Expo-Sciences

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Qu'est-ce qu'une Expo-Sciences?

Vous venez tout juste de vous inscrire à l'expo-sciences. Dans six semaines, ou six mois, ce sera VOUS qui expliquerez à 5000 visiteurs, et quelques évaluateurs, la nature de la photosynthèse, ou les applications du logiciel que vous avez inventé. Bref, tout ce que votre projet vous a fait découvrir, et que vous souhaitez maintenant, bien sûr, faire découvrir aux autres.

Pendant trois jours, debout à votre stand, il vous faudra captiver votre public, parler avec votre corps autant qu'avec votre bouche et écouter avec votre intelligence et votre sensibilité autant qu'avec vos oreilles. En un mot, communiquer...

L'expérience peut être pénible - surtout si vos espadrilles sont trop serrées! - ou fabuleuse, si vous avez pris soin de vous y préparer soigneusement.

Vous devez composer un rapport écrit, qui est votre porte-parole; il passera dans les mains des organisateurs, à celles de visiteurs et bien sûr, des juges, sans compter les parents, cousins, cousines et amis. C'est aussi ce qui vous restera comme la synthèse caire, articulée et complète de ce que vous avez réalisé.

Trois types de projets

Il y a trois types de projets différents:

L'objectif fondamental d'un projet de vulgarisation, c'est d'explorer un sujet donné en présentant, de la façon la plus claire, complète et accessible possible, l'état des connaissances existantes à son propos.

L'objectif fondamental d'un projet d'expérimentation, c'est d'explorer un sujet donné en faisant appel à la méthode scientifique: furmulation d'une hypothèse, vérification de l'hypothèse par la prises de données et l'analyse des résultats obtenus, et confirmation ou infirmation de l'hypothèse.

L'objectif fondamental d'un projet de conception d'appareil ou de logiciel, comme son nom l'indique, est de concevoir et réaliser ou améliorer un prototype, une technique ou on dispositif.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               

Les deux projets que j'ai présentés

Le premier robot que j'ai fait n'a pas été un grand succès. Non seulement il fonctionnait très mal, mais je ne me suis même pas présenté à l'expo-sciences. Il était fait d'un mélange douteux de blocs LEGO et d'un derrière d'auto téléguidée pour enfants. Même s'il était contrôlé par ordinateur, ses mouvements étaient trop vagues et imprécis.

Le passage à la fabrication moderne à base de métal donna des résultats beaucoup plus prometteurs. En remplaçant les LEGO et la colle chaude par des rivets et des vis, j'ai pu atteindre un degré énorme de précision, en comparaison avec le robot précédent, soit de l'ordre de plus ou moins deux milimètres. Voici donc une série de photos qui vous permettront de bien vous représenter le robot.

Vous voyez ici le robot seul, sans ses circuits de contrôle. Le robot est tenu au-dessus de son espace de travail par une structure d'acier, que mon père m'a fait faire. Cette structure est démontable, pour faciliter le transport. L'espace de travail est composé de la table (à gauche), de la sonde (au centre), et des pots de déversement. Pour l'expo-sciences, j'ai assigné comme tâche au robot de trier des échantillons liquides contenus dans des petits pots de pilules.
Dans ces pots, il y avait soit de l'eau saine, ou "propre", soit de l'eau contaminée, ou "sale". Le robot prenait donc chaque pot un par un, pour les introduire dans l'orifice de la sonde. Dans celle-ci, le liquide est traversé d'un rayon lumineux: une source de lumière est placée à une extrémité, et une cellule photoélectrique à l'autre extrémité. Puisque l'eau contaminée laisse très peu passer la lumière, la sonde est capable de détecter la présence d'eau contaminée. Grâce à cette information, le robot va verser le liquide dans son contenant respectif.


Voici maintenant ce qu'avait l'air mon stand à l'expo-sciences régionale de la Montérégie, à la polyvalente Sorel-Tracy, à Tracy (Québec, Canada), en avril 1995. Le robot avec son espace de travail est à gauche. À droite complètement, vous avez l'ordinateur qui exécutait le programme BASIC qui permet au robot d'agir avec une certaine cohérence :-). Au centre, il y a moi (!), mais aussi la boîte d'interface de puissance et de connections, qui est reprise en gros plan plus bas.


Voilà la boîte d'interface de puissance et de connections. Kosséça? Un ordinateur ne serait pas capable de faire tourner des gros moteurs comme ceux utilisés par le robot, puisqu'il fournit un courant de quelques dizaines de miliampères seulement, alors que les moteurs consomment entre 500 et 2000 miliampères (0,5 à 2 ampères). C'est pourquoi j'avais besoin de ce module, pour permettre à un petit courant, d'en contrôler un plus grand. On pourrait comparer ça à un amplificateur de radio, si on veut.

Mon rapport

Pour continuer, voici le rapport que j'avais rédigé à l'intention du jury, avant que ne commence l'événement. Il a été présenté à l'Expo-Sciences Bell de 1995, finale régionale.

Projet "Robot trieur"

Je m'étais fixé comme premier but de construire un robot capable de saisir des objets avec un électro-aimant. Ayant fait ce robot, j'ai eu tôt fait de remplacer l'électro-aimant par une pince, beaucoup plus précise. J'ai aussi changé le mécanisme de montée et de descente de celle-ci, le premier étant extrêmement lent. Ce qu'ont donné tous ces efforts est un robot haut d'environ un mètre, fixe (n'a pas de roues) et muni d'une pince. Avec cette dernière, je trie des petits pots de pilules remplis d'eau, soit sale, soit propre, et je verse cette eau dans un récipient correspondant à l'état de l'eau. Le tout est contrôlé par ordinateur par le biais de la carte d'interface CAMÉLÉONmd.

Fonction de l'appareil

Ce robot sert à classer des pots contenant soit de l'eau propre ou de l'eau sale (plus sombre que l'eau claire). L'objectif poursuivi était de saisir les pots, d'analyser la clareté du contenu et de les verser dans le récipient approprié.

Conception et réalisation

L'appareil est motorisé avec des moteurs pas à pas. Ces derniers sont d'une puissance non négligeable mais leur principal avantage est leur très grande précision.

Le mouvement sur l'axe des x se fait avec un moteur inclus dans un chariot d'imprimante. Le mouvement sur l'axe des y est effectué de la même façon que sur l'axe des x. C'est une courroie ou un fil de métal, relié à l'arbre du moteur et au deuxième chariot (placé sous le premier), qui fait se déplacer celui-ci.

Le mécanisme qui a pour but de faire monter et descendre la pince est accroché sous le deuxième chariot. Le fonctionnement reste presque identique à celui des chariots. Seulement, il est placé à la verticale.

La pince, située au bout du mécanisme décrit ci-dessus, est de conception fort simple. Il s'agit de deux moteurs branchés en parallèle (ils vont donc tourner selon les mêmes angles); une lame de métal fixée sur chaque axe, sert de "doigt". Une vis est fixée au bout de chacune des lames. Les vis servent à accrocher les pots, qui ont été préalablement munis de supports spéciaux.

Pour que mon robot puisse fonctionner, j'ai besoin d'un ordinateur et de deux interfaces. La première, l'interface CAMÉLÉON, sert d'intermédiaire entre l'ordinateur et une deuxième interface que j'ai construite pour répondre à mes besoins. L'interface CAMÉLÉON m'a été prêtée par mon professeur de Sciences Physiques de secondaire 4, à qui je suis extrêmement reconnaissant.

Hélas, la carte d'interface CAMÉLÉON ne comporte pas suffisamment de sorties pour y brancher directement tous les éléments du robot. Aussi, sa puisssance est trop faible pour offrir un rendement acceptable pour les moteurs pas à pas. J'ai donc dû me fabriquer une autre interface qui multiplie le nombre de sorties possibles, et qui en augmente la puissance. Cela m'a été rendu possible grâce aux avantages de la carte CAMÉLÉON. En effet, celle-ci peut, sur chacune des sorties, inverser la polarité électrique. N'ayant pas besoin de cette possibilité avec les moteurs pas à pas utilisés, j'ai pu, à l'aide de diodes (composants électroniques qui laissent passer l'électricité que dans un sens), brancher deux bobines du moteur sur une seule sortie.

La programmation est faite en langage BASIC, principalement avec l'instruction "OUT". C'est avec celle-ci que de je "dis" à l'ordinateur de faire fonctionner telle ou telle sortie de la carte d'interface. J'ai commencé à étudier par moi-même ce langage il y a environ deux ans. J'ai commencé la réalisation de mon robot en juin 1994. Pendant la confection de mon robot, j'ai beaucoup appris sur le BASIC. La structure principale du programme est simple. Il s'agit de sous-programmes. Si, par exemple, je veux faire descendre la pince de 4 centimètres, il faut que je donne des valeurs aux variables nécessaires (NbPas=25: dit que le nombre de pas à faire est de 25), et ensuite appeler le sous-programme. Il va effectuer ce que je lui ai demandé, par l'intermédiaire des variables.

Mon appareil présente un aspect innovateur dans la manière dont fonctionne la pince. Normalement, on utilise un moteur, qui fait tourner des engrenages pour obtenir deux "doigts". J'ai utilisé deux moteurs branchés ensemble, contrôlant chacun un "doigt".

Un autre aspect innovateur est la manière de verser. Habituellement, c'est un moteur qui joue le rôle de poignet qui fait pivoter le récipient. La technique que j'ai adoptée est plus simple et requiert moins de fils à brancher. C'est tout simple: la pince tient un pot par le haut. Le robot fait basculer le pot sur une tige de métal pour en verser le contenu.

Analyse du rendement

Mon appareil rempli bien la fonction que je lui avait donnée. Mais un inconvénient est que le robot est tellement précis, qu'on a de la difficulté à placer les pots à l'endroit exact où ils seront pris par la pince.

Je compte apporter plusieurs améliorations à mon projet. Je ferais des modifications au niveau de la manière de diriger les moteurs, de la façon de multiplier les sorties et aussi au niveau de la programmation qui sera plus axée sur la POO (Programmation orientée objet). Cette dernière technique consiste à limiter le plus possible le nombre de lignes de programmation. C'est possible en évitant tout simplement les répétitions. Maintenant, ce que j'améliorerais au niveau des moteurs serait de les alimenter en demi-pas. Cette méthode réduit d'au moins 80% le bruit généré et leur donne une plus grande force.

Une fois le tout terminé, il devient facile de remplacer la pince par un crayon, un pinceau, une perceuse, un fer à souder, etc. Il serait même possible d'enlever la pince, mettre un moteur qui ferait un "poignet" et d'ajouter au bout de celui-ci, ce qui nous plaît!

Tout cela est bien beau mais il faut se rappeler que le champ d'action de la pince est relativement restreint. Aussi, le robot n'est pas doté d'une force inimaginable... Il faut donc tout de même penser à cela avant d'envisager de le munir d'une perceuse que le robot ne serait même pas capable de soulever!

Nicolas Marchildon,
Le 12 février 1995

Bibliographie

Mon expérience

Suite à ma défaite à la Super Expo-Sciences Bell, finale Québécoise, j'ai réfléchi à plusieurs choses, concernant ma participation à l'Expo-Sciences.

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Par Nicolas Marchildon