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Rapport : conception mécanique, circuit
électronique et software.
Main
Robotique
Projet académique 2015-2016
Ahmed Kharrat : étudiant à l’INSAT en IIA5
1
Introduction :
« Main Robotique » est un projet réalisé au cours de l’année universitaire 2015-2016 au sein du club
« Aerobotix-INSAT ». Ce projet a été exposé dans la journée Aeroday2016 (une journée organisé par
le club) le 9 février 2016. Ce rapport a pour but de détailler la conception mécanique de la main, sa
réalisation, les capteurs et les actionneurs utilisés et la programmation sur un microcontrôleur.
Concept du projet :
L’idée du projet est de reproduire le mouvement des doigts d’une main gauche de l’utilisateur. Pour
ce but, il faut tenir en compte :
- Modéliser chaque doigt indépendamment.
- Reproduire mécaniquement le mouvement : pour des raisons de
simplicité, on ne tiendra en compte que l’angle entre le plan de
la paume de la main (perpendiculaire au plan de l’image et
contenant les points A et C) et l’axe reliant la 1ère
articulation du
doigt et sa pointe (vecteur 𝐴𝐵⃗⃗⃗⃗⃗ ) (figure 1).
Conception mécanique :
Présentation :
Ce design est réalisé sur SolidWorks imaginé, réalisé et testé de façon autonome (figure 2).
Figure 2
La main est composée des éléments suivants :
- Une base : elle représente la paume de la main. Elle permet le support de la plaque
électronique et le microcontrôleur.
- 14x groupement (A) de 3 sous-pièces (2x ‘pièce 1’ + 1x ‘pièce 2’) : ce groupement représente
la phalange du doigt.
- 5x pièce 3 : cette pièce représente l’articulation métacarpo-phalangienne. Elle permet de
relier la base aux 5 doigt.
- 14x boulon (vis à filetage uniforme + écrou) de ø 5mm : ces boulons représentent les
articulations.
Une vidéo explicative (sur YouTube) illustre le concept en détail. Finalement, pour réaliser le
mouvement, un fil rigide lie la pointe des doigts aux actionneurs passant au-dessus des articulations,
Figure 1
2
et un fil élastique lie les pointes à la « base » au-dessous des articulations. Ceci implique que la position
par défaut des doigts est la position fléchie.
Les dimensions des pièces :
Figure 3 : les dimensions de la pièce 1
Figure 4 : les dimensions de la pièce 2
Figure 5 : les dimensions de la pièce 3
3
Figure 6 : les dimensions de la base
Les liaisons mécaniques :
Pour le groupement (A) : liaison encastrement entre les 3 pièces.
Entre la pièce 3 et la base : liaison encastrement.
Entre les groupements (A) : liaison pivot
Entre la pièce 3 et le groupement (A) adjacent : liaison pivot.
Figure 7 : modélisation des liaisons mécaniques d'un doigt
Réalisation de la main :
La main est entièrement réalisée en Plexiglass d’épaisseur 5mm. Les pièces sont dressées sur Adobe
Illustrator, et transmis à un atelier de découpage avec laser.
Circuit électronique :
Les composants :
- Les capteurs : 5 capteurs Flex 2.2 ‘’ avec une résistance de sécurité pour chacun.
- Les actionneurs : 5 servomoteurs (SG90 de TowerPro).
- 6x régulateurs de tension 7805 (avec les condensateurs associés 330 nF et 100 nF) : ils assurent
la livraison de 5V en tensions aux 5 servomoteurs et les 5 capteurs Flex et une pour la carte du
microcontrôleur.
- Une batterie rechargeable 12V 1.2Ah.
4
Dimensionner les résistances de sécurité :
Les capteur Flex sont électriquement des résistances variables. Pour dimensionner les résistances de
sécurité, on doit relever la Rmax et Rmin des capteurs Flex dont on dispose.
Rmax (KΩ) Rmin(KΩ)
Capteur Flex 01 37.2 21.7
Capteur Flex 02 35.6 22.1
Capteur Flex 03 35.4 20.8
Capteur Flex 04 28.9 17.5
Capteur Flex 05 32.9 21.6
On peut donc en déduire qu’une résistance de 30KΩ pour chaque capteur est un choix adéquat.
Schéma électronique :
Dans ce schéma on connecte la source de l’énergie (batterie 12V) au servomoteur.
Figure 8 : Circuit électronique 1 (pour servomoteur)
Dans ce schéma on connecte la source de l’énergie (batterie 12V) au capteur Flex.
Figure 9 : circuit électronique 2 (pour le capteur Flex)
Software :
Choix du microcontrôleur :
Pour commander les actionneurs et relever les lectures des capteurs, on a recours au microcontrôleur
ArduinoUNO R3. Pourquoi choisir l’ArduinoUNO ? Tout d’abord, il est simple à programmer tant que
de nombreuses librairies bien documentées existent. Elle est basée sur ATmega328P et offre 6 pins
entrée analogiques (5 requis) et 6 pins sortie digitale PWM (5 requis également). Cependant,
5
l’ArduinoUNO R3 a un temps de réponse assez lent (période d’échantillonnage plus grande que celle
du STM32F407 par exemple). Toutefois, ce projet ne demande pas des performances importantes et
l’Arduino UNO est bien dimensionné pour cela.
Pour programmer ce microcontrôleur, on a utilisé le module NI-VISA (National Instruments – Virtual
Instrument Software Architecture). Ce module permet l’interfaçage entre le Hardware (Arduino UNO)
et l’environnement de développement (LabVIEW).
Programmation sur LabVIEW :
Figure 10 : VI principale
Dans le VI principale, on a programmé que 3 doigts pour des raisons de ressources.
6
On a implémenter des sous-VI comme le montre la figure 10. Ces sous-VI transforment l’entrée lu des
capteurs (~3V à 5V) en un pulse rate pour commander les servomoteurs. Le capteur Flex renvoie un
signal proportionnel à son angle de flexion. Donc, on peut le modéliser linéairement.
Figure 11 : sous-VI A0
Dans la figure 11, on remarque les transformations mathématiques pour calculer le pulse rate.
Conclusion :
Ce projet m’a permis d’approcher la conception des systèmes embarqués sur 3 axes :
- Le concept : un système embarqué est par définition autonome et limité sur le niveau spatiale
et énergétique. Il faut tout en tenir compte.
- La partie électronique : dans cet exemple, on a lié les composants électroniques avec des fils
conducteurs. Cependant, on peut aller en avant et concevoir une carte électronique sur des
logiciel comme Proteus. Le résultat est plus compact et adéquat pour les systèmes embarqués.
- L’approche Software : Programmer le software d’un système embarqué revient à relever les
informations de l’environnement du système et commander des actionneurs pour appliquer
des modifications sur cet environnement.
Cliquez vidéo (sur YouTube) pour visualiser le résultat du projet.

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  • 1. Rapport : conception mécanique, circuit électronique et software. Main Robotique Projet académique 2015-2016 Ahmed Kharrat : étudiant à l’INSAT en IIA5
  • 2. 1 Introduction : « Main Robotique » est un projet réalisé au cours de l’année universitaire 2015-2016 au sein du club « Aerobotix-INSAT ». Ce projet a été exposé dans la journée Aeroday2016 (une journée organisé par le club) le 9 février 2016. Ce rapport a pour but de détailler la conception mécanique de la main, sa réalisation, les capteurs et les actionneurs utilisés et la programmation sur un microcontrôleur. Concept du projet : L’idée du projet est de reproduire le mouvement des doigts d’une main gauche de l’utilisateur. Pour ce but, il faut tenir en compte : - Modéliser chaque doigt indépendamment. - Reproduire mécaniquement le mouvement : pour des raisons de simplicité, on ne tiendra en compte que l’angle entre le plan de la paume de la main (perpendiculaire au plan de l’image et contenant les points A et C) et l’axe reliant la 1ère articulation du doigt et sa pointe (vecteur 𝐴𝐵⃗⃗⃗⃗⃗ ) (figure 1). Conception mécanique : Présentation : Ce design est réalisé sur SolidWorks imaginé, réalisé et testé de façon autonome (figure 2). Figure 2 La main est composée des éléments suivants : - Une base : elle représente la paume de la main. Elle permet le support de la plaque électronique et le microcontrôleur. - 14x groupement (A) de 3 sous-pièces (2x ‘pièce 1’ + 1x ‘pièce 2’) : ce groupement représente la phalange du doigt. - 5x pièce 3 : cette pièce représente l’articulation métacarpo-phalangienne. Elle permet de relier la base aux 5 doigt. - 14x boulon (vis à filetage uniforme + écrou) de ø 5mm : ces boulons représentent les articulations. Une vidéo explicative (sur YouTube) illustre le concept en détail. Finalement, pour réaliser le mouvement, un fil rigide lie la pointe des doigts aux actionneurs passant au-dessus des articulations, Figure 1
  • 3. 2 et un fil élastique lie les pointes à la « base » au-dessous des articulations. Ceci implique que la position par défaut des doigts est la position fléchie. Les dimensions des pièces : Figure 3 : les dimensions de la pièce 1 Figure 4 : les dimensions de la pièce 2 Figure 5 : les dimensions de la pièce 3
  • 4. 3 Figure 6 : les dimensions de la base Les liaisons mécaniques : Pour le groupement (A) : liaison encastrement entre les 3 pièces. Entre la pièce 3 et la base : liaison encastrement. Entre les groupements (A) : liaison pivot Entre la pièce 3 et le groupement (A) adjacent : liaison pivot. Figure 7 : modélisation des liaisons mécaniques d'un doigt Réalisation de la main : La main est entièrement réalisée en Plexiglass d’épaisseur 5mm. Les pièces sont dressées sur Adobe Illustrator, et transmis à un atelier de découpage avec laser. Circuit électronique : Les composants : - Les capteurs : 5 capteurs Flex 2.2 ‘’ avec une résistance de sécurité pour chacun. - Les actionneurs : 5 servomoteurs (SG90 de TowerPro). - 6x régulateurs de tension 7805 (avec les condensateurs associés 330 nF et 100 nF) : ils assurent la livraison de 5V en tensions aux 5 servomoteurs et les 5 capteurs Flex et une pour la carte du microcontrôleur. - Une batterie rechargeable 12V 1.2Ah.
  • 5. 4 Dimensionner les résistances de sécurité : Les capteur Flex sont électriquement des résistances variables. Pour dimensionner les résistances de sécurité, on doit relever la Rmax et Rmin des capteurs Flex dont on dispose. Rmax (KΩ) Rmin(KΩ) Capteur Flex 01 37.2 21.7 Capteur Flex 02 35.6 22.1 Capteur Flex 03 35.4 20.8 Capteur Flex 04 28.9 17.5 Capteur Flex 05 32.9 21.6 On peut donc en déduire qu’une résistance de 30KΩ pour chaque capteur est un choix adéquat. Schéma électronique : Dans ce schéma on connecte la source de l’énergie (batterie 12V) au servomoteur. Figure 8 : Circuit électronique 1 (pour servomoteur) Dans ce schéma on connecte la source de l’énergie (batterie 12V) au capteur Flex. Figure 9 : circuit électronique 2 (pour le capteur Flex) Software : Choix du microcontrôleur : Pour commander les actionneurs et relever les lectures des capteurs, on a recours au microcontrôleur ArduinoUNO R3. Pourquoi choisir l’ArduinoUNO ? Tout d’abord, il est simple à programmer tant que de nombreuses librairies bien documentées existent. Elle est basée sur ATmega328P et offre 6 pins entrée analogiques (5 requis) et 6 pins sortie digitale PWM (5 requis également). Cependant,
  • 6. 5 l’ArduinoUNO R3 a un temps de réponse assez lent (période d’échantillonnage plus grande que celle du STM32F407 par exemple). Toutefois, ce projet ne demande pas des performances importantes et l’Arduino UNO est bien dimensionné pour cela. Pour programmer ce microcontrôleur, on a utilisé le module NI-VISA (National Instruments – Virtual Instrument Software Architecture). Ce module permet l’interfaçage entre le Hardware (Arduino UNO) et l’environnement de développement (LabVIEW). Programmation sur LabVIEW : Figure 10 : VI principale Dans le VI principale, on a programmé que 3 doigts pour des raisons de ressources.
  • 7. 6 On a implémenter des sous-VI comme le montre la figure 10. Ces sous-VI transforment l’entrée lu des capteurs (~3V à 5V) en un pulse rate pour commander les servomoteurs. Le capteur Flex renvoie un signal proportionnel à son angle de flexion. Donc, on peut le modéliser linéairement. Figure 11 : sous-VI A0 Dans la figure 11, on remarque les transformations mathématiques pour calculer le pulse rate. Conclusion : Ce projet m’a permis d’approcher la conception des systèmes embarqués sur 3 axes : - Le concept : un système embarqué est par définition autonome et limité sur le niveau spatiale et énergétique. Il faut tout en tenir compte. - La partie électronique : dans cet exemple, on a lié les composants électroniques avec des fils conducteurs. Cependant, on peut aller en avant et concevoir une carte électronique sur des logiciel comme Proteus. Le résultat est plus compact et adéquat pour les systèmes embarqués. - L’approche Software : Programmer le software d’un système embarqué revient à relever les informations de l’environnement du système et commander des actionneurs pour appliquer des modifications sur cet environnement. Cliquez vidéo (sur YouTube) pour visualiser le résultat du projet.