Ce guide a pour but de vous accompagner dans la construction d'un robot simple capable d'éviter les obstacles. C'est le type de robot le plus simple, car il nécessite peu de matériaux et son coût de fabrication est faible ; c'est donc le projet idéal pour les débutants. Avant de détailler les étapes, voici une brève définition de la robotique.

La robotique est une branche de l'ingénierie, un domaine interdisciplinaire qui traite de la conception, de la construction, du fonctionnement et de l'utilisation des robots. Ces derniers peuvent être programmables ou autonomes (contrôlés par l'IA) et capables d'effectuer diverses tâches normalement réalisées par des humains. Cette branche de l'ingénierie intègre le génie mécanique, électrique et informatique.

En revanche, un robot d'évitement d'obstacles est un type de robot autonome qui utilise des capteurs pour détecter les obstacles, les contourner et effectuer d'autres tâches. Ce type de robot peut être programmé pour éviter les obstacles ou réaliser des actions en fonction des données fournies par un capteur ultrasonique. L'image ci-dessous illustre un exemple de robot d'évitement d'obstacles.

Fig. 1 Un robot d'évitement d'obstacles.

Cet article s'adresse à ceux qui souhaitent construire leur propre robot pour la première fois, ou à ceux qui veulent réaliser un projet très simple, comme un robot d'évitement d'obstacles. Quel que soit votre cas, voici les détails pour construire votre propre robot, plus précisément un robot autonome à roues. Les étapes nécessaires sont listées ci-dessous et seront expliquées plus en détail par la suite.

• Choisissez le matériau de votre choix
• Construisez votre cadre ou votre enceinte
• Assemblez votre robot
• Rédigez et téléchargez votre programme

CHOISISSEZ LE MATÉRIAU DE VOTRE CHOIX

Avant de commencer la construction de votre robot, comme pour tout autre projet, il est essentiel d'identifier et de vous procurer les matériaux nécessaires. Cela vous permettra d'avoir une vision claire des possibilités et des limites de sa réalisation. Dans le cas présent, pour mon robot simple d'évitement d'obstacles, les matériaux comprennent à la fois des composants mécaniques et électriques. Voici les matériaux de base indispensables.

Moteurs à engrenages (mécaniques) :

Il s'agit de moteurs auxquels sont fixés des engrenages afin d'augmenter leur couple et, par conséquent, leur puissance. Dans mon cas, j'ai dû modifier le servomoteur SG90 pour l'adapter à mon projet de robot autonome.

Fig. 2. Motoréducteur

Servomoteurs (mécaniques) :

Ces moteurs sont similaires aux motoréducteurs, mais ils sont équipés d'un potentiomètre et, pour certains, d'une butée. Leur angle de rotation est généralement limité à 180 degrés, bien que certains modèles puissent effectuer une rotation continue de 360 ​​degrés. J'ai utilisé ici un modèle à butée, comme le servomoteur SG90. Ce dernier possède trois câbles : VCC (rouge), Signal (jaune ou blanc) et Masse (noir ou marron).

Fig. 3. Servomoteur SG90

Carte de développement/contrôleur (électrique) :

Il s'agit d'une carte électronique contenant un microprocesseur ou un microcontrôleur permettant l'interface entre les langages mécanique, électrique et informatique. C'est un moyen rapide pour les ingénieurs, les amateurs et les étudiants d'apprendre et de tester leurs projets. Parmi les exemples, on peut citer Arduino, Raspberry Pi et ESP32. Ici, j'ai utilisé Arduino Uno.

Fig. 4. Arduino Uno

Plaque d'essai (électrique) :

Il s'agit d'une plaque d'essai nue permettant de réaliser des connexions avec des composants électriques, tels que des résistances, des potentiomètres, des LED et tout autre composant nécessaire. Son utilisation est facultative, car les connexions peuvent être effectuées sans la plaque pour ce projet.

Fig. 5. Plaque d'essai

Capteur ultrasonique (électrique) :

Le capteur ultrasonique est un composant qui mesure les distances grâce aux ondes sonores et transmet ces données brutes à la carte de développement. Celle-ci est ensuite interprétée par l'interface Arduino/langage informatique pour générer la sortie souhaitée. Cette sortie peut servir à démarrer ou arrêter le robot, ou à déclencher toute autre action. Dans ce cas précis, j'ai utilisé le capteur HC-SR04.

Fig. 6. Capteur ultrasonique HC-SR04

Commande de moteur (électrique) :

Le contrôleur de moteur est conçu pour relier les moteurs à la carte Arduino à l'aide de fils de connexion, ce qui permet de contrôler le moteur, notamment sa direction, sa vitesse et toute autre action.

Fig. 7. Contrôleur de moteur TB6612FNG

Batteries CC (électriques) :

Voici l'alimentation de l'ensemble du système, principalement composée de deux batteries lithium-ion connectées en série pour obtenir une tension plus élevée. Dans ce cas précis, j'ai utilisé deux batteries lithium-ion 18650 de 3,7 V et 3 200 mAh, connectées en série.

Fig. 8. Batterie Li-ion DC 18650, 3,7 V, 3200 mAh

Convertisseur abaisseur CC-CC (électrique) :

Ce module abaisseur permet de réduire la tension d'alimentation de composants tels que les cartes Arduino Uno, les servomoteurs, les motoréducteurs, les capteurs ultrasoniques et les écrans LCD. Les deux batteries connectées en série fournissent une tension totale de 7,4 V, alors que la plupart des composants fonctionnent entre 5 V et 6 V. L'abaissement de la tension grâce à un convertisseur DC-DC buck permet de protéger les composants sensibles à la tension mentionnés précédemment.

Fig. 9. Convertisseur abaisseur CC-CC, module abaisseur de tension LM2596

Écran LCD I2C 16*2 (électrique) :

Il s'agit d'un écran pour votre installation, affichant l'activité du robot en temps réel. Dans certains cas, l'écran LCD est fourni avec un adaptateur permettant de réduire le nombre de broches (12 broches) à 4 afin de le connecter à une carte Arduino Uno à 4 broches.

Fig. 10. Écran LCD I2C 16*2

Fig. 11. Écran LCD I2C 16*2 et sac à dos

Câbles de connexion (électriques) :

Ce sont de petits fils électriques avec des connecteurs mâle-mâle, femelle-mâle et femelle-femelle pour faciliter la connexion entre deux composants. Dans ce cas précis, j'ai utilisé les trois types de connecteurs pour différents points de connexion.

Fig. 12. Câbles de connexion femelle-femelle

Châssis/Boîtier (mécanique) :

Il s'agit d'un châssis ou d'une structure qui maintient l'ensemble du système, composants mécaniques et électriques compris. Dans ce cas précis, j'ai imprimé en 3D le châssis interne contenant tous les composants, puis j'ai réalisé un boîtier pour l'ensemble, lui conférant ainsi une apparence plus soignée.

Fig. 13. Châssis de robot à roues

Roues :

Il s'agit d'un ensemble de petites roues assurant la mobilité du robot ; on peut en avoir deux (avec une roulette à billes) ou quatre, selon votre choix. Ici, j'ai utilisé deux roues imprimées en 3D et une roulette à billes pour le support.

Fig. 14. Roues de robot

CONSTRUISEZ VOTRE CADRE OU VOTRE BOÎTE

L'étape suivante consiste à construire le châssis de votre robot. Cela dépend du type de robot que vous souhaitez réaliser. Dans le cas d'un robot autonome à roues, nous assemblons le châssis et y fixons une roue après avoir ajouté les composants nécessaires. Ce châssis peut être un modèle prêt à l'emploi acheté dans le commerce ou un châssis de robot fait maison. Pour ma part, j'ai non seulement construit un châssis sur mesure, mais j'ai également fabriqué un boîtier pour mon robot autonome à roues, en utilisant des outils dedell3D (Fusion 360) et l'impression 3D. Vous trouverez ci-dessous les étapes que j'ai suivies.

Téléverser les fichiers CAO du composant dans le logiciel 3D :

La première étape consiste à lancer votre logiciel de CAO 3D, comme SolidWorks, Fusion 360ou Onshape, selon celui dont vous disposez. Dans ce cas précis, j'ai opté pour Autodesk Fusion 360, car le projet était très simple et je souhaitais une intégration harmonieuse avec le boîtier épuré. J'ai importé le fichier CAO des composants nécessaires (mécaniques et électriques).

Fig. 15. Fichiers CAO des servomoteurs

Fig. 16. Autres composants CAO

dellautour des composants :

L'étape suivante consistait àdellles composants à partir des fichiers CAO importés, en utilisant des techniques dedellsurfacique et volumique. Cela me permet d'éviter les problèmes de tolérance et les collisions entre les composants et le boîtier lors de l'assemblage.

Fig. 17. Modélisationdellsurface de l'enceinte

Fig. 18. Modélisationdellsurface de l'enceinte (suite)

Fig. 19. Enceinte de tête de robot en cours de construction

Fig. 20. Enceinte de tête de robot en cours de réalisation (suite).

Fig. 21. Analyse de la section avant du modèle 3D

Fig. 22. Analyse de la section arrière du modèle 3D

Fig. 23. Vue de face transparente

Fig. 24. Vue arrière transparente

Exportation de fichiers et impression 3D :

Une fois ladell3D terminée, j'ai exporté les fichiers individuels du cadre et du boîtier au format STL et je les ai préparés pour l'impression 3D.

Fig. 25. Exportation du fichier STL en cours

Fig. 26. Découpage d'un fichier STL pour l'impression 3D

ASSEMBLEZ VOTRE ROBOT

Après l'impression 3D, j'ai assemblé le châssis et raccordé tous les composants mécaniques et électriques. J'ai commencé par les modules du châssis, puis j'ai installé les composants mécaniques (moteurs, roues, etc.), suivis des composants électriques (carte Arduino Uno, convertisseur abaisseur DC-DC, contrôleur de moteur, capteur ultrasonique, écran LCD, batteries et câbles de connexion). Vous trouverez ci-dessous la procédure complète de raccordement mécanique et électrique.

Assemblage mécanique et électrique :

J'ai commencé par assembler le cadre imprimé en 3D, puis j'ai ajouté les composants mécaniques et électriques. Les images ci-dessous montrent le résultat.

Fig. 27. Assemblage des composants

Fig. 28. Assemblage du boîtier

Raccordements électriques :

J'ai ensuite effectué tous les branchements électriques, en reliant tous les composants entre eux à l'aide de fils de connexion. Vous trouverez ci-dessous un schéma des branchements

Fig. 29. Schéma d'un robot autonome à roues pour l'évitement d'obstacles

Pour abaisser la tension de 7,4 V à 5 V, tournez le potentiomètre du convertisseur abaisseur CC-CC jusqu'à ce que votre multimètre affiche 5 V. Le potentiomètre est la pièce à vis située sur le parallélépipède bleu du convertisseur abaisseur

Assemblage du boîtier :

La dernière étape de l'assemblage consistait à recouvrir l'ensemble avec le boîtier imprimé en 3D. Voir les images ci-dessous.

Fig. 30. Vue de face de l'assemblage avec rendu 3D.Fig. 31. Vue arrière de l'assemblage.

ÉCRIRE ET TÉLÉCHARGER UN PROGRAMME DE LANGAGE INFORMATIQUE

La dernière étape consiste à écrire, exécuter et téléverser le programme informatique. J'ai utilisé l'IDE Arduino, qui utilise le C++ ou le C# comme langages de programmation. Le code a été téléversé via un câble USB connecté à l'ordinateur sur un port spécifique. Vous trouverez ci-dessous des images du robot autonome à roues en action.

Fig. 32. Téléchargement du programme informatique en cours

Fig. 33. Robot prêt à être activé

Vous trouverez ci-dessous un exemple de code Arduino typique que vous pouvez copier et coller dans votre IDE Arduino :

// Code d'un robot autonome à roues avec écran LCD I2C // Mise à jour : Ajout du mode marche arrière et d'une animation d'inactivité #include<Servo.h> #inclure<Wire.h> #inclure<LiquidCrystal_I2C.h> // Broches du pilote de moteur const int AIN1 = 7; const int AIN2 = 6; const int BIN1 = 4; const int BIN2 = 5; const int PWMA = 3;
  

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Oluwatobi Adeoye

Fondateur de Tobby3D Studios

Oluwatobi Adeoye est le fondateur et concepteur industriel principal de Tobby3D Studios, ainsi que le fondateur et ingénieur en mécanique de 3D NOVA. Il allie son expertise en ingénierie à une vision créative pour proposer des solutions innovantes en matière de conception de produits et de design industriel.

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