P15AB07 Reconstruction d'effort par mesure de déformation¶

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Projet GE2-GE3 2013 : Reconstruction d’effort par mesure de déformation
Entreprise / Client : LIRMM/ M. Sébastien DRUON
Auteurs : Lauriane BESSELAS & Badreddine TOUDGHI
Responsable Projet : M.Sébastien LENGAGNE
Tuteur industriel : M.Jean Yves RIGNAULT

1.Résumé, P15AB07 Reconstruction d'effort par mesure de déformation

2.Abstract

3.Introduction,P15AB07 Reconstruction d'effort par mesure de déformation

4.Présentation du Sujet

5.Cahier des Charges

6.Développement

7.Gestion de Projet

8.Perspectives

9.Bilan

10.Conclusion

11.Bibliographie

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Résumé

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Dans le cadre de la formation d’ingénieur à POLYTECH Clermont-Ferrand, des projets nous ont été proposés par des industriels. Ce travail était l’occasion de mettre en pratique nos connaissances techniques, d’acquérir les méthodes de gestion de projet et d'appréhender de façon plus réaliste le monde du travail.Le projet proposé dans ce cadre est la reconstruction d’effort par mesure de déformation. Le robot sur lequel ce système sera implanté est un robot hexapode prénommé Rhex. Le but de ce projet est de concevoir un système qui permet de remplacer les capteurs d’effort, qui sont incontournables dans le contrôle des robots à pattes par d’autres capteurs. Le client souhaite rendre ce dernier commercialisable et accessible par les scientifiques et les industriels d’un point de vue tarifaire, une fois que les logiciels seront en open source. Ce qui est délicat aujourd’hui vu le prix relativement élevé des capteurs d’efforts. L’objectif, donc du projet est de trouver une solution qui permet la mesure de déformation de la structure mécanique du robot par l’intermédiaire des jauges de contrainte, afin de remonter aux efforts exercés sur les pattes et surtout rendre le robot Rhex le moins onéreux possible.

Mots clés:

Déformation – jauge de contrainte – capteur d’effort – robot – Microcontrôleur.

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Abstract

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As part of the engineering program at Polytech Clermont-Ferrand, we had to implement a project proposed by industrialists. This allows to set up our technical knowledge and to acquire the methods of project management and to understand more accurately the world of work and the issues of good management in the company. The proposed project in this context is the reconstruction effort by deformation measurement; the purpose is to design a system that can replace force sensors, which are essential in the robots control, robot Rhex for hexapod regarding our problem. The customer wants to make Rhex accessible by scientists and industrial in the future, once the software will be open source, which is difficult today whit the expensive prices of force sensors used at Rhex robot. The objective is therefore to find a solution that enables the measurement of deformation of the mechanical structure of the robot using strain gauges, to go up to the forces exerted on the legs and especially to reduce the price of the robot Rhex.

Key words:

Deformation - strain gauge - force sensor - robot - Microcontroller.

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Introduction

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Le projet sur lequel nous intervenons est un projet mis en place par M. Druon chercheur au laboratoire LIRMM de Bézier appartenant à l’université II de Montpellier. Son objectif est de créer un robot hexapode prénommé RHEX disponible en open source. Son principal défi est lié à l’aspect financier. Effectivement dans le cadre d’un projet en open source le produit final doit être très peu coûteux. C’est donc dans cette optique que M. Druon acontacté POLYTECH Clermont-Ferrand. Le robot Rhex comporte des capteurs d’efforts très chers et M. Druon souhaite les remplacer par une autre technologie moins couteuse constituée de jauges de contrainte. Au cours de notre formation, nous avons donc eu à charge le projet « reconstruction d’effort par mesure de déformation » dans l’intitulé nous pouvons distinguer clairement deux parties principales qui sont

• Obtenir une image de la déformation
• Reconstruire l’effort

Par conséquent, le projet jusqu’à maintenant a fait l’objet d’une étude de faisabilité sur la première partie donc dans le but de stocker des données sur ordinateur d’une image de la déformation, le but final étant d’obtenir l’effort appliqué sur la patte du robot.
Ainsi, dans un premier temps nous avons étudié les jauges de contrainte qui sont les capteurs imposés par le cahier des charges. À partir de cet instant l’étude de projet réalisé c’est clairement constitué de deux parties, une partie analogique pour récupérer un signal image de la déformation et une partie numérique qui permet de traiter ce signal et de le stocker.Ce rapport s’articulera par conséquent en différentes parties qui sont liées à ces deux aspects.
Premièrement, nous ferons un bref récapitulatif du projet RHEX et nous expliquerons le cahier des charges proposé par M. Druon. Nous expliciterons par la suite les différentes problématiques que nous avons rencontrées au cours de ce projet. Puis nous verrons les différentes solutions techniques mises en place afin de répondre au mieux au cahier des charges. Par la suite, nous intégrerons dans le rapport, le devis réalisé pour M. Druon correspondant à la solution que nous proposons ainsi que la CAO* réalisée. Pour finir, nous verrons le bilan que nous avons tiré de ce projet.
Par conséquent, le projet jusqu’à maintenant a fait l’objet d’une étude de faisabilité sur la première partie donc dans le but de stocker des données sur ordinateur d’une image de la déformation, le but final étant d’obtenir l’effort appliqué sur la patte du robot.
Ainsi, dans un premier temps nous avons étudié les jauges de contrainte qui sont les capteurs imposés par le cahier des charges. À partir de cet instant l’étude de projet réalisé c’est clairement constitué de deux parties, une partie analogique pour récupérer un signal image de la déformation et une partie numérique qui permet de traiter ce signal et de le stocker.Ce rapport s’articulera par conséquent en différentes parties qui sont liées à ces deux aspects.
Premièrement, nous ferons un bref récapitulatif du projet RHEX et nous expliquerons le cahier des charges proposé par M. Druon. Nous expliciterons par la suite les différentes problématiques que nous avons rencontrées au cours de ce projet. Puis nous verrons les différentes solutions techniques mises en place afin de répondre au mieux au cahier des charges. Par la suite, nous intégrerons dans le rapport, le devis réalisé pour M. Druon correspondant à la solution que nous proposons ainsi que la CAO* réalisée. Pour finir, nous verrons le bilan que nous avons tiré de ce projet.

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Présentation du Projet

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•Généralités sur le sujet.

Ce projet est né de la pensée de Sébastien Druon, chercheur en robotique, enseignant en réseau informatique et membre du LIRMM de l’équipe Explore, laboratoire d'informatique de robotique et de microélectronique. Il a voulu créer Rhex, pour robot hexapode, le porteur à six pattes qui offre deux avantages : il est plus stable et les 60 kg de l'ensemble appuient moins sur ses pieds (cf. figure1). Le but de RHEX est bien d'intervenir en milieu essentiellement urbain pour détecter un danger. Dans un bâtiment délabré, il pourrait fournir un plan précis. Dans un accident, il servirait d'éclaireur avant l'intervention humaine.

Le fonctionnement se fera de deux sortes : soit télé opérée par ordinateur, comme une voiture télécommandée, soit en autonomie. Les informations sont collectées par Wifi. Le robot aura deux yeux télescopiques pour voir en profondeur, un capteur laser et une caméra infrarouge. "Les logiciels sont open source et hardware." Concrètement, ils seront diffusés gratuitement via un site internet dédié. "Chacun pourra ainsi apporter sa pièce à l'édifice", (1). Le robot coûte 100 000 € pour le moment. Une version 2 de RHEX est déjà couchée sur plan, amphibien et adapté au sable, mais avec cette dernière on quadruple les prix.

C’est dans ce thème que notre projet est orienté, le but est de remplacer des capteurs d’efforts qui existent sur les six pattes de robots, qui sont incontournables pour le contrôle des robots à patte et qui sont malheureusement très onéreux aujourd’hui. L’objectif donc du projet est de trouver une solution qui permet la mesure de déformation de la structure mécanique du robot afin de remonter aux efforts exercés sur les pattes et surtout de rendre RHEX commercialisable et accessible par les scientifiques et les industriels d’un point de vue financier, une fois que les logiciels seront en open source et hardware(2).

•Présentation de LIRMM :

Le LIRMM est un laboratoire de recherche dépendant de l’UM2 ainsi que du CNRS. Il se situe sur le Campus Saint-Priest de l’UM2. La population du LIRMM au 30 juin 2013 est de 422 personnes, incluant 204 personnels permanents, 155 doctorants, 46 personnels contractuels, 17 membres associés ou émérites, auxquelles il faut rajouter une soixantaine de stagiaires (Masters 1 et 2). Répartit dans les trois départements de recherche du laboratoire :
-Informatique
-Microélectronique
-Robotique

L'équipe EXPLORE : Robotique mobile pour l'exploration de l'environnement

Créée courant 2012 à la suite de mouvements internes au sein du Département Robotique, l’équipe-projet EXPLORE développe sa recherche en robotique mobile pour les milieux terrestres, marins et aériens (cf. figure 3) . Les thèmes abordés sont le contrôle du mouvement, la perception, la localisation, la cartographie centrés sur des modèles perception/action issus des métiers de l’environnement (3).

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Cahier des Charges

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Le cahier des charges imposé par le client est de concevoir un système permettant la mesure de déformation de la structure mécanique du robot afin de remonter aux efforts exercés sur les pattes. Mais tout d'abord, une étude de faisabilité a été menée, qui consiste à concevoir un système qui permet de récupérer l’image de la déformation de la structure mécanique de la patte du robot, la stocker dans un fichier texte sur PC, pour ensuite faire l’étude théorique nécessaire et les différentes simulations qui permettent de remonter aux efforts exercés sur la patte du robot.
En commençant l’étude, le projet a vite été découpé en quatre fonctions principales :

• Mesurer 12 déformations avec 12 jauges de contrainte

Dans la première fonction, les problématiques seront axées sur la recherche d’un moyen pour récupérer la variation de la résistance des jauges de contraintes qui se seront collées directement sur la patte du robot, afin de récupérer l’image de déformation de la structure mécanique de ce dernier. Pour le choix du nombre de déformations à mesurer qui est fixé à 12 déformations actuellement, c’est un choix qui a été validé par le client et qui sera développé dans la partie Solution technique. (Voir paragraphe 4)-b) Partie numérique).

• Communication avec un PC et stockage des données

La deuxième fonction principale du projet consisterait à transmettre toutes les valeurs de déformation récupérées entre la patte du robot et la partie logicielle, après avoir effectué le traitement, l’amplification et la conversion analogique/numérique du signal issu de la déformation et ensuite à traiter les valeurs récupérées afin de remonter vers l’effort appliqué sur la patte du robot.

• Reconstruction d’effort appliqué sur la patte du robot

L’objectif de la troisième fonction principale et de pouvoir effectuer la relation entre la déformation des matériaux, la structure mécanique du robot Rhex dans notre cas et l’effort appliquer sur cette dernière.

• Budget minimal (inférieur à 800€)

La quatrième et dernière fonction principale est de réaliser une étude de marché sur différents fournisseurs, pour le choix du matériel nécessaire à la réalisation de la solution proposée, sachant que le principal objectif du cahier des charges est celui d’afficher un tarif inférieur à 800 € le prix actuel des capteurs d’effort utilisé sur le robot Rhex.

Le synoptique ci-dessous (cf. figure 4) regroupe les principales fonctions et réalisations du projet.

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Developpement

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1)Problématiques

Tout au long de ce projet, certaines problématiques ont vu le jour. En effet, dès le départ la principale question était de savoir ce qu’est une jauge de contrainte. Une fois, renseigné et les premiers tests réalisés avec une jauge de contrainte* quelconque (cf. figure 5), trois problématiques ce sont distinguées clairement :
• Comment récupérer cette variation de résistance avec un signal de bonne qualité ?
• Comment traiter cette valeur analogique renvoyée par la jauge et la stocker de façon numérique ?
• Comment retrouver la valeur de la déformation en fonction des valeurs stockées ?

Par ailleurs dans la suite du dossier ces trois problématiques seront divisées respectivement en trois parties : la partie «analogique », la partie « numérique » et la partie « relation avec la déformation ».

Afin de répondre à ces problématiques, différents problèmes à résoudre ont été listés via une étude théorique préalable et des premiers tests réalisés.

Qu'est-ce qu'une jauge de contrainte ?

Une jauge est un capteur constitué d'un fil conducteur d’environ deux microns collé sur un support (cf. figure 6). Les brins de fil constituant la jauge sont alignés suivant la direction de la mesure.

Sachant que la résistance d’un fil conducteur dépend de sa longueur d’après la loi Pouillet (la variation de section est négligeable dans cette application) et que le fil subit les mêmes déformations que la surface sur laquelle la jauge est collée, ainsi nous pouvons en déduire la relation suivante :
∆R/R = k * ∆L/L avec k : facteur de jauge
En résumé, la valeur de la résistance varie linéairement en fonction de la déformation du matériau (cf. figure 7).

Il existe différentes sortes de jauge, notamment les jauges de type « rosette* » qui permettent d’avoir différentes mesures selon différents axes tels que :
• Rosette 0°/90° : deux jauges sont collés sur un même support
• Rosette 0°/45°/90° : trois jauges sont collées sur un même support (cf. figure 8)

Les différentes grilles de mesure (les fils conducteurs) sont indépendant électriquement, ainsi pour la suite du projet l’utilisation de telles jauges seront nécessaire afin d’obtenir la valeur et la direction de la force exercée sur la patte du robot.

2)Problèmes à résoudre

a) Partie analogique

• Le pont de Wheatstone :

Le pont de Wheatstone est le premier étage de la solution technique que nous proposons. Un pont de Wheatstone est habituellement constitué de 4 résistances (cf. figure 9), avec comme relation :

Afin de récupérer la variation de tension en fonction de la variation de la résistance (ici la jauge), il est nécessaire de constituer le pont de la façon suivante : deux résistances fixes, une grille de mesure d’une jauge de contrainte et une résistance variable permettant d’équilibrer le pont (il faut régler la tension de sortie à zéro lorsque la jauge est au repos).

Sachant que la résistance de la jauge au repos est de 120Ω, il est judicieux de choisir une valeur de 120Ω également pour les résistances fixes afin d’équilibrer le pont le plus simplement possible. Ainsi, la formule précédemment citée sera de la forme :

Une fois cet étage validé, la sortie se comporte comme souhaité c’est-à-dire : un seul potentiel de tension (Vout) varie entre +/-2 V. Il reste cependant une étape essentielle avant de pouvoir convertir cette tension en une valeur numérique.

• Adaptation à l’entrée du CAN :

Comme cité précédemment, une étape est encore nécessaire avant de faire la conversion via le module CAN du microprocesseur. En effet, ce module peut convertir des valeurs entre 0 et 5V ainsi il faut ramener la tension actuellement entre +/-2V à une tension variant entre 0.5 et 4.5V.
Ainsi, un offset* a été réalisé en déséquilibrant le pont (il faut régler la tension de sortie Vout à 2.5V lorsque la jauge est au repos). Cette solution proposée est provisoire, car non optimale (cf.III.7).

b) Partie numérique

• Introduction à la partie numérique :

Après l’amplification et l’adaptation du signal reçus des jauges de contraintes, il est nécessaire de générer du code pour obtenir la conversion de notre signal analogique en numérique pour l’envoie et le stockage des valeurs de déformation sur le PC.
CAN = Convertisseur Analogique Numérique (en anglais : ADC = Analog to Digital Convertor), est une phase primordiale dans notre solution. C’est un système qui fait une correspondance entre une tension analogique et une valeur numérique ou un nombre binaire (11).

Pourquoi le microcontrôleur PIC série 18F4550 ?

Les microcontrôleurs PIC sont relativement peu coûteux et faciles à trouver, il y a aussi d'autres microcontrôleurs comme « Arduino » qui conviendront parfaitement. Mais le PIC18F est facilement disponible et très puissant comme microcontrôleur, il est permet d'ajouter facilement un peu de logique et d’intelligence pour les projets. Les microcontrôleurs PIC séries 18fxxxx ont l'avantage de posséder un module ADC (Analog to Digital Convertor) interne et d’autre caractéristique intéressante pour la solution envisagée :

plusieurs entrées analogiques 13 entrées pour la série « 18f4550 » choisit pour la solution proposée.
Le convertisseur est à approximation successive.
Résolution de 10 bits avec une précision est de ± 1 LSB.
La référence de tension peut être interne (égale à VCC) ou externe.
Le temps de conversion est de l’ordre de 40us.

Pour le choix du pic 18F4550, il dispose d’un CAN 10 bits avec une précision en 5V de 5 mV environ, ce qui est tout à fait intéressant. Il dispose aussi de 12 entrées analogiques ce qui permet la conversion des 12 mesures de déformation délivrées par les jauges de contrainte. Cette solution était validée par notre client.
D'autre part, une carte de synthèse disponible au sien du département et qui intègre un « pic 18F4550 » a été aussi un facteur pour ce choix (cf. figure 12), afin d’avancer sur l’étude de la faisabilité de la solution proposée pour notre problématique, vu que le projet est un projet court et qu’une solution doit être présentée au client à la fin de l’année.

• Conversion analogique numérique :

Le principe de la conversion analogique numérique nécessite deux opérations :

La quantification :

Opération qui consiste à associer une valeur analogique à la plus petite variation mesurable entre deux valeurs codées distinctes en sortie. Cette valeur est appelée quantum :

Le codage:

Opération qui assigne une valeur numérique à chacun de ces niveaux. Les codages les plus couramment utilisés sont :
 Le binaire naturel, pour les nombres non signés.
 Le complément à 2 pour les nombres signés.
 Le code binaire signé.

Dans notre cas c’est un binaire naturel, pour les nombres nos signés vu notre signal analogique d’entrés a été adapter et amplifier pour qu’il soit toujours compris entre (0v-5v).

• Étape de conversion d’un signal

Les principaux registres relatifs au module CAN sont ADCON0, ADCON1, ADCON1, ADRESH, ADRESL :
1. Configuration de CAN

•Configuration des pins analogique et Vref ADCON1
•Choix de la division pour l’horloge et justification du résultat ADCON1
•Sélection de l’entrée à convertir ADCON0
•Choix de la division pour l’horloge ADCON0
•Mise en service du CAN ADCON0
•Mise en entrée des pins analogiques TRISx

2. Attente du temps d’acquisition

•En fonction de la resistance de la source

3. Lancement de la conversion

•Go/Done = 1 ADCON0

4. Attendre la fin de la conversion

•Attendre que Go/Done repasse à 0 ADCON0

5. Lecture du résultat

•ADRESH pour 8 bits ou ADRES pour 10 bits ADRESH ou ADRES = ADRESH + ADRESL

Les étapes à mettre en œuvre pour la programmation du CAN, est possible de les résumer en deux organigramme, phase initialisation et phase utilisation.

• Réglage du temps de conversion du module CAN PIC18F4550

Le convertisseur charge pendant un temps Tacq un condensateur (Chold) qui sert de mémoire de la tension à convertir. Ce temps est calculé exprimé en nombre de Tad. À l’issu du temps d’acquisition, le convertisseur déconnecte la capacité de la broche d’entrée (Sampling Switch) et convertit la valeur de la tension mémorisée, par approximations successives. Il met 11 temps Tad pour effectuer cette conversion. Tad (Time analogique/digital conversion) est exprimé en nombre de Tosc (période d’oscillation de l’horloge du PIC) (12).

Les bits « ADCS2-ADCS0 » du registre ADCON2 permettent de fixer Tad en fonction de Fosc(fréquence d’oscillation) pour atteindre au minimum 0,8µsvu que notre Fos de la carte microcontrôleur utilisé est de 20Mhz.

 Fosc = 20 MHz =>Tosc = 50ns => il faudra 16 Tosc pour atteindre 0,8μs min. On fixera dans ce cas « ADCS2-ADCS0 » du registre ADCON2 à ‘101’, ce qui donnera Tad=0,8μs.

Les bits « ACQT2-ACQT0 » du registre ADCON2 permettent de fixer Tacq( temps d’acquisition en fonction de Tad pour obtenir au minimum 2,45µs
 Tad = 0,8μs => il faudra au minimum 4 Tad pour atteindre 2,45μs min. on fixera dans ce cas « ACQT2-ACQT0 » à ‘010’ 4 Tad, ce qui donnera Tacq=3,2μs.

• Mesure d’une tension connecte sur une entrée analogique

Le résultat est sur 10 bits => 0 représente la référence basse et 1024 la référence haute. Si ces tensions de référence sont de 0V et 5V, 0 représente 0V et 1024 représente 5V.