Exemple d'activités CPGE

Attention : Lors de l'exploitation pédagogique de la cheville, veuillez utiliser la version des documents se trouvant sur le DVD fourni avec le système.

Présentation
Vous trouverez ci-joint la présentation des activités pédagogiques développées autour du module d'étude d'asservissement "Pied + Cheville de NAO".

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- NA11-TP-CPGE-Presentation.pdf [717Ko]

TP : Influence de la position du capteur
Problème technique
Pour assurer au robot NAO des performances élevées, le constructeur a choisi d’asservir la position des axes de tangage et de roulis de sa cheville.
De façon à prédire les performances du mécanisme, nous nous proposons ici de tester plusieurs configurations de la structure de l’asservissement en tangage et d’en voir les influences sur les performances : stabilité, rapidité, précision.

Table des matières
1. Prise en main de l’ensemble Cheville
2. Analyse structurelle de l’asservissement
3. Etude expérimentale indicielle de la structure asservie de tangage
4. Etude de la chaine asservie avec le capteur reducteur (ou sortie tibia)
5. Etude de la chaine asservie avec le capteur moteur
6. Etude expérimentale harmonique de la structure asservie de tangage
7. Diagnostic et synthèse

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 - NA11-TP-CPGE-position-capteur.pdf [1Mo]

 
TP : Modèle de comportement Tangage
Problème technique
Pour assurer au robot NAO des performances élevées, le constructeur a choisi d’asservir la position des axes de tangage et de roulis de sa cheville.
De façon à prédire les performances du mécanisme, nous nous proposons ici de construire un modèle de comportement (identification expérimentale de l'asservissement en tangage, avec globalement influence jeux, limitations, frottements,.. ) et plus particulièrement influence des inerties sur les performances : stabilité, rapidité, précision.

Objectif et démarche
La démarche d’identification permet la caractérisation d’un modèle associé à ce système, à partir de relevés expérimentaux.
L’objectif de ce TP est de construire le schéma bloc de l’asservissement et de déterminer les valeurs numériques des coefficients relatifs aux fonctions de transfert correspondantes.
Le système est excité à partir d’entrées connues (échelon pour une identification temporelle ou sinusoïde pour une identification fréquentielle) et les mesures des sorties correspondantes sont analysées pour permettre de mettre en place le ou les modèles associés.
Enfin, le diagnostic des écarts entre les résultats théoriques et les réponses expérimentales permet de se prononcer sur la représentativité de cette modélisation.

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 - NA11-TP-CPGE-modele-comportement-tangage.pdf [1.42 Mo]

TP/Cours : Influence des corrections P & I
Cette activité s’inscrit dans le cadre d’un « TP cours »
Problème technique
Pour assurer au robot NAO des performances élevées, le constructeur a choisi d’asservir la position des axes de tangage et de roulis de sa cheville.
De façon à prédire les performances du mécanisme, nous nous proposons ici de constater expérimentalement l’influence des corrections proportionnelle et intégrale.

Table des matières
1. Etude expérimentale : influence de la correction Proportionnelle
2. Etude expérimentale : influence de la correction Intégrale

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 - NA11-TP-CPGE-influence-corrections-pi.pdf [675Ko]

TP: Modélisation Frottement
Problème technique
Pour assurer au robot NAO des performances élevées, le constructeur a choisi d’asservir la position des axes de tangage et de roulis de sa cheville.
De façon à simuler les performances du mécanisme, l’objet de ce TP est d’observer l’axe de tangage au travers de plusieurs mesures pour en déduire expérimentalement un modèle de comportement du frottement sur cet axe, puis de le valider sur la cheville pilotée.

Objectif et démarche
La démarche d’identification permet la caractérisation d’un modèle associé au phénomène de frottement sur cet axe, à partir de relevés expérimentaux.
Dans un premier temps, l’objectif de ce TP est de s’approprier la transmission de l’axe de tangage en construisant son schéma cinématique au travers de son démontage.
Ensuite, plusieurs séries de mesures seront réalisées pour identifier le modèle de comportement du frottement, tout en essayant de localiser ce phénomène dans la transmission.
La cheville est excitée à l’aide d’un dynamomètre fixé sur extrémité du tibia de Nao.
Enfin, l’analyse de l’évolution du couple moteur en fonction de la pente d’une rampe en entrée permettra de valider les premières mesures.

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TP: Correcteur et Frottement
Problème technique
Une modélisation, sans prise en compte du frottement, est tout d’abord proposée dans ce TP.
Différentes mesures, utilisant différents gains du correcteurs, permettent ensuite de mettre en évidence le phénomène de frottement.
Pour finir, un enrichissement du modèle et une simulation permettent d’identifié une valeur « globale » de frottement.

Table des matières
1. Prise en main de l’ensemble Cheville
2. Analyse structurelle de l’asservissement
3. Mise en évidence de l’effet d’un correcteur Proportionnel à une entrée échelon
4. Modélisation et simulation, première mise en évidence du phénomène de frottement
5. Mise en évidence de l’effet d’un correcteur Proportionnel Intégral à une entrée échelon
6. Mise en évidence du phénomène de frottement en analysant les mesures
7. Modélisation et simulation, identification du couple de frottement

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TP: Convertisseur statique DC-DC
Problème technique
Le Robot Nao, créé par la société Aldebaran, est avant tout un démonstrateur.
L’objectif final est de réaliser un robot d’aide à la personne plus grand : Roméo.
Cette étude porte uniquement sur un sous-ensemble du robot, la cheville.
En effet, les solutions retenues pour les 2 robots sont très proches.
Les chevilles possèdent 2 axes de rotation (roulis et tangage), le contrôle de la position angulaire de ces axes est fondamental.
Les contraintes mécaniques sur Roméo sont telles qu’il est nécessaire d’imbriquer 3 boucles de régulation (courant, vitesse et position).
On s’intéresse, dans ce TP, à la réalisation de la boucle de courant.
On propose après une rapide prise en main du robot Nao et du sous-système cheville :
- D’analyser la solution technique utilisée pour mesurer le courant moteur,
- De valider ou non son intégration dans une boucle de courant,
- De proposer des alternatives.

Objectif et démarche
Les compétences visées au terme de la séance sont d’être capable de :
- Justifier les choix effectués au regard du cahier des charges,
- Identifier les régimes de fonctionnement mécanique (fonctionnement dans 1, 2 ou 4 quadrants),
- Analyser le fonctionnement du convertisseur (formes d'ondes des tensions et des courants).

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 - NA11-TP-CPGE-convertisseur-statique-DC-DC.pdf [646.19 Ko]

Exemple d'activités SSI

Attention : Lors de l'exploitation pédagogique de la cheville, veuillez utiliser la version des documents se trouvant sur le DVD fourni avec le système.

Problème technique

Pour assurer au robot NAO des performances élevées, le constructeur a conçu la chaîne d'énergie des axes de tangage et de roulis en prenant en compte les phénomènes liés au déplacement des masses à vitesse variable.

Afin de valider la motorisation d’un des deux axes, nous proposons ici d'identifier une simulation du couple moteur ; la représentativité de cette simulation sera validée en faisant varier la masse, l’accélération et la position du centre de gravité.

Objectif et démarche

La démarche d’identification permet la caractérisation d’un modèle associé à ce système, à partir de relevés expérimentaux.

L’objectif de ce TP sera d'identifier, à partir d'expériences, les phénomènes liés à l'inertie des masses pouvant perturber le comportement global de la cheville, et leur conséquence sur le couple moteur nécessaire pour atteindre une position.

Le système sera excité en boucle ouverte avec comme variables la position du point sur lequel la masse est concentrée, la valeur de la masse et la durée imposée pour atteindre la position voulue.

Ensuite, à l'aide de Simulink, la simulation du comportement de la cheville sera validée en observant l’évolution de la vitesse en fonction du couple moteur.

Enfin, le diagnostic des écarts entre les résultats simulés et les réponses expérimentales permettra de valider la représentativité de cette modélisation en vue de la validation de la motorisation.

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 - NA11-TP-SSI-dynamique.pdf [792Ko]

Exemple d'activités STI2D

Attention : Lors de l'exploitation pédagogique de la cheville, veuillez utiliser la version des documents se trouvant sur le DVD fourni avec le système.

Exemple de documents fournis

Attention : Lors de l'exploitation pédagogique de la cheville, veuillez utiliser la version des documents se trouvant sur le DVD fourni avec le système.

Notice de prise en main du logiciel de pilotage/acquisition

Vous trouverez ici un document de prise en main du logiciel de pilotage/acquisition du module d'étude d'asservissement "Pied + Cheville de NAO".

Téléchargement :
 - NA11-prise-en-main.pdf [550Ko]

Fiche de présentation de la modélissation SinusPhy

Le module d'étude d'asservissement "Pied + Cheville de NAO" est modélisé avec Sinusphy pour permettre une simulation de son comportement.
La partie mécanique du modèle a été définie avec Méca3D pour permettre une étude dynamique du comportement.

Téléchargement :
 - NA11-Modelisation-SinusPhy.pdf [570Ko]

Fiche de présentation de la modélisation Meca3D

Ce document présente les éléments suivants :
1. Modélisation Meca3D de la cheville de NAO : modèle cinématique, analyse cinématique
2. Modèle dynamique : Masses et inerties, modélisation des efforts, simulation

Téléchargement :
 - NA11-Modelisation-Meca3D.pdf [546Ko]

Ficher de présentation du modèle Matlab de la cheville de NAO

Le document ci-joint présente trois modélisations de la cheville.
Un seul modèle avec jeu et frottement est trop gourmand en temps de calcul.

- Un modèle avec du jeu entre l’arbre moteur et l’articulation de la cheville.
- Un modèle avec des frottements secs et visqueux au niveau de l’articulation de la cheville.
- Un modèle simplifié pour avoir des déplacements rapides.

Les deux modèles sont faits à partir de la même base : modélisation des pièces et des liaisons sous Solidworks puis création des moteurs et de la chaine d’asservissement sous Matlab.

Téléchargement :
 - NA11-Modele-Matlab.pdf [640Ko]

Interface d'acquisition de données capteurs pour NAO

Un professeur de l'académie de Nancy Metz a conçu un logiciel permettant l'acquisition de données capteurs de NAO, visualisation sur un graphique et export des données sous format CSV et Excel.

Le logiciel est disponible à l'adresse : http://mecatools.fr/index.php?mod=mecatools&ac=page&var=naosoft
Pour contacter l'auteur : david.fournier@ac-nancy-metz.fr