Mécanique

Principes physiques

Concepts

Mouvement

  • 1re loi de Newton: un objet au repos (ou mouvement uniforme) reste au repos (ou en mouvement uniforme) tant qu’aucune force externe ne lui est appliquée.
  • 2e loi de Newton: le total des forces appliquées à un objet égale sa masse fois son accélération.
  • 3e loi de Newton: quand un objet exerce une force sur un autre objet, ce dernier exerce une force égale et opposée au premier.

Une force est donc nécessaire pour briser l’inertie d’un robot (arrêté ou déjà en mouvement). Une force constante crée un mouvement accéléré. Dans un contexte de frottement et friction, une force appliquée minimale est requise pour garder le robot en mouvement. Quand un robot doit avancer, ses roues doivent produire une force (supérieure au frottement) sur le tapis, et c’est l’action du tapis sur le robot qui le fait avancer!  Conservation de l’énergie Dans un système fermé, l’énergie totale est constante. Une partie de l’énergie peut se transformer (ex.: énergie électrique devient énergie mécanique qui devient énergie cinétique) ou se dégrader sous forme d’énergie thermique (et sonore, etc.) qui n’est plus utile au système. Un mécanisme efficace réduit la dégradation de l’énergie à cause du frottement. Les sources d’énergie usuelles dans un robot sont:

  • électro-chimique (batterie)
  • potentielle par déformation (ex. ressorts, pneumatique)
  • gravitationnelle (poids d’un composant)

La plupart des éléments actifs d’un robot transforment l’énergie pour faire un travail utile. Parfois cette dépense d’énergie ne produit pas un travail qu’on peut observer directement (e.g. système de contrôle). Mais une grande partie de l’énergie sert à mettre en mouvement un mécanisme ou le robot lui-même. Dans tous les sous-systèmes, le frottement mécanique, même contrôlé, causera une perte d’énergie sous forme thermique.

Les machines simples dans les mécanismes

Pour une présentation succincte des machines simples consultez, par exemple:  Alloprof. L’avantage mécanique (ou gain) d’une machine est toujours défini comme le rapport de la charge (force résistante) sur la force motrice, ou encore la force produite sur la force appliquée. Dans le cas des systèmes en rotation, on remplace « force » par « couple ». L’intérêt est de trouver comment ce gain peut s’exprimer en fonction des caractéristiques physiques de chaque machine.

Fr = Gain x Fm

Leviers

La machine simple la plus utilisée dans le cadre de la fabrication de mécanismes est le levier et ses dérivés : les roues (dentées ou non, par transmission directe ou par chaîne/courroie). Levier inter-appui

Les longueurs des bras de levier sont ajustées en fonction de l’application. Il y a un avantage mécanique (Gain > 1) quand le bras de levier du coté moteur est plus grand que le bras résistant. La force motrice est alors moindre que la charge F. En contre partie, le point de contact-moteur doit se déplacer davantage (verticalement, ici) que la charge. On peut délibérément choisir un gain réducteur de force (ou couple) : Lr < Lm . Levier inter-résistant
Dans ce cas, le gain mécanique est toujours supérieur à 1 (Lm > Lr). Levier inter-effort
Le gain mécanique est inférieur à 1 (Lm <  Lr).

Évolution Révolution du levier : la roue

Si les points d’application des forces (motrice et résistante) sont en perpétuelle rotation autour du point pivot, on a… une roue (voir l’animation). Considérons comme exemple une roue actionnée par un arbre de transmission. Roue entraînée par arbre (inter-effort)

  • Si on considère une roue (de rayon Rr) mue par un arbre d’entraînement (de rayon Rm), le Gain est beaucoup plus petit que 1 et l’action développe beaucoup de déplacement mais requiert une force motrice plus grande.
Selon l’application, le point d’application de la force motrice peut être à l’intérieur (Rm <  Rr) comme à l’extérieur (Rm >  Rr).  
  • Pédalier de bicyclette (inter-résistant) Le gain (Rm / Rr) est plus grand que 1. La force est décuplée.
  • Roue arrière (inter-effort) Le gain (Rm / Rr) est plus petit que 1. Le couple est réduit et le déplacement (vitesse) est décuplé.

Machines couplées

Le cas de la bicyclette nous amène naturellement à penser que les machines simples peuvent être couplées, c’est-à-dire combinées à la chaîne pour effectuer le travail. Le gain ou avantage mécanique global est alors le produit des gains individuels : Gain tot = Gain1 x Gain2 x Gain3 x …

Sur une bicyclette, la taille du pédalier Ra et des roues Rd sont fixes. Le ou la cycliste choisit un plateau (Rb) et un pignon (Rc) en fonction de son besoin de vitesse ou de force. Le système Rc / Rb correspond à la « boîte de vitesse » avec des combinaisons possibles. Ra et Rd sont « structurels » et ne peuvent être modifiés. Dans l’exemple de la bicyclette ci-dessus, le couplage se fait par une chaîne (ou une courroie) de transmission rigide et dentée (ou crantée) avec relativement peu de frottement pour réduire l’efficacité du transfert d’énergie. Dans le cas des roues dentées, le rayon est proportionnel à la circonférence de la roue qui est elle-même proportionnelle au nombre de dents. Il est souvent plus facile de calculer en fonction des dents. On remplace les rayons des roues dentées par le nombre de dents. On aime identifier la roue menante et la roue menée. Le gain mécanique devient : Gain  = R menée / R menante  = N menée / N menante . Pour un choix de plateau à 60 dents avec un pignon à 30 dents, le ratio est 30 / 60 ou 1 : 2. Ce qui signifie que la roue menée fait deux tours complets pour chaque tour de la roue menante (pédalier). La vitesse de rotation de la roue menée est également le double de la vitesse de rotation de la roue menante. Note: Ne pas confondre le gain mécanique (multiplicateur de la force ou du couple) et le ratio d’entraînement (multiplicateur de la vitesse). Cependant, la relation est simple: Gain = 1 / Ratio (ou Ratio = 1 / Gain). Engrenages Mais le couplage peut également se faire par contact directe roue à roue: les engrenages. Si les roues sont coplanaires (roue A menante)
  • RatioAB = 16 / 48 = 0,33 Si la révolution d’entrée est de 120 rpm, la roue B tournera à 40 rpm  (0,33 x 120). RatioBC  =  48 / 8 = 6 Si B tourne à 40 rpm, alors C tournera à 240 rpm (6 x 40) On constate un ratio de vitesse de 2:1 (240/120) En définitive, Ratio = RatioAB  x RatioBC  = 16/48 x 48/8 = 16/8 = 2:1 = RatioAC 
Si les roues sont composées (roue A menante)
  • Ratio = RatioAB x RatioCD Ce genre d’assemblage permet des facteurs de réduction sans avoir recours à des roues démesurées.

Systèmes pneumatiques

  • La pression est définie comme la force exercée sur une surface.
Dans le cas d’un vérin, la force en poussée et en tirée n’est pas la même car la surface du piston n’est pas exactement la même à cause de la tige.
  • À égale pression, un cylindre de plus grand diamètre produit plus de force (ou d’accélération) sur la tige du piston. La vitesse du vérin dépend de sa section, du débit de la pompe à fluide et de la charge (force résistante).
  • Le Guide Norgren pour le choix des vérins pneumatiques

Conversion Métrique vs Impérial

LES MATÉRIAUX

Extrusion en aluminium

  • L’aluminium extrudé est un matériau très robuste et polyvalent. La quincaillerie pour l’extrusion est plutôt spécifique, que ce soit en fonction de des tailles et des manufacturiers. L’extrusion est utile pour des châssis de robot, pour des mécanismes qui nécessitent de la robustesse, de l’ajustement, et même parfois pour des mécanismes qui glissent.
  • Beaucoup de profils existent, en métrique ou en impérial.

Usages

  • Châssis, mécanismes qui demandent de la robustesse, mécanismes qui demandent de l’ajustement, certains mécanismes à glissement ou modulaires. Voici un mécanisme qui permet d’ajuster la tension des chaînes en déplaçant les fixations des arbres de roulement le long des extrusions verticales:

Outillage recommandé

Pour assembler perpendiculairement des sections extrudées, il est important que la coupe des bouts soit franche et précise.  Il est donc préférable d’éviter la scie à main dans ces cas.

Quincaillerie

Il y a beaucoup de quincaillerie spécifique à l’extrusion.  Ces pièces vous permettent d’attacher diverses composantes à la structure, ou des morceaux d’extrusion ensemble. Certaines vous permettent d’assembler des pièces glissantes ou pivotantes. Prenez note que certaines pièces vous obligent à fileter vous-mêmes les bouts, ou à percer un trou d’accès. Soyez prudents dans votre sélection de pièces, car elles sont assez coûteuses.

Métal en feuille

  • Le métal en feuille (tôle d’aluminium ou d’acier) est utile dans beaucoup de circonstances. Il offre un bon ratio poids/robustesse. Cette option est intéressante par sa polyvalence, pourvu d’avoir les bons outils pour l’usiner. L’ajout de plis augmente la rigidité. Par contre, la tôle de plus de 1,5 mm d’épaisseur est difficile à plier. La tôle peut être allégée avec des trous.

Usages

Structure pour attacher d’autres mécanismes, pour couvrir des mécanismes potentiellement dangereux (comme des engrenages), pour protéger des pièces fragiles, ou pour attacher des capteurs et autres pièces légères au robot.

Outillage recommandé

Quincaillerie

La plupart du temps, des rivets suffisent pour assembler un mécanisme fait avec du métal en feuille.  Si la tôle est très mince, une rondelle est utilisée afin de distribuer la force et ne pas abîmer la pièce. Comme il faut détruire un rivet pour l’enlever, il est parfois souhaitable d’opter pour un rivet-écrou, ou un écrou de collier, qui permettent de détacher et rattacher des pièces.  Tout comme les rivets, les rivet-écrous ont besoin d’un outil spécialisé.

Plaques de métal

  • Si les feuilles de métal sont épaisses, on les appelle des plaques de métal. Il est possible de plier des plaques en métal, mais ça prend des machines spéciales. Elles sont plus lourdes, coûteuses et difficiles à usiner.

Usages

Attacher des moteurs ou des mécanismes modulables, comme structure ou support de montage pour pièces lourdes.

Outillage recommandé

Polycarbonate

  • Le polycarbonate (nom commercial Lexan) est très résistant aux impacts et à l’usinage comparativement à l’acrylique (ou plexiglass).  Ces deux matériaux se ressemblent physiquement, mais ne réagissent pas du tout de la même manière aux manipulations.
  • Beaucoup d’épaisseurs et de profils sont disponibles, même des profils ronds ou carrés, pleins ou vides.

Usages

Panneau de circuits électroniques (car non conducteur), carter de chaîne, protection de mécanismes, certains mécanismes.

Outillage recommandé

Si la pièce est trop grande pour la perceuse à colonne, utilisez une perceuse à main. Il est possible de plier le polycarbonate.  Si la pièce est mince, elle peut être pliée à froid.  Les pièces plus épaisses doivent être chauffées avant d’être pliées.

Cornières

  • Les cornières (angle de 90°) viennent en plusieurs tailles et épaisseurs. Les arêtes sont arrondies ou carrées. Les cornières avec arêtes arrondies sont légèrement plus résistantes, mais il est alors moins facile d’assembler des pièces ensemble par leurs intérieurs. Les cornières en aluminium sont très solides quand leur épaisseur dépasse 3 mm (⅛ de pouce).

Usage

On peut les utiliser pour attacher des pièces ensemble perpendiculairement, pour renforcer la tôle ou des plaques minces, et pour attacher des moteurs ou des vérins pneumatiques.

À gauche, la pièce a été usinée pour faire place au moteur; à droite, la cornière noire à été anodisée.

Outillage recommandé

Les cornières ne nécessitent aucun outil spécialisé lors de l’usinage. Des outils réguliers pour le métal suffisent. Prenez soin de les immobiliser pour un travail précis.

Tubes carrés / rectangulaires

  • Les tubes carrés ou rectangulaires en aluminium sont, dépendamment de leur épaisseur, aussi robustes que l’extrusion. Ils ne nécessitent pas de quincaillerie spéciale. Cependant, ils sont beaucoup moins ajustables ou flexibles que l’extrusion, ce qui veut dire qu’il faut parfois les usiner davantage. 

Usage

Ils sont utiles pour les cadres de robot, les bras et pour soutenir des mécanismes.

Outillage recommandé

Tout comme pour les cornières, on utilise des outils standards à métal pour usiner des tubes en aluminium.

Autres matériaux

D’autres matériaux peuvent être utilisés, mais sont moins usuels pour différentes raisons.

Le bois

Peu dispendieux et d’usinage facile, le bois ne devrait cependant être utilisé qu’avec précautions dans un robot. L’exception notoire est dans la conception des pare-chocs. Des applications limitées s’observent de temps à autres: panneau électrique, éléments décoratifs, etc. Le bois s’use facilement. Il tolère difficilement la friction (frottement linéaire ou de rotation). Les impacts peuvent rapidement affaiblir les jonctions. Dans ces conditions, les structures en bois ont tendance à se dégrader rapidement en condition de jeu. Assurez-vous qu’en toute circonstance votre robot ne laisse des débris de bois (ex. rognures) sur le terrain.

Plastique et résine

Pour les impressions 3d, des bobines de filament plastique sont souvent utilisées. Ce sont des des polymères qui deviennent mous et malléables lorsqu’ils sont chauffés mais reviennent solides lorsqu’ils sont refroidis. Chaque appareil d’impression a ses propres restrictions quant au matériau à utiliser. Il est conseillé de vérifier les propriétés mécaniques (durabilité, rigidité, etc.) des pièces ainsi conçues avant leur utilisation définitive.

  • Le plastique ondulé (nom commercial coroplast), très léger et économique, peut aider à créer des éléments décoratifs, de protection et même fonctionnels (chute ou guide pour projectiles, carrosserie, etc.) Des tuyaux de plastique polymère peuvent être découpés en rondelles (voir ci-contre) pour servir comme bague d’espacement sur des arbres d’entraînement de roues.

Matériaux composites de fibre de carbone ou de verre

Ces matériaux ne sont généralement pas interdits, par contre leur manipulation exige des compétences techniques et des précautions et une responsabilité en matière de sécurité plus élevées. En tournoi, les inspecteurs seront toujours à l’affût des conséquences d’un bris. Veuillez consulter les règles en vigueur (jeu, robot et sécurité) à chaque saison. Leur utilisation est souvent liée aux éléments décoratifs ou de protection (carrosserie) du robot. En 2013, l’équipe 3824 a utilisé des pièces en fibre de carbone pour réduire le poids du robot. Source: http://rohawktics.org/announcement/2013-2/

Textiles

Les tissus sont utilisés dans la fabrication des pare-chocs des robots. Ils peuvent également servir comme éléments décoratifs et même fonctionnels (ex. pavillon, panier, écran, etc.). Le choix d’un textile doit s’appuyer sur sa résistance à l’abrasion et aux perforations. Consultez les règles en vigueur (jeu, robot et sécurité) à chaque saison concernant les enjeux d’interférence visuelle possible et d’emmêlement. En 2016, l’équipe 1369 avait une stratégie défensive impliquant un écran pour bloquer les tirs de ballons adverses. Source: http://www.frc1369minotaur.com/

COMPOSANTS DES MÉCANISMES

Les conditions d’opération de la Compétition de robotique FIRST imposent une construction solide et robuste. Les chocs et les vibrations ont des impacts à court et long termes sur tous les mécanismes. Chaque équipe devrait s’assurer que son robot pourra résister aux rigueurs du jeu. Néanmoins, l’application d’un plan de maintenance systématique (ex. vérification de la tension sur toute la visserie et les systèmes d’entraînement, lubrification (si applicable) des roulements, etc.) devrait identifier, réduire ou éliminer les risques de relâchement. Ces précautions réduiront également les risques de bris ou de défaillance des mécanismes. Pensez toujours à protéger les pièces mobiles, autant pour l’intégrité du mécanisme que pour la sécurité des personnes autour.

Quincaillerie

Tous les mécanismes requièrent un ou des moyens de fixation ou d’attachement. Il existe évidement beaucoup de modèles spécifiques à l’utilisation. La quincaillerie usuelle est faite d’aluminium, acier plaqué zinc, inox, acier oxydé, nylon. Sachez qu’il existe des grades de qualité. De plus, il existe deux standards de dimensions : SAE et métrique. Il faut apparier les boulons, écrous et rondelles. Dans ce domaine, longueur, diamètre, épaisseur, épaulement, et le pas de vis sont des caractéristiques essentielles. Cette section est largement basée sur l’information et les illustrations du site internet de  Industries Desormeau .

Vis
Utilisez le type de vis en fonction du matériel : les filets fins sont destinés aux pièces métalliques, alors que les gros filets sont vissés dans un trou d’une pièce en bois. Quelques vis sont auto-perçantes, les autres demandent un perçage préalable. Le diamètre du pré-perçage est prescrit par le fabricant des vis. Certaines vis demandent un taraudage de la pièce. Une vis à tête fraisée (pour le bois ou le métal) permet une finition sans protubérance de surface pourvu que le trou dans la pièce présente une fraisure ou chanfrein correspondant à la tête de vis. La prise rainurée est peu pratique et sécuritaire; on lui préfère les prises cruciforme ou carrée. Les vis à tête creuse ont une prise hexagonale (pour clé Allen). S’il existe un risque que la tête de vis s’enfonce ou déforme la pièce à visser, utilisez une rondelle.

Rondelles
Une rondelle est un disque mince avec un trou utilisée pour supporter la pression d’une vis. Lorsqu’une rondelle est intercalée entre une pièce à serrer et la tête de la vis, le mouvement de rotation se produit toujours entre la tête de la vis et la rondelle. La rondelle peut également réduire la raideur d’une vis. La rondelle plate contrôle la friction sur la surface de contact des éléments assemblés. Elle permet l’application précise du couple de serrage. La rondelle de type ressort agit comme un frein d’écrou et réduit ainsi le desserrage dû aux vibrations.

Boulons
Le boulon crée une liaison complète, rigide et démontable, entre les pièces qu’il traverse et presse l’une contre l’autre. Le boulon constitue un dispositif d’assemblage précontraint. Les pièces à joindre doivent être prépercées. Le diamètre du trou doit être égal au diamètre extérieur du boulon. Les filets ne sont pas conçus pour exercer une force radiale dans la pièce, mais bien longitudinale sur l’écrou.

  • Tout comme les écrous, les boulons se manipulent avec une clé ouverte, à molette ou à cliquet. Si le couple de serrage est critique, utilisez une clé dynamométrique.

Écrous
Un écrou est un composant élémentaire d’un système vis/écrou destiné à l’assemblage de pièces ou à la transformation de mouvement. L’écrou autobloquant avec insertion en nylon permet de réduire le desserrage dû aux vibrations. L’écrou avec rondelle dentelée permet un verrouillage automatique contre le desserrage dû aux vibrations lorsque la force d’application déforme les dentelures. L’écrou avec rondelle dentelée est utilisé avec des matériaux de faible dureté. L’écrou de raccord ou d’accouplement peut être utilisé pour joindre deux éléments de fixation à filetage extérieur. L’écrou à embase distribue la pression sur une surface plus grande.

Rivets
Les rivets ont une bonne robustesse, normalement ils ne se relâcheront pas sous les vibrations. Par contre, leur solidité est restreinte, il en faut une bonne quantité pour bien fixer une pièce. Pour installer un rivet, il faut d’abord percer les pièces à unir, puis utiliser une pince riveteuse. Les rivets sont peu dispendieux, ils sont utiles dans de nombreuses applications, mais principalement celles où un côté de l‘assemblage est inaccessible. Leur installation est quasi permanente… il faut les percer (donc les détruire) pour les retirer.

Goupilles
La goupille est utilisée pour empêcher le mouvement entre 2 pièces. La goupille fendue est principalement utilisée avec des boulons dont l’extrémité est percée. Une fois insérées dans le trou du boulon, les extrémités de la goupille fendue sont repliées pour éviter le mouvement. La goupille cylindrique de précision est utilisée pour empêcher tout mouvement entre 2 pièces et pour leur positionnement. Cette goupille est aussi appelée goupille de positionnement ou goujon d’emboîtement.

Entraînement par chaîne

  • La transmission par chaîne permet de relier activement et sans glissement deux roues. Les roues reliées par chaîne tournent dans le même sens. La vitesse de rotation de la roue entraînée dépend de la dimension des deux roues. Le rapport des rayons des roues dentées (ou des nombres de dents respectifs) correspond au rapport inverse des vitesses angulaires. Ce rapport est lui-même inverse au rapport des couples (force) au niveau des dents. Évidement, on peut décupler ces rapports en joignant solidairement un pignon à une roue de rayon différent (effet de levier).
 
  • La chaîne est robuste, elle peut rejoindre de longues distances et elle est facile à utiliser lorsqu’on utilise les bons outils et les bonnes pièces. Il existe deux standards largement répandus et appropriés à la robotique selon l’application:

    • Taille #25 (pas 1/4 po; charge maximale/régulière 400/60 kg)
    • Taille #35 (pas 3/8 po; charge maximale/régulière 950/220 kg)

    Évidement, ils faut assortir les roues dentées (pas) avec la chaîne choisie.

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À considérer:

  • L’alignement des roues est important pour assurer que la chaîne ne déraille pas. La gravité fait en sorte que les chaînes tendues dans le plan horizontal déraillent souvent; essayez toujours d’utiliser une chaîne dans le plan vertical.
  • La tension d’une chaîne est très importante.  Trop molle, la chaîne tombera régulièrement; trop serrée, elle apportera du stress et du frottement inutiles à vos mécanismes. Prévoyez une façon de tendre la chaîne une fois installée dans votre mécanisme.
  • Même si elles semblent solides, les chaînes, surtout les #25, s’étirent à l’usage.  Planifiez donc l’utilisation d’un tendeur de chaîne dans vos mécanismes entraînés par chaîne.

Entraînement par courroie

Tout comme avec les chaînes, les courroies permettent d’entraîner des roues. Par contre, la flexibilité des courroies permet de relier des roues qui ont des axes de rotation non parallèle. Il existe plusieurs types de courroies, les plus populaires en Compétition de robotique FIRST étant les courroies synchrones et les courroies en uréthane. Les courroies sont plus légères qu’une chaîne et elles peuvent être utilisées dans le plan horizontal sans difficulté. Les courroies synchrones sont les plus robustes et elles sont souvent utilisées pour les systèmes d’entraînement. Le transfert de couple est maximisé. Par contre, les courroies en uréthane sont très souples et s’étirent beaucoup.  Il est facile de changer l’orientation des axes de rotation avec ce type de courroie.  L’uréthane se travaille facilement; on peut donc souder nous-mêmes des courroies pour obtenir la longueur parfaite pour l’application. À considérer:

  • En utilisant une courroie synchrone, il est très important de bien calculer la distance entre les centres des poulies, car ces courroies ne s’étirent pas du tout.

Trains d’engrenages

De toutes les manières de transmettre un mouvement de rotation, les roues dentées (engrenages) sont les plus robustes et efficaces.

  • Les roues dentées permettent de changer la direction d’un mouvement, ce qui peut être un avantageux.  Si ce n’est pas l‘objectif souhaité, une autre roue dentée doit être ajoutée au système en cascade.  Cette roue, dite roue folle, n’a aucune influence sur le rapport de transmission.  Elle sert uniquement à changer la direction du mouvement. Les gains ou ratios de chaque étage d’engrenages se multiplient.
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  • Des systèmes, dont le «Modulox», existent pour faciliter l’espacement entre les roues dentées.  Dans ces systèmes, les roues glissent dans les rainures d’une boîte spéciale.  Ceci permet amplement d’ajustement pour des roues de différentes tailles et obtenir le ratio voulu. Source: www.andymark.com
  • L’espacement entre les centres de roues est calculé avec les diamètres primitifs.  Ce sont les diamètres factices correspondant à la jonction des roues imbriquées. La distance inter-centres est donc la moitié de la somme des diamètres primitifs.
  •  
À considérer:

  • L’espacement entre les roues dentées est critique.  La tolérance permise est de plus ou moins 3 millièmes d’un pouce, ou environ 75 millièmes de millimètre.
  • Assurez-vous aussi que le pas diamétral ainsi que l’angle de pression des roues soient identiques.

Crémaillères

  • La combinaison d’une roue crantée et d’une crémaillère permet la transformation mécanique d’un mouvement de rotation en translation, et vice versa. Cette option est souvent utilisée pour des mouvements linéaires d’aller-retour de course restreinte. Un bon train d’engrenages permet des mouvements fins. Le mouvement de la pièce droite crantée (ou du mécanisme auquel elle est rattachée) doit être étudié pour réduire le frottement. Le contact entre la roue et la pièce droite est critique. Évidement, le pas des pièces doit être le même.

Guidage linéaire vis-noix

Une autre façon de transformer un mouvement de rotation en translation est le guidage par vis. Ce système permet de développer un mouvement rectiligne lent, mais avec beaucoup de force et finesse. La course de la bague de rotation sur la vis doit être protégée pour éviter les coincements.

Les bagues à collet de roulement sont disponibles sur le marché, mais sont dispendieuses. On peut transformer mécaniquement une rotation en translation est avec une bielle-manivelle. Mais cette option est rarement utilisée en Compétition de robotique FIRST.

Arbres de transmission

Il y a deux catégories d’arbre de transmission, soit fixe (ou ‘mort’) ou tournant (ou ‘vivant’).

  • Les arbres vivants ont donc besoin de roulements pour les supporter. Un bon alignement de ces roulements est important pour ce type d’arbre.
  • Les arbres morts, par contre, n’ont pas besoin de roulement pour les supporter, car les roulements sont positionnés sur les pièces mobiles.  Les arbres morts sont donc plus faciles à monter et à entretenir.

Arbres vivants ou d’entraînement

Normalement, on utilise un arbre vivant si on a plusieurs pièces à faire tourner à la même vitesse angulaire et sur un même axe.  S’il faut transférer le mouvement de l’arbre à travers des pièces statiques, il faut utiliser également un arbre vivant. Dans le mécanisme ici illustré, l’arbre 1 est solidaire d’une poulie et de deux roues dentées. Le mouvement du moteur (fixé à la structure) est transféré par pignon et chaîne.  Le pignon transfert son mouvement par la chaîne à la roue dentée sur l’arbre vivant 1. Les poulies actionnées par l’arbre vivant 1 entraînent deux courroies en même temps vers d’autres mécanismes.  La poulie transfert son mouvement à une autre poulie sur l’arbre no 2 grâce à une courroie (no 2) en uréthane.[/x_block_grid_item][/x_block_grid] Transfert du couple par clavette

  • Le transfert du couple peut être assuré par le blocage d’une clavette sur l’arbre. Une petite clé (clavette) en métal est coincée dans les rainures existant à la fois sur l’arbre et la pièce désirée (un pignon, une poulie etc.). L’arbre et la pièce mobile tournent alors comme une seule entité. On trouve ce système sur des arbres de moteur comme le CIM, ainsi qu’à la sortie de certains engrenages comme la boîte ToughBox. Source: www.andymark.com
Plusieurs modèles sont disponibles: La clavette standard permet de glisser les pièces sur un arbre pour les aligner, la clavette à talon facilite son insertion et son extraction, et la clavette-disque ne peut pas s’échapper lorsque recouverte par une pièce. Vous pouvez acheter des arbres et des pièces avec les rainures déjà usinées.  Assurez vous que leurs tailles soient compatibles. Transfert du couple par goupille
  • Les goupilles sont des pièces cylindriques de longueurs et diamètres variés, en acier avec une certaine élasticité. Une fente sur le côté leur permet de se déformer légèrement quand elles sont insérées dans un trou. La goupille entre dans un trou créé sur la pièce et l’arbre.  Pour vous assurer que la goupille entre dans le trou sans trop de difficulté, il est important de percer le trou dans la pièce et l’arbre en même temps.
Une fois que la pièce est installée sur l’arbre, des goupilles élastiques ne permettent aucun ajustement latéral.  Il est donc important de vous assurer que la pièce est au bon endroit avant de la fixer. Transfert du couple par cannelure Si un arbre a un profil avec des crêtes ou des dents, on l’appelle un arbre cannelé.  Une pièce creuse du même profil peut glisser dessus sans difficulté, ce qui permet des ajustements faciles, tout en transférant le couple entre les pièces. Les arbres cannelés demandent de la quincaillerie spécialisée. On ne peut pas les supporter avec des roulements circulaires. Les pièces requises pour ces systèmes sont disponibles chez les fournisseurs usuels de pièces robotiques. Source: www.andymark.com En Compétition de robotique FIRST, beaucoup d’équipes utilisent des arbres hexagonaux comme arbres vivants. Transfert du couple par composé adhésif
  • Un composé de freinage est une colle spéciale pour pièces mécaniques. Souvent utilisé pour tenir des roulements ou des clavettes en place dans les rainures ou pour des composantes sur des arbres cannelés, on peut aussi utiliser ces composés pour tenir une pièce sur un arbre quand les deux sont trop petits pour les autres systèmes de fixation. Cette option ne doit être utilisée que lorsque vraiment nécessaire et pour un couple qui n’est pas fort. Cela ne veut pas dire qu’il faut l’éviter pour des pièces qui tournent à haute vitesse. Habituellement, un moteur qui tourne à grande vitesse n’a pas assez de couple pour casser l’adhésif.
Transfert du couple par vis de pression Une vis de pression entre dans le trou taraudé d’une pièce désigné à cet effet. Elles sont très faciles à installer et à enlever, mais leur taille minuscule les rend faciles à perdre! 
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  • Comme leur action s’exprime principalement par frottement, elles ne sont pas idéales pour transmettre un couple élevé, à moins que l’arbre ne soit modifié lui aussi avec un petit trou ou une surface plate pour que la vis ait une bonne prise. Les vis de pression sont généralement utilisées pour empêcher qu’une pièce ne glisse le long de l’arbre.  Elles sont souvent installées sur une clavette pour éviter que cette dernière ne s’échappe. Note: Il est possible que la vis abîme l’arbre; ce qui peut rendre difficile le retrait de la pièce par la suite.

Arbres fixes

Les arbres morts ou fixes sont des arbres statiques; ils ne tournent pas et ils sont là pour supporter des pièces mobiles qu’on attache dessus. Si on veut que plusieurs pièces tournent en même temps sur un tel arbre, il faut les attacher ensemble directement.  Le couple sera donc transféré à l’aide d’un moyeu ou des vis.

  • La base pilotable fournie dans le kit de pièces (ci-contre la base AndyMark 2013 pour fins d’illustration) utilise de longs boulons comme arbres morts.  Les roues motrices sont munies de roues dentées vissées et actionnées par chaîne. Les roues tournent avec leurs propres roulements sur les arbres fixes. 
Les ensembles mobiles doivent être supportés par un roulement de part et d’autre. Habituellement, on utilise deux roulements, mais parfois une bague longue suffit pour les ensembles qui ne supportent pas beaucoup de charge.
  • Voici comment attacher plusieurs pièces mobiles ensemble.  L’arbre n’est par illustré.

Choix d’un axe de rotation

Le choix du système dépend de la nature du mécanisme à construire et de l’expérience de l’équipe, entre autres.

Systèmes de roulement

Les roulements, ou paliers, sont des pièces statiques ou mobiles essentielles.  Ils existent presque partout où il y a un mouvement, rotatif ou linéaire. Si la charge n’est pas trop lourde, ou si l’arbre ne tourne pas vite, il est possible d’utiliser une simple bague de roulement. Ces pièces statiques permettent la rotation d’un arbre par frottement doux. Elles sont souvent faites en bronze ou en plastique, et certains types nécessitent une lubrification régulière. L’arbre doit être retenu physiquement pour ne pas se déplacer longitudinalement. Si les conditions d’opération sont « propres », des roulements ouverts peuvent être utilisés.  En conditions difficiles, où les roulements entrent en contact avec de l’huile, de la poussière ou d’autres produits chimiques, il vaut mieux choisir des paliers étanches, qui sont complètement scellés.

  • Il y a différentes manières d’attacher un roulement dans un mécanisme.  Si c’est sur une surface parallèle à l’axe, un palier à chapeau ou à autocentrage est idéal.  Si la structure est perpendiculaire, un montage à bride est souvent employé.  Si le matériau est assez épais et l’usinage précis, un accotement roulable peut être créé, ou simplement un trou pour un palier à collet ou une bague.
Sauf en de rares exceptions, au moins deux roulements sont utilisés sur chaque arbre dans un mécanisme.  La raison pour cela est que les roulements sont normalement conçus pour supporter une charge radiale, agissant perpendiculairement à l’axe, sans torsion.  Si un seul roulement est utilisé, une fraction de la charge radiale devient une charge axiale, ce qui peut endommager la pièce de roulement.

Bagues d’épaulement

Une bague d’épaulement est utilisée pour empêcher qu’une pièce ne se déplace le long d’un arbre. Les bagues d’épaulement sont composées d’une ou deux pièces. Elles s’installent par vis ou blocage rapide. Elles sont souvent utilisées avec des entretoises de maintien afin d’en minimiser le nombre ou la longueur requise. Les entretoises sont des pièces cylindriques creuses en métal ou plastique, souvent libres, et servant à réguler un espacement entre deux pièces sur un arbre. Les bagues d’épaulement sont utilisées généralement des arbres vivants, car ces arbres ont tendance à se déplacer entre les points de roulement.  Sur les arbres morts, les entretoises de maintien sont souvent suffisantes, car ces arbres sont souvent attachés à d’autres pièces et sont donc immobiles.

Vérins pneumatiques

Les vérins ou actuateurs pneumatiques produisent, sous l’action de la pression, un mouvement rectiligne de la tige de leur piston. Les vérins proviennent en tailles (diamètre et longueur) variées en fonction des besoins. Même si d’autres paramètres sont pertinents, les données essentielles à connaître avant la commande d’un vérin sont : diamètre du cylindre et course de la tige. Les ensembles sont pour la plupart munis de points de fixation à l’avant et à l’arrière permettant une installation avec ou sans degré de liberté. La tige est également pourvue d’un système d’attachement. Un vérin à simple effet a une poussée pneumatique dans une seule direction. La tige revient en position initiale grâce à un ressort interne. Un vérin à double effet permet un contrôle pneumatique (et la force qui vient avec) dans les deux directions. Les vérins sont conçus pour n’opérer que dans la direction de leur axe; ils sont fragiles à toute action radiale. L’utilisation des vérins et des systèmes pneumatiques en général est réglementée en Compétition de robotique FIRST. Aucune altération matérielle n’est autorisée.

LA PLATEFORME PILOTABLE

Le système d’entraînement est sans doute le sous-système le plus important d’un robot en Compétition de robotique FIRST. Sans mobilité, il est pratiquement impossible de compter des points ou d’empêcher les autres équipes de faire des points; donc de jouer un rôle significatif sur le terrain. De façon générale, la plateforme pilotable est composée de:

  • un châssis rigide et non articulé;
  • un système d’entraînement (configuration de roues libres et/ou motrices);
  • les composants électro-mécaniques actionnant des roues (moteurs, courroies ou chaînes d’entraînement, boîtes de vitesse);

  • cr. Kashif Mohammed 2016
  • À la plate-forme pilotable s’attacheront les pare-chocs, des modules électriques et/ou pneumatiques, des mécanismes, le système de contrôle, etc.

    La plateforme pilotable doit être capable de se déplacer sur le terrain de jeu qui est généralement une surface recouverte de tapis mesurant 27’ x 54’.  La plateforme doit souvent pousser ou tirer des objets ou d’autres robots, ainsi que grimper sur des rampes ou contourner des obstacles. La conception de la base pilotable aura un impact majeur sur sa mobilité, sa manœuvrabilité, et ses interactions avec les autres robots et les éléments du terrain.

Le système d’entraînement doit être robuste et fiable pour assurer le succès à l’équipe car, si ce sous-système tombe en panne, tout le robot devient quasi inutile sur le terrain. La vitesse, la force de poussée, la précision et l’agilité de mouvement sont des propriétés importantes. En fonction du jeu et de la stratégie adoptée par l’équipe, une des ces caractéristiques sera plus importante que les autres. Il est extrêmement important de faire des essais de pilotage sur la surface de jeu et non sur le plancher lisse de l’atelier. Le comportement d’une plate-forme sur le plancher lisse ne ressemble pas du tout au comportement sur du tapis!

Caractéristiques

Simplicité

La simplicité est une caractéristique essentielle d’une plateforme pilotable car cela réduit les risques de panne.

    • Une plateforme simple est plus facile et rapide à construire et à réparer.
    • Une plateforme pilotable légère vous donnera de la latitude de poids pour les autres mécanismes.
    • Souvent, les mécanismes simples sont plus élégants, ce qui contribue à l’apparence du robot. C’est une facette négligée par les équipes mais très importante pour les juges.
    • Généralement, les plateformes simples sont assez faciles à piloter. Les pilotes en seront reconnaissants.

  • www.andymark.com

Durabilité

Les mécanismes les plus simples sont souvent les plus robustes. En tournoi, le robot subira probablement beaucoup de stress mécanique. Il entrera en contact parfois violent avec les autres robots et les éléments du terrain. Il faut donc le concevoir avec robustesse. Une astuce importante est d’utiliser des tiges structurelles de renforcement de chaque côté, pour éviter des avaries majeures sur le robot au cas où il serait renversé.

Poids et centre de gravité

  • La répartition du poids est très importante pour la performance de la plateforme pilotable. Il faut garder le poids le plus bas possible et essayer de répartir ce poids sur les roues motrices. Rappelez-vous que la batterie représente quasiment 10% du poids total; étant l’élément le plus lourd du robot, elle peut contribuer à déplacer le centre de gravité du robot. Les règlements en vigueur donnent généralement des restrictions sur la position verticale des pare-chocs indépendamment de la hauteur du châssis par rapport au sol. Sachez exploitez ces possibilités pour abaisser le centre de gravité du robot près du sol.

Modularité

  • Une bonne pratique de design consiste à concevoir le robot de façon modulaire. Le travail de conception et d’ajustement peut alors se faire en parallèle avec d’autres mécanismes sans monopoliser le robot. Une telle conception permet de retirer, réparer et réinstaller un mécanisme ou un sous-système du robot sans démontage majeur. Le souci de modularité s’impose dès la conception de la base pilotable. Prévoyez toujours laisser les écrous et boulons accessibles. Prévoyez également les accès aux connexions électriques et aux raccord pneumatiques s’il y a lieu. Beaucoup d’équipes envisage la conception des pare-chocs en ce sens.
  • cr. R.Thibodeau 2017

Réparabilité

La simplicité, la modularité et la durabilité auront certainement un impact sur la facilité que l’équipe aura à réparer les bris. Dès la conception de la plateforme, planifiez comment l’entretien et les réparations pourront s’effectuer aisément et rapidement. Prévoyez les accès nécessaires. Aussi, dans certains cas, la disponibilité des pièces de remplacement peut être un enjeu.

Forme du châssis

Il n’y a pas de forme prédéterminée pour construire le châssis d’un robot en Compétition de robotique FIRST. Même si la base a souvent une forme rectangulaire, certaines configurations sont carrées, hexagonales ou octogonales. Une base triangulaire est imaginable mais présenterait un équilibre instable. Le design peut dépendre du jeu, des éléments du terrain ou des pièces de jeu à manipuler, comme il peut découler de la stratégie choisie par l’équipe, des mécanismes à installer ou d’une préférence en matière de locomotion. De plus, le périmètre de la plateforme peut être fermé ou ouvert, souvent pour le bénéfice d’un système de récupération de pièce de jeu au niveau du sol. Cependant, les règles usuelles en Compétition de robotique FIRST ne permettent pas que le châssis du robot soit articulé.

  • cr. Nicolas Hoang 2014
  • www.robowranglers148.com
  • hyperion3360.com

Types de plate-forme

Il existe plusieurs types de plateforme pilotable. Les plus utilisés en Compétition de robotique FIRST sont :

  • la plateforme à courroie (tank drive),
  • la plateforme mecanum,
  • la plateforme de type crabe (swerve drive),
  • la plateforme à glissement

85% des équipes utilisent la base à courroie, car elle est facile à construire, fiable et aisément pilotable. D’ailleurs, depuis 2015, le kit de pièces standard propose une plateforme à courroie de chez AndyMark. Ce kit est cependant optionnel pour les équipes vétéranes. Les bases mecanum, crabe et à glissement peuvent permettre une conduite holonomique du robot: sur la surface de jeu, le robot ayant trois degrés de liberté (position en x et y, et orientation), une conduite holonomique permet le contrôle directe de ces 3 paramètres. La base à courroie ne permet pas le mouvement latéral…

Plateforme à courroie (tank drive )

Dans cette configuration, les roues droites et les roues gauches sont entraînées indépendamment, comme dans un char d’assaut (même s’il n’y a pas de chenille), d’où l’expression « tank drive ». Chaque train de roues est composé de deux ou plusieurs roues, dont une ou plusieurs sont motrices. Dans ce dernier cas, les roues motrices sont actionnées par courroie ou chaîne et doivent avoir le même diamètre extérieur. S’il y a 3 roues ou plus de chaque coté, les roues centrales sont légèrement plus basses que les autres afin de servir de pivot et faciliter les virages. En fonction des obstacles à franchir, on peut jouer avec le diamètre des roues et l’empattement, moyennant des ajustement mécanique au châssis et aux courroies. Le cas extrême est effectivement l’option où les roues actionnent des chenilles.

www.andymark.com

  • Avantages:

    • Simplicité de conception, de construction, et de programmation
    • Faible coût
    • Peut atteindre de grandes vitesses et/ou forces de poussée
    • Documentation abondante sur les sites internet traitant de robotique et sur les sites des équipes

  • Désavantages:

    • Moins manœuvrable
    • La plateforme peut très difficilement ou ne pas tourner sur elle-même

Plateforme mecanum

  • Cette plateforme omnidirectionnelle a une configuration qui lui permet de se mouvoir latéralement ou de tourner facilement sur elle-même. Le châssis est sensiblement le même que le système à courroie. Par contre, chaque roue mecanum doit être mue indépendamment, donc il faut utiliser un minimum de 4 moteurs et 4 roues mecanum. Le schémas ci-contre montre la position relative des roues. Source: www.simbotics.org
  • www.andymark.com
  • cr. Bernard L’Arrivée 2017
  • Avantages:

    • Simplicité de conception et de construction
    • Très agile: translation et rotation
    • Mouvements indépendants de l’orientation du châssis

  • Désavantages:

    • Incapable de produire une grande poussée
    • Tendance à patiner si la surface est autre que du tapis
    • Difficile à programmer
    • Nécessite des boîtes de vitesses additionnelles ce qui rend la plate-forme plus lourde
    • Les roues elles-mêmes sont plutôt lourdes et dispendieuses

Plateforme crabe (swerve drive )

  • Cette plateforme omnidirectionnelle a 2 ou 4 modules de roue de traction qui pivotent également autour de l’axe vertical (z) afin de contrôler la direction. Les modules sont souvent identiques entre eux. La rotation autour de l’axe vertical peut être indépendante aux 4 roues ou coordonnée par courroie. Le schémas ci-contre montre une configuration avec deux roues motrices indépendantes et deux roues portantes. Source: www.simbotics.org
  • www.team221.com
  • team1640.com
  • Avantages:

    • Permet de grandes vitesses et poussées
    • Très agile et manœuvrable
    • Mouvements indépendants de l’orientation du châssis
    • Modularité

  • Désavantages:

    • Très complexe à concevoir, construire et programmer
    • Des moteurs supplémentaires sont requis pour faire tourner les modules de roue
    • Ensemble plutôt lourd et dispendieux

Plateforme à glissement

  • Cette plateforme omnidirectionnelle a généralement 4 roues omni qui sont entraînées indépendamment et positionnées avec un angle de 45 degrés aux 4 coins du châssis. Les axes de rotation des roues ne sont donc pas tous parallèles. Certaines configurations ont 3 ou 5 roues! La règle demeure qu’un certain nombre de roues ont des axes colinéaires; et un autre groupe de roues colinéaires suivent un axe perpendiculaire au premier. Le schémas ci-contre montre la position des roues omni dans configuration à glissement de base. Source: www.simbotics.org
  • FRC2047 (2007)
  • www.simbotics.org
  • cr. R.Thibodeau 2017
  • Avantages:

    • Très agile et manœuvrable
    • Mouvements indépendants de l’orientation du châssis
    • Construction facile
    • Difficulté moyenne en programmation et pilotage

  • Désavantages:

    • Conception plus complexe
    • Moins de vitesse/traction/poussée, surtout hors des axes principaux des roues
    • Boîtes de vitesse pour chaque roues

Les composantes d’une plateforme pilotable

Le châssis

Le châssis du robot est un élément essentiel et critique de l’ensemble. C’est sur lui que les systèmes d’entraînement, les systèmes électriques et de contrôle, les pare-chocs et les mécanismes s’attacheront. Plusieurs règles de la Compétition de robotique FIRST s’attardent aux paramètres (taille, matériaux, etc.) permis du châssis et les équipes doivent les respecter à chaque année. Néanmoins, les équipes ont beaucoup de latitude afin de rencontrer les objectifs de leur stratégie sur le terrain. Le châssis doit être robuste. Sauf indication contraire, il ne peut pas être articulé. Généralement des règles de dimension du robot s’appliquent sur le concept du périmètre qui entoure le cadre périphérique (châssis extérieur). De plus, les dimensions minimales et maximales des sections de châssis sont généralement prescrites. Les matériaux usuels qui entrent dans l’assemblage du châssis sont:

  • structures en C (généralement aluminium): économiques, se coupent et se percent facilement, assemblage avec quincaillerie peu dispendieuse, flexibilité moyenne
  • structures extrudées (généralement aluminium): dispendieuses, se coupent/percent facilement, assemblage avec quincaillerie spécialisée et coûteuse, grande flexibilité, bon potentiel pour réutilisation
  • plaques ou métal en feuille (découpé, plié et/ou extrudé généralement aluminium): grande variété d’épaisseurs, assemblage avec cornières et quincaillerie usuelles, requiert outillage spécialisé ou sous-traitance, très versatile, conception « sur mesures »

  • www.andymark.com
  • 8020.net
  • RFQ 2014
  • Le kit de pièces de la Compétition de robotique FIRST contient un kit de châssis (optionnel aux équipes vétéranes) en métal plié et percé qui permet de concevoir une base pilotable standard. Les équipes ont le loisir de modifier les dimensions des pièces fournies.

Les roues

Les roues sont de première importance  dans le design de la plateforme pilotable car elles sont en contact direct avec le terrain de jeu et elles doivent transmettre le couple de vos moteurs à cette surface pour générer le mouvement global du robot. Il existe plusieurs modèles de roues. Qu’elles soient motrices (traction), portantes ou directionnelles, leurs caractéristiques sont:

  • Diamètre externe
  • Diamètre et forme du moyeu
  • Masse et moment d’inertie
  • Facteur de frottement (adhérence): surface périphérique
  • Durabilité

Roues de traction/propulsion Les roues de traction sont capables d’exercer des forces variées et de propulser le robot. L’adhérence et le poids varient beaucoup d’un modèle à l’autre.

  • avec une bande en caoutchouc pour augmenter la traction
  • à gomme lisse
  • pneumatiques, comme les roues de vélo

On peut trouver ce type des roues dans le kit de pièces et chez plusieurs fournisseurs.

  • www.andymark.com
Roues portantes Ce sont des roues libres qui ne sont pas couplées aux moteurs. Elles assurent l’équilibre du robot au sol. On choisit souvent un type de roue avec peu d’adhérence pour cette fonction. Roues multidirectionnelles L’autre famille de roues typiquement utilisées dans des robots sont les roues multidirectionnelles. Elles offrent un degré de liberté additionnel; par contre, leur poussée est relativement faible.
  • www.andymark.com
  • Les roues « omni » ont des rouleaux libres qui sont attachés à la circonférence, perpendiculairement à l’axe de rotation de la roue; ce qui permet un mouvement – sans poussée cependant – latéral.
  • www.andymark.com
  • Les roues « mecanum » ont aussi des rouleaux libres attachés à la circonférence, par contre ils sont placés à 45 degrés par rapport à l’axe de rotation de la roue. La poussée est faible dans toutes les directions. En actionnant adéquatement les roues de la plateforme, on peut obtenir un mouvement omnidirectionnel: déplacement latéral, rotation autour de l’axe vertical, translation et rotation simultanées.

Le système d’entraînement

  • Il s’agit des éléments nécessaires pour donner de la mobilité au robot, donc d’actionner ses roues. Chaque élément fait l’objet d’une section spécifique.

    • Moteurs et contrôleurs de moteur
    • Boîtes de vitesse
    • Courroies ou chaînes

Les pare-chocs

Quoique ne faisant pas partie intégrante de la plateforme (la plateforme étant totalement fonctionnelle sans eux), les règles de la Compétition de robotique FIRST exigent généralement que des pare-chocs soient installés à même le châssis pour que le robot puisse participer au jeu. De plus les règles de conception des pare-chocs ont des incidences directes sur la conception et la construction du châssis. Les pare-chocs doivent être modulaires, et pouvoir être retiré facilement pour l’inspection du châssis. Une section traite spécifiquement des pare-chocs.

Choix de plateforme

Le système d’entraînement à courroie est habituellement considéré comme la meilleure option quel que soit le jeu ou la quantité de ressources disponibles. 85% des équipes l’utilisent à chaque année. Ce type de plateforme est:

  • bien documenté
  • facile à concevoir, construire et adapter
  • maîtrisé par la plupart des équipes
  • versatile, polyvalent
  • peu dispendieux
  • robuste

Évidement, des fonctions ou stratégies très spécifiques peuvent orienter les équipes vers les autres types de plateforme. Certaines équipes aiment néanmoins se lancer des défis techniques qui sont explorés hors saison; mais quand vient le temps de la conception du robot de compétition, la majorité opte pour la base à courroie.

  • Avant de mettre de côté la plateforme à courroie, demandez-vous:

    • est-ce que la stratégie impose réellement un autre type de plateforme?
    • que gagne-t-on et que perd-ton avec ce type de plateforme?
    • est-ce que la base à courroie ne pourrait-elle pas être modifiée pour arriver aux mêmes  résultats?
    • est-ce que l’équipe a les compétences techniques (design, construction, programmation) requises?
    • est-ce que l’équipe a les ressources requises (budget, matériel)?

  • RFQ 2014

Paramètres de conception

Dans le design d’une plateforme pilotable, toute décision est un compromis pour atteindre les performances désirée. Par exemple, si toutes les roues sont entraînées le robot offrira une poussée maximale, par contre il tournera avec difficulté. Si on utilise des roues à traction réduite pour faciliter les virages, la poussée en souffrira. Pour des virages serrés, on peut réduire la distance entre les roues avant et arrière, mais on perd en stabilité. Les systèmes à plus de 4 roues ont souvent un des axes de roues plus bas,ce qui sert de pivot lors des virages. La stratégie de jeu, la vitesse et la poussée souhaitées du robot guideront certains choix dans le design:

  • la dimension du châssis
  • le poids de la plateforme et de ses composants
  • la position globale du centre de masse et répartition du poids sur les roues
  • le choix des moteurs, boîtes de vitesse et des roues (types, diamètre et poids)

Dans le contexte de la Compétition de robotique FIRST,

  • 3 pieds/seconde: très lent, très bonne poussée
  • 4 à 7 pi/s: lent, bonne poussée
  • 8 à 12 pi/s: allure modérée, poussée moyenne
  • 13 pi/s et plus: difficile à contrôler, peu de poussée

Plus un robot est capable de rapidité, meilleur doit être le pilotage afin de garder le contrôle du robot. La position, le poids et la nature des mécanismes supérieurs et de la batterie auront un effet majeur sur le centre de gravité, l’équilibre, la stabilité et la manœuvrabilité du robot. Vous pouvez utiliser ces paramètres à l’avantage de la plateforme, ou à l’inverse compenser certains effets avec votre plateforme.

  • cr. Pierre Cousineau 2016
  • cr. Éric Massarelli 2015

LES MOTEURS

Afin de générer un mouvement en Compétition de robotique FIRST, les éléments dynamiques permis sont les moteurs et les vérins pneumatiques. Le tableau ci-dessous vous permet de juger si la meilleure solution pour votre application sera un ou plusieurs moteurs ou un système pneumatique. La pneumatique fait l’objet d’une section spécifique. Les arbres des moteurs, caractérisés par leur longueur et leur diamètre, sont généralement couplés à une roue dentée ou une poulie pour transmettre un mouvement rotatif. La vitesse de rotation (en révolutions par minute: rpm) et la puissance (watts) du moteur dépendent essentiellement de la tension appliquée et de l’intensité du courant livré par le contrôleur de moteur.

  • Le couple (ou torque) produit par un moteur est la force avec laquelle l’arbre tourne. Si un couple trop grand est exigé du moteur, son arbre risque de s’immobiliser. Le couple se mesure généralement en N-m (newton-mètre).
  • L’appel de courant électrique est le courant requis par le moteur en fonction de la charge appliquée. Le courant requis augmente proportionnellement en fonction de la charge (du couple).
  • La vitesse d’un moteur est la vitesse de rotation de son arbre d’entraînement. La vitesse diminue linéairement en fonction de la charge.
  • La puissance en watt (W) d’un moteur est son taux de production de travail (dépense d’énergie). C’est une mesure de sa capacité à exécuter une tâche (e.g. déplacer une charge). La puissance est fonction à la fois du couple et de la vitesse de rotation.
  • Le rendement d’un moteur est une mesure de la fraction de l’énergie électrique qui est convertie en énergie mécanique; le reste étant transformé en chaleur. Si le rendement d’un moteur correspondant à une combinaison couple/vitesse est très faible, il risque de surchauffer et de s’endommager.

Moteurs et contrôleurs admissibles en Compétition de robotique FIRST (2017)

  • Moteurs et actuators admissibles pour la saison 2018

    – CIM (FR801-001, M4-R0062-12, AM802-001A, 217-2000, PM25R-44F-1005, PM25R-45F-1004, PM25R-45F-1003, PMR25R-45F-1003, PMR25R-44F-1005, am-0255)
    – West Coast Products RS775 Pro (217-4347)
    – Banebots (M7-RS775-18, RS775WC-8514, M5-RS550-12, RS550VC-7527, RS550)
    – AndyMark 9015 (AM-0912)
    – VEX BAG (217-3351)
    – VEX mini-CIM (217-3371)
    – Andymark PG (am-2161, am-2765, am-2194, am-2766)
    – Moteur de souffleur à neige (am-2235)
    – AndyMark NeveRest (am-3104)
    – Andymark RedLine (am-3775)
    – Nidec Dynamo BLDC (am-3740)
    – Moteurs d’équipement d’automobile (vitre, porte, essuie-glace, siège)
    – Actuateurs de solénoïdes électriques, course maximum 1 po (nominal) et puissance maximale à l’entrée de 10 watts (W) sous tension continue de 12 volts (VDC)
    – Moteurs de disque dur ou ventilateurs qui sont: inclus dans les kits de pièces de lancement, distribués via FIRST Choice, ou font partie d’un contrôleur de moteur admissible (dont les accessoires fournis par le fabriquant), ou font partie d’un équipement informatique COTS admissible
    – Moteurs à vibration ou autofocus installés d’origine dans des équipement informatiques COTS (e.g. moteur à vibration d’un téléphone intelligent).
    – Servos PWM COTS valant moins de $75.
    – Moteurs intégrés à un capteur COTS (e.g. LIDAR, sonar directionnel, etc.), pourvu que l’équipement ne soit pas modifié, sauf pour faciliter son installation.

  • Liste des contrôleurs admissibles pour la saison 2018

    Contrôleurs de moteur
    – DMC 60 (P/N: 410-334-1)
    – Nidec Dynamo BLDC Moteur et contrôleur intégrés (P/N 840205-000, am-3740)
    – Jaguar (P/N: MDL-BDC, MDL-BDC24, 217-3367)
    – SD540 (P/N: SD540x1, SD540x2, SD540x4, SD540Bx1, SD540Bx2, SD540Bx4, SD540C)
    – Spark (P/N: REV-11-1200)
    – Talon (P/N: CTRE_Talon, CTRE_Talon_SR, am-2195)
    – Talon SRX (P/N: 217-8080, am-2854, 14-838288), version 0.28 ou plus récente si utilisé via PWM. Consultez R77 pour utilisation via CAN.
    – Victor 884 (P/N: VICTOR-884-12/12)
    – Victor 888 (P/N: 217-2769)
    – Victor SP (P/N: 217-9090, am-2855, 14-868380)
    – Victor SPX (P/N: 217-9191, 17-868388)

    Relais
    – Spike H-Bridge (P/N: 217-0220 et SPIKE-RELAY-H)

    Contrôleurs pneumatiques
    – Module de Contrôle Pneumatique PCM (P/N: am-2858, 217-4243)

Il est important de noter que la liste des moteurs admissibles et leurs limitations sont propres à chaque saison de la Compétition de robotique FIRST. Veuillez consulter les règles de construction en vigueur.

 Caractéristiques techniques (2017)
 Caractéristiques techniques (avant 2016).

Règles de la Compétition de robotique FIRST

  • La liste des moteurs et des contrôleurs admissibles et leurs limitations sont révisées à chaque année.
  • Chaque actionneur de type CIM, AndyMark 9015, WCP RS775 Pro, VEX BAG/MiniCIM, ou Banebots doit être contrôlé par un dispositif de régulation de puissance et chaque dispositif de régulation ne peut contrôler qu’une seule charge.
  • Les moteurs de fenêtre/ de porte/d’essuie-glace/de siège/commande de gaz d’automobile, les moteurs AndyMark PG, de souffleur à neige et NeverRest peuvent être contrôlés par un contrôleur admissible (jusqu’à deux par contrôleur) ou par relai Spike.
  • Les moteurs ne peuvent pas être modifiés sauf pour faciliter la connexion électrique ou le montage

Choix d’un moteur

Le choix du rapport de vitesse et du moteur appropriés à l’application souhaitée ne tient pas du hasard. Consultez les fiches techniques et faites vos calculs pour être certains que l‘utilisation du moteur soit optimale. Les fabricants de moteurs fournissent les caractéristiques de base de leurs produits. La vitesse de rotation, la demande en courant, la puissance et l’efficacité peuvent être illustrés en fonction du couple à la sortie. Ces courbes sont différentes pour chaque moteur. Voici les courbes de performance d’un moteur CIM. Le choix d’un moteur dépend de la tâche à accomplir: quelle sera la charge (la force à déployer) à déplacer et la vitesse avec laquelle ça doit être fait. Il faut ensuite traduire ces données en termes de couple et de vitesse angulaire. D’autres facteurs sont à considérer:

  • Les boîtes de vitesse. Habituellement, on s’en sert pour diminuer la vitesse et augmenter le couple.
  • L’efficacité du transfert d’énergie. Considérez que chaque étage d’entraînement (engrenages, chaîne) a une efficacité de 90% de transfert en puissance.
  • Les limites de l’alimentation électrique. Les moteurs doivent opérer en dessous de la limite de courant permise.
  • Les moteurs plus massifs sont moins sensibles à la surcharge.
  • Les moteurs peuvent être couplés: le couple de sortie et la demande en courant sont additifs, tandis que la vitesse à la sortie reste la même.

Aucun moteur électrique n’est conçu pour retenir à lui seul une charge immobile. Un moteur ne peut produire un couple à vitesse zéro sans surchauffer, figer et s’endommager.

Moteurs CIM

  • Le moteur CIM est le plus gros, le plus puissant et le plus fiable des moteurs permis en Compétition de robotique FIRST. Les règles limitent habituellement le nombre de moteurs de ce type. Il est judicieux de les utiliser là où puissance et fiabilité sont requis: dans le système de propulsion de la plateforme pilotable.  Habituellement, quatre moteurs CIM sont dédiés pour la propulsion du robot.

    • Doit être contrôlé par un et un seul contrôleur (40 A)
    • S’attache facilement sur la face plate (10-32UNF)
    • Arbre de sortie: 8 mm de diamètre, avec clé de 2 mm

 Fiche technique

Moteurs mini-CIM

  • Le moteur mini-CIM permet d’actionner un système qui est conçu pour un CIM normal mais qui a besoin d’un peu moins de puissance. Les utilisations du moteur mini-CIM sont très variées: convoyeur, articulation, pince, lanceur…

    • Moteur compact avec 2/3 de la puissance d’un CIM
    • Doit être contrôlé par un et un seul contrôleur (40 A)
    • S’attache facilement sur la face plate (10-32UNF)
    • Arbre de sortie: 8 mm de diamètre, avec clé de 2 mm

 Fiche technique

Moteurs BAG

  • C’est un moteur très rapide. Couplé à différentes boîtes de vitesses, on peut augmenter la puissance disponible. Ce moteur cale à 41 ampères, mais il est suggéré d’utiliser prudemment un disjoncteur de 30 ampères. Les usages du moteur BAG sont très variés; surtout pour des mécanismes compacts.

    • Moteur compact et très rapide (14 000 rpm)
    • Doit être contrôlé par un et un seul contrôleur (30 A car le moteur cale à 40 A)
    • S’attache facilement sur la face plate (10-32UNF)

 Fiche technique

Moteurs d’accessoire pour automobile

  • Ces moteurs, tels les moteurs de vitre de voiture ont beaucoup d’utilisations dans des systèmes qui requièrent peu de puissance et peu de vitesse, comme un système d’alimentation de pièces de jeu. Ces moteurs peuvent être contrôlés par un contrôleur de vitesse ou un relai Spike.
Concernant les moteurs de vitre:

  • Deux modèles: gauche et droite
  • Engrenage à vis (sans rétro activation) intégré (ne peut pas être modifié)
  • S’attache avec les trous de montage
  • Vient avec un adaptateur d’arbre d’entrainement (5/8”)
  • Ne peut être modifié que pour faciliter le branchement électrique

 Fiche technique

Moteurs de vitesse AndyMark PG

Les moteurs de vitesse AndyMark PG sont utilisés pour des systèmes à grande puissance et de basse vitesse. Ils peuvent être achetés équipés ou non d’une boîte de vitesse pré graissée avec des rapports respectivement de 71:1, 27:1 et 188:1

  • Puissant mais lent
  • Doit être contrôlé par un contrôleur ou un relai
  • Peut être acheté avec un engrenage planétaire
  • S’attache facilement sur la face (M4 x 0,7)
  • Arbre de 10 mm, avec clé de 4 mm

 Fiche technique

Moteurs BaneBots

Les moteurs BaneBots sont disponibles en plusieurs modèles et peuvent être combinés avec une des boîtes de vitesses compatibles. Il est important de vérifier la fiche technique du modèle choisi pour de meilleurs résultats. Au Canada, l’approvisionnement est difficile; faites des stocks pour parer aux imprévus.

  • Normalement utilisé avec l’engrenage P60 (4:1 à 256:1)
  • S’attachent sur le coté de la boîte de vitesse (10-32 UNF)

 Fiches techniques

Moteurs AndyMark 9015 (AM0912)

  • C’est un moteur qui peut être utilisé au gré de l’imagination des équipes. Mais il y a peu d’exemples répertoriés pour ce moteur qui est similaire au RS-500 de BaneBots.

 Fiche technique

Moteurs Servo

  • Les moteurs servo sont utilisés dans de petits systèmes qui requièrent peu de puissance. Normalement, les moteurs servo sont utilisés pour orienter une camera ou pour changer la vitesse dans une boîte de vitesse à deux vitesses. Il faut brancher les moteurs servo directement aux ports PWM du roboRIO en respectant leur limite de courant.

    • Puissance maximale disponible  12,4W sur le roboRIO
    • Branchés aux sorties PWM du roboRIO
    • N’utilise pas de contrôleur de moteur ou de relai

]

 Fiche technique

Moteurs Nidec Dynamo BLDC (contrôleur intégré)

  • Ce petit moteur 12V DC sans balai (brushless) est muni de câbles spécifiques afin de rendre la connexion entre le contrôleur et le roboRIO aussi simple que possible. La suite logicielle « 2018 FIRST Robotics Competition » est requise pour contrôler correctement ce moteur.

 Fiche technique 1  Fiche technique 2

LES SYSTÈMES DE TRANSMISSION

Il s’agit de la transmission du mouvement. La grande majorité des moteurs tournent trop vite pour les applications en robotique. Il faut réduire la vitesse de rotation. Pour ce faire, on peut utiliser un système de roues plateau/pignon avec courroie ou chaîne (comme sur une bicyclette), mais on fait souvent face à des limitations d’espace. L’alternative sont les boîtes de vitesse. Essentiellement, un système de transmission…

  • peut modifier (augmenter ou réduire) la vitesse et le couple disponible;
  • peut changer la direction du mouvement de rotation;
  • peut activer un mécanisme distant du moteur;
  • réduit toujours la puissance disponible (pertes dues à la friction)

Un élément essentiel aux systèmes de transmission est leur ratio: Dont on déduit: Pour un même moteur, plus le rapport d’engrenage est petit, plus la vitesse de sortie est grande mais avec moins de puissance. Un plus grand ratio génère moins de vitesse mais plus de force.

Plateau/pignon

  • Dans ce cas le sens de la rotation est le même à la sortie qu’à l’entrée. Ce système a un excellent rendement et permet de « transporter » le mouvement sur bonne distance (i.e. éloigner la pièce entraînée du moteur). Par contre, ceci peut devenir un inconvénient: l’espace peut être restreint et la transmission doit être protégée. Il est recommandé de n’utiliser des roues dentées qu’avec entre 12 et 75 dents pour éviter les vibrations et l’usure. De plus, assurez-vous que la chaîne « enveloppe » chaque roue sur au moins 120 degrés pour éviter qu’elle ne saute. Planifiez également dans votre design un moyen d’ajustement et de maintien de la tension de la chaîne, ou de la courroie.

Boîtes de vitesse

Les boîtes de vitesse, qu’elles soient construites ou achetées, sont des systèmes d’engrenages (roues dentées couplées) qui permettent de réduire la vitesse de rotation entre un moteur et un autre composant en rotation. En réduisant la vitesse de rotation, le couple est quant à lui augmenté. En fonction du nombre d’engrenages, la rotation peut être inversée ou non.

Un ratio de 30 à 1 (30 : 1) signifie que l’axe du moteur (entrée de la boîte) doit faire 30 révolutions pour que l’axe de transmission à la sortie de la boîte fasse 1 tour.

De plus, les boîtes de vitesse peuvent avoir un ou plusieurs niveaux de réduction. Celles à un niveau de réduction utilisent seulement 2 engrenages; alors que celles à 2 niveaux impliquent plus de 2 engrenages et sont généralement moins efficaces (moindre rendement) à cause de la friction additionnelle. On comprend que les boîtes de vitesse sont essentielles tant pour le système de propulsion que dans plusieurs mécanismes du robot. Le choix du rapport de vitesse et du moteur appropriés à l’application souhaitée ne tient pas du hasard. Consultez les fiches techniques et faites vos calculs pour être certains que l‘utilisation du moteur soit optimale. Évitez les roues dentées avec moins de 12 dents. Finalement, assurez-vous de bien graisser les boîtes de vitesse, même celles déjà assemblées, avec de la graisse au lithium.

Choix d’une boîte de vitesse

0 Choix intimement lié à celui du moteur 1 Identifiez exactement la tâche ou les tâches à accomplir: charge (ex: poids) et vitesse avec laquelle vous souhaitez qu’elle soit déplacée 2 Traduisez ces données en termes de couple et vitesse à déployer 3 Prenez connaissance des caractéristiques techniques des moteurs permis 4 Déterminez le ratio de réduction approprié au moteur et à la charge en considérant les conditions régulières et extrêmes d’opération. Tenez compte des facteurs suivants:

  • Quand on diminue la vitesse d’un moteur (ex: engrenages), on augmente le couple développé.
  • Les mécanismes de transmission de puissance ont un certain rendement: chaque étage d’engrenage et chaque couplage par chaîne a une efficacité d’environ 90%.
  • Allouez toujours une marge de sécurité.
  • L’alimentation en courant est limitée par les protections du panneau de distribution électrique. Assurez-vous d’opérer chaque moteur en-deçà de la limite de son circuit.
  • Plus on approche de la charge maximale d’un moteur, plus il chauffe et risque de figer. Les moteurs lourds sont plus tolérants.
  • Les moteurs peuvent être couplés: les couples et les appels de courant sont additifs mais la vitesse de rotation doit être la même.

5 Prenez connaissance des caractéristiques techniques des boîtes de vitesse disponibles. Considérez:

  • Compatibilité d’assemblage moteur vs boîte de vitesse
  • Couplage de plus d’un module de réduction et combinaison avec une transmission par chaîne ou courroie (plateau+pignon)
  • Tolérance si le ratio exacte ne peut être obtenu
  • Type d’arbre de sortie de la boîte de vitesse

Aucun moteur électrique n’est conçu pour retenir à lui seul une charge immobile. Un moteur ne peut produire un couple à vitesse zéro sans surchauffer, figer et s’endommager.

Versa Planetary

  • Les boîtes de vitesse Versa Planetary peuvent être assemblées de 1, 2 ou 3 modules pour obtenir le rapport d’engrenage voulu. Il est important de bien lire les fiches techniques pour vous assurer de la compatibilité des modules sélectionnés.

    • Engrenage modulaire (à étage)
    • Ratio entre 3:1 et 10:1 pour chaque étage
    • Maximum recommandé de 3 modules

BaneBots P60

  • Les boîtes de vitesse Banebots P60 sont normalement utilisées conjointement avec les moteurs BaneBots. Ces engrenages sont livrés assemblés; par contre, il faut les graisser, en prenant la peine de les démonter, avant leur utilisation.

    • Principalament utilisées avec les moteurs BaneBots
    • Ratio entre 4:1 et 256:1
    • Graissage requis avant utilisation

ToughBox-mini

  • La boîte ToughBox-mini est normalement utilisée dans le système de propulsion de la base pilotable. Les différentes possibilités de ratio d’engrenage lui donnent un avantage.

    • Configurations standards 5,95:1 et 12,75:1
    • Deux niveaux de réduction

CIMple-box

  • La boîte CIMple-Box est normalement utilisée dans le système de propulsion de la base pilotable. Son faible poids lui donne un avantage. Par contre, il n’y a pas de choix de rapport de vitesse.

    • Ratio d’engrenage 4,67:1 avec un seul niveau de réduction
    • Assemblage rapide
    • Moins puissante et flexible, légère par contre
    • Possibilité de coupler 2 moteurs

Vex

  • La boîte de vitesse Vex est principalement utilisée dans le système de propulsion de la base pilotable.

    • Ratios disponibles: 4,17:1, 5,67:1 ou 9,52:1
    • Deux niveaux de réduction

WormBox

  • La boîte de vitesse WormBox est utilisée pour des bras (ou leviers) de poids moyen sur un robot. Utilisée principalement avec des moteurs CIM et mini CIM.

    • Ratio 16:1
    • Engrenage à vis (pas de rétroaction possible)
    • Boîte particulièrement légère

Autres boîtes de vitesse

  • Voici quelques autres boîtes de vitesse qui peuvent être utilisées en robotique FIRST. Il est très important de bien faire ses recherches pour trouver la boîte qui répondra le mieux pour votre système.

LES SYSTÈMES PNEUMATIQUES

Un des premiers choix dans la conception d’un mécanisme est de décider comment il sera entraîné. Ce tableau vous permet de juger si la meilleure solution pour votre application sera un ou plusieurs moteurs ou un système pneumatique. Il y a plusieurs raisons pour utiliser la pneumatique:

  • C’est le moyen naturel pour produire un mouvement de translation. Il y a d’autres manières d’obtenir un mouvement linéaire, dont les pignons et crémaillères ou les vis-sans-fin, mais ces systèmes sont souvent compliqués,  difficiles à monter et ont un faible rendement de puissance.
  • Un vérin pneumatique est relativement simple à installer; des systèmes de montage existent et facilitent la tâche. Les vérins pneumatiques sont généralement plus légers que les moteurs si tant est que plusieurs sont utilisés.  Notez que l’installation d’un ou deux vérins seulement est relativement lourde car il faut inclure le poids du compresseur, du réservoir, etc. Les vérins sont robustes, ils résistent bien aux chocs longitudinaux (mais sont sensibles aux torsions et chocs radiaux).
  • Contrairement aux moteurs électriques, les vérins peuvent être bloqués ou calés indéfiniment sans aucun effet néfaste.

Mais il faut comprendre qu’avec la pneumatique, c’est tout, ou rien: le piston est soit étendu, soit rétracté; on ne peut pas choisir une position intermédiaire à moins qu’on ait un vérin spécial.

Principe de fonctionnement

  • Un système pneumatique utilise de l’air comprimé pour actionner un mécanisme. Par l’action de la pression d’air dans le cylindre du vérin, le piston se déplace et entraîne la tige avec une certaine force et vitesse. L’air comprimé dans le réservoir est dirigé dans le vérin par la valve électromécanique (solénoïde pneumatique).

Règles de la Compétition de Robotique FIRST

  • Les composantes pneumatiques, dont les solénoïdes et vérins, ne doivent pas être modifiées.
  • Le diamètre maximal des entrées et sorties pneumatiques des solénoïdes est de 1/8 pouce (NPT, BSPP, BSPT). Les tubes ne doivent pas dépasser 0,165 po de diamètre nominal.
  • Certains éléments doivent obligatoirement faire partie de tout système pneumatique; référez-vous au Manuel en vigueur.
  • Les dispositifs à vide, les amortisseurs et les roues pneumatiques (e.g. gonflées) ne sont pas concernés par les règles de la Compétition portant sur les systèmes pneumatiques.

Composantes

Circuit pneumatique standard

Référez-vous aux règles en vigueur pour connaître les modèles de composantes autorisés et les spécifications de circuit, que le compresseur soit à bord du robot ou non.

Module de contrôle pneumatique PCM

  • Le module de contrôle pneumatique PCM est utilisé pour contrôler le compresseur, les électrovannes, l’interrupteur à pression. L’interrupteur à pression et le compresseur ont des ports de connexion identifiés sur le PCM. Le module peut accommoder 8 électrovannes simples ou 4 électrovannes doubles de 12 ou 24 volts, mais pas les deux. cr. Manuel FIRST sur la pneumatique

Relai Spike

  • Le Spike est un relai utilisé pour contrôler le compresseur. C’est la seule option réglementaire pour contrôler un compresseur. Il vient avec un fusible de 20 A, mais il est recommandé de le remplacer par un disjoncteur de 20 A, car l’appel de courant peut dépasser 20 A pour une fraction de seconde quand le compresseur démarre.

Compresseur

  • Le compresseur est la source d’air comprimé dans un système pneumatique. Il génère une pression de 120 livres par pouce carré, ou PSI. Il est possible d’utiliser différents modèles de compresseur, mais il ne peut pas dépasser un débit de 1,10 pied-cubique par minute, ou CFM.
  • www.andymark.com
Il faut toujours alimenter le compresseur par un relais en marche avant, on n’utilise jamais le compresseur pour générer un vide. Le compresseur peut ne pas être installé physiquement sur le robot, mais son fonctionnement doit être contrôlé par le robot. Ceci veut dire qu’une équipe peut sauver un peu de poids sur le robot en gardant le compresseur hors du robot, mais toutes les règles concernant la pneumatique doivent néanmoins être suivies.

Soupape de décharge ou de sécurité

  • Une soupape de sécurité, ou de décharge, est obligatoire. Elle est doit être liée au compresseur avec des raccords en laiton. La soupape est rattachée en utilisant l’écrou du bas, et calibrée en utilisant l’écrou de haut. Elle est fournie et réglée à 125 PSI. Si la pression du système dépasse cette pression, la soupape laissera échapper lentement l’air jusqu’au rétablissement de la pression.

Compresseur et soupape de sécurité assemblés

cr. Manuel FIRST sur la pneumatique

Réservoir d’air

  • Un réservoir pneumatique sert à emmagasiner l’air comprimé sur le robot. Différents modèles et tailles existent, soit en métal ou en plastique. En fonction des règles en vigueur, plus d’un réservoir peut être installé. Il est suggéré de remplir le ou les réservoirs avant chaque match, comme ça le compresseur n’aura pas à démarrer en début de match, prenant l’énergie d’autres mécanismes. La pression de réserve emmagasinée ne dépasse pas 120 psi.

Pressostat ou interrupteur à pression

  • L’interrupteur à pression détecte la pression haute dans le système pneumatique et avertit l’automate s’il faut allumer (<105 psi) ou éteindre le compresseur (>115 psi). Ce n’est pas un capteur car il ne fournit pas d’information quantitative sur la pression du système. Il est possible de calibrer l’interrupteur à une certaine pression avec une petite vis qui se trouve sur son côté. C’est rarement nécessaire car ils sont calibrés par le manufacturier. Le pressostat est connecté aux bornes appropriées du module de contrôle pneumatique PCM ou au roboRIO si utilisé avec relai Spike.

Manomètre ou jauge de pression

  • Les jauges affichent la pression d’air. Il faut en avoir une sur le côté haute pression (réserve) et une du côté basse pression (service) du système pneumatique. Elles doivent être facilement visibles.

Régulateur de pression

  • Le régulateur divise les côtés haute pression (réserve) et basse pression (service). Il est ajustable. Il sert à limiter la pression dans les solénoïdes et cylindres à 60 PSI, laissant échapper toute pression de fonctionnement supérieure à la pression souhaitée.
Il y a quatre ports sur un régulateur. La sortie est indiquée par une flèche. L’entrée est en face de la sortie. Deux autres ports, sur les côtés, sont habituellement utilisés pour des jauges. Il faut connecter quelque chose sur chaque port. Donc, si une jauge n’est pas branchée directement au régulateur, on doit visser des bouchons sur les côtés. Pour utiliser des cylindres à différentes pressions, on peut utiliser un ou des régulateurs secondaires afin de réduire la pression davantage.  Les régulateurs secondaires doivent être branchés en série avec le régulateur primaire.

Valve d’évacuation

  • La valve d’évacuation est utilisée pour évacuer manuellement toute la pression d’air du système pneumatique. Il est parfois utile de l’actionner, à la fin d’un match, pour relâcher une pince ou un autre mécanisme pneumatique. La vanne d’évacuation est obligatoire et elle peut être branchée sur le robot du côté haute ou basse pression.

Interrupteur à pression, manomètre et valve d’évacuation assemblés

cr. Manuel FIRST sur la pneumatique

Électrovannes ou solénoïdes pneumatiques

Un solénoïde est une vanne électro-mécanique qui permet d’actionner un piston pneumatique en dirigeant la pression du système. Dépendamment de l’application, il est possible d’opter pour une électrovanne à simple ou double action.

  • Solénoïde simple action
  • Solénoïde double action
  • Un solénoïde simple a une position initiale au repos. Lorsque alimenté, il change de position dû à la pression. Quand le courant est coupé, il revient à sa position initiale.
  • Les solénoïdes doubles n’ont pas de position de repos. Quand un des solénoïdes reçoit une impulsion, le piston s’active dans une direction. Le solénoïde et le piston restent dans cet état même si l’alimentation est coupée, et ils le resteront jusqu’à ce que l’autre côté de la vanne soit alimenté. Chaque côté d’une vanne double doit être connecté au module de contrôle pneumatique PCM. 
À titre indicatif, voici des schémas de plusieurs modèles d’électrovanne. Sont illustrés les entrées, les sorties, l’échappement, la bobine électrique, et les ressorts. On voit aussi les différentes configurations possibles pour répondre à des besoins variés. Les flèches représentent la direction que l’air prend, alors que les lignes coupées indiquent qu’il n’y a pas de mouvement d’air. Les ressorts repoussent les solénoïdes dans leurs positions de départ.

Distributeur monobloc

  • Si le système pneumatique requiert plusieurs électrovannes, un distributeur monobloc permet de centraliser tous les solénoïdes. Ceci concentre le filage et facilite le branchement à l’automate. Par contre, si les vérins sont dispersés à plusieurs endroits du robot, ce système nécessitera beaucoup de tuyauterie.

Vérins (cylindre+piston)

  • Les vérins sont les pièces qui engendrent le mouvement – rectiligne – dans un système pneumatique. Pour sélectionner un vérin, il faut déterminer sa longueur (ou la course du piston) et son diamètre (ou l’alésage). L’alésage est basé sur la force requise. Un alésage plus large aura plus de force, mais utilisera plus d’air. Une course plus longue aura plus de portée mais utilisera aussi plus d’air.
  • Pour calculer la force d’un cylindre, multipliez la pression de service par l’aire intérieure.  Un piston de deux pouces de diamètre avec une pression de 60 PSI génère donc une force de 188 livres en extension.  La force est légèrement réduite en rétraction, car l’aire efficace est diminuée à cause de la tige du piston.
Beaucoup de types de vérin existent:
  • De plus, selon le vérin, il est possible de l’attacher par l’avant ou par l’arrière. Comme il est difficile de trouver des écrous et des rondelles de blocage assez grands pour les vérins pneumatiques, il est important de vous assurer qu’ils soient bien vissés.  Vous pouvez aussi utiliser un adhésif frein-filet pour éviter qu’ils ne se dévissent. Assurez-vous que la tige du piston est bien protégée, et qu’il n’y a aucun risque de déformation (pli).
Le graphique suivant indique les limites de course en fonction de la charge axiale, pour ne pas risquer d’endommager la tige du piston. cr. Cuvelier-Ludovic, Dimensionnement et choix de vérins

Tubes et raccords

  • Pour minimiser les fuites d’air, mettez du ruban téflon sur les filets des raccords. Cependant, il faut éviter d’en mettre sur les deux premiers filets, car il pourrait se détacher et bloquer une valve. Des raccords viennent parfois avec du téflon préinstallé sur les filets.  Si c’est le cas, il n’est pas nécessaire d’en mettre.
  • cr. Manuel FIRST sur la pneumatique
  • Utilisez des tubes réglementaires en terme de diamètre. Prenez soin de bien couper les extrémités à angle droit pour prévenir des fuites. Les tubes sont faciles à installer dans les raccords.  Poussez le tube jusqu’à ce qu’il touche le fond du raccord, puis tirez dessus. Pour l’enlever, poussez sur l’anneau autour du raccord et tirez sur le tube.

Capteur à lame magnétique (optionnel)

  • Pour connaître la position d’un piston dans un cylindre, on peut utiliser un capteur à lame magnétique. Le capteur s’attache à l’extérieur du vérin.  Le piston doit bien sûr être magnétique.

Régulateur de débit (optionnel)

  • Si on veut contrôler la vitesse d’un vérin en gardant sa force constante, on peut utiliser un régulateur de débit. Normalement, le régulateur stabilise le débit d’air qui sort du cylindre, et n’affecte pas l’air qui entre.

LES PARE-CHOCS

Sauf exception, le jeu en Compétition de robotique FIRST permet les contacts, volontaires ou non, entre les robots et entre les robots et les éléments du terrain de jeu incluant les pièces de jeu. Quoique tout contact dans le but d’endommager soit proscrit, le jeu demeure rude et les robots on besoin de protection de base. C’est le rôle des pare-chocs qui s’attachent directement au châssis des robots. Afin de maximiser la protection offerte par les pare-chocs, une grande partie du design des pare-chocs est régi par les règles de construction du robot. En conséquence, les pare-chocs conçus par les équipes sont relativement semblables. Les règles concernant les pare-chocs changent peu d’une année à l’autre; vérifiez néanmoins pour toute mise à jour. Une autre fonction usuelle des pare-chocs est l’identification claire de l’équipe et de l’alliance. Ainsi, le numéro de chaque équipe doit figurer clairement de chaque côté du robot, sur ses pare-chocs. Et les pare-chocs doivent pouvoir être présentés conformément à la couleur de l’alliance à la quelle appartient l’équipe à chaque match.

  • cr. Bernard L’Arrivée 2017
  • Certaines équipes éprouvent de la difficulté à construire des pare-chocs répondant aux exigences du règlement. Souvent c’est à cause d’une interprétation erronée des règles, un design déficient ou le fait de carrément négliger cet aspect et attendre à la dernière minute. Les équipes auraient avantage à:

    • bien comprendre les règles;
    • tenir compte des pare-chocs dans le design de la plateforme pilotable dès le départ;
    • considérer l’importance de l’accès et de la rapidité d’exécution dans l’installation et le retrait des pare-chocs

Construction de base

Pour une protection adéquate, au moins 6 pouces de pare-chocs doivent couvrir chaque côté d’un coin externe du cadre du robot. Les segments de cadre plus courts que 6 po doivent être entièrement protégés. Les pare-chocs ne peuvent pas être articulés. Le poids des pare-chocs peut être limité par les règles en vigueur (e.g. 20 lbs en 2017) Les pare-chocs devraient être construits comme suit:

  1. Une planche de contreplaqué ou de bois durable et solide de ¾ po d’épaisseur (nominal) par 5 po (± ½ po) de hauteur en tant que support arrière. Les panneaux de particules ou d’aggloméré (e.g. MDF) ne sont pas susceptibles de résister aux rigueurs du jeu.
  2. Une paire empilée de nouilles de piscine (pleines ou creuses) d’environ 2 ½ po rondes, en pétale, ou hexagonales comme matériau compressif des pare-chocs.
  3. Revêtement en tissu robuste et lisse de type Cordura 1000 deniers est recommandé. Le tissu doit complètement recouvrir toutes les surfaces extérieures de l’assemblage des nouilles de piscine et de la planche de bois. Un ensemble rouge et un ensemble bleu sont normalement exigés.
  4. En option, un coin en aluminium tend et serre le tissu; sinon des agrafes solides peuvent suffire.
  5. Un système de fixation rigide joint les pare-chocs au châssis du robot pour former une connexion solide et robuste avec la structure principale (cadre) du robot (p. ex., pas de système crochets-œillets ni attaches autobloquantes).

Profil vertical d’un pare-chocs

Support

Les pare-chocs doivent être soutenus par la structure (cadre) du robot:

  1. Au moins ½ po à chaque extrémité du pare-chocs doit être soutenu par le châssis du robot,
  2. L’espace entre le matériau de support et le cadre du robot ne doit pas être supérieur à environ ¼ po, et
  3. Les pare-chocs doivent être soutenus par le cadre du robot au moins à tous les 8 pouces.

Coins

Les joints de coin entre les pare-chocs doivent être remplis avec du matériel de nouilles de piscine .

Montage

Les pare-chocs doivent installés entièrement à l’intérieur d’une zone comprise entre le sol et un plan à sept pouces au-dessus du sol, le robot reposant normalement sur un sol plat. Note: la définition de la zone des pare-chocs peut changer d’une année à l’autre; référez-vous aux règles en vigueur.

 Modèles de fixation sur cadre en C

Déc 4, 2017 @ 13 h 44 min