Fabriquer un robot aspirateur

Si vous êtes ici, c’est que vous vous demandez forcèment s’il est possible de fabriquer son propore robot aspirateur. La réponse courte à cette question est oui, c’est possible.

Avant que vous n’alliez plus loin, nous tenons à vous prévenir, ceci n’est pas un guide détaillé étape par étape pour vous apprendre les détails nécessaire à ce processus. Il s’agit plutôt d’un guide qui a pour but de vous révélez les grandes lignes, des trucs et astuces ici et là, qui pourront vous aidez si un jour vous vous décidez à vous attaquer à ce type de projets.

Aussi, nous tenons à vous informer qu’acheter un robot aspirateur industriel reviendrait beaucoup moins cher en terme de gain de temps et d’argent.

Pour répondre à cette question il faut avant tout répondre à une question plus importante: que contient un robot aspirateur?

De quoi est constitué un robot aspirateur?

Un robot aspirateur démonté

Un robot aspirateur digne de ce nom est composé de plusieurs élements.

La carcasse

C’est pour le robot aspirateur l’équivalent d’un squelette pour un être humain. Cependant, son rôle est bien plus loin que celui d’un squelette. Elle sert essentiellement a embellir le robot aspirateur, et à attirer d’éventuels acheteurs. Elle sert aussi de protection ou de support pour les autres composants fixés au robot.

La carcasse du robot est dans la majorité des cas fabriquée en plastique.

Les boutons

Généralement, dans un robot aspirateur, on trouve au moins un bouton de mise en marche. Celui-ci est généralement au dessus de la carcasse. Certaines machines contiennent des boutons pour rappeler le robot à sa base, ou déclencher un cycle de nettoyage en particulier. D’autres choisissent juste d’intégrer un bouton de mise en marche. Les autres fonctionnalités vont être utilisables à travers une télécommande ou une application mobile.

Les brosses de nettoyage

Brosses rotatives d’un aspirateur robot

Touts les robots aspirateurs (ou presque) que nous avons eu le plaisir de tester sur ce site contiennent au moins une brosse de nettoyage horizontal. Dans la majorité des cas, il s’agit de deux brosses de nettoyage. Ces dernières ont généralement une structure simple. Un bout de plastique encastrable par un vis sur un mécanisme en rotation continue, et des sortes de poils en nylon pour pousser la poussière et les saletés au sol. Ces poils sont assez similaires à ce qui est utilisé dans les balais classiques.

Le deuxième type de brosses qu’on trouve sont les brosses verticales. Elles sont généralement en plastique ou en caoutchouc . Elle pousse les débris envoyés par les brosses horizontales vers le bac à poussières du robot.

Les roues

Rien dire à ce sujet. C’est ce qui permet au robot de se déplacer. Géneralement, elles sont en plastique ou en caoutchouc. Géneralement elles sont au nombre de 3: deux roues motrices en rotation suivant un axe fixe et une troisième roue de guidage.

Les moteurs

Deux familles de moteurs sont à distinguer dans ce cas. Il ya les moteurs servants aux déplacements. Ces derniers permettent au robot de se déplacer. Généralement, ils sont au nombre de deux.

Les autres moteurs ont pour fonction d’assurer la rotation des brosses pour que celles-ci fassent le nécessaire.

Il est important de savoir que les moteurs utilisés sont des moteurs électriques, alimenté par une batterie.

Les capteurs

Les robots aspirateurs utilisent des capteurs de différents types pour détecter les obstacles, détecter les points de chutes et s’orienter. Généralement, les robots de haut de gamme ont tendance à être truffé de capteurs pour ne rien laisser au hasard dans le déplacement du robot. Nous reviendrons sur ce point par la suite.

Les circuits de commande

Circuit de commande d’un moteur à deux sens

Dans un système électrique ou électromécanique de façon générale, et pour un robot en particulier, il y a deux types d’équipements. Les équipements qui exécutent les actions qui agissent sur le milieu de la machine comme les moteurs. Il y aussi les équipements qui servent à la commande, appelés les circuits de commande.

Ces circuits contiennent essentiellement les élements suivants:

  • Un micro-contrôleur ou un circuit électronique dédié au robot servant aux traitements des informations reçues des différents capteurs. Une fois ces informations traitées, un programme informatique permet de choisir les actions que le robot doit exécuter. Par exemple, reculer, s’arrêter, augmenter la vitesse de rotation des brosses, ou tout simplement revenir à la base.
  • Un circuit de commande des moteurs électriques. Il s’agit d’un circuit électronique qui va actionner les bons moteurs à la bonne vitesse suivant les ordres envoyées du micro-contrôleur par exemple. C’est ce qui vient entre le microcontrôleur et les moteurs.

La batterie

Rien de bien compliqué. C’est tout simplement le réservoir d’énergie qui va alimenter le tout.

Les grandes lignes pour choisir ses équipements

Commencez par avoir une vision claire du robot

Première étape, il faut avoir en tête une vision détaillée de l’apparence du robot. Quitte à utiliser un outil de conception assisté par ordinateur. Nous vous recommandons vivement d’opter pour une forme circulaire, pour éviter l’impact des chocs avec l’environnement de la machine. Après, si vous n’avez pas encore le reste des équipements que vous envisagez d’utiliser, une conception approximative de la machine fera l’affaire.

Au fur et à mesure que vous aurez le matériel nécessaire, vous pourrez faire une conception plus détaillée si vous voulez. Le but ici c’est est d’avoir une sorte de maquette virtuelle servant à savoir ou placer exactement chaque composant. Ainsi, vous éviterez d’avoir à faire des modifications inutiles sur la carcasse du robot.

Choisir les bons capteurs

Un robot aspirateur n’est rien d’autre qu’un robot éviteur d’obstacles équipé d’un mécanisme pour ramasser les saletés au sol.

Vouvs vous demandez probablement ce que c’est un robot éviteur d’obstacle. Il s’agit tout simplement d’un robot qui en se déplacant cherchera à éviter les différents obstacles sur son chemin. Bien sur celà, dépendra de deux facteurs essentiels: les capteurs de détection d’obstacles qu’il utilise et le programme informatique implémenté dans le robot.

Différents types de capteurs existent pour détecter un objet à proximité d’un robot. Nous en citons 4 ci-dessous:

  • Les capteurs infrarouges: ils utilisent les ondes infrarouges de la lumière pour détecter des objets importants.
  • Les capteurs à ultrasons: ils utilisent les ondes ultrasons pour détecter les objets , exactement le même principe que pour les chauves souris. S’il y a une télé ou des hauts parleurs à coté, la détection risque d’être perturbée.
  • Les capteurs mécaniques: pour détecter un obstacle, il suffit que le capteur entre en contact avec.
  • Une caméra. C’est effectivement une solution. Cependant, le traitement des images envoyées par la caméra nécessite d’avoir derrière un micro ordinateur assez performant.
Exemple de capteur à ultrason: le HC-SR04

D’expérience, nous vous conseillons vivement d’opter pour des capteurs infrarouges. Ils sont généralement peu onéreux que ce soit en terme de temps ou d’argent. Vous pouvez trouver des capteurs qui renvoient directement une distance. Vous pouvez aussi trouver des capteurs qui renvoient une mesure à convertir. Pour savoir comment les utiliser, il faut aller regarder la fiche technique du capteur, le datasheet.

Exemple de capteur infrarouge analogique: le sharp GP 2Y0A51SK0F

S’il s’agit de votre premier projet en robotique, nous vous conseillons d’opter pour des capteurs à sortie analogique. D’expérience, ils sont plus simples à utiliser. Sans trop rentrer dans les détails, une sortie analogique peut prendre un nombre de valeur assez énorme. En contrepartie, il ya aussi les capteurs numériques.

Une sortie numérique envoie des données qui ne sont rien d’autres que des 0 et des 1 logiques. Cependant, pour lire une sortie numérique, il faut savoir la décoder. Pour la décoder il faut que le lecteur des sorties, dans ce cas un microcontrôleur par exemple, doit comprendre le protocole de communication qu’utilise le capteur. Il existe néanmoins une famille de capteurs numériques qu’on appelle tout ou rien. Il renvoie 0 si un obstacle au dessous d’une distance, sinon 1. A vous de voir ce qui vous convient.

Choisir les bons moteurs et les bonnes roues

Il vous faut désormais trouver des moteurs électriques.

Comptez au moins 5 moteurs au moins: 2 pour contrôler les déplacements, 2 moteurs pour les brosses horizentales et un dernier pour la brosse verticale.

Pour choisir les moteurs de déplacements, il faut que ces derniers puissent être capable de supporter le poids du robot et lui permettre de bouger à une vitesse acceptable. Attention, on ne cherche pas aussi des moteurs de courses.

Généralement, un moteur n’est pas vendu tout seul. Il est associé à un réducteur. Le réducteur sert à réduire la vitesse du moteur mais en contrepartie, à augmenter le couple de ce dernier. C’est tout simplement un ensemble d’engrenages.

Nous vous conseillons de partir sur des moteurs à courant continus vu qu’ils sont relativement peu chers et faciles à contrôler.

Pour contrôler les déplacements des robots, il vaut mieux aussi acheter des moteurs à encodeurs. Les encodeurs vont servir à connaitre la vitesse du moteur et ainsi mieux le déplacer. Bien sur, il y’aura du travail derrière.

Exemple d’un moteur à courant continu équipé de réducteurs et d’un encodeur (extrait de pololu.com)

Pour savoir comment choisir un moteur électrique pour un robot à 2 roues sans entrer dans les détails techniques, nous vous renvoyons vers ce lien.

Anatomie du réducteur d’un moteur

Vous voulez comprendrez la théorie derrière? Voici une vidéo:

En ce qui concerne les moteurs des brosses horizentales, il est préferable de prendre des petits moteurs comme ceux qu’on trouve dans les voitures télecommandés. Pour la brosses verticales, il vous faudra un moteur un peu plus puissant.

Jusqu’à présent nous n’avons pas évoqué les roues du moteur. Pour faciliter la tache, il vaut mieux choisir des roues qui s’encastre aux moteurs que vous comptez prendre. Cela vous évitera une complexité inutile.

Dernier conseil important, il vaut mieux acheter des moteurs électriques dont les supports sont disponibles. Et oui, n’oubliez pas qu’il faudra fixer les moteurs au robot en fin de compte.

Choisir les cartes de commande des moteurs

Pour pouvoir contrôler les moteurs choisies, il vous faudra des circuits de commande qui vont se placer entre les moteurs et le calculateur (microcontroleur ou autre).

Ces dernières dépendent largement du type de moteur utilisé. Géneralement, le courant consommé par le moteur électrique est l’un des paramètres clés dans le choix des cartes.

Si vous avez des moteurs à courant continus, optez pour des cartes utilisant un circuit intégré appelé L298.

Carte à base de L298

Choisir le bon microcontroleur

Rappelez vous: le microcontrôleur est le cerveau du robot . C’est lui qui donne les ordres à exécuter. Il reçoit les signaux des différents capteurs, les traitent puis prend une décision et envoie les ordres au robot.

Un microcontrôleur contient des sorties numériques qui renvoie 0 ou 5V (ou 3.3 V ) suivant le type des entrées numériques, des entrées analogiques, et parfois des sorties analogiques.

Pour choisir, un microcontrôleur, il faut commencer par énumérer le nombre d’entrées et de sorties et leurs types. Sachez aussi que si vous voulez contrôler la vitesse d’un moteur à courant continu, il faut comptez une sortie numérique d’un type particulier. Il s’agit des sorties PWM.

Pour vulgariser, un signal PWM est un signal qui prend la valeur de 1 pendant une durée déterminé puis prend une valeur de 0. Ceci se fait d’une façon périodique.

Pour plus de détail, nous vous invitons à consulter ce lien.

Un large choix est possible dans les cartes programmables pour hobbyist. Pour quelqu’un de débutant, les cartes Arduino sont un excellent choix. Elles sont simples à utiliser. Beaucoup d’exemples existent aussi pour pouvoir les prendre en main facilement.

Exemple de carte programmable: l’Arduino UNO

Les brosses de nettoyage

Presque toutes les brosses de nettoyage se ressemblent. Leurs dimensions sont variables cependant. La façon la plus simple pour avoir ces propres brosses de nettoyage consistent à acheter à un jeu de rechange pour un robot aspirateur. Ou bien, si vous avez un ancien robot aspirateur vous pouvez le désassembler.

La batterie

Pour choisir la batterie, il faudra faire un bilan de la consommation électrique des équipements que vous allez utiliser. Dans ce cas, ce sont essentiellement les moteurs électriques. Prévoyez aussi une pile pour alimenter votre carte programmable. Il est possible de l’alimenter avec la batterie. Cependant, il est fort possible que vous ayez besoin d’ajouter un régulateur de tension.

Choisir une base et une carcasse

La base est indispensable. C’est la colonne vertebrale de la machine.

Vous pouvez la concevoir et la fabriquer vous même dans un fablab. Vous pouvez aussi en acheter une toute prête.

En ce qui concerne la carcasse, il faudra être plus débrouillard. Vous pourrez l’imprimer en 3D si vous voulez quelque chose de précis.

Les plus: les appareils de mesure

Pour bien faire les choses, il est indispensable d’avoir un appareil de mesure des grandeurs électriques. C’est ce qu’on appelle un multimètre.

Il vous permettra de mesurer essentiellement la tension, le courant électrique et la résistance électrique. Le but ici est d’avoir un appareil pour diagnostiquer d’éventuels pannes.

Les étapes suivantes

Une fois que vous avez votre équipement, il est temps de passer aux choses sérieuses.

Lisez en détail les fiches techniques de vos équipements avant de les utiliser

Cette étape concerne tout ce qui est électrique. Il faut savoir à quoi correspondent les entrés de chaque équipements (appelé pin) et avec quoi les alimenter si nécessaire.

Tester le tout séparemment

Vérifiez que tout vos équipements électroniques marchent correctement. Par exemple, pour un capteur, il suffit de l’alimenter , d’approcher un objet et vérifier qu’il renvoie un courant électrique. Si vous voulez bien faire les choses, connectez sa sortie à un microcontrôleur et essayez d’afficher la valeur qu’il mesure.

Pour un moteur électrique à courant continu simple, vous pouvez l’alimenter directement à une batterie et voir ce que ça donne.

Devenir à l’aise avec le tout

Une fois que vous avez vérifié le tout, il faudra que vous commenciez devenir à l’aise avec le tout.

Concrètement, il faut que vous apprenez à lire et interpréter les valeurs des différents capteurs. Il faut aussi que vous apprenez à varier la vitesse d’un moteur. Ensuite vous pouvez passer à des étapes plus élaborées, comme par exemple réduire la vitesse d’un moteur si la distance mesurée par un capteur ne dépasse pas un certain seuil.

Au fure et à mesure que vous avancez, vous allez vous rendre compte qu’il faudra ajouter de la complexité.

A un moment, il faudra tout monter à la base du robot et commencer à contrôler ses déplacements.

Conclusion

Vous l’avez compris, fabriquer un robot à roue et un robot aspirateur de façon générale n’est pas du tout une tâche facile à faire. Nous avons essayé à travers cet article d’évoquer les grandes lignes. Nous sommes conscients qu’un grand nombre de questions restent ouvertes. N’hésitez pas à nous les poser dans les commentaires!

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