Pince Intelligente — Controle d'effort

Presentation du systeme

Le systeme est une pince mecanique a servomoteur equipee d'un capteur d'effort permettant de saisir un gobelet sans le deformer. Le mecanisme de type bielles-manivelle transforme la rotation du servomoteur en translation des machoires de la pince.

Un capteur d'effort (jauge de contrainte) mesure en temps reel la force exercee sur l'objet. Une boucle de controle en boucle fermee arrete le serrage lorsque le seuil d'effort est atteint, garantissant une prehension sans deterioration.

Contexte

Le controle d'effort est essentiel dans de nombreux domaines : robots de manutention industrielle, protheses de main, chirurgie robotisee et cobots (robots collaboratifs). Maitriser la force de serrage est un enjeu majeur pour manipuler des objets fragiles ou deformables.

Problematique

Comment controler la force de serrage d'une pince pour saisir un objet deformable sans le deteriorer ?

Chaine fonctionnelle

La chaine d'information et de controle du systeme :

Consigne effort → Arduino → Servomoteur → Bielles → Machoires → Gobelet → Capteur d'effort → Arduino (boucle fermee)

Materiel necessaire

Element	Qte	Remarque
Pince mecanique + servomoteur	1	Mecanisme bielles-manivelle
Carte Arduino Uno	1	+ cable USB
Capteur d'effort (jauge de contrainte)	1	+ amplificateur HX711
Gobelets plastique	5+	Objets deformables de test
Poids calibres	1 lot	Pour etalonnage capteur
PC (Arduino IDE, SolidWorks, Matlab)	1/binome
Imprimante 3D	1	Pour nouvelles machoires
Multimetre	1	Verification signaux

Guide seance par seance

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Comprendre le sujet

Decouverte de la pince et du controle d'effort · 2h

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Decouverte du systeme 30 min

Observer la pince : identifier le servomoteur, les bielles et les machoires
Comprendre la cinematique : rotation servo → translation machoires
Essayer de serrer un gobelet manuellement : observer la deformation

Methodes de detection d'effort 30 min

Methode 1 : Capteur d'effort (jauge de contrainte) — mesure directe de la force
Methode 2 : Mesure du courant moteur — estimation indirecte de l'effort
Comparer les deux approches : precision, cout, complexite

Schema bloc en boucle fermee 30 min

Identifier les elements : consigne, comparateur, correcteur, actionneur, capteur
Tracer le schema bloc complet de la boucle de controle d'effort
Comprendre le principe de retroaction (mesure → comparaison → correction)

Essais preliminaires 30 min

Commander le servomoteur manuellement (potentiometre ou programme simple)
Observer l'effet sur le gobelet a differents angles
Identifier le besoin d'un controle automatique

Livrable : Schema fonctionnel du systeme + schema bloc boucle fermee + comparaison des 2 methodes de detection

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Analyse du besoin

Etude comparative et cahier des charges · 2h

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Etude comparative des methodes 40 min

Capteur d'effort : avantages (precision, mesure directe), inconvenients (cout, encombrement)
Mesure courant : avantages (pas de capteur supplementaire, simple), inconvenients (indirect, moins precis)
Tableau comparatif : prix, complexite de mise en oeuvre, performance, fiabilite
Justifier le choix retenu pour le projet

Cahier des charges fonctionnel 40 min

Force maximale de serrage : definir le seuil a ne pas depasser
Ouverture suffisante pour accueillir un gobelet standard
Epaisseurs des pieces constantes (contrainte impression 3D, min 2 mm)
Temps de reaction : fermeture progressive, arret immediat au seuil

Diagramme FAST 40 min

Saisir un objet → Fermer les machoires → Servomoteur + bielles
Controler l'effort → Mesurer la force → Capteur d'effort + Arduino
Proteger l'objet → Arreter le serrage → Boucle de controle logicielle

Livrable : Tableau comparatif des methodes + cahier des charges fonctionnel + diagramme FAST

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Conception

Modelisation de la pince sous SolidWorks · 2h

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Analyse du modele existant 30 min

Ouvrir l'assemblage SolidWorks de la pince actuelle
Identifier les pieces : machoires, bielles, axe servo, corps
Comprendre la cinematique du mecanisme (bielles-manivelle)

Conception des nouvelles machoires 60 min

Conserver la cinematique existante (memes points de pivot)
Augmenter l'ouverture pour accueillir un gobelet standard
Integrer l'emplacement du capteur d'effort sur la machoire
Respecter les epaisseurs constantes (min 2 mm, contrainte impression 3D)

Export et preparation 30 min

Verifier l'assemblage complet avec les nouvelles pieces
Exporter les pieces en STL pour impression 3D
Realiser la mise en plan cotee

Livrable : Modele 3D des nouvelles machoires + fichiers STL + mise en plan

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Simulation

Modele Matlab Simulink et validation · 2h

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Decouverte du modele Simulink 30 min

Ouvrir le modele Matlab Simulink fourni
Identifier les blocs : consigne, correcteur, servo, capteur, retour
Comprendre les parametres du modele (gain, constante de temps)

Validation theorique 30 min

Simuler la boucle de controle avec differents seuils d'effort
Observer la reponse temporelle (temps de montee, depassement)
Verifier que le systeme se stabilise sans oscillations

Comparaison simulation / reel 45 min

Realiser des mesures reelles : effort en fonction de l'angle du servomoteur
Superposer les courbes simulation et mesures experimentales
Analyser les ecarts entre le modele et la realite

Analyse et ajustement 15 min

Identifier les sources d'ecart (frottements, jeu mecanique, non-linearites)
Proposer des ajustements du modele si necessaire

Livrable : Rapport de simulation avec courbes theoriques vs experimentales + analyse des ecarts

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Programmation

Etalonnage capteur et boucle de controle · 2h

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TP Servomoteur 20 min

Commander le servomoteur avec Arduino (bibliotheque Servo.h)
Balayer les angles de 0° a 180° progressivement
Identifier la plage utile pour la pince

Etalonnage du capteur d'effort 40 min

Placer des masses connues sur le capteur (50g, 100g, 200g, 500g...)
Relever la valeur analogique correspondante (0-1023)
Tracer la courbe et determiner la loi : F = a × valeur + b
Integrer la loi d'etalonnage dans le programme Arduino

Boucle de controle d'effort 60 min

Algorithme : fermer progressivement les machoires (incrementer l'angle servo)
A chaque pas : lire la valeur du capteur d'effort
Condition d'arret : si effort >= seuil, stopper le servomoteur
Afficher l'effort en temps reel sur le moniteur serie
Tester avec differents seuils et observer le comportement

Livrable : Programme Arduino fonctionnel avec etalonnage capteur + boucle de controle d'effort

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Realisation & Tests

Assemblage, challenge final et presentation · 2h

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Assemblage des nouvelles machoires 30 min

Monter les machoires imprimees en 3D sur la pince
Installer le capteur d'effort sur la machoire
Verifier le cablage complet (servo + capteur + Arduino)

Tests unitaires 30 min

Tester la pince seule : ouverture/fermeture sans objet
Tester le capteur seul : verifier la loi d'etalonnage
Tester la boucle de controle : verifier l'arret au seuil

Challenge final 40 min

Epreuve : Saisir un gobelet plastique sans le deformer
Soulever le gobelet et le maintenir 10 secondes
Reposer le gobelet sans dommage
Criteres : gobelet non deforme, prehension stable, temps de reaction

Presentation orale 20 min

Presenter le projet : problematique, demarche, resultats
Montrer la demonstration en direct
Repondre aux questions, analyser les performances obtenues

Livrable : Prototype fonctionnel + demonstration du challenge + presentation orale

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