Des robots parmi les hommes

Séquence 3 : construisons un robot mobile !
Auteurs : Fatima Rahmoun(plus d'infos)
Emmanuelle R.(plus d'infos)
Elodie Gréa(plus d'infos)
Katia Allegraud(plus d'infos)
Résumé :
Les élèves construisent un robot mobile capable de changer de trajectoire lorsqu’il heurte un obstacle. Durée : 7 heures.
Publication : 13 Janvier 2015
Objectif :
Extraire d’un dessin, d’un plan, d’un schéma, d’un éclaté ou d’une nomenclature les informations utiles pour la fabrication ou l’assemblage d’un objet technique. Utiliser rationnellement matériels et outillages dans le respect des règles de sécurité. Réaliser un assemblage ou tout ou partie d’un objet technique.
Matériel :
Par élève : un document comportant le schéma de montage et les étapes de fabrication. Il est vivement conseillé de l’imprimer en couleur pour plus de lisibilité. Attention : selon le matériel utilisé, il sera peut-être nécessaire d’adapter ce document. En effet, la position des pattes COM, NC et NO est différente selon les microrupteurs et le nombre de pattes des interrupteurs peut varier.
 
Pour chaque robot :
  • 1 support de piles AA
  • 2 piles AA
  • 2 petits moteurs électriques à courant continu 1,5 à 3 V
  • 2 microrupteurs
  • 1 mini-interrupteur
  • Du carton
  • Du fil électrique (utiliser du fil suffisamment souple, par exemple de section 0,2 mm2).
Par groupe :
  • 1 cutter
  • 1 pistolet à colle
  • 1 pince coupante
  • 1 pince à dénuder
  • 1 pince bec
  • Du fil d’étain
  • 1 fer à souder
  • 1 éponge humide (pour nettoyer la panne du fer à souder, c'est-à-dire sa pointe)
  • 1 réglet
  • 1 équerre
  • 1 rapporteur
  • Des attaches parisiennes 
  • Des cure-dents
  • Des pailles.
 
Pour la classe (pour garder trace du travail) :
  • Des appareils pour prendre des photographies et réaliser une captation vidéo.
 
Une partie du matériel nécessaire
 
Remarque : le coût total des consommables nécessaires à la conception de 50 robots est d’environ 100 €.
 

Avertissement

Ce module est proposé dans le cadre de l’EIST. Nous invitons les enseignants de sciences physiques et de sciences de la vie et de la Terre à s’appuyer sur les compétences du professeur de technologie. Ce dernier saura les accompagner dans l’appropriation des savoirs et savoir-faire indispensables pour mettre en œuvre cette séquence avec des élèves en leur expliquant le fonctionnement de certains outils, les règles de sécurité inhérentes à leur utilisation, etc. 
Nous ne saurions trop recommander à l’équipe pédagogique de fabriquer à l’avance un robot afin, d’une part, que chaque enseignant puisse se familiariser avec le matériel et, d’autre part, d’identifier les difficultés techniques ainsi que les différentes causes de panne possibles.
 
Le schéma de montage et les étapes de fabrication du robot sont largement inspirés du tutoriel en ligne à l’adresse suivante :
www.robot-maker.com/index.php?/tutorials/article/8-cocotix/
 

Séance 1 : d’abord réfléchir…

Durée : 30 minutes.

Situation déclenchante

L’enseignant demande aux élèves de rappeler ce qu’ils ont appris à faire lors de la séquence 2. Il indique que ces connaissances et savoir-faire vont être utilisés pour fabriquer un robot mobile capable de modifier sa trajectoire lorsqu’il rencontre un obstacle. Mais, avant de démarrer la réalisation concrète du robot, il est nécessaire d’identifier les fonctions que celui-ci devra remplir afin de pouvoir définir les éléments dont il sera composé. 

Activité

Le professeur montre une vidéo du robot en action en donnant au préalable la consigne suivante : « observez le robot en fonctionnement et identifiez les différentes fonctions qu’il doit pouvoir réaliser ».
 
 
Les élèves notent individuellement leurs idées sur leur « cahier d’expériences ».
NB : il sera peut-être nécessaire de montrer plusieurs fois la vidéo aux élèves et d’attirer leur attention sur la manière dont il se dégage des obstacles. Il est aussi possible de réaliser un robot en amont de la séance et de faire une démonstration à la classe.
 
Puis, les élèves sont répartis en groupes. Ils disposent de 10 minutes pour :
  • se mettre d’accord sur les fonctions du robot,
  • faire la liste des composants indispensables à la réalisation de ces fonctions.

Mise en commun et trace écrite

Chaque groupe expose ses conclusions à la classe. 
Avec l’aide de l’enseignant, les élèves formulent que le robot devra être capable de :
  • se déplacer seul (sans aide extérieure) en ligne droite sur le sol ou sur un support plan et rigide,
  • reculer quand il rencontre un obstacle, puis avancer de nouveau lorsqu’il n’est plus au contact de celui-ci,
  • être mis en marche et arrêté…
… et qu’en conséquence, le robot sera composé des éléments suivants :
  • une/des pile(s) pour apporter de l’énergie,
  • des roues (nombre ?) pour se déplacer sur une surface plane,
  • un/des moteur(s) (nombre ?) pour faire tourner les roues, 
  • des microrupteurs pour inverser le sens du courant dans le(s) moteur(s), donc inverser le sens de rotation des roues et pouvoir reculer,
  • un interrupteur pour mettre en marche et arrêter le robot,
  • des fils électriques pour connecter les différents éléments entre eux,
  • un support/un châssis pour porter les éléments autres que les roues de sorte qu’ils ne « traînent » pas par terre (matériau pour ce support au regard des contraintes de masse et de solidité ?).
La classe élabore une synthèse collective que les élèves notent sur leur « cahier de cours ».

Séance 2 : … puis agir !

Durée : 6 heures 30.

Démarrage de l’activité (25/30 minutes)

La classe se remémore la liste des composants du robot élaborée lors de la séance précédente, tout en précisant le rôle de chaque élément. 
L’enseignant distribue à chaque élève la marche à suivre pour réaliser le robot. Il leur demande de la lire individuellement et de noter leurs éventuelles remarques et questions sur leur « cahier d’expériences ».
 
Une fois la lecture achevée, l’enseignant demande aux élèves de comparer les informations contenues dans le document avec le travail de réflexion qu’ils ont mené lors de la séance précédente. La discussion est l’occasion de relever que de nombreux éléments sont communs (piles, microrupteurs, fils, etc.) et de pointer les différences, mais également certaines précisions :
  • les roues sont remplacées par des moteurs, le robot se déplaçant grâce à la rotation de leur axe,
  • un support de pile est nécessaire,
  • le robot a trois points d’appui au sol (deux moteurs + une attache-parisienne ou autre), 
  • le châssis est en carton, matériau léger et suffisamment solide pour supporter le poids des divers composants,
  • etc.
Le professeur précise ensuite plus finement le principe de fonctionnement du robot. Celui-ci se déplace en ligne droite grâce à la rotation des axes des moteurs qui tournent l’un dans le sens des aiguilles d’une montre (le moteur gauche) et l’autre dans le sens contraire (le moteur droit). Lorsque le robot rencontre un obstacle, le microrupteur heurté va changer le sens du courant circulant dans le moteur opposé. Ce dernier se met alors à tourner dans l’autre sens permettant au robot de reculer et de pivoter et, ainsi, de se dégager de l’obstacle. Lorsque la pression exercée sur le microrupteur se relâche, le courant reprend son trajet initial, le sens de rotation de l’axe du moteur change et le robot avance de nouveau en ligne droite.
 
L’enseignant reprend les différentes étapes du travail en insistant sur les consignes de sécurité (risques de coupures et de brûlures) et l’importance de travailler dans le calme :
  • Tracer le contour du châssis grâce au réglet, à l’équerre et au rapporteur, découper le carton au cutter (protection des personnes et des tables).
  • Découper et dénuder les fils (identification des différents types de pinces).
  • Coller les éléments sur le support (protection des personnes et des tables).
  • Souder les fils (protection des personnes – cheveux attachés, nettoyage régulier de la panne du fer avec une éponge humide afin d’éviter que de boules d’étain ne s’accumulent et ne soient projetées – et des tables).
L’enseignant répond aux questions des élèves qui subsisteraient après ces explications.
 
Voici quelques points de vigilance à signaler :
  • La position des microrupteurs sur le châssis est importante pour une bonne détection des obstacles.
  • Le soin apporté aux soudures est fondamental. Il faut veiller à ne chauffer que les parties métalliques à souder (fil d’étain et portions dénudées des fils) et pas les composants, au risque de les détériorer. Il est également essentiel que les soudures proches restent bien individualisées, sans contact.
  • Enfin et surtout, le respect des branchements conditionne la réussite du projet. Une erreur dans les connexions compromet invariablement le fonctionnement du robot. C’est le premier point à vérifier en cas de robot non fonctionnel. Si, au lieu de se dégager des obstacles, le robot reste bloqué, c’est peut-être le signe que les moteurs sont mal raccordés aux microrupteurs. Ci-dessous, la photographie de gauche illustre cela : le microrupteur droit est relié au moteur droit et le microrupteur gauche au moteur gauche.
À gauche, un montage incorrect ; à droite, le montage correct.
  • L’équilibrage des moteurs a aussi son importance. Si ceux-ci ne sont pas fixés avec la même inclinaison sur le châssis, le robot risque de tourner en rond. C’est aussi le cas si les deux moteurs tournent dans le même sens. 

Réalisation des robots (5 heures 30 environ)

Les élèves se répartissent en groupe de trois ou quatre et travaillent en autonomie. L’enseignant circule dans les groupes pour rappeler les consignes de sécurité et aider les élèves chaque fois que nécessaire.
Dénuder des fils, souder sont des gestes techniques qui nécessitent dextérité, patience et précision et que les élèves acquièrent au bout de quelques essais.
Une fois leur robot réalisé, les élèves testent son fonctionnement. Le cas échéant, ils recherchent les causes de panne et y remédient. Des photographies et des vidéos des robots sont réalisées.
 

Tracer (1), couper (2 et 5), dénuder (3), souder (4), coller (6)… le début du travail en images.

 

Réaliser le montage (7 et 8), tester (9), obtenir un robot fonctionnel (10), finaliser (11 et 12).

Bilan et trace écrite (20 minutes)

L’enseignant interroge les élèves sur les difficultés rencontrées lors de la fabrication des robots et les solutions apportées. Le document indiquant la marche à suivre est collé dans le « cahier de cours ».
On peut envisager de demander aux élèves de rédiger un compte-rendu individuel de leur travail, dans lequel seront insérées les photographies et/ou les vidéos.  

Prolongement

Au lieu d’utiliser du carton pour le châssis, on peut employer du PVC qui sera alors usiné à la fraiseuse.