Projet de revival du sémaphore pour l'expo de l'hiver 2018-2019.

Créer une installation de sémaphore Chappe et rejouer l'histoire du premier acte de piratage de réseau d'informations de l'histoire.

Soit un réseau de sémaphore Chappe (au moins 3 à échelles réduites) l'utilisateur rentre un texte dans une interface informatique , il est transmis avec des “erreurs” a un décodeur via le télégraphe, et affiché plus loin.

Note: en informatique, le sémaphore n'est pas un moyen de communication.

Il s'agit dans sa forme décrite sur wikipedia d'un bras articulé en son centre autour d'axe nommé le régulateur, avec à chaque extrémité un autre bras articulé, nommés les indicateurs. Il y a 3 articulations de type pivot. Une au centre du régulateur, 2 autres aux extrémités du régulateur, raccordant les indicateurs.

  • Comment reproduire simplement ce mouvement ?
  • Peut-on le faire avec un seul moteur ?
  • Peut-on faire de la reconnaissance vidéo ?
  • Apprentissage supervisé : on code la grammaire du sémaphore, puis on automatise la création d'un gros jeu de données d'images du sémaphore.
  • Apprentissage non supervisé : on laisse une IA apprendre à utiliser les moteurs du sémaphore avec un retour vidéo du sémaphore. ⇒ L'apprentissage peut être chouette à voir.

D'après wikipedia

  • Le mât mesure 7m de haut
  • Le régulateur mesure 4,60 m de long et 0,35 m de large
  • Les indicateurs mesurent 2 m de long et 0,30 m de large

En notant l la plus petite largeur, on peut exprimer toutes les dimensions à l'échelle ainsi:

  • Les indicateurs mesurent 20xl/3 par l
  • Le régulateur mesure 46xl/3 par 7xl/6
  • Le mât mesure 70xl/3

On peut alors déterminer:

  • L'overlaps du régulateur avec l'indicateur vaut l/2 + 7xl/12 = 13xl/12
  • L'envergure du sémaphore est de 46xl/3 + 2x 20xl/3 - l - 7xl/6 = 159xl/6 = 53xl/2
  • La hauteur maximale sera supérieure à h + la moitié de l'envergure

Les combinaisons du code alphanumérique Chappe sur la page wikipedia :

  • 4 angles possible pour le régulateur (0°, 45°, 90°, 135°). Faire pivoter le régulateur à 180° revient à le ramener en position initial.
  • 9 combinaisons possibles pour les 2 indicateurs (chaque indicateur à 3 positions possibles).

Au total on a donc 36 combinaisons possibles. En pratique le code Chappe utilise donc 36 caractères. La lettre J est manquante et est remplacé par un “&”, le chiffre 0 également, il est remplacé par le nombre 10.

Un autre alphabet chappe est disponible sur cette page wikipedia :

  • 2 positions possibles pour le régulateur
  • 7 positions possibles pour chaque indicateur.

Cela fait donc 2 x 7 x 7 soit 98 combinaisons.

Pour un premier prototype, on va essayer de conserver une envergure plutôt faible < 1/2 mètre. Si on choisit l = 18mm, soit un rapport de 6% (30cm / 1.8cm) alors :

  • un indicateur mesurera 120mm par 18mm
  • le régulateur mesurera 276mm par 21mm
  • l'envergure total sera de 477mm
  • le mât haut de 420mm
  • la hauteur max de 660mm environ.

Hypothèse de départ pour les mesures des différentes pièces :

  • Indicateurs: 120mm x 18mm
  • Régulateur: 276mm x 21mm
  • Mât: 420mm x 21mm

Pour que le fonctionnement reste simple, et que tous les mouvements soient possibles et fluides (artistique ++), je pars sur 3 moteurs pas à pas qui commanderont indépendamment le régulateur et les indicateurs. Les forces motrices seront transmises par des courroies crantés. Je disposerai 2 poulies sur l'axe de rotation du régulateur pour transmettre le mouvement de rotation aux indicateurs. Cela nécessite 5 roulements. 3 sur l'axe de rotation du régulateur et 2 autres sur les axes de rotation des indicateurs. Il faut prévoir des tendeurs pour les courroies. Je prévoit de réaliser des roues dentés à l'imprimante 3D. C'est roues dentées pourraient embarquer un roulement à bille et venir se serrer sur les pièces mobiles : régulateur et indicateurs.

Workspace

Mon travail numérique est archivé sur git. Il est trouvable disponible : https://github.com/mxbossard/bazar/tree/master/semaphore

Choix des poulies et des courroies

Un choix simple est d'utiliser des courroies et poulies GT2: pas de 2mm, largeur 6mm. Toutes les poulies que l'on utilisera peuvent avoir la même taille pour faire simple, il n'y a pas besoin de démultiplication du couple. Esthétiquement, les courroies ne devraient pas dépassés, donc le diamètre des poulies plus la largeur de la courroie ne devraient pas dépasser la largeur l. ⇒ diamètre exterieur maximum des poulies < 21mm.

Taille des courroies ? 2x entraxe (distance entre les axes) + pitch * 1/2 la somme des dents des poulies.

Un calculateur interessant : https://www.bbman.com/belt-length-calculator/

Les poulies aluminium répendues pour monter sur les moteurs pas à pas ont :

  • 16 dents ⇒ le moins onéreux !
  • 20 dents
  • 30 dents
  • 36 dents
  • 40 dents

Les 2 transmissions des indicateurs

Pour simplifier, on va essayer de positionner ces courroies sans utiliser de tendeur.

Les 2 courroie des indicateurs on un entraxe facile à déterminé : c'est la moitié de la longeur du régulateur moins 1/2 largeur. soit 127.5mm. La taille de la courroie nécéssaire est donc de 255 + la somme des dents des poulies. Avec des poulies de 32 dents, cela donne une courroie de 319mm. Il existe des courroies de 320mm. Il faudrait donc voir comment tendre cette courroie, peut être allonger le régulateur de 0.5 à 1 mm.
Pour que le mécanisme reste le plus simple possible, nous utiliserons un seul roulement par indicateur. L'axe sera solidaire du régulateur. L'axe sera une vis qui permettra son serrage sur le régulateur. Le roulement sera encapsulé entre l'indicateur et la poulie qui formeront un système solidaire. Le roulement sera serré sur l'axe pour minimiser les jeux.

Dans un premier temps, le régulateur disposera de trous oblong pour permettre le positionnement de l'axe de rotation des indicateur avec une tension de courroie suffisante. Il faut prévoir un régulateur un peu plus long.

Les 3 transmissions sur l'arbre du régulateur

En partant d'un mât de 420 mm de haut, l'entraxe vertical maximal vaut 420mm - 21mm (déport côté moteur nema 17) - 3mm (déport entretoise moteur) soit 396mm. Avec des poulies de 16 et 32 dents, cela nécessite une courroie de 840mm de long. Des courroies de 810mm et 848mm de long sont disponibles.

  • La courroie de 810mm necessite de réhausser les moteurs de 15mm. Un système de cette epessaieur peu embarqué un tendeur.
  • La courroie de 848mm mécéssite un décalage de 57 mm pour être tendu, ce qui peu permettre de décaler les moteurs. Une augmentation du nombre de dents du côté du moteur peut également permettre de tendre


L'axe du régulateur sera solidaire du régulateur pour permettre de déporter sa transmission. Autour de l'axe du régulateur seront positionnés les 2 poulies de renvoi des transmissions des 2 indicateurs, de part et d'autre du régulateur. Une troisième poulie solidaire de l'axe du régulateur permettra d'entrainer sa transmission.

Les courroie “non mobiles” verticales ne doivent pas empêcher la rotation du régulateur et des indicateurs. Pour cela, il est impératif qu'elles soit déportées le long du mât. Cela conditionnera l'épaisseur totale du mât qui devra permettre un positionnement des 3 courroies qui ne soient pas “dans les pattes” du régulateur et des indicateurs.

Le mât

Le mât sera composé de 2 pièces encapsulant 2 roulements pour supporter l'axe de rotation du régulateur.

Les tendeurs

Autant que faire se peu, les courroies seront tendus en ajustant l'entraxe entre les moteurs et les poulies. La transmision des indicateurs devra faire l'objet de mesure précise pour que l'entraxe permette de parfaitement tendre les courroies de 320mm.

Les roulements

Des roulements < 25mm les moins chère:

  • MR104-2RS: 4mm int 10mm ext 4mm larg (étanche à l'eau)
  • 624-ZZ: 4mm int 13mm ext 5mm larg (étanche à la poussière)
  • 634-2RS: 4mm int 16mm ext 5mm larg (étanche à l'eau)

Pour le choix du roulement, plus le roulement est épais, plus il est facile à employer. Le 624-ZZ parait suffisant et suffisament étroit pour pouvoir monter des poulies dessus.

Les moteurs

Combien de Nm sont nécéssaires ?

Calcul du couple en statique

Le régulateur doit tourner sans sourciller même lorsque les indicateurs le déséquilibre. Pour simplifier les calculs, imaginons que la pire situation de déséquilibre est le déploiement maximal d'un indicateur à droite et l'absence d'indicateur à gauche (l'indicateur n'est pas monté). Le centre de gravité de l'indicateur est en son centre. Le calcul du bras de levier est donc simplement la masse de l'indicateur au bout du régulateur + la moitié de la longeur de l'indicateur, soit environ 7l + 2l = 9l. Arrondissont à 10l.

La masse d'un indicateur ? Un indicateur à un volume d'environ 100mm x 25mm x 5mm, soit 12,5 cmcube. Avec un contre plaqué de densité 600 Kg par mcube (ce qui est large), cela représente 7,5g. Arrondissons à 10g. Cela représente une Force de 0,01 * 9.81 Kg.m/s² = 0,1 Kg.m/s² ou 0,1 N. Avec un bras de 10l = 250mm, Cela représent un couple de 2,5 N.cm. Pour que le moteur est la pèche dans ces circonstances, on peut choisir un moteur qui a un couple supèrieur à 5 N.cm.

Calcul du couple en dynamique (accélération)

???

Pilotage des moteurs

Utilisation de la bibliothèque arduino AccelStepper : http://www.airspayce.com/mikem/arduino/AccelStepper/index.html. Cette bibliothèque très pratique permet de piloter plusieurs moteurs pas à pas simultanément et intègre le calcul des accélérations et décélération nécéssaire pour éviter les vibrations et les bruits.

Quelle longeur pour l'arbre ?

Au minimum :

  • 4 poulies de 7mm
  • 1 poulie de 8 mm
  • 3 entretoises/rondelles
  • L'épaisseur du régulateur
  • Largeur de la base
  • 1 écrou

Avec un arbre de 100mm de long, la base peut mesurer jusqu'a 46mm, soit un peu plus que le déport.

Choix

  • 3 Nema 17 plus répendus pour faire simple
  • 2 courroies de 320 mm pour la transmission “mobile” (des indicateurs)
  • 3 courories de 848 mm pour la transmission “static”
  • des poulies aluminium de 16 et 36 dents sur les moteurs
  • des poulies de 32 dents imprimés en 3D pour la transmission
  • 3 roulements à billes 624-ZZ de 13mm x 5mm (4mm interieur)
  • taille des indicateurs: 120mm x 18mm
  • taille du régulateur: 276mm x 21mm (attention peut être augmenter de 1 à 2 mm la longeur pour tendre les courroies de 320mm)
  • taille du mât: 420mm entre le palier des moteurs et l'axe de rotation

Notes de fabrication

Découpe laser & CNC

  • Export du dxf avec openscad. A l'import du dxf dans inkscape, il faut ajuster les dimensions de l'objet qui ne sont pas bonne. Verrouiller cadenas pour modifier toutes les dimensions à l'échelle.
  • Taille après la découpe : 17,7/18 119,7/120 pour l'indicateur. Il manque donc 0,3mm dans les dimensions des pièces après découpe laser. Pour serrer, il faut donc retirer 0,2mm ou 0,3mm sur les dimensions.
  • Du coté de la laser : 1000mm/sec 100% pour traverser. Remarque : il manque le perçage des indicateur pour la vis.
  • Du côté de la CNC : 14mm ça peut le faire niveau jeu pour le roulement. Il faudrait tester 3mm de profondeur pour le pocketing plutot que 4, et prendre une fraise plate. également voir pour percer à 10 ou 11mm de diam plutot que 12.

Impression 3D

  • Pour encastrer à moitié les roulements de 13mm de diamètre externe par 5mm d'épaisseur dans les indicateurs, j'imprime un trou de 13,4 à 13,5 mm de diamètre sur 2.9 mm de profondeur.
  • Pour laisser passer les axes (qui sont des vis de 4mm de diamètre) avec du jeu, j'imprime un trou de 4,6mm à 4,8mm de diamètre.
  • Imprimer la première couche à 0.25mm et avec un flow entre 120% et 130%. Les autres couches avec un flow à 100%.

Mécanique

  • Le régulateur est déformé par la tension des couroies indicateur.
  • Il y a un peu de jeu dans le roulement indicateur solo accentué par la tension dans la courroie et la torsion induite par le déport de la poulie sur le roulement.

Idées

  • Il faut renforcer le régulateur pour supporter la tension des courroies. Au moins doubler l'épaisseur et eventuellment espacer les 2 épaisseur
  • Un seul roulement pour les indicateurs c'est simple, mais ce n'est pas smooth. La tension des courroies implique une torsion du roulement. Le renforcement du régulateur doit permettre de facilement encastré 2 roulements.

Problèmes de la v1

  1. La tension des courroies appliquée directement sur l'arbre du régulateur tendent à déformer l'axe de rotation du régulateur. La rotation du régulateur est pénible.
  2. Les rapports de transmission soient de 16/28 ou de 36/28 ne permettent pas de faire des 1/4 ou des 1/8 de tours proprement.
  3. Les micro steps sont nécéssaires pour adoucir les accélérations des moteurs et réduire les vibrations. Au moins des 1/4 ou des 1/8 de steps, ce qui réduit d'autant la fréquence de rotation des moteurs et des vitesse de déplacement du régulateur et des indicateurs.
  4. Le sérrage du régulateur et de sa poulie sur son axe laisse à désirer.
  5. La tension des courroies tent à faire pivoter le mat.

Actions pour résoudre les problèmes de la v1

  1. Positionner les courroies de transmission au plus pret des mats (à ras). Vu qu'il y a 3 courroies cela nécéssite d'en déporter une à l'exterieur des mats. Cela devrait réduire la torsion appliquée sur les axes des poulies (bras de levier réduit).
  2. Entrainer avec les courroies des poulies intermédiaires et des engrenages qui seront chargés de transmettre la rotation aux régulateur et indicateurs sans deformer l'axe de rotation du régulateur.
  3. Calculer le rapport de transmission pour permettre les 1/8 de tour avec un nombre de pas moteur entier.
  4. Choisir un rapport de transmission > 2 pour augmenter la vélocité du sémaphore en résuisant la fréquence de pilotage des moteurs et le nombre de pas nécéssaire par mouvement.
  5. Améliorer le serrage sur l'axe régulateur ?
  6. Positioner les moteur le long du mat.

Questions ?

  • Passer l'axe de rotation régulateur de 4mm à 5mm de diamètre ? ⇒ Il faut trouver une tige fileté de 5mm.
  • Quelles dimensions pour les engrenages sur l'axe régulateur ? Nombre de dents et épaisseur ? ⇒ Plus petit nombre de dent possible qui fit sur des roulements de 13mm à 14mm de diamètre.
  • Réduire l'écartement des mats ? ⇒ Mesurer l'espace disponible avec les nouveaux engrenages.
  • Comment placer les moteurs et tendre les courroies ? ⇒ Imprimer un support de moteur placable le long de l'arbre permettant le serrage de la courroie.

Réponses

  • Une poulie GT2 de 28 dents fit sur un roulement de 14mm de diamètre. Avec une poulie sur le moteur de 36 dents, pour obtenir un rapport complet de x2,5, on doit choisir les engrenages avec le ratio : 35 dents / 18 dents.
  • Avec une poulie GT2 de 30 dents et toujours une poulie moteur de 36 dents, il faut choisir les engrenages avec un ratio 25 dents / 12 dents.

BOM

  • 3 servos High torques 40*20mm
  • 10 m de courroie crantée GT2 6mm
  • kit de découpe ossature bois
  • Kit d'impression 3D Poulies
  • 8 roulements 22x7mm / Diamètre int 8mm
  • tige filetée 8mm (~ 150 mm) + 4 écrous
  • tige filetée 3mm pour les contrepoids ( optionnel)
  • Esp12 ou 32 + shield moteur
  • alimentation 12v
  • boite en bois
  • peinture au choix

~ 50€ de matériel (en direct de chine)

kit impression 3D

kit Ossature bois

1 régulateur + 2 indicateurs

tasseau pour le mat

Récupération d'un caisson d'enceinte en bois, décapage, ponçage et peinture en noir, pour le contraste.

impression 3D pour le support écran LCD (optionnel).

code

essai sur processing : semaphore2.pde

code arduino autonome :( gestion de l'ecran LCD + clavier PS2)

semaphore05.zip

nécessite la lib PS2Keyboard : https://github.com/PaulStoffregen/PS2Keyboard

amélioration

Mécanique version simplifié, toute imprimable, adaptable sur un tube PVC

BOM

  • kit impression 3D :
  • 3 Servos type 9G
  • 1 tube
  • Colliers plastiques

semaphore_simple.zip

  • semaphore_projet.txt
  • Dernière modification: 2019/07/17 11:17
  • par bigMax