Les jeux de société, dans leurs formes les plus simples, ont toujours servi de supports pédagogiques pour l'apprentissage de concepts complexes. L'idée d'un "robot collecte points" s'inscrit parfaitement dans cette tradition, offrant une approche ludique pour aborder les principes de la programmation et de la robotique. Ce tutoriel vise à démystifier la construction et les règles d'un tel jeu, en détaillant les étapes de sa conception, les défis techniques à surmonter et les implications pédagogiques qui en découlent.
Les Fondements du Jeu : Matériaux et Plateau
Le jeu de la collecte de points par un robot repose sur une structure simple mais efficace. Les matériaux nécessaires à sa réalisation sont souvent courants et récupérables, favorisant ainsi une approche écologique et économique.
Le Papier et le Carton : Des Alliés de la Création
Le terme "carton" désigne certains types de papiers généralement caractérisés par une rigidité, une épaisseur et/ou un grammage relativement élevés. Cependant, la distinction peut être faite en fonction des caractéristiques et de l’emploi. Par exemple, certains matériaux cannelés légers sont considérés comme des cartons alors que les feuilles de papier buvard ou certains supports artistiques à fort grammage sont considérés comme des papiers. Le papier, quant à lui, est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales. Il se présente sous forme de feuilles minces et est considéré comme un matériau de base dans les domaines de l’écriture, du dessin, de l’impression, de l’emballage et de la peinture. L’histoire du papier remonte à l’Antiquité, le papier porteur d’un message le plus ancien connu à ce jour datant de l’an 8 av. J.-C. Pour notre jeu, ces matériaux sont essentiels.
Conception du Plateau de Jeu
Pour commencer, un plateau de jeu peut être réalisé. Pour ce projet, un plateau de 20 cm x 20 cm a été choisi. Ce plateau est découpé en 25 cases, chaque case mesurant 4 cm de côté. Il peut être tout simplement constitué de deux carrés de cartons placés l'un dans l'autre, comme on peut le voir sur des exemples de conception, ou être construit avec du matériel de récupération. La seule contrainte est qu'il soit suffisamment petit pour entrer sur une case du plateau de jeu. Des carrés de 3 cm x 3 cm peuvent être utilisés pour représenter des pièces ou des obstacles, assurant qu'ils respectent la taille maximale d'une case.
Les Pièces du Jeu
Les pièces doivent avoir au maximum la taille d'une case. Dans le cadre de ce jeu, elles peuvent prendre la forme de petits jetons ou d'objets récupérés. Leur petite taille implique que leur récupération par un bras robotique exige un placement très précis là où ils sont stockés, même si un guidage mécanique peut être d’une grande aide à ce niveau. Le plus critique cependant est la dépose, car la marge d’erreur au niveau du positionnement au-dessus de la colonne est de l’ordre du millimètre au grand maximum.
Introduction à la Programmation et Évolution du Jeu
Le cœur de ce jeu est l'apprentissage de la programmation de manière progressive. Les règles sont introduites au fur et à mesure, augmentant ainsi la difficulté et l'engagement du joueur.
Les Niveaux de Difficulté
Le joueur écrit le programme pour que le robot aille jusqu'à l'arrivée. Le programme doit être constitué d'une succession d'ordres simples. Chaque ordre correspond à la direction dans laquelle doit avancer le robot. Le jeu est structuré en plusieurs niveaux pour une progression pédagogique :
- Niveau 1 : Les Bases de la NavigationLes règles du jeu sont simples : placer les drapeaux, qui symbolisent l'arrivée, et écrire le programme pour que le robot l'atteigne. Le robot ne comprend que les ordres simples et ne peut avancer que d'une seule case à la fois.
- Niveau 2 : Introduction des ObstaclesParticularité du niveau 2 : on ajoute des croix rouges sur le plateau. Elles représentent les cases où le robot n'a pas le droit d'aller. Le programme doit être ajusté pour éviter ces zones.
- Niveau 3 : Collecte d'ObjetsParticularité du niveau 3 : on ajoute des pièces jaunes sur le plateau. Ces pièces doivent être prises par le robot lorsqu'il passe sur la case. Une nouvelle commande peut être introduite dans le programme pour demander au robot de prendre la pièce.
Apprendre à Programmer Étape par Étape
Commencer par le niveau 1, avec les flèches, puis augmenter les niveaux, permet une assimilation progressive des concepts de programmation. Cette approche graduelle est essentielle pour les apprenants de tous âges, du niveau scolaire au professionnel, afin de comprendre la logique algorithmique et la pensée computationnelle.
Les Défis Techniques de l'Automatisation
La construction d'un robot capable de jouer à ce jeu soulève plusieurs défis techniques, notamment en matière de précision et de conception mécanique.
Exigences en Matière de Précision Robotique
Il faut pour commencer disposer d’un bras suffisamment précis pour effectuer les différents mouvements de manière fiable. La précision de positionnement est un facteur critique. On écarte donc d’office tous les bras motorisés par des servos de type radio-commande, car leur précision de positionnement est beaucoup trop grossière étant donné qu’ils ne sont pas faits pour cela. Le recours à des servos numériques tels que les AX12, déjà utilisés par le passé dans d'autres projets, améliorerait la situation, mais cela représente un budget significativement plus élevé (de l’ordre de 50 Euros pièce). Il y a d’ailleurs à parier que ces modèles de base ne soient pas suffisants en termes de couple, étant donnée l’élongation dont le bras doit pouvoir disposer pour atteindre toutes les positions de jeu.
À supposer maintenant qu’on trouve des actionneurs suffisamment précis et puissants, encore faut-il que cette précision ne soit pas anéantie par une trop faible rigidité du bras lui-même. Et là encore, on oublie les modèles d’entrée de gamme et la fabrication en matériaux "lourds" (bois, impression 3D,…). Des matériaux plus robustes et une conception soignée sont indispensables pour garantir la stabilité et la précision du bras robotique.
Les Mécanismes de Distribution des Jetons
Un servo-moteur derrière chaque distributeur actionne un piston (vert) qui pousse le jeton vers une bascule (rose). Bien que ce mécanisme puisse sembler rudimentaire, il est fonctionnel. Par chance, ce mécanisme utilise un moteur pas à pas (malheureusement, de plus en plus d’imprimantes utilisent un moteur CC avec un asservissement de position par lecture optique sur un ruban transparent strié). L’expérience concernant le pilotage de moteurs pas à pas, entre autres épaulé par des drivers intelligents tels que le L6470 de STMicroelectronics, connu aussi sous le doux nom de dSPIN, est un atout précieux ici.
Le dispositif mobile sera constitué d’un godet de transport et de dépose du jeton, fixé sur le chariot mobile du mécanisme d’une ancienne imprimante et positionné au-dessus du plateau de jeu. Ce sera un réservoir vertical, tête en bas pour prendre le moins de place verticalement. Le corps du distributeur (orange) contient les 21 jetons de la machine. Celui du haut de la pile est extrait et envoyé dans le godet de transport par le piston (mauve) actionné par un servo installé sur la monture (bleu sombre).
Système de Poussée des Jetons
Comment les jetons sont-ils poussés vers le haut ? On aurait pu imaginer un système actif, conçu comme l’axe Z d’une imprimante 3D. Le piston (vert, au bas du réservoir) qui se déplace verticalement est relié par deux câbles aux contrepoids (les "boîtes de conserve" en l’air) en passant par les poulies (violettes) situées au sommet. On remarquera les deux colonnes de guidage des contrepoids, afin d’éviter que ceux-ci ne dansent la gigue pendant le transport.
La Détection des Jetons : Technologie et Simplification
La capacité du robot à "voir" et à interagir avec les jetons est fondamentale pour le jeu. La détection des jetons peut être réalisée de plusieurs manières, avec des niveaux de complexité variables.
Analyse d'Image vs. Détection Simple
L’approche qui vient intuitivement est l’analyse d’images fournie par une caméra filmant le plateau. En théorie, ça peut marcher, mais dans la pratique, c’est une autre histoire. Tout simplement qu’analyser l’image globale en permanence est overkill. En effet, il suffit de détecter quand un jeton a été introduit dans une colonne. On sait en effet à qui c’est le tour de jouer et on en connaît donc la couleur. Le dispositif à base de caméra et d’analyse d’image peut donc se réduire à un simple détecteur de passage de jeton au niveau de la position au sommet de chaque colonne. En réglant leur sensibilité, cela fournit un signal lorsque qu’un obstacle (en l’occurrence un jeton) passe devant. Par commodité, des modules prêts à l’emploi ont été utilisés pour cette fonction, simplifiant grandement la mise en œuvre.
Au-delà du Jeu : Applications et Impact
Le concept de robot collecte points, bien que ludique, peut être étendu à des applications plus larges, notamment dans le domaine de la robotique environnementale.
Un Robot au Service de l'Environnement
Le robot sert à collecter les déchets qui flottent en mer. La collecte de ces déchets permet d’économiser les ressources naturelles non renouvelables (pétrole, aluminium…), de limiter les émissions de gaz à effet de serre, et de préserver la faune et la flore subaquatiques. De plus en plus de déchets flottent en mer, polluent les eaux et intoxiquent les animaux. La collecte de ces déchets, triés puis recyclés, est une démarche essentielle pour un avenir durable.
Évaluation de la Performance et de l'Impact Écologique
La consommation électrique des moteurs est proportionnelle à la quantité de déchets collectée. Le niveau de déchets collecté est estimé à l’aide d’un capteur qui effectue une mesure du courant consommé par les moteurs électriques. Pour déterminer le matériau à utiliser pour réaliser la coque du robot, il est nécessaire de calculer la masse de chaque matériau puis la quantité d’émission de gaz à effet de serre.
Les valeurs des émissions de gaz à effet de serre sont données pour 1 kg de matière utilisée. Il faut déterminer la masse des coques dans chacun des deux matériaux, en multipliant le volume de la pièce par la masse volumique. Puis déterminer la masse de gaz à effet de serre qu’elles émettent. Ce type d'analyse est crucial pour la conception de robots respectueux de l'environnement, où l'empreinte carbone du processus de fabrication est aussi importante que l'efficacité opérationnelle du robot.
En somme, le "robot collecte points" est bien plus qu'un simple jeu. C'est un laboratoire miniature où se rencontrent l'ingénierie, la programmation et la sensibilisation environnementale, offrant un aperçu concret des défis et des opportunités de la robotique moderne.