Conception d’un bras robotisé 4 axes — Approche mécatronique complète

Contexte du projet

Ce projet de bras robotisé 4 axes a été initié avec un objectif clair : consolider et unifier des compétences en mécanique, électronique et programmation embarquée au sein d’un système unique et cohérent.

À ce stade de mon parcours, mes bases en mécanique étaient limitées et peu récentes. Afin de concevoir des systèmes mécatroniques complets, il devenait nécessaire de renforcer la compréhension des transmissions de puissance, des rapports de réduction, de la modélisation 3D et de la cohérence entre mécanique et firmware.

Le choix d’un bras robotisé comme support d’étude s’est imposé naturellement. Ce type de système combine plusieurs axes articulés, impose des contraintes mécaniques réelles et nécessite une architecture logicielle rigoureuse.

L’objectif n’était pas simplement de faire fonctionner un robot, mais de maîtriser l’ensemble de la chaîne :

Modélisation → Calcul → Fabrication → Intégration → Firmware → Sécurité → Validation.

Hypothèses et contraintes initiales

Contraintes matérielles et budgétaires

En tant qu’étudiant en alternance chez GRDF, le budget alloué au projet était volontairement limité. Les composants achetés ont donc été restreints aux éléments essentiels :

  • moteurs pas à pas,

  • drivers moteurs,

  • roulements,

  • courroies de transmission,

  • électronique de contrôle.

Une imprimante 3D personnelle a été acquise afin de fabriquer l’ensemble des pièces mécaniques secondaires, notamment :

  • poulies de transmission,

  • engrenages planétaires,

  • supports moteurs,

  • structures d’assemblage.

Cette approche imposait d’adapter les choix mécaniques aux contraintes de fabrication additive.

Contraintes techniques

  • Utilisation exclusive de moteurs pas à pas (sans encodeurs).

  • Référencement mécanique uniquement sur certains axes.

  • Référencement manuel pour les axes internes.

  • Limites angulaires strictes.

  • Architecture logicielle modulaire.

Architecture générale du système

Le bras est une architecture sérielle à 4 degrés de liberté :

  • J1 : rotation de base,

  • J2 : élévation principale (épaule),

  • J3 : extension (coude),

  • J4 : orientation de l’outil.

Chaque articulation constitue un sous-système indépendant combinant :

  • moteur,

  • réduction mécanique,

  • gestion logicielle dédiée.

Les transmissions utilisent des engrenages planétaires imprimés en 3D, des courroies crantées et, pour l’axe J2, un réducteur mécanique externe.

Étude détaillée des articulations

Joint 1 — Base

J1 assure la rotation globale du bras autour de l’axe vertical. Il supporte l’ensemble des masses supérieures.

Transmission :

  • Engrenage planétaire 56 / 28 → ratio 3:1

  • Courroie 87 / 18 → ratio ≈ 4.83

  • Ratio total ≈ 14.5

Résolution angulaire :

  • 200 pas × 8 microsteps × 14.5 ≈ 23200 pas/tour

  • ≈ 64 pas par degré

Plage logique :
[-150° ; +150°]

Référencement : homing mécanique via fin de course.

Joint 2 — Épaule

J2 est l’axe le plus sollicité en couple, car il travaille contre la gravité.

Transmission :

  • Planétaire 54 / 18 → ratio 4

  • Réducteur externe → 10

  • Courroie 90 / 20 → 4.5

  • Ratio total = 180

Résolution :

  • ≈ 800 pas par degré

Plage logique :
[-30° ; +110°]

Référencement : définition manuelle du zéro via SETZERO J2.

Joint 3 — Coude

J3 assure l’extension et le repliement du bras.

Transmission :

  • Planétaire 48 / 12 → 5

  • Courroie 68 / 18 → ≈ 3.78

  • Ratio total ≈ 18.9

Résolution :

  • ≈ 84 pas par degré

Plage logique :
[-30° ; +90°]

Référencement : manuel via SETZERO J3.

Joint 4 — Poignet

J4 assure l’orientation de l’outil.

Transmission :

  • Planétaire 27 / 9 → ratio 4

Résolution :

  • ≈ 17.8 pas par degré

Plage logique :
[-150° ; +150°]

Référencement : homing mécanique via fin de course.

Architecture firmware (aperçu)

Le firmware repose sur une organisation modulaire :

  • un module par joint,

  • un gestionnaire central des commandes,

  • un fichier de configuration global.

Les principes fondamentaux sont :

  • séparation stricte entre calibration et mouvement,

  • refus strict des commandes hors plage,

  • interdiction de mouvement sans référencement complet,

  • arrêt global possible à tout moment.

Bilan technique

Le projet a permis :

  • de comprendre l’impact réel des rapports de réduction,

  • de hiérarchiser les besoins en couple selon les axes,

  • de calculer et comparer les résolutions angulaires,

  • de structurer une architecture logicielle sécurisée.

Chaque articulation présente une cohérence mécanique propre et une justification technique claire.

Perspectives

Les évolutions possibles incluent :

  • implémentation de la cinématique inverse,

  • trajectoires multi-axes coordonnées,

  • ajout d’encodeurs pour boucle fermée,

  • optimisation mécanique et réduction du jeu,

  • amélioration de la rigidité structurelle.

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