Partie matérielle de la robotique.

I – Partie matérielle de la robotique : les capteurs, les matériaux et leurs contraintes ainsi que leurs évolutions

Durant l’Histoire, les mécanismes ont connu de fortes évolutions. Le tout premier mécanisme, la roue, a été inventée en 3500 avant J.-C. et permet de transporter des matériaux lourds plus facilement.

Un mécanisme se reposant davantage sur la précision, l’horlogerie. Les tout premiers modèles ont pu être fabriqués en Egypte en 1600 avant J-C. Ceux-ci étaient de simples bols percés, à l'intérieur desquels un liquide (la plupart du temps de l'eau) s'écoulait. Cela permettait de mesurer l'écoulement du temps en fonction de la quantité de liquide écoulée. L'horlogerie actuelle est responsable des tous premiers et bien connus automates, comme la pendule à coucou sonnant à intervalle régulier. Un automate étant considéré comme tel lorsqu'il est capable de reproduire une séquence d'actions prédéterminées, sans intervention humaine. Ils représentent les prémices de ce que nous pouvons appeler « robots autonomes » aujourd'hui.

De nombreuses avancées ont eu lieu ces dernières années, franchissant alors la barrière d'automate à robot autonome.

Tout d'abord, sont apparus les rovers, des véhicules destinés à explorer la surface des planète, de manière quasi autonome, tout en prélevant des échantillons et des mesures sur la planète en question. Nous pouvons citer comme exemple le rover Curiosity actuellement en mission sur Mars.

De plus, il existe des robots humanoïdes ou encore des exosquelettes (des robots) comportant de nouveaux mécanismes similaires à ceux des robots autonomes. Ces mécanismes sont innovants par leurs matériaux et leurs fonctionnements impliquant de nouvelles structures internes dont de nombreux capteurs et moteurs. Ces systèmes, notamment les exosquelettes, sont des inventions très récentes au summum de la technologie actuelle en terme de robotique et ils représentent des années de recherche.

A - Capteurs

Définition : Il s’agit d’un module électronique servant à détecter un phénomène (lumière, chaleur, objet, sons…) et à l’envoyer dans un système sous forme d’un signal souvent électrique. Il est le plus souvent utilisé à des fins de mesure ou de commande.

Il existe deux grandes familles de capteurs :

• Les capteurs à contact qui nécessitent un contact physique avec l'objet ou le phénomène à détecter.
• Les capteurs sans contact qui eux à l'inverse ne nécessitent aucun contact physique avec l'objet ou le phénomène à détecter.

2 sous familles existent en fonction de leur besoin d'alimentation :

• Les capteurs passifs qui nécessitent une alimentation externe en énergie électrique.
• Les capteurs actifs qui sont indépendants, et ne nécessitent donc pas d'alimentation externe à celui-ci.

Les capteurs peuvent envoyer 3 sortes de signaux électriques :

• Signaux logiques :

Un signal logique peut prendre 2 valeurs, symbolisées par un « 0 » et « 1 ».  Il s'agit aussi d'un signal binaire.

Exemple : Un capteur de fin course affiche la valeur 1 quand il est fermé et 0 quand il est ouvert. Il s'agit d'un capteur logique, ou dit « TOR » (Tout Ou Rien).

• Signaux analogiques : 

Un signal analogique à l’inverse d’un signal logique peut prendre une infinité de valeurs sur une plage donnée et il varie de façon continue dans le temps.
Exemple : La sortie d’un thermostat qui transmet la température d’une pièce peut prendre une infinité de valeur entre 0 et 20° si cela est son maximum. Il s'agit donc d'un capteur analogique.

• Signaux numériques :

Un signal numérique est une suite d’informations logiques variant de manière discontinue dans le temps, et qui peuvent être transmises de deux manières différentes : en série sur un bit ou en parallèle sur plusieurs bits. (Principe du tableau de vérité vu en SI).

Nous allons maintenant étudier 2 des 3 types de capteurs présentés auparavant, nous allons commencer par le capteur ultrasonique qui est un capteur sans contact mais, est-il un capteur logique ou analogique c'est-ce que nous allons montrer grâce à l'étude de son principe de fonctionnement. (Le capteur ci-dessous est celui utilisé dans les tests que nous avons réalisés) :

1. Le capteur d’ultrason :
   
    [pic 1]

• Etude théorique :

Comme son nom l'indique il fonctionne grâce aux ultrasons. Les ultrasons sont des ondes dont la fréquence est trop élevée pour être audible par l’être humain (c’est-à-dire plus de 20 kHz). A l’intérieur de ce composant électrique il y a un émetteur et un récepteur, l’émetteur lui envoi des ondes qui vont se réfléchir sur un objet (s’il y a présence d’objet) pour ensuite revenir à l’émetteur, bien entendu la distance entre le capteur et l’objet sera proportionnel à la durée aller-retour mise par les ondes.
Afin de connaitre la distance entre l’objet et le capteur on utilise cette équation : d = (v.t) /2

• t étant le temps entre l’émission de l’onde et sa réception par le capteur
• v étant la vitesse du son soit 340m/s

• Inconvénients :

• Lorsqu’il y a présence d’échos parasites ce capteur devient très vite inopérant.
• Ce capteur ne fonctionne pas dans le vide car le son ne peut se propager dans le vide.

2.  Le capteur de fin de course : 

[pic 2]

• Etude théorique :

Ce capteur est composé d’une tête de commande avec son dispositif d’attaque, d’un corps et d’un contact électrique. Lorsqu’un objet entre en contact avec la tête de commande l’objet en question va provoquer le déplacement du dispositif d’attaque ce qui provoque la fermeture du contact électrique et qui donc ferme le circuit électrique. Il s’agit donc d’un capteur de type logique car il ne possède que deux entrées : ou le contact électrique est fermé donc il y a contact avec un objet sinon le contact électrique est ouvert et il n’y a aucun contact.

...