Agence spatiale canadienne
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Historique
Le mot « robot » est apparu pour la première fois en 1921 dans une pièce de Karel Capek, Rossum's Universal Robots. On y parlait de machines intelligentes qui perdent pied lorsqu'on leur donne des émotions et qui finissent par comploter pour détruire la race humaine.
Les robots deviennent populaires en 1926 grâce à Metropolis, un classique de la science-fiction dans lequel un robot tueur (déguisé en femme séduisante appelée Maria) tente de détruire le monde.
Ce ne fut pas un très bon départ pour les relations hommes-robots!
Ce n'est qu'en 1942, lorsqu'Isaac Asimov commença à écrire sa série d'histoires sur les robots dans lesquelles ces derniers étaient spécialement conçus pour servir l'homme, que nos opinions sur les robots ont changé.
Même si notre première introduction aux robots de fiction peut avoir évoqué la peur et la suspicion, les vrais robots jouent maintenant un rôle essentiel dans notre vie quotidienne en contribuant à notre confort, à notre santé et à notre sécurité.
Qu'est-ce qu'un robot?
Dans sa forme la plus élémentaire, le robot est une machine; mais ce qui distingue le plus facilement un robot
d'une machine ordinaire, c'est qu'un robot a l'air « intelligent ». Les robots semblent disposer d'un
certain degré d'intelligence. Nous concluons généralement à une certaine intelligence de la machine
à partir de son comportement ou de ses actions. En d'autres mots, la différence la plus importante
entre un robot et d'autres types de machines, c'est qu'un vrai robot peut démontrer un
comportement autonome
et intelligent.
On peut observer la capacité d'un robot élémentaire à faire preuve d'un « comportement intelligent » grâce aux critères suivants :
- changement dans le temps : le robot doit exécuter une tâche à un moment précis ou après un laps de temps prévu;
- changement de lieu : le robot doit exécuter une tâche à un endroit donné;
- changement d'environnement : le robot doit exécuter une tâche à une température, à une pression, à un niveau de radiation prédéterminés.
Notez que dans tous les cas, le robot doit être programmé pour reconnaître les conditions qui lui permettront de réagir avec un « comportement intelligent ».
Un robot réellement « intelligent » est celui qui peut modifier sa propre programmation (et donc son comportement) pour s'adapter aux changements de conditions.
Robots et contrôle à distance
Il faut prendre garde de ne pas confondre les robots et les machines télécommandées. Ainsi, les avions téléguidés ne sont pas réellement des robots étant donné qu'ils sont toujours (espérons-le) sous le contrôle direct d'un observateur humain, alors qu'un simple grille-pain est un appareil robotisé car il peut être programmé pour démontrer un comportement autonome intelligent (il « éjecte » des rôties parfaitement grillées sans intervention humaine).
Les étonnants Canadarm et Canadarm2 sont des machines à la fois robotisées et contrôlées à distance.
Les robots élémentaires exécutent des tâches basées sur une ou plusieurs instructions qui sont encodées, emmagasinées et suivies selon une séquence temporelle programmée.
Un robot complexe est programmé pour évaluer les conditions externes et peut modifier la séquence d'événements en fonction des conditions externes du moment.
Trois principales catégories de robots
Dispositifs robotisés à commande directe.
Ce sont les types de robots les plus répandus, et un grand nombre d'entre eux font partie de nos vies. Ces dispositifs robotisés à commande directe sont également connus comme des automates programmables puisque leur intelligence apparente est acquise grâce aux instructions précises que nous y programmons.
Les fours à micro-ondes, les magnétoscopes et les ordinateurs ne sont que quelques exemples des dispositifs robotisés à commande directe.
Dispositifs robotisés semi-autonomes.
Ce sont des dispositifs à commande directe ou télécommandés qui peuvent prendre des décisions simples. Ainsi, les dispositifs robotisés semi-autonomes sont capables de détecter un problème et de prendre les mesures appropriées pour résoudre celui-ci. Les dispositifs robotisés plus « intelligents » peuvent même prévoir quand un problème est susceptible de survenir (au moyen de la détection et de l'évaluation des conditions du moment), puis de prendre les mesures voulues pour prévenir l'apparition de ce problème.
Le perfectionné Canadarm2 est le parfait exemple de ce type de robots. Il est si intelligent qu'il est capable d'éviter les gestes susceptibles de causer des catastrophes comme une collision avec lui-même. Cette faculté « d'autoprotection » lui permet de se prémunir contre d'éventuelles fausses manoeuvres.
Dispositifs robotisés entièrement autonomes (robots véritables).
Ces robots sont capables d'évaluer toutes les conditions externes et de s'ajuster en conséquence. Aucun robot entièrement autonome dans toutes ses activités n'a jusqu'ici été créé (il relève encore de la science-fiction). Certains robots ont toutefois été conçus pour accomplir de façon autonome certaines tâches.
Construction d'un dispositif robotisé à commande directe
Explorez votre voisinage à partir du ciel grâce à la robotique
Note aux enseignants
Ce projet est extrêmement facile à réaliser. Il nécessite du matériel peu coûteux et facile à se procurer.
Cette activité peut servir de point central pour une grande partie de la mécanique (cinématique et dynamique) en physique au secondaire à la fois au niveau débutant et au niveau avancé.
Pour les enseignants qui souhaitent intégrer cette activité dans un projet de mécanique pour le semestre, des sujets pertinents sont suggérés à chaque étape de la construction du projet.
Il est fortement recommandé que les élèves tiennent un journal de bord de construction. Dans leur journal, ils devraient noter en détail leurs observations, les résultats des expériences et de toutes les conclusions qu'ils ont pu tirer de la construction de chacune des composantes de leur robot, ainsi que toutes les données reliées à leur projet.
Ce projet de construction d'un appareil contrôlé robotiquement avec détecteur à distance, attaché à une plateforme mobile (et parfois instable) a beaucoup de points en commun avec la conception d'appareils similaires pour des applications spatiales. Cela donnera à votre classe tout un éventail de possibilités d'expérimentation et de modification des plans. L'objectif premier de cette activité est de construire et de faire fonctionner un appareil photo robotisé et, lors du processus de construction de l'appareil, d'explorer les caractéristiques physiques de sa conception.
La plateforme de l'appareil photo robotisé est suspendue à un cerf-volant fait à la main (ou acheté en magasin). L'appareil est capable de prendre des photos aériennes à un moment qui a été programmé dans son « nanocerveau » avant le décollage.
L'altitude et la direction de l'image aérienne dépendent de la longueur du fil du cerf-volant et de l'orientation de l'appareil.
La photo ci-dessus montre l'appareil robotisé en l'air.
Il existe plusieurs types d'appareils de ce genre sur le marché. Tous conviendront parfaitement bien pour ce projet.
Évitez les appareils jetables légèrement plus chers avec un flash incorporé. La distance entre l'appareil photo et le sol est trop grande pour que le flash puisse être efficace en cas de faible luminosité. Le flash ne sert qu'à alourdir l'appareil photo.
L'un des avantages des petits appareils jetables est leur faible masse véritablement remarquable.
Notre appareil pesait seulement 67 grammes.
La mousse isolante est rose (quoique d'autres couleurs soient aussi disponibles) et a une surface polie très dure. La mousse intérieure a une structure cellulaire assez petite, ce qui rend ce matériau très solide et très léger.
N'utilisez pas de polystyrène blanc. Sa structure cellulaire interne est trop grosse pour donner de la résistance au matériau. Il se casse trop facilement.
Pour ce faire, utilisez un ensemble de poids standards. L'expérience a montré que les cerfs-volants supportaient mieux les charges utiles lorsqu'elles étaient attachées au fil du cerf-volant à environ 2 ou 3 mètres du point d'attache de ce dernier.
Les modèles de cerfs-volants sont très variés. Certains cerfs-volants ont une levée importante, d'autres offrent de meilleures caractéristiques de vol et une plus grande stabilité.
Étudiez les capacités de levée de votre cerf-volant en fonction de la vitesse du vent.
Étudiez d'autres modèles de cerfs-volants.
Bien sûr, un robot ne serait pas un robot s'il ne possédait pas un certain degré d'intelligence. Notre robot n'est pas très intelligent, il « sait » seulement qu'après un certain temps, il doit déclencher l'obturateur de l'appareil.
Le cerveau de notre robot (nous l'appellerons nanocerveau puisqu'il n'est pas très intelligent) est une petite minuterie mécanique extraite d'une minuterie de cuisine bon marché. Il peut être programmé pour une durée de 60 minutes.
Nos minuteries (deux d'entre elles sont montrées sur la photo) coûtent exactement deux dollars chacune (plus taxes) au rayon des articles de cuisine d'un centre d'escomptes.
Vous devrez retirer le boîtier fantaisie de la minuterie. Retirez simplement le cadran et les petites vis à l'arrière. Vous n'aurez plus qu'à extraire la minuterie.
Un ensemble de petits tournevis pour le bricolage est nécessaire, car les vis qui tiennent la minuterie dans le boîtier sont assez petites.
Le nanocerveau (minuterie) doit être programmé pour déclencher l'obturateur de l'appareil au moment approprié. Pour cela, il faut construire un déclencheur comme illustré à gauche.
Les détails sur l'installation du déclencheur sont expliqués plus tard, mais le concept de base est illustré ici.
Une vieille carte de crédit en plastique fait une très bonne base de déclencheur. Elle a l'avantage d'être légère, solide et, surtout, son coefficient de friction est faible (sa surface est très glissante).
Les sources de friction.
Les coefficients de frottement statique et de frottement cinétique.
Les méthodes pour réduire la friction.
Une paire de pinces à bec effilé sera utile.
Examinez attentivement le schéma. Notez l'alignement des différentes composantes.
Ce projet requiert énormément d'élastiques. Prévoyez une quantité suffisante.
L'idée principale est d'utiliser la base du déclencheur pour éviter que le tenon du déclencheur ne presse sur le bouton de l'obturateur de l'appareil. Le schéma de gauche illustre le principe.
Au fur et à mesure que la minuterie déroule (dans le sens des aiguilles d'une montre), le bras en fer retire progressivement la base du déclencheur du dessous du tenon du déclencheur, qui pressera ensuite sur le bouton de l'obturateur de l'appareil.
Testez votre modèle minutieusement pour vous assurer qu'il fonctionne comme vous le souhaitez. Faites les ajustements nécessaires.
Pour comprendre le mode de fonctionnement de la minuterie et comment elle déclenche l'obturateur, analysez les concepts suivants :
Couple de rotation;
Mesure du couple de rotation;
Augmentation de la force appliquée sur la base du déclencheur;
Rouages;
Bascules.
La charge utile doit être conçue de manière à être à la fois stable aérodynamiquement et extrêmement légère (voir ci-dessous).
Afin de minimiser toute interférence avec les caractéristiques de vol du cerf-volant, la charge utile devrait être suspendue à au moins deux mètres du cerf-volant. Il peut être utile et instructif de tester votre cerf-volant avec une charge simulée avant de faire voler votre robot.
Des crochets à émerillons (ou bas de ligne de pêche) sont nécessaires pour éviter que des noeuds se forment entre les fils du cerf-volant et de la charge utile ou que les fils s'emmêlent.
Très important
Rappelez-vous : ne faites jamais voler votre cerf-volant à des endroits où vous pourriez toucher des câbles aériens ou lorsqu'il y a des risques d'éclair.
Stabilité aérodynamique
Un grand carton ou un bristol (appelé stabilisateur vertical) est attaché au bout opposé du goujon pour servir de girouette et tourner l'appareil photo dans la direction du vent, comme illustré.
Pour apprécier complètement le projet, il faut étudier les concepts suivants :
Le moment d'inertie pour une tige solide et uniforme;
Le centre de pression (relié à l'écoulement de l'air) au-dessus et autour d'un avion ou d'une ailette;
Le centre de masse;
La relation entre le centre de masse et le centre de pression en regard de la stabilité aérodynamique.
Soyez prudent lorsque vous changez le « centre de pression » de l'appareil photo robotisé quand il est aligné pour prendre des photos à angle droit dans la direction du vent. Assurez-vous que l'ailette est suffisamment grande!
Le centre de pression aérodynamique (sur le côté de la charge utile) doit toujours être derrière le centre d'équilibre.
Si vous faites voler votre cerf-volant par vents extrêmement turbulents, vous pouvez renforcer la stabilité en ajoutant un stabilisateur horizontal, mais cela entraînera une charge supplémentaire. Notre charge utile n'avait pas besoin de cela.
Détails de la construction et du vol
» Instructions étape par étape
pour l'Agence spatiale canadienne
