La robotique au service de l’homme

Mise en situation Notre collège créé et commercialise des robots qui permettent de surveiller des locaux. Les robots sont capables de : Se déplacer seuls en évitant les obstacles Interagir avec leur environnement … Mise en situation

Les centres d’intérêt Appropriation du cahier des charges Recherche de solutions techniques Revue de projet et choix de solutions Réalisation et validation du prototype Présentation finale du projet Les différents centres d’intérêt

Recherche de solutions techniques Formaliser une description du besoin Énoncer les fonctions de service Définir les critères d’appréciation des FS Compléter un cahier des charges simplifié Création, paramétrage et initiation à l’utilisation d’un espace numérique de travail S1 (4h) Appropriation du cahier des charges S2 (16h) Proposer des solutions techniques différentes (Châssis, système de déplacement ←↕→, transmission du mouvement, détection d’obstacle… ) Évaluer le coût des solutions techniques proposées Recherche de solutions techniques S3 (8h) Valider des solutions techniques Réaliser des représentations numériques avec un logiciel de CAO Revue de projet et choix de solutions S4 (18h) Fabrication du robot Validation du prototype S5 (6h) Présentation d’un diaporama relatant les différentes étapes de conception et de fabrication Réalisation et validation du prototype Présentation finale du projet

Recherche de solutions techniques Formaliser une description du besoin Énoncer les fonctions de service Définir les critères d’appréciation des FS Compléter un cahier des charges simplifié Création, paramétrage et initiation à l’utilisation d’un espace numérique de travail S1 (4h) Appropriation du cahier des charges S2 (16h) Proposer des solutions techniques différentes (Châssis, système de déplacement ←↕→, transmission du mouvement, détection d’obstacle… ) Évaluer le coût des solutions techniques proposées Recherche de solutions techniques S3 (8h) Valider des solutions techniques Réaliser des représentations numériques avec un logiciel de CAO Revue de projet et choix de solutions S4 (18h) Fabrication du robot Validation du prototype S5 (6h) Présentation d’un diaporama relatant les différentes étapes de conception et de fabrication Réalisation et validation du prototype Présentation finale du projet

Robots personnels et domestiques - Robots professionnels et de service 1. Appropriation du cahier des charges Formaliser sans ambiguïté une description du besoin Rechercher sur Internet les différentes catégories de robots Robots personnels et domestiques - Robots professionnels et de service Robots jouets Enoncer le besoin Dans quelle catégorie se classe le VigiBot ? En quoi le VigiBot est différent d’une caméra de surveillance ? A qui le VigiBot rend-t-il service ? Sur quoi agit le VigiBot ? Dans quel but utilise-t-on le VigiBot ? CI 1 : Appropriation du cahier des charges Activité 1 de la séquence 1: Les élèves font une recherche sur Internet sur les différentes catégories de robots Répondent à quelques questions qui vont leurs permettre d’’énoncer le besoin La fonction globale du VigiBot

VigiBot 1. Appropriation du cahier des charges Énoncer et décrire sous forme graphique des fonctions que l’objet technique doit satisfaire Recherche du milieu environnant La caméra L’interface programmable VigiBot La source d’énergie L’utilisateur Les obstacles Les locaux à surveiller L’ordinateur Le milieu extérieur FP1 : Permettre à l’utilisateur de programmer le microcontrôleur FP2 : Permettre à l’utilisateur distant de surveiller des locaux

1. Appropriation du cahier des charges Énoncer et décrire sous forme graphique des fonctions que l’objet technique doit satisfaire Les fonctions de service FP1 : Permettre à l’utilisateur de programmer le microcontrôleur FP2 : Permettre à l’utilisateur distant de surveiller des locaux FC1 : Disposer d’une interface programmable FC2 : Se déplacer dans les locaux sur une surface plane FC3 : Etre stable sur une surface plane FC4 : Disposer de sa propre source d’énergie FC5 : Interagir avec le milieu qui l’entoure FC6 : Détecter les obstacles sur le trajet FC7 : Eviter les obstacles rencontrés sur le trajet FC8 : Disposer d’un site Web embarqué FC9 : Plaire à l’utilisateur CI 1 : Appropriation du cahier des charges Récapitulatif des différentes Fonctions. On fait constater aux élèves qu’elle ne sont pas précise et on leurs demande de leur ajouter des critères d’appréciations et des niveaux

1. Appropriation du cahier des charges Définir les critères d’appréciation d’une ou plusieurs fonctions Rédiger ou compléter un cahier des charges simplifié de l’objet technique Le cahier des charges CI 1 : Appropriation du cahier des charges On donne aux élèves un CDC à compléter avec une liste de critères et de niveaux

1. Appropriation du cahier des charges Synthèse CI 1 : Appropriation du cahier des charges Synthèse : le document est complété avec les élèves : Il retrace la façon dont ils ont énoncé le besoin et élaboré le CDC

Recherche de solutions techniques Formaliser une description du besoin Énoncer Les fonctions de service Définir les critères d’appréciation des FS Compléter un cahier des charges simplifié Création, paramétrage et initiation à l’utilisation d’un espace numérique de travail S1 (4h) Appropriation du cahier des charges S2 (16h) Proposer des solutions techniques différentes (Châssis, système de déplacement ←↕→, transmission du mouvement, détection d’obstacle… ) Évaluer le coût des solutions techniques proposées Recherche de solutions techniques S3 (8h) Valider des solutions techniques Réaliser des représentations numériques avec un logiciel de CAO Revue de projet et choix de solutions S4 (18h) Fabrication du robot Validation du prototype S5 (6h) Présentation d’un diaporama relatant les différentes étapes de conception et de fabrication Réalisation et validation du prototype Présentation finale du projet

1. Appropriation du cahier des charges Choisir un mode de dialogue ou de diffusion adapté à un besoin de communication. Choisir et utiliser les services ou les outils adaptés aux tâches à réaliser dans un travail de groupe collaboratif Créer un ENT pour les élèves Partage sur réseau? CI 1 : Appropriation du cahier des charges Activité 2 de la séquence 1 Création d’un ENT avec les élèves. Inscription des élèves et réglages des paramètres d’identifications + démonstratio d’utilisation et essais avec les élèves Préparation de l’environnement numérique de travail

Recherche de solutions techniques Formaliser une description du besoin Énoncer Les fonctions de service Définir les critères d’appréciation des FS Compléter un cahier des charges simplifié Création, paramétrage et initiation à l’utilisation d’un espace numérique de travail S1 (4h) Appropriation du cahier des charges S2 (16h) Proposer des solutions techniques différentes (Châssis, système de déplacement ←↕→, transmission du mouvement, détection d’obstacle… ) Évaluer le coût des solutions techniques proposées Recherche de solutions techniques S3 (8h) Valider des solutions techniques Réaliser des représentations numériques avec un logiciel de CAO Revue de projet et choix de solutions S4 (18h) Fabrication du robot Validation du prototype S5 (6h) Présentation d’un diaporama relatant les différentes étapes de conception et de fabrication Réalisation et validation du prototype Présentation finale du projet

Recherche de solutions techniques Les fonctions techniques FC2 Se déplacer dans les locaux sur une surface plane Critères d’appréciation Niveau Trajectoire de déplacement droite Avance et Recule Possibilité de tourner sur place Tourner à gauche et à droite Vitesse de déplacement réduite 10m par minute ±1m Quels sont les différents problèmes à résoudre  ? CI2 : Recherche des solutions Les élèves doivent trouver les problèmes à résoudre pour répondre à la fonction en se posant la question : Qu’est ce qu’il faut que nous (faire, réaliser, construire,…) pour que le robot réussisse à … Pb1 : Réaliser un système de commande des moteurs pour faire avancer ou reculer le robot Pb2 : Trouver une alimentation en énergie Pb2 : Réaliser un système de commande des moteurs pour faire pivoter le robot sur place Pb3 : Réaliser un système de réduction de la vitesse de rotation des moteurs

2. Recherche de solutions techniques Schéma fonctionnel CI2 : Recherche des solutions Les problèmes trouvés par les élèves sont les fonctions techniques auxquelles il faudra trouver des solutions ! Pour l’instant les élèves ne savent pas encore les solution . - Ils placent les différentes FT dans des blocs fonctionnels - Identifient la fonction de chaque bloc - Placent les différents blocs de façon à décrire le fonctionnement Bloc fonctionnel Fonction à assurer Alimentation Fournir l’énergie électrique nécessaire au fonctionnement du moteur et de l’électronique du système. Commande des moteurs Commander la rotation de chaque moteur dans le sens des aiguilles d’une montre ou inversement selon l’information envoyée sur une des entrées Transmission de mouvement et Réduction de vitesse Transmettre le mouvement de rotation à la roue et après avoir adapté la vitesse à celle demandée dans le CDC

Recherche de solutions techniques Proposer des solutions techniques différentes qui réalisent une même fonction Recherche de solutions techniques : Commande des moteurs CI2 : Recherche des solutions Recherche de ST pour la FT commande des moteurs A travers 2 petites expériences, les élèvent constatent que pour faire tourner la roue dans un sens ou dans l’autre, il faut inverser l’alimentation

2. Recherche de solutions techniques Proposer des solutions techniques différentes qui réalisent une même fonction Recherche de solutions techniques : Commande des moteurs CI2 : Recherche des solutions Les élèves proposent une solution de commande de rotation dans les 2 sens (Pont en H) Ils disposent d’une maquette avec 4 interrupteurs, une alim et un bloc moteur Roue Ils identifient les combinaisons utiles et celles qu’il faut éviter et proposent un schéma

Recherche de solutions techniques Proposer des solutions techniques différentes qui réalisent une même fonction Recherche de solutions techniques : Transmission de mouvement Observation de ce qui existe Trouver 3 objets qui utilisent un système de transmission de mouvement de rotation Dessiner un petit croquis du système de transmission Décrire son fonctionnement CI2 : Recherche des solutions Pour la FT : Transmission de mouvement Les élèves observent et trouvent des systèmes de transmission de mouvement et en décrivent le fonctionnement par un croquis et un petit descriptif Vélo Boite de vitesse Compresseur Système d’engrenage Système de chaine Système à courroie

Recherche de solutions techniques Pour quelques contraintes définir le niveau que doit respecter l’objet technique à concevoir Recherche de solutions techniques : Adaptation de la vitesse Relation entre la rotation de la roue et la distance de déplacement Quelle est la distance parcourue par la roue du robot lorsqu’elle fait un tour complet? CI2 : Recherche des solutions FT : Adaptation (Réduction) de la vitesse pour assurer un déplacement conforme à celui demandé dans le CDC Les élèves trouvent la relation entre le nombre de tours effectué par une roue et la distance parcourue par celle-ci au sol

? Recherche de solutions techniques 1 tour  0,25 m 10 m  40 tours Pour quelques contraintes définir le niveau que doit respecter l’objet technique à concevoir Recherche de solutions techniques : Adaptation de la vitesse 1 tour  0,25 m le CDC  le robot doit se déplacer de 10 mètres par minute 10 m  40 tours 7200 tr/min 40 tr/min ?

Recherche de solutions techniques Choisir et réaliser une ou plusieurs solutions techniques permettant de réaliser une fonction donnée Recherche de solutions techniques : Adaptation de la vitesse Expériences Roue dentée D Nombre de dents N Nombre de tours DE/DS Ns/ NE E 58 1 1,5 S 38 ≈1,5 Roue dentée D Nombre de dents N Nombre de tours DE/DS NC/ NB E 13 3 0,34 S 38 ≈1 CI2 : Recherche des solutions Les élèves réalisent sur des maquettes plusieurs systèmes de transmission de mouvement et observent la relation entre le rapport du nombre de dents de la roue (Diamètre pour les poulies) et le nombre de tours des roues. Ils en déduisent la relation qui lie la vitesse de sortie à celle d’entrée s Poulie Ø Diamètre N Nombre de tours Øe/Øs Ns/ Ne E 60 mm 1 2 S 30 mm

2. Recherche de solutions techniques Choisir et réaliser une ou plusieurs solutions techniques permettant de réaliser une fonction donnée Recherche de solutions techniques : Adaptation de la vitesse Proposer et réaliser 2 solutions différentes pour réduire la vitesse de rotation du moteur afin que le déplacement soit celui qui est demandé dans le CDC Caractéristiques du moteur Plusieurs engrenages différents Des poulies de différents diamètres CI2 : Recherche des solutions Les élèves proposent et réalisent 2 systèmes différent de transmission de mouvement avec adaptation de la vitesse de rotation de la roue. Il proposent un assemblage (de roues dentées, de poulie,…) Ils dessinent sur papier le support sur lequel sera placé l’assemblage proposé Ils estiment le coût de chaque solution en allant sur des sites de fournisseurs pour les prix 40 tr/min 7200 tr/min

2. Recherche de solutions techniques Choisir et réaliser une ou plusieurs solutions techniques permettant de réaliser une fonction donnée Recherche de solutions techniques : Adaptation de la vitesse Calculer le coût de chacune des deux solutions Catalogues Sites de fournisseurs sur Internet

Recherche de solutions techniques Formaliser une description du besoin Énoncer Les fonctions de service Définir les critères d’appréciation des FS Compléter un cahier des charges simplifié Création, paramétrage et initiation à l’utilisation d’un espace numérique de travail S1 (4h) Appropriation du cahier des charges S2 (16h) Proposer des solutions techniques différentes (Châssis, système de déplacement ←↕→, transmission du mouvement, détection d’obstacle… ) Évaluer le coût des solutions techniques proposées Recherche de solutions techniques S3 (8h) Valider des solutions techniques Réaliser des représentations numériques avec un logiciel de CAO Revue de projet et choix de solutions S4 (18h) Fabrication du robot Validation du prototype S5 (6h) Présentation d’un diaporama relatant les différentes étapes de conception et de fabrication Réalisation et validation du prototype Présentation finale du projet

2. Recherche de solutions techniques Proposer des solutions techniques différentes qui réalisent une même fonction Réaliser un schéma, un dessin scientifique ou technique par une représentation numérique à l’aide d’un logiciel de conception assistée par ordinateur FC3 Etre stable sur une surface plane Critères d’appréciation Niveau Bonne stabilité au sol 2 roues motrices et une roue folle Surface occupée au sol 26cm x 20cm Monter sur un tapis de sol Hauteur maxi du tapis = 1cm Chaque élève du groupe : CI2 : Recherche des solutions Un autre exemple de Fonction contrainte Pour cette fonction chaque élève (qui travaillent en groupe de 6) va - Concevoir un châssis (Imaginer et dessiner sur papier avec les bonnes dimensions) - Réaliser une maquette en carton Calculer le coût de son châssis - Imaginer et dessiner un croquis du châssis - Dessiner le châssis sur papier et faire une maquette en carton - Choix des matériaux - Calculer le coût de sa solution

Recherche de solutions techniques Formaliser une description du besoin Énoncer Les fonctions de service Définir les critères d’appréciation des FS Compléter un cahier des charges simplifié Création, paramétrage et initiation à l’utilisation d’un espace numérique de travail S1 (4h) Appropriation du cahier des charges S2 (16h) Proposer des solutions techniques différentes (Châssis, système de déplacement ←↕→, transmission du mouvement, détection d’obstacle… ) Évaluer le coût des solutions techniques proposées Recherche de solutions techniques S3 (8h) Valider des solutions techniques Réaliser des représentations numériques avec un logiciel de CAO Revue de projet et choix de solutions S4 (18h) Réalisation des différentes parties du robot S5 (6h) Présentation d’un diaporama relatant les différentes étapes de conception et de fabrication Réalisation et validation du prototype Présentation finale du projet

3. Revue de projet et choix de solutions Valider une solution technique proposée A ce stade, les élèves ont des solutions pour Le système de commande des moteurs et de réduction de vitesse (Repérer pour un objet technique donné, sa durée de vie et les conditions réelles ou imaginées de sa disparition) Le châssis La forme de la coque (Identifier quelques procédés permettant de mettre en forme le matériau au niveau industriel et artisanal) La source d’énergie CI3 : Revue de projet et choix de solutions Les élèves vont reprendre toutes les solutions qu’il ont réalisé sur papier ou en maquettes lors de la phase de recherche de ST et il vont les comparer pour en valider une Dans les activités que nous proposerons pour chaque réalisation, nous aborderons les capacités en rose sur la diapo Les élèves pourront revenir sur une solution proposée dans le CI2 pour lui apporter des modifications Les élèves dessinent la solution retenus sur SolidWorks par exemple pour le châssis, les supports de système de réduction et les roues (Choisir, pour une application donnée, une énergie adaptée au besoin) Le système de détection d’obstacle et le système de détection d’une lumière restée allumée (Repérer dans un objet technique donné une ou des évolutions dans les principes techniques de construction Choisir une solution pour chaque problème Pour certaines solutions, faire une représentation numérique de la solution

Recherche de solutions techniques Formaliser une description du besoin Énoncer Les fonctions de service Définir les critères d’appréciation des FS Compléter un cahier des charges simplifié Création, paramétrage et initiation à l’utilisation d’un espace numérique de travail S1 (4h) Appropriation du cahier des charges S2 (16h) Proposer des solutions techniques différentes (Châssis, système de déplacement ←↕→, transmission du mouvement, détection d’obstacle… ) Évaluer le coût des solutions techniques proposées Recherche de solutions techniques S3 (8h) Valider des solutions techniques Réaliser des représentations numériques avec un logiciel de CAO Revue de projet et choix de solutions S4 (18h) Fabrication du robot Validation du prototype S5 (6h) Présentation d’un diaporama relatant les différentes étapes de conception et de fabrication Réalisation et validation du prototype Présentation finale du projet

4. Réalisation et validation du prototype Planifier l’ensemble de la réalisation dans le temps Créer le planning de réalisation de l’objet technique Usinage du châssis Énoncer les contraintes liées à la mise en œuvre d’un procédé de réalisation et notamment celles liées à la sécurité Usinage – Pliage ou Formage de la coque Rédiger les consignes relatives à la sécurité dans une fiche de procédure d’une opération Usinage des roues du robot Concevoir le processus de réalisation Usinage des supports des systèmes de transmission/Réduction de vitesse Justifier le choix d’un matériau au regard de contraintes de réalisation Assemblage des systèmes de réduction CI4 : Réalisation et validation du prototype Les élèves réalisent un prototype par groupe de 6 Lors des différentes réalisations : (compétences) Définir à l’avance les contrôles à effectuer pour toute opération de fabrication ou d’assemblage Réalisation des systèmes électriques Conduire la réalisation du prototype Montage du robot Rechercher l’information utile dans le plan d’actions, le suivi des modifications et la planification des travaux à livrer

4. Réalisation et validation du prototype Exemple d’activité : Planification de la réalisation dans le temps 1- Dresser la liste des opérations de fabrication, 2- Déterminer l’ordre de succession des opérations, 3- Etablir la durée des opérations, 4- Dresser le planning des opérations. CI 1 : Appropriation du cahier des charges Activité 1 de la séquence 1: Les élèves font une recherche sur Internet sur les différentes catégories de robots Répondent à quelques questions qui vont leurs permettre d’’énoncer le besoin 1 Séance de 2 heures

4. Réalisation et validation du prototype Exemple d’activité : Planification de la réalisation dans le temps 1 Dresser la liste des opérations de fabrication Les élèves dressent la liste de toutes les opérations qui interviennent dans la fabrication du robot - Usinage du châssis Usinage des supports de transmission Assemblage de la transmission Assemblage du robot Réalisation du circuit de commande des moteurs Montage du système de détection Essai de fonctionnement Usinage / pliage ou formage de la coque …

4. Réalisation et validation du prototype Exemple d’activité : Planification de la réalisation dans le temps 2 Déterminer l’ordre de succession des opérations la liste précédente est transformée en table en ajoutant deux colonnes : Un code est attribué à chaque opération Pour chaque opération on note dans la dernière colonne le code de l’opération qui la précède. Liste des opérations Code Antériorité Planification des opérations A aucune Usinage des supports de transmission B Usinage du châssis C Assemblage de la transmission D Assemblage du robot E D,G,F,H Réalisation de la commande des moteurs F Montage du système de détection G Formage de la coque H Essai de fonctionnement I

4. Réalisation et validation du prototype Exemple d’activité : Planification de la réalisation dans le temps 3 Etablir la durée des opérations Chaque opération est représentée par un rectangle comportant : Le code de l’opération La durée de l’opération La date de début La date de fin 2 A 3 1 B 3 ½ 1½ C H 4 F 4 ½ G 6 D 8 9 I E

4. Réalisation et validation du prototype Planification de la réalisation dans le temps 4 Dessiner le planning des opérations On reporte ces opérations sur un calendrier en utilisant des couleurs 1 2 3 4 5 6 7 … xx B D A C G E I F H

4. Réalisation et validation du prototype Exemple d’activité : Planification de la réalisation dans le temps 1 2 3 4 5 6 7 … xx B D A C G E I F H Conclusions : La durée totale de fabrication du robot est estimée à xx heures, Les opérations B, F et H peuvent démarrer en même temps, Tout retard dans une des opérations B ou D entraînera un prolongement de la durée du projet Grace à la marge on décale B et C pour ne pas avoir d’attente sur la commande numérique

Recherche de solutions techniques Formaliser une description du besoin Énoncer Les fonctions de service Définir les critères d’appréciation des FS Compléter un cahier des charges simplifié Création, paramétrage et initiation à l’utilisation d’un espace numérique de travail S1 (4h) Appropriation du cahier des charges S2 (16h) Proposer des solutions techniques différentes (Châssis, système de déplacement ←↕→, transmission du mouvement, détection d’obstacle… ) Évaluer le coût des solutions techniques proposées Recherche de solutions techniques S3 (8h) Valider des solutions techniques Réaliser des représentations numériques avec un logiciel de CAO Revue de projet et choix de solutions S4 (18h) Fabrication du robot Validation du prototype S5 (6h) Présentation d’un diaporama relatant les différentes étapes de conception et de fabrication Réalisation et validation du prototype Présentation finale du projet

4. Réalisation et validation du prototype Elaboration du trajet CI4 : Réalisation et validation du prototype Préparation des essais Les élèves dessinent les plans des locaux (un étage du collège par exemple) Ils créent une trajectoire des déplacements

4. Réalisation et validation du prototype Programmation du robot Debut Reculer(3) Demitour_a_gauche() Avancer(8) Tourner_a_gauche(90) Avancer(5) Avancer(14) Tourner_a_droite(90) Avancer(4) Camera(360) Demitour_a_droite() Avancer(11) Avancer(12) Avancer(7) Avancer(9) Fin Départ Arrivée CI4 : Réalisation et validation du prototype Préparation du programme et programmation du robot Essai concours

Recherche de solutions techniques Formaliser une description du besoin Énoncer Les fonctions de service Définir les critères d’appréciation des FS Compléter un cahier des charges simplifié Création, paramétrage et initiation à l’utilisation d’un espace numérique de travail S1 (4h) Appropriation du cahier des charges S2 (16h) Proposer des solutions techniques différentes (Châssis, système de déplacement ←↕→, transmission du mouvement, détection d’obstacle… ) Évaluer le coût des solutions techniques proposées Recherche de solutions techniques S3 (8h) Valider des solutions techniques Réaliser des représentations numériques avec un logiciel de CAO Revue de projet et choix de solutions S4 (18h) Fabrication du robot Validation du prototype S5 (6h) Présentation d’un diaporama relatant les différentes étapes de conception et de fabrication Réalisation et validation du prototype Présentation finale du projet

5. Présentation finale du projet Créer et scénariser un document multimédia en réponse à un projet de publication Les élèves vont durant tout le projet prendre des photos et réaliser un diaporama . CI4 : Présentation finale Présentation d’un diaporama (ou site internet ou une vidéo) retraçant les différentes phases de conception et de fabrication du robot Présenter devant la classe l’évolution de leur projet (conception et réalisation)

Le budget de notre robot est d’environ 100€ Les fournisseurs avec lesquels nous avons travaillé http://www.gotronic.fr/catalog/robotique http://www.myavr.fr http://www.a4.fr/ Le budget de notre robot est d’environ 100€