Vie du projet

Notre groupe de 10 étudiants des Mines de Paris a choisi de se lancer dans le Projet Mécatronique initialement intitulé BRAVoice, son but : créer une maquette robotisée permettant de reproduire la voix humaine. Le projet sera réalisé en partenariat avec l'IRCAM.

En fin de journée, nous rencontrons Thomas Hélie et Henri Boutin, chercheurs à l'IRCAM (Institut de Recherche et de Coordination Acoustique/Musique ), qui nous expliquent le contexte et les enjeux du projet.

Ils sont nos clients, cette première rencontre a pour but de clarifier leurs attentes vis-à-vis de notre projet et de nous aider à établir un premier cahier des charges.

Nous avons un certain nombre de responsabilités à répartir, avec leur lot de formations nécessaires à suivre. Nous décidons également de nous organiser en plusieurs sous-groupes de travail pour la partie primaire de conception du projet.

Ci-dessous la répartition des rôles, fixée quelques jours plus tard, mais appelée à évoluer avec le projet :

Nous rencontrons également nos tuteurs : Pierre Rabec (tuteur méca) et Denis Brousse (tuteur élec), qui pourrons nous aider sur la partie technique du projet.

Nous nous rendons pour la première fois au labo, nous découvrons les maquettes réalisées il y a deux ans. En effet l'année dernière rien n'avait pu être réalisé concrètement, à cause du confinement en milieu d'année. Nous retrouvons également la maquette du projet d'il y a 2 ans, fortement détériorée...

Nous terminons le cahier des charges et préparons la revue de projet de mercredi : l'idée est de réaliser et fabriquer ce qui n'avait pas pu être fait l'année dernière, d'après les modèles CAO (nous utilisons le logiciel CATIA pour la CAO) laissés par nos prédécesseurs (voir images ci-dessous) :

Ci-dessous, une vue générale de la maquette Catia conçue par nos prédécesseurs, que nous souhaitons fabriquer.

Voici les différentes parties de notre maquette :

Nous comprenons avec l'aide de nos tuteurs que les modèles CAO de l'année dernière ne sont pas directement exploitables : le nez est simplement posé sur le conduit buccal, aucun système n'est prévu pour fixer la plaque de silicone sur la partie inférieure du conduit, l'emplacement et la fixation du clapet du nez ne sont pas conçus suffisamment précisément, comme on peut le voir sur un modèle CATIA de l'année dernière présenté ci-dessous.

L'idée est donc de tester d'abord un modèle simple, sans cavité nasale, afin de vérifier si ce modèle permet effectivement de produire des voyelles, comme d'après le modèle CATIA ci-dessous :

Nous souhaitons tester à la main différentes déformations du conduit afin de vérifier qu'un tel dispositif permet bien de former différentes voyelles.

En parallèle, nous commençons l'impression de la maquette CATIA, le choix des micros : il en faut un à l'entrée du conduit buccal, un autre à l'intérieur à l'autre extrémité, et un dernier à l'extérieur, devant l'ouverture de la bouche. Ces micros doivent servir à anlyser les sons produits par la maquette, c'est une demande du client. Nous devons également concevoir un nez que l'on puisse fixer sur le conduit, ainsi que le clapet servant à son ouverture/fermeture. Ci-dessous différent schémas avec nos propositions de conception. Un système de "pattes", similaire à celui qui fixe le conduit à son socle, sera rajouté au nez afin de le fixer au conduit. L'axe du clapet doit se trouver entre le nez et le conduit, de façon à avoir un système facile à monter : conduit puis axe du clapet puis nez.

Ci-dessous, le conduit buccal semi-rigide, version sans nez, avec la plaque de silicone :

Ci-dessous, schémas pour la conception du nez à ajouter sur le conduit buccal rigide :

C'est finalement le choix du clapet s'ouvrant dans le nez (solution 2 sur le schéma ci-dessus, b) ou c) selon l'encombrement) qui est retenu, afin d'éviter de perturber le flux d'air provenant du haut parleur (situé à droite sur le schéma), selon la demande du client.

Nous testons la maquette semi-rigide tout juste imprimée en 3D. Nous déformons le tube avec les mains pour vérifier que ces déformations produisent bien une modulation du son, c'est-à-dire dans notre cas différentes voyelles. Le bruit rose dans le conduit non déformé donne une sorte de "e". En appuyant à l'entrée du conduit, on obtient une voyelle entre le "o" et le "a". Si on appuie à d'autres endroits, on n'obtient pas de voyelles vraiment distinguables à l'oreille, nous en concluons qu'il va nous falloir probablement changer de stratégie...

Ci-dessous, le test avec le conduit semi-rigide :

Ci-dessous, le test avec le conduit entièrement en silicone :

Les résultats obtenus à la dernière séance avec la maquette semi-rigide n'ayant pas été concluants, nous décidons de reprendre l'idée du projet 2018-2019 : un conduit buccal entièrement en silicone. Nous y rajouterons ultérieurement une cavité nasale.

Nos clients nous précisent que l'ouverture des lèvres devrait effectivement avoir un impact sur la formation des voyelles, et pas seulement la forme du conduit buccal, comme nous l'avions compris initialement.

Ci-dessus : images de la maquette réalisée par les P17, fortement dégradée aujourd'hui. Nous avons finalement choisi de nous inspirer de cette structure pour notre projet

Nous réfléchissons donc à un nouveau mécanisme d'ouverture/fermeture des lèvres : l'idée est d'utiliser un électroaimant afin d'assurer une ouverture rapide, nécessaire pour obtenir certaines consonnes, par exemple "p". Les premiers aimants que nous utilisons n'ont pas une course suffisante : il faut attendre que les deux bords des lèvres soient espacés de quelques millimètres seulement pour que l'aimant fasse effet, ce qui n'est pas réaliste dans notre ca ou la bouche a une ouverture de presque 1cm. Finalement, nous choisissons d'utiliser l'électroaimant uniquement pour l'ouverture des lèvres : lors de l'ouverture, un courant passe dans l'électroaimant et le champ magnétique est alors désactivé. Le poussoir qui pinçait les lèvres chute grâce à la gravité. Pour la fermeture, nous utiliserons un servomoteur et un disuqe désaxé afin de faire remonter le poussoir. Une fois ce dernier totalement remonté, le maintien des lèvres en position fermée est assurée par l'électroaimant : le champ magnétique retient le poussoir. Nous avons choisi cette solution car le cahier des charges impose une ouverture des lèvres rapides afin de produire des consonnes, mais la fermeture peut s'effectuer plus lentement.

Nous réfléchissons donc à un nouveau mécanisme d'ouverture/fermeture des lèvres : l'idée est d'utiliser un électroaimant afin d'assurer une ouverture rapide, nécessaire pour obtenir certaines consonnes, par exemple "p". Les premiers aimants que nous utilisons n'ont pas une course suffisante : il faut attendre que les deux bords des lèvres soient espacés de quelques millimètres seulement pour que l'aimant fasse effet, ce qui n'est pas réaliste dans notre ca ou la bouche a une ouverture de presque 1cm. Finalement, nous choisissons d'utiliser l'électroaimant uniquement pour l'ouverture des lèvres : lors de l'ouverture, un courant passe dans l'électroaimant et le champ magnétique est alors désactivé. Le poussoir qui pinçait les lèvres chute grâce à la gravité. Pour la fermeture, nous utiliserons un servomoteur et un disuqe désaxé afin de faire remonter le poussoir. Une fois ce dernier totalement remonté, le maintien des lèvres en position fermée est assurée par l'électroaimant : le champ magnétique retient le poussoir. Nous avons choisi cette solution car le cahier des charges impose une ouverture des lèvres rapides afin de produire des consonnes, mais la fermeture peut s'effectuer plus lentement.

Nous devons également réfléchir à la conception du nez. L'idée est de pouvoir l'ajouter au conduit buccal entièrement en silicone. Il faut donc concevoir un mécanisme d'ouverture et de fermeture pour cette nouvelle cavité nasale. Le client insiste sur l'importance de l'étanchéité, plus compliquée à mettre en oeuvre sur une maquette souple en silicone que sur une maquette rigide.

Après impression 3D d'un moule pour le tube en silicone, nous réalisons différents tubes en silicone, afin de réaliser des tests préliminaires d'étanchéité et de remplacer le tube de la promo P17 (équipe d'il y a deux ans), qui est abîmé.

Pour la fermeture du nez, l'idée est de pincer la jointure entre le nez et le conduit buccal, comme pour la bouche. Il faut réussir à pincer suffisamment fort, de façon homogène tout au long de l'ouverture de façon à garantir l'étanchéité.

Nous choisissons le mécanisme suivant : d'un côté la jointure du nez est collée à une barre fixe. De l'autre, une tige attachée à un servomoteur peut venir pincer la jointure, en se plaquant contre la barre fixe.

D'autre part, nous réalisons différents tests d'étanchéité.

Nous réalisons des enregistrements des sons obtenus avec le tube en silicone afin de visualiser les "formants" correspondant à chaque voyelle. En effet, en théorie, les différentes voyelles sont obtenues en faisant entrer en résonance différentes fréquences : on obtient ainsi un formant pour chaque voyelle (cf image ci-dessous).

Nous avons rencontré ces deux dernières semaines de nombreux problèmes d'impression 3D. Nous devons donc envisager d'autres solutions pour achever le moule de notre tube en silicone, ainsi que le système bielle manivelle. Nous choisissons donc de remplacer la partie du moule manquante par une partie en argile, donc plus grossière mais dont la réalisation nous permettra de respecter le calendrier (la soutenance finale ayant lieu dans 10 jours).

Nous avons terminé les calculs de dimensionnement du système bielle-manivelle, nécessaires afin de valider le choix du servomoteur. Il s'agit du système utilisé afin de transformer la rotation angulaire des servomoteurs en mouvement de translation verticale pour les poussoirs. Nous avons mesuré expérimentalement la force maximale nécessaire à la déformation et au maintien en position déformée du conduit buccal pour un poussoir, puis modélisé la force du tube en silicone sur le poussoir par une force de rappel élastique. Nous avons également pris en compte dans ce modèle le poids du système {poussoir+bielle+manivelle}. Pour des raisons de simplification des calculs, nous n'avons pas pris en compte les frottements (liés au liaisons pivots du système bielle manivelle mais surtout à la liaison glissière entre le poussoir et le bâti). Ils ne sont en réalité pas négligeables, mais nos servomoteurs ont un couple maximal dix fois supérieur au coupke maximal requis sans frottements. Le choix de nos servomoteurs (Hitec, modèle HS-645 MG) est donc validé.

Les calculs pour le dimensionnement du système bielle-manivelle sont présentés ci-dessous :

Ci-dessus, ces deux images de modélisation CATIA montrent le système bielle-manivelle dans son contexte. A gauche, un focus sur les servomoteurs ; à droite les poussoirs en haut et les servomoteurs en bas.

Nous terminons également les diagrammes SysML du système : le diagramme de définition de blocs, qui permet de visualiser les différents parties du système ; et le diagramme de blocs internes, qui permet de visualiser les interactions entre ces différentes parties.

Nous finalisons la maquette ainsi que les différents livrables (dossier de définition, site web, page marketing, film, maquette CATIA et soutenance). La soutenance de fin de projet aura lieu demain.

Voici en images ce qui a pu être réalisé au terme de ce projet :

Ci-dessous : Le système en action