintes qui, comme son nom l indique, sont les contraintes liées au système. On peut dire que, dans notre système, il y a deux fonctions principales : - l une est qu il puisse fonctionner dans la rue (fonction F1 ) - l autre est qu on puisse lui adapter un moteur (fonction F2 ) Il y a aussi des fonctions contraintes comme : - il ne faut pas qu il prenne trop d espace sur le fauteuil (fonction C1 ) - il faut une sécurité totale avec l utilisateur ou son entourage (fonction C2 ) - il faut que l ensemble soit un minimum esthétique (fonction C3 ) - il faut que son coût soit raisonnable (fonction C4 ) La pieuvre et le diagramme des interacteurs du «carrousel» -6-

3) Le diagramme FAST Le dernier outil de l ingénieur utilisé est le diagramme FAST (Function Analysis System Technique). Il permet, à partir de la fonction principale à satisfaire (monter les trottoirs), une décomposition en fonctions techniques pour aboutir à des solutions technologiques. Le but principal de notre carrousel est bien sûr de monter les trottoirs. Il faut pour cela l alimenter, c est-à-dire apporter de l énergie au moteur et pour cela on utilisera une batterie. Et, afin de pouvoir contrôler l alimentation, on rajoutera un interrupteur on/off. Il faut également que notre carrousel puisse se déplacer. Pour cela, nous devons créer une rotation des roues, ce qui nous amène à trois choses : - convertir l énergie électrique en énergie mécanique de rotation et cela grâce au moteur électrique - adapter et transmettre le mouvement grâce à un système pignon/chaîne - transformer le mouvement grâce aux roues du carrousel. -7-

II. LA MISE EN OEUVRE 1) Construction d une première vraie maquette Au début, notre projet de maquette était basé entièrement sur un système carrousel, c est à dire que nous n avions pas représenté entièrement un fauteuil roulant. Nous pensions que nous pourrions monter un trottoir avec simplement comme puissance celle du moteur qui permet de faire avancer le système. Notre solution technique était composée d élastiques qui transmettaient le couple des moteurs aux roues. Le carrousel devait entrer en contact avec le trottoir, il devait le monter, par la seule puissance du moteur qui réalisait l avancement (la translation). Or, notre maquette (fabriquée avec des Mécano et entraînée par des moteurs (récupérés sur une voiture téléguidée) ne répondait pas du tout aux attentes et surtout ne correspondait pas à la solution technique envisagée après plusieurs études. Voyons quels étaient ces problèmes. 2) Les problèmes rencontrés Le principal problème de la première maquette était que les élastiques qui faisaient le contact entre les roues et les branches du moteur, à la façon de courroies, étaient totalement inadaptés. Il y avait un problème de résistance et d adhérence mais malheureusement c était la seule solution que nous avions sur le moment. -8-

Nous avons présenté notre maquette au concours Quintesciences en juin 2006 et celle-ci n arrivait seulement qu'à faire une petite rotation, la solution technique choisie (par contrainte) n étant pas du tout adaptée. C est pourquoi nous avons décidé de créer une maquette virtuelle sous le logiciel Inventor, maquette qui aurait été l idéale pour nous. 3) La maquette virtuelle Sur notre maquette virtuelle, nous avons remplacé les élastiques par des systèmes pignons/chaînes pour entraîner les roues mais nous avons également rajouté des roulements pour minimiser les frottements. Ces roulements, les pignons et les chaînes ont été sélectionnés dans la bibliothèque du logiciel Inventor qui utilise des éléments standard présents sur le marché. Enfin, nous avons pu étudier la faisabilité de notre système, grâce au logiciel Inventor, en observant la maquette virtuelle en train de monter un trottoir : En percutant le trottoir, le moteur avant se met en route, permettant aux carrousels fixés à l avant d entamer leur rotation pour escalader l obstacle. La poussée du moteur arrière finit d achever la montée. -9-

Les deux exemplaires de carrousel (à fixer sur les deux côtés avant du fauteuil) ont finalement été construits avec des Mécano. -10-

III. L'ETUDE ENERGETIQUE ET LA MECANIQUE 1) Pourquoi ce système permet-il de monter les trottoirs? Sans le système du carrousel, le fauteuil roulant classique ne peut monter les trottoirs : les roues avant ont un diamètre beaucoup trop faibles pour passer l obstacle (fig. 1). Fig. 1 Avec le système du carrousel, la montée à l avant est aisée (fig. 2 à 5). Fig. 2 Fig. 3 Fig. 4 Fig. 5 Fig. 6 Fig. 7-11-

Une fois que le système du carrousel réalise avec succès la montée du trottoir par les roues avant, le carrousel est sur le trottoir mais les roues arrière sont encore sur la route. Dès lors, le centre de gravité du fauteuil se retrouve surélevé (fig. 5). Puisque les roues arrière ont un diamètre beaucoup plus grand que les roues avant, celles-ci, avec l aide de la surélévation du centre de gravité du fauteuil, peuvent monter le trottoir beaucoup plus facilement (fig. 6 et 7). Sur les figures, nous voyons également un problème de déséquilibre du fauteuil lors de la montée (au moment où le carrousel est sur le trottoir et que les roues arrière sont sur la route). Pour pallier à ce problème, nous avons pensé équiper les siéges du fauteuil de deux vérins au niveau des fixations arrière. Ces deux vérins élèveraient les siéges au moment de la montée du trottoir et baisseraient le fauteuil au moment où le fauteuil serait complètement sur le trottoir. Mais le temps et les moyens nous ont manqué et nous avons laissé le système sans les vérins. 2) Estimation du couple et des puissances des moteurs a. Hypothèses pour les calculs Nous pouvons estimer le poids du fauteuil roulant, personne comprise, à 140 kg. Puisqu il y a 4 roues sur le fauteuil, chaque carrousel placé sur les 2 roues avant supporte une masse : 140/4 = 35 kg. Nous posons une vitesse de 0,5 m.s -1 ( 2 km/h) qui nous semble convenable. Nous avons estimé la hauteur d un trottoir à 7 cm. -12-

b. Calcul de la puissance nécessaire pour un moteur du carrousel Nous avons étudié le système comme s il devait monter un plan incliné à 45 car nos connaissances ne nous permettent pas de le faire pour la situation réelle (contact sans glissement au niveau de la roue et du trottoir avec rotation en plus). Utilisons le théorème de l énergie cinétique : Système étudié : Les deux roues à terre du carrousel Forces appliqués à ce système : - le poids P r - la réaction du support R r - la force motrice F m E C = W R + W P + W Fm Mais, comme on suppose la vitesse constante, on a : E C = 0. Or, W R = 0 car R r est perpendiculaire à la trajectoire en tout point et à chaque instant. Donc : W P + W Fm = 0-13-

D où : - W P = W Fm soit : m x g x BC = Fm x AC m x g x AC x sin α = Fm x AC Fm = m x g x sin α Puissance motrice = Fm x v = m x g x sin α x v. = 35 x 10 x sin (45) x 0,5 Puissance motrice 125 W. Vu les simplifications effectuées au départ (pente rectiligne et non pas montée réelle de trottoir), la puissance motrice nécessaire du moteur doit certainement être supérieure à cette valeur trouvée. De plus, il convient de choisir une puissance plus élevée par mesure de sécurité. Pour chaque carrousel, un moteur proche de 200 W semble donc être l idéal. b. Calcul du couple nécessaire à la rotation d un carrousel Rappelons que chaque carrousel supporte une masse d environ 35 kg, soit une force de 350 N. Une broche d un des carrousels installés à l avant du 30 cm fauteuil mesurera environ 30 cm. On obtient un couple de : Couple = F x d = 350 x 0,3 100 N.m. -14-

Toujours par mesure de sécurité, un couple au moins deux fois supérieur serait nécessaire, soit de 200 N.m. 3) Réalisation effective de la motorisation Chaque moteur doit donc être relativement puissant mais il doit également être irréversible car, lors de la rotation du moteur, si une panne survient, le carrousel ne doit en aucun cas faire demi-tour! Pour ce qui est du moteur de la maquette, après avoir réfléchi, plusieurs solutions constructives sont apparues : - moteur de Mécano (pas assez puissant donc abandonné) - moteur plus vis sans fin (pas de moteur disponible donc abandonné) - moteur pour chaque carrousel (problème de synchronisation donc abandonné) Pour notre maquette, nous avons finalement récupéré un seul moteur, avec un réducteur associé, qui sera associé aux deux carrousels avant. - Etude de la puissance du moteur, version maquette : Les caractéristiques du moto-reducteur que nous avons trouvé pour notre maquette sont : Vitesse nominale : ω m = 20 tr/min 2,1 rad/s Couple nominal : Cm = 125 kg.cm = 12,5 N.m Couple de blocage : 810 kg.cm La puissance motrice du moteur de notre maquette vaut donc : Puissance motrice = ω m x Cm -15-

= 2,1 x 12.5 = 26 W Le moteur que nous utilisons développe donc une puissance de 26 W. Considérons que la maquette pèse 4 kg : nous pouvons alors dire qu une masse de 1 kg s applique sur chaque carrousel (puisqu il y a 4 roues sur le fauteuil). En réalisant la même étude que précédemment appliquée à notre maquette, nous trouvons que la puissance motrice théorique nécessaire pour un seul carrousel doit être de : Pm = m x g x sin α x v = 1 x 10 x sin(45) x 0,5 3,5 W. Puisque nous avons deux carrousels mais qu un seul moteur à disposition, celui-ci doit donc développer théoriquement une puissance double. En prenant en compte les erreurs dues aux simplifications de notre étude (montée rectiligne) et par mesure de sécurité, la puissance théorique du moteur de notre maquette ne doit pas être en dessous de 15 W, ce qui est effectivement le cas. - Etude du couple du moteur, version maquette : Sur notre maquette, chaque carrousel doit supporter une masse de 1 kg, soit une force d environ F = 10 N. Sachant qu une broche de notre carrousel sur notre maquette mesure une longueur d = 10 cm (photo ci-contre), on obtient un couple de : C = F x d = 10 x 0,1 = 1 N.m. 10 cm Toujours par mesure de sécurité, un couple de valeur double conviendrait, soit un couple de 2 N.m. Le moteur que nous avons -16-

récupéré possède un couple de sortie de 12,5 N.m, ce qui est amplement suffisant pour assurer la rotation. Ainsi, le moteur récupéré est assez puissant pour faire la rotation demandée : nous adaptons donc notre maquette pour recevoir ce moteur et pour que celui-ci entraîne les deux carrousels (on réalise deux accouplements entre les axes). Enfin, pour transmettre le couple du moteur à l axe, nous avons fixé des engrenages plastiques (trouvés dans de vieilles imprimantes), le mieux étant d avoir des engrenages en acier mais nous n en avons pas trouvés. Les engrenages ne correspondant pas au diamètre du moteur et de l axe, nous avons adapté ceux-ci pour qu ils réussissent la transmission. Le moteur de la maquette et les engrenages -17-

Nous sommes pleinement conscients que le moteur que nous utilisons pour notre maquette n est pas adapté et que les engrenages non plus. Il faudrait, idéalement, que la vitesse de rotation du carrousel soit plus faible que celle que nous obtenons (inutile que les carrousels tournent vite, même dangereux). Pour une première phase de projet, si la maquette réussit à monter un trottoir (adapté à la taille de la maquette), ce sera déjà une grande réussite pour nous! -18-

IV. L'ABOUTISSEMENT FINAL (LA MONTEE D'UNE MARCHE) 1) La maquette réelle finale Pour les Olympiades de Physique, nous avons construits deux carrousels qui seront liés entre eux. Les deux carrousels séparés Nous avons commencé à entreprendre un mini fauteuil roulant en prenant des mesures sur un fauteuil roulant grandeur réelle. Notre maquette est en Mécano à l échelle 1/3, avec deux carrousels à l avant qui ne feront qu une simple rotation, guidés par un moteur, et qui suivra une translation grâce à la propulsion des roues arrière qui entraînent le fauteuil. Le montage doit être précis pour que les axes des roues ne frottent pas. -19-

De plus nous avons essayé de créer un trottoir à l échelle et avec la même matière que les trottoirs pour correspondre le plus possible à la réalité au niveau de l adhérence, afin de tester au mieux notre maquette. Vu d ensemble de la maquette réalisée (ainsi que le trottoir bitumé) 2) La maquette virtuelle finale Nous avons dessiné le système du Carrousel intégré au fauteuil roulant sur le logiciel de DAO Inventor afin de pouvoir mieux visualiser notre projet idéal. Il est à noter que toutes les pièces utilisées pour la réalisation du système virtuel sont standardisées afin de permettre par la suite une démarche industrielle plus aisée. -20-

Le fauteuil roulant et les 2 carrousels à l avant En particulier, le système réel du carrousel sera associé à des moteurs à vis sans fin : Un des deux carrousels Le moteur à vis sans fin Enfin, nous souhaiterions intégrer des vérins au fauteuil afin que le dossier de celui-ci reste bien perpendiculaire au plancher pendant la montée du -21-

trottoir. Malheureusement, nous n avons cependant pas eu le temps ni les moyens pour mettre en place ce projet. Nous l avons donc seulement créé sur Inventor. Les deux vérins fixés sous le siège du fauteuil 3) Les problèmes persistants Les problèmes qui persistent au niveau de notre maquette sont des problèmes de solidité et de précision. En effet, il faudrait que le bâti du carrousel soit le plus solide possible pour minimiser les erreurs, ce qui est difficile avec des Mécano. Il faudrait également une extrême précision au niveau des roues pour permettre les transmission de puissance ce qui est aussi très délicat. De plus, rappelons que les moteurs de notre maquette ne sont pas réellement adaptés. Le problème d irréversibilité du moteur fut réglé du fait que le moto-réducteur récupéré possède un nombre d étages assez important : il y a beaucoup d engrenages, donc on ne peut pas faire tourner l axe du moteur en faisant tourner l axe de sortie, la réversibilité ne peut donc se faire. Le -22-

choix sur la maquette du couple des moteurs arrières s est également posé, ainsi que leur puissance (car, ne l oublions pas, sans les moteurs arrières, le carrousel ne sert à rien). Mais, en réalité, les fauteuils roulants motorisés possèdent leurs propres moteurs de propulsion à l arrière : ce problème sur notre maquette n en est donc pas un. La batterie sera sûrement la même pour tous les moteurs et sera située soit sur la maquette, soit avec la télécommande. En réalité, la batterie est également déjà sur le fauteuil roulant motorisé. -23-

CONCLUSION Notre maquette finale enfin réalisée, nous avons pu constater qu il était compliqué de choisir des moteurs adaptés. Notre maquette se rapproche maintenant de notre idée initiale et fonctionne. Mais, nous le savons, notre projet est loin d'être terminé. En effet, par les contraintes du temps, des connaissances et des moyens, nous n'avons pu mettre en oeuvre tous nos idéaux quant à la réussite du "carrousel". Néanmoins, bien que notre projet ne soit pas entièrement finalisé, nous avons appris au fil des heures à travailler en groupe et à intégrer nos cours de première et de terminale dans un objet concret. Ce projet nous a permis de nous responsabiliser et de prendre conscience que pour concrétiser un projet il faut beaucoup de persévérance. Cela nous a également permis d'intégrer un monde que l'on ne connaissait que très peu, celui du monde de la recherche et du développement et nous sommes heureux d'avoir pu nous investir dans une cause qui nous tient à cœur. -24-

BIBLIOGRAPHIE Personnes ayant permis l évolution de notre TPE : - M. Ausseray, professeur de mécanique - M. Hugues Le Masnes (Top Chair) - M Reynald Rugoslilo (chef du service secrétariat médical du centre de rééducation du château de Soisy sur Seine) - M Christian Joachim (chercheur au CEMES) Internet : TopChair, notre partenaire : http://perso.orange.fr/topchair/contact_fr.htm CERAH : Centre d'etudes et de Recherche des Appareillages pour Handicapés http://www.cerahtec.sga.defense.gouv.fr/index.htm -25-

ANNEXE 1 : NOTRE PARTENAIRE Nous sommes allés à la rencontre d un des constructeurs de Topchair, système qui permet aux fauteuils roulants de monter et descendre des escaliers grâce à un système différent du notre. Le TopChair utilise des chenilles à la manière des chars d assauts. LE TOPCHAIR Ce système peut monter une pente de près de 60%. Le Topchair monte des trottoirs ou des marches jusqu à 20 cm et peut monter 300 marches et en descendre 1000. Il met environ 25 secondes pour monter 8 marches et, sur route, il a une vitesse maximale de 9 km/h. Le prix de conception s élève à 6000 euros et son prix de vente sera d environ 12000 euros. -26-

Un système contrôle également l inclinaison du châssis et du siège en le maintenant horizontalement automatiquement grâce à un vérin (voir la photo). Ce sont des capteurs qui détectent la présence des marches qui permettent de provoquer la rentrée ou la sortie du train de roues arrière. L utilisateur de ce système ne perçoit aucun choc mais il existe une limite à ce système : en effet, l utilisateur ne doit pas peser plus de 85 kg. Le travail pour parvenir à ce résultat peut se décomposer en 3 étapes. Il a fallut 2 ans pour fabriquer un prototype de fauteuil roulant électrique muni de chenilles et dont le siège reste bien horizontal. Il a fallut encore 2 ans pour adapter les roues puis un an pour automatiser les commandes. Le Topchair est le premier fauteuil roulant qui monte les escaliers et qui est homologué par le CERAH, centre d'étude et de recherche des appareillages pour handicapés. -27-

Premier essai réalisé le 29 juin 2005, avec une hauteur de marche de 20 cm : Pour les contacter : info@topchair.net -28-

ANNEXE 2 : LE CARROUSEL AU NIVEAU MOLECULAIRE! Nous avons été très surpris de découvrir l existence d un système qui utilise le même principe que notre carrousel mais à l échelle moléculaire. Voyons brièvement en quoi consiste ce système, appelé ici brouette moléculaire. Le principe de la brouette moléculaire De récentes avancées dans l imagerie et la manipulation de molécules ont permis de découvrir une molécule présentant des propriétés électroniques particulières mais aussi des propriétés mécaniques inédites à l échelle microscopique. Il est maintenant possible de travailler sur une seule molécule et non sur une assemblée de molécules. La translation ou la rotation d une seule molécule ayant déjà été observées, les chercheurs ont imaginé une molécule capable de combiner ces deux mouvements. Dans le cas d une brouette macroscopique, une poussée (translation) permet d induire la rotation de la roue. Par analogie avec une brouette, nous avons ceci : Il y a : 1 châssis 2 roues 2 liaisons châssis/roues 2 poignées -29-

Au commencement du projet, il ne devait y avoir qu une seule roue (en bleu) : Mais finalement le projet fut abandonné car cette molécule n'était pas synthétisable, principalement pour des raisons de faisabilité. Comment et dans quel but utiliser cette brouette? Afin de manipuler cette nanobrouette, il faut agir sur les poignée de celle-ci (c est à dire la partie bleue). Cette action se fait grâce à la pointe d un microscope à effet tunnel. Cela créera une translation et nous obtiendrons de cette manière une rotation au niveau des roues (l équivalent de notre carrousel). On notera également que leurs roues utilisent des propriétés identiques aux nôtres, c'est-à-dire ici 3 fragments triptycènes, composés de 3 pâles à 120 l une de l autre. Vue de dessus et vue de profil de la brouette molécule en modèle moléculaire -30-

Cette brouette a la même fonction que notre carrousel : elle est capable de monter sur un atome comme notre carrousel monte sur un trottoir. Elle permet également de pouvoir mieux étudier les atomes. A l avenir, cette brouette moléculaire va donc être étudiée pour cartographier précisément différentes surfaces. 1. 2. 3. pointe du microscope (poignée) 4. pâle de la roue surface atomique 5. Modélisation de la rotation d un tiers de tour d une des roues de la brouette Pour contacter le chercheur G. Rapenne responsable de cette synthèse : rapenne@cemes.fr -31-