Conception, fabrication et essais d'un prototype de manipulateur
Conception de principe
Dans le cadre de ma thèse, j’ai conçu un prototype du manipulateur basé sur le mécanisme de Scott-Russell pour valider expérimentalement mes travaux de recherche. D’abord, la rédaction d’un cahier des charges m’a permis de délimiter les contours du démonstrateur. Une phase de créativité et de recherche de solutions technologiques m’a ensuite aidé à formuler plusieurs propositions de principe.
Conjointement à la conception d’un modèle numérique, j’ai réalisé le dimensionnement des principaux composants mécaniques pour me permettre de comparer et d’affiner le choix des solutions constructives retenues. Enfin, j’ai dessiné une conception de détail pour la dimensionner en fonction des besoins expérimentaux et des exigences de fabrication.
Montage électronique et commande
Afin de motoriser le prototype, j’ai choisi d’intégrer quatre actionneurs aux liaisons cinématiques du manipulateur. Ces derniers ont été dimensionnés pour obtenir un espace de travail suffisant et des vitesses d’exécution adaptées aux essais. Parallèlement, l’architecture électronique a été imaginé et conçu pour garantir un pilotage et un contrôle précis des motoréducteurs lors les essais expérimentaux.
Par ailleurs, j’ai préféré ajouter des capteurs de fin de course directement sur divers éléments du manipulateur afin de protéger les organes de transmission et éviter des dépassements accidentels. Une fois les pièces de démonstrateur fabriquées, j’ai réalisé l’assemblage du prototype et de l’ensemble du système d’actionnement.
Fabrication et essais expérimentaux
Une fois la fabrication et le montage du prototype terminés, j’ai réalisé différents tests pour évaluer la géométrie et la précision de la structure, mais aussi pour estimer la consommation électrique du démonstrateur. Il s’agit d’une étape importante pour la validation expérimentale de la démarche proposée dans ma thèse. En confrontant les modèles théoriques aux résultats des essais expérimentaux, il est possible d’évaluer leur pertinence, leur fiabilité et de mettre en évidence les bénéfices réellement atteignables.
A partir de la capture vidéo et de la mesure des courants moteurs, plusieurs trajectoires de mouvements ont été étudiées dans le volume de travail du manipulateur. Après analyse, les avantages de cette nouvelle architecture ont été clairement identifiés, ce qui constitue une première validation pour le prototype réalisé. La maquette physique permet également d’apprécier l’ensemble des configurations accessibles et d’exécuter divers mouvements en utilisant des joysticks ou par l’envoi d’une commande.
Conception de maquettes de robots manipulateurs en impression 3D
Des maquettes pour illustrer le principe
Dans le cadre de ma thèse, j’ai travaillé sur deux nouveaux robots manipulateurs qui utilisent les propriétés géométriques de mécanismes générateur de ligne droite. L’un des objectifs a été d’imaginer de nouvelles structures qui, de part leur propriétés inhérentes, permettent de réduire leur consommation d’énergie. Pour de faibles vitesses, les architectures permettent de positionner le centre des masses (CDM) global de sorte à lui imposer une trajectoire spécifique. L’énergie consommée pour réaliser le mouvement devient alors quasiment nulle. Puis, pour des vitesses plus élevées, j’ai établi une stratégie d’optimisation des paramètres du manipulateur pour minimiser les couples moteurs et l’énergie consommée pour un ensemble de mouvement.
Après avoir conceptualisé, modélisé et analysé ces manipulateurs dans les moindres détails, j’ai conçu des modèles pour l’impression 3D. A l’aide du matériel et des équipes de l’INSA, ces maquettes ont été imprimées pour illustrer le principe de fonctionnement des manipulateurs.
Conception d’une main robotisée anthropomorphique
Bio inspiration sur la main humaine
En 2022, je suis parti étudier à l’université d’Aalborg (Danemark) pendant un semestre, au sein du Master Design of Mechanical Systems. Cette université est spécialisée dans la méthode PBL (Problem Based Learning) où la moitié du temps est consacré à un projet technique de haut niveau. Dans notre équipe, nous devions imaginer et concevoir une nouvelle main actionnée en s’inspirant de la main humaine. En effet, son architecture très efficiente et versatile en fait l’un des outils naturels les plus sophistiqués. Du cahier des charges, à la création d’un modèle 3D complet, en passant par la simulation des efforts dans les câbles, l’étude approfondie de la littérature et de la bio-ingéniérie des mains robotiques, ce projet a été intense, riche et captivant.
Nous avons commencé par étudier une base de données (NinaPro) d’un ensemble de manipulations courantes pour développer un modèle simplifié. En étudiant les articulations les plus actives pour différentes prises d’objets, nous avons pu déterminer un nombre minimum de degrés de liberté utiles pour notre cas.
Elaboration de l'actionnement
Ensuite, nous nous sommes intéressés à la conception mécanique pour actionner chaque articulation et imaginer des solutions constructives pour répondre aux exigences de dextérité.
Nous avons choisi de poursuivre la bio-inspiration par une stratégie d’actionnement par câbles, afin de minimiser l’encombrement sur les éléments de la main et réduire la masse embarquée. Prévus en Nylon, nous avons conçu un passage de câble optimal pour une transmission des efforts efficaces, notamment par l’utilisation d’architectures permettant un effort de tension constant.
En combinant certains points d’attaches et des câbles secondaires non actionnés, nous avons optimisé la géométrie du système pour minimiser le nombre de câbles à actionner.
Saisie de différents objets
Une fois la conception mécanique achevée, nous avons réalisé différents essais et simulations numériques pour tester notre modèle. La saisie de plusieurs objets (crayon, disque, bouteille, etc.) nous a permis de mettre en évidence la versatilité des prises ainsi que de définir les efforts maximums pour les câbles.
Enfin, l’implémentation des moteurs dans l’avant-bras aura été la dernière étape de notre projet. Bien que cela n’ait pas été possible par manque de temps, nous avions prévu de poursuivre ce projet avec des essais sur une maquette physique en impression 3D.
Ce projet a été l’occasion de mettre en œuvre toute une démarche de création en partant presque d’une feuille blanche. J’ai enrichi mes connaissances dans ce domaine, développé des compétences de modélisation et de simulation à partir d’une maquette numérique construite de A à Z.
Reconception des supports du kit de feux pour chargeurs frontaux
Mise à jour de l'option des feux
Lors de mon stage de fin d’études chez le fabricant de machines et d’équipements agricoles John Deere, j’ai rejoint le bureau d’études des chargeurs frontaux. L’un de mes projets a été de reconcevoir les supports de fixations du kit de feux.
Les chargeurs frontaux John Deere série R sont des structures mécaniques et hydrauliques attachées à l’avant d’un tracteur pour réaliser des travaux à la ferme ou de la manutention. Une option d’éclairage est proposée pour éclairer l’outil en position haute, lorsque les feux du tracteur sont hors de portée.
Pour répondre aux objectifs fixés (esthétisme, réduction des coûts de fabrication, qualité d’éclairage, réglages…), plusieurs étapes se sont enchaînées :
- Description du problème et formalisation du cahier des charges
- Etudes concurrentielles
- Recherche de principes de solution et de solutions constructives, modélisation 3D
- Choix des solutions et prototypage
- Essais virtuels (FEA) et essais physiques (gestion des faisceaux électriques, essais d’éclairage, essais de résistance)
La solution identifiée permet de répondre à tous les critères du cahier des charges tout en conservant les feux au niveau du genou du chargeur frontal (Date de livraison fin 2026).
Intégration d’un détecteur de métaux sur une ligne tapis
Détecteur de métaux pour l'agroalimentaire
Lors de mon stage dans le bureau d’études d’Actil, j’ai notamment travaillé sur l’adaptation et la conception d’un convoyeur avec détecteur de métaux pour un client du secteur agroalimentaire. Ce type d’équipement est classique dans le contrôle qualité des fabrications afin d’éviter tout corps étranger dans les produits.
L’objectif était d’intégrer ce convoyeur sur une ligne tapis, en étant capable d’expulser un produit défectueux grâce à un vérin pneumatique. Les contraintes du secteur alimentaire sont très strictes vis à vis de l’hygiène, ce qui ajoutent des besoins supplémentaires pour la conception. Par exemple, ce genre d’équipement est régulièrement lavé par jet d’eau, il est ainsi nécessaire de supprimer toutes les surfaces de rétentions pour éviter la prolifération des bactéries.
Modélisme et pilotage de drone en FPV (First Person View)
Passionné de modélisme et de bidouille
Je suis tombé tout petit dans le monde du modélisme avec mes premiers circuits de trains JOUEF. C’est là qu’est née une passion qui n’a cessé de me suivre et d’évoluer. Des petits trains au vol en immersion en drone FPV, en passant par une voiture RC, cela a été pour moi l’occasion de tester, bidouiller, créer et modifier tout un tas de gadgets électroniques. Au fur et à mesure de mon parcours, j’ai utilisé mes connaissances fraîchement acquises pour réinventer mes propres projets et en développer de nouveaux.
Depuis mes études supérieures, j’ai eu la chance de m’offrir du matériel FPV pour voler en immersion avec un petit drone Eachine. Bien que j’ai commencé avec du matériel premier prix et en vidéo analogique, j’ai tout de suite adoré les sensations de vol. Rapidement, j’ai amélioré moi-même mon équipement au niveau du contrôleur de vol, de la transmission vidéo et radio, ainsi au niveau de sa commande en vol (réglages PID) pour en faire un drone très réactif et facile à piloter, tout en améliorant mes conditions de vol.
Passage à la pratique
Ce hobby est un excellent moyen pour mettre en pratique et développer de façon très concrète d’autres compétences en mécatronique. Avec le changement de petites pièces mécaniques ou de composants électroniques, j’adore entrer dans le cœur des systèmes pour mieux les comprendre et les adapter selon mes envies. Cela m’a permis d’améliorer les performances du drone, la liaison RF et la vidéo. C’est une autre façon d’apprendre, moins scolaire et beaucoup plus autonome. Mes essais et modifications sont aussi directement mis à l’épreuve sur le terrain.
Conception et fabrication d’un nid modulaire en impression 3D
Impression 3D oui, mais pas immédiatement
Depuis de nombreuses années, je suis passionné par la myrmécologie (et plus généralement par les insectes) et je développe une colonie de fourmis (Lasius Niger sp.). Sans doute comme beaucoup d’enfants, j’ai été captivé par les petites bêtes dans les jardins et particulièrement les fourmis qui s’organisent en société pour vivre dans d’immenses galeries. Lorsque j’ai découvert qu’il était possible d’élever sa propre colonie, je me suis moi-même lancé dans l’aventure, notamment grâce à la chaîne YouTube AntsCanada.
Après la capture d’une gyne durant l’été lors d’un essaimage, j’ai fondé la colonie à la maison. Au fur et à mesure des mois, puis des années, elle s’est agrandie et bien développée. Cette colonie me permet de construire des nids ou toutes sortes de constructions utiles à leur bien-être. D’abord en béton cellulaire, j’ai fabriqué des nids à la main, de la lime au Dremel. Puis, j’ai investi dans une imprimante 3D pour de multiples projets, et progressivement je suis passé à la conception de nids destinés à être imprimé. Après quelques essais pour connaître la précision et la tolérance de ma machine, j’ai réalisé différents projets pour le drone et la colonie de fourmis.
Un nid modulaire
Pour s’adapter aux contraintes des fourmis et de l’espace de stockage, il m’a fallu concevoir un nid modulaire, capable de gérer de nombreuses configurations et de minimiser la place.
Ainsi, le nid se place au dessus d’une réserve d’eau pour gérer l’humidification. Les galeries et salles sont disposées au centre de 4 ouvertures « standards » qui peuvent accueillir différentes pièces selon les besoins. Une porte fermée, des raccords coudées, ou un tube de jonction entre 2 nids peuvent être facilement interchangés dans les encoches. Ainsi, je peux gérer les entrées-sorties et ajouter d’autres modules selon les besoins.