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.