Nous décrivons ici la construction du robot "Minnie" : un robot bipède de 80 cm de haut, ~7 kg à un coût limité d'environ 300€.
Minnie commence à marcher (OK, elle est encore un peu gauche...)
Embedded Files
Minnie est inspiré de notre robot Echo, plus petit :
Minnie est mue par :
2 moteurs de hanche
2 moteurs de genoux
2 moteurs de pieds
2 moteurs d'épaule
2 moteurs de coude
2 moteurs (servos RC) de tête
Ce qui fait quand même 12 moteurs (DOF) qui doivent être suffisamment puissants, rapides, pas trop chers...
Actuellement, Minnie n'a pas de main. On pourra envisager de lui rajouter une pince ou plusieurs doigts...
Minnie doit, évidemment marcher, détecter une chute (ce qui ne manquera pas d'arriver !) ne rien casser (il y a des amortisseurs en mousse à l'avant et à l'arrière) et se relever toute seule.
Le matériel nécessaire :
Le tronc de Minnie est constitué d'une boite en ABS de 263x185x80 (16.59€) (Nous avons testé une boite en aluminium mais c'est lourd...) (la boite est grande mais il ne faut pas négliger la taille du câblage et l'accès. La taille de la boite permet aussi d'accueillir, éventuellement, un pack batterie plus important).
A l'intérieur, une grande plaque en plexiglas transparent e3.5, verticale, maintenue par 2 cornières en alu de 20x20 fixée sur le côté gauche de la boite et 2 charnières maison sur le côté droit donne un accès facile à toutes les cartes. Le plexi est isolant : on peut visser les cartes directement dessus sans entretoise, sans accès à l'arrière et sa transparence facilite la maintenance. Derrière cette plaque se trouve la batterie (qui a beaucoup de place), 4 moteurs et 1 servo. Tous les câbles qui arrivent sur les cartes fixées sur la plaque passent du côté droit. Ainsi, en dévissant les 2 vis des cornières du côté gauche, on peut faire pivoter la carte en plexi avec toutes les cartes, comme la page d'un livre, pour avoir accès aux moteurs, au câblage et à la batterie. A la rigueur Minnie pourrait même fonctionner avec la plaque plexi "ouverte". On pourrait même fixer des cartes supplémentaires au verso, dans la partie haute de la plaque en plexi...
Les bras et les cuisses de Minnie sont constitués de profilés aluminium de 50x50e2, les avant-bras de profilés aluminium 30x30e2 et les mollets de profilés aluminium de 45x45e2
Minnie est animée par un Teensy 4.1 qui a suffisamment de puissance et suffisamment de sorties pour les 10 moteurs, 2 servos RC, l'I2C... (nous avons testé les ESP32 qui sont assez puissants mais trop justes en nombre de broches). Et un petit module accéléromètre I2C MPU6050 (1.6€) (pour détecter les chutes). Rappelons que le Teensy 4.1 est beaucoup plus puissant (~x100) qu'un Arduino Nano.
Entrées/Sorties I/O : Total : 39
10 PWM moteur cw
10 PWM moteur ccw
10 Analog capteurs potentiomètres
2 Digital Servos tête
2 Digital Capteur Ultra-sons
1 Analog Tension batterie
2 I2C Accéléromètre
1 Digital Bip
Nota : le Teensy 4.1 est muni d'un connecteur MicroSD pour lui ajouter de la mémoire...
Un pack batterie Lithium de 12V 20Ah avec son circuit de charge (25€). La puissance du pack va évidemment déterminer l'autonomie... (Attention aux capacités fantaisistes indiquées sur les batteries chinoises...)
Il y a beaucoup de place derrière la plaque en plexi qui maintient les cartes électroniques. On peut donc choisir entre pas mal de modèles et de capacités différentes selon l'autonomie souhaitée. Par exemple :
10 motoréducteurs coudés 5840-31ZY (49€ les 4) 12V (l'axe de sortie est monté sur 2 roulements à billes)
Nota : ces moteurs sont un compromis puissance/vitesse/prix : on peut faire mieux mais c'est environ 10 fois plus cher : Minnie à 2500€ ! ... Ici la vitesse des moteurs va limiter la vitesse de mouvements et de marche de Minnie...
Ces moteurs sont irréversibles (ce qui a des inconvénients) mais a aussi l'avantage de permettre de maintenir une position à l'arrêt sans consommer et améliorer l'autonomie... Minnie pourrait rester à faire l'arbre droit pendant 15mn sans presque rien consommer !
Attention : ces moteurs existent en de nombreuses versions concernant la vitesse de sortie (et donc le couple) : en RPM (tours par minute) : 5 - 7 - 10 - 12 - 16 - 27 - 40 - 53 - 82 -94 -148 -160 -260 - 470. Le moteur est le même, le nombre et la nature des engrenages du réducteur changent. Pour délivrer un couple suffisant, surtout au niveau des pieds et des hanches, nous conseillons le modèle 16 RPM (le 27 RPM pourrait peut-être convenir ; pas sûr. Le 40 RPM délivre un couple insuffisant. Évidemment, les mouvements sont plus lents (mais Minnie a de grandes jambes :-)
10 cartes contrôleurs IBT-4 (4.09) avec des ponts en H et du PWM jusqu'à 200kHzpour commander en vitesse et dans les 2 sens chaque moteur (à chaque mouvement les moteurs sont accélérés et décélérés par logiciel. (Plus rapide, augmentation de la durée de vie des moteurs, équilibre de Minnie et plus naturel). (Les cartes moins chères sont malheureusement limitées à 2kHz de PWM ce qui est bruyant).
10 potentiomètres Piher PT15 10k sans butée linéaires (2.2€ les10) (voir un peu plus loin). Le problème des moteurs, c'est qu'ils n'ont pas de capteur angulaire. L'astuce ici, consiste à coller (époxy) un axe constitué d'une vis FM4x10 modifiée : la tête est meulé en diamètre, 2 plats sont ajoutés sur le filetage à la lime et la vis est raccourcie. La tête est collée sur l'axe moteur et entraîne le potentiomètre PT15. On obtient ainsi des servos de puissance à moindre coût !
Les 10 potentiomètre sont alimentés en 3.3V directement par le Teensy 4.1 (qui suffit largement). Le tout rentre au chausse-pied au niveau du coude et des pieds...
A noter que le 3V3 Teensy est relié à l'ensemble des 10 potentiomètres de 10k via une résistance de 47ohms qui sert :
Protéger le Teensy en cas de court-circuit au niveau d'un potentiomètre : le courant maxi sera alors d'environ 80 mA, le Teensy peut délivrer 250mA
Surveiller le courant : chaque potentiomètre absorbe ~0.3mA, les 10 absorbent ~3mA (courant qui est constant) ce qui doit nous faire une tension d'environ 3.15V sur les potentiomètres : ni plus ni moins...
2 servos RC RDS3115MG (24€ les 2) pour la tête de Minnie (les mêmes que ceux utilisés par Echo)
6 brides D8 (8.88€ les 4) pour les motoréducteurs de pieds
10 brides faites maison pour les autres articulations : en soudant (arc), pour chaque bride, deux rondelles en acier Ø20x2, percées et taraudées M4, à un morceau de tube D10d8. Et en soudant un écrou M4 sur le tube. Ces brides sont maintenues par 8 vis M4 : 4 de chaque côté du profilé aluminium pour plus de rigidité...
1 Convertisseur 12V->5V 5A (1.60€) pour alimenter les 2 servos, le Teensy 4.1 et tous les potentiomètres PT15
2 arceaux en acier M6x20 (2.10€ les2) pour assurer, attraper, transporter et sécuriser Minnie
60 vis Chc Tête fraisée M3x10 (1.40€ les 50)
90 vis Chc tête fraisée M4x10 (1.96€ les 30)
1m câble nappe multicolore
1 filament Led rouge (voyant marche = bouche)
Et encore :
Caméra (futur...)
De la visserie et de la tôle aluminium pour les pieds
Des chaussures enfant pour les pieds ?
Des amortisseurs de chute : 2 seins demi-sphériques en mousse à l'avant et... un cylindre de mousse à l'arrière... fixés sur la boite
De la mousse pour caler la batterie devant et derrière
Un avant-projet de Minnie en 3D : (le capot de la boite est ouvert). Les profilés aluminium seront munis de bouchons en plastique imprimés en 3D ou en bois. (En bleu, à terre, une carte de crédit CB pour donner l’échelle).
Les pieds et les "mains" de Minnie sont en bois (ou CTP) pour limiter le bruit. (pendant la marche et les chutes). Notre expérience avec notre robot Echo nous a montré que les semelles métalliques n'étaient pas idéal sur le carrelage : c'est bruyant et ça glisse !
De haut en bas :
La tête (imprimée en 3D Ø120) Le trou du nez pour la future caméra, des trous sous la tête, à l'avant pour un futur haut-parleur... La casquette, un capteur à ultra-sons, et un filament Led rouge (voyant marche) en forme de sourire fixés sur :
Sur le dessus du coffret :
2 servos RC pour orienter la tête
1 interrupteur de marche
1 embase Jack de recharge 12V du pack batterie
1 embase USB pour la programmation de le Teensy 4.1
Le capot de la boite avec... 2 amortisseurs de chute en mousse (il y a les mêmes dans le dos). Ça limite le bruit et la casse en cas de chute !
La boite est assez grande et contient le Teensy 4.1, les 10 cartes contrôleurs IBT-4 (noir), le convertisseur, l'accéléromètre. Derrière la plaque en plexi transparente et qui peut pivoter : le pack batterie (bleu), les 2 motoréducteurs d'épaule et les 2 motoréducteurs de hanche. (Les masses le plus bas possible).
La batterie (en bleu)
Les bras en profilé alu 50x50e2
Sur les épaules, une butée noire (invisible sur l'image) pour empêcher les bras de faire plusieurs tours et d'arracher le câble du coude
Les avant-bras en profilé alu 30x30e2
Les cuisses en profilé alu 50x50e2
Les mollets en profilé alu 45x45e2
Nota : montage des genoux (l'articulation la plus délicate) : insérer les 2 vis moteur du bas dans le bas de la cuisse, installer le moteur en insérant l'axe dans la bride, orienter le genou pour une des vis soit en face du trou de montage de la cuisse, visser un peu la vis, orienter le genou pour l'autre vis, visser un peu la vis et ainsi de suite jusqu'à ce que les 2 vis soit vissées mais pas serrées. Poser la jambe à plat, avec une pince, poser puis visser une des vis du haut, puis l'autre, serrer les 4 vis.
Les pieds, (avec une bride supplémentaire et axe Ø8 en plus du moteur. Les semelles sont en CTP (pour le bruit). Si les dimensions sont correctes, les pieds seront ensuite sans doute équipés de chaussures enfants !
Devant les pieds, une carte CB pour donner l'échelle...
Nota : les pieds d'un robot bipède doivent être soigneusement choisis : forme, dimensions, matière... (les pieds plus petits sont plus esthétiques mais l'équilibre est évidemment plus compliqué).
Comme d'habitude, il faut commencer par construire une mécanique relativement fiable, puis l'électrotechnique et le câblage et enfin le code Teensy 4.1...
Nota : Tous les câbles qui arrivent sur les cartes électroniques fixées sur la plaque en plexi viennent de la droite de Minnie (la gauche sur la photo). (Même les câbles connectés aux moteur de gauche). Ainsi, en cas de maintenance, on peut dévisser les 2 vis qui maintiennent la plaque en plexi sur les équerres alu et faire pivoter la plaque en plexi avec toutes ses cartes (comme ouvrir un livre). Voire faire fonctionner Minnie, plaque plexi ouverte.
Le code :
Il faut commencer par apprendre Minnie à marcher, puis à se relever, qu'elle soit sur le ventre ou sur le dos. Ensuite tourner (ce n'est pas très compliqué), courir, s'asseoir, se coucher, faire des roulades, courir (c'est plus compliqué), faire un saut périlleux avant, Euh... là non !
Nommer les moteurs : (angles en degrés)
TZ : servo tête axe vertical (+ vers la droite)
TX : servo tête axe horizontal (+ vers le haut)
EG : motoréducteur épaule gauche (+ vers l'avant)
ED : motoréducteur épaule droite (+ vers l'avant)
CG : motoréducteur coude gauche (+ vers l'avant)
CD : motoréducteur coude droit (+ vers l'avant)
HG : motoréducteur hanche gauche (+ vers l'avant)
HD : motoréducteur hanche droite (+ vers l'avant)
GG : motoréducteur genoux gauche (+ vers l'avant)
GD : motoréducteur genoux droite (+ vers l'avant)
PG : motoréducteur pied gauche (+ vers l'extérieur)
PD : motoréducteur pied droit (+ vers l'extérieur)
Exemple de routine : HG(45,40) : rotation de la hanche gauche jusqu'à 45° en avant à une vitesse PWM de 40%.
La routine gère l'accélération, la vitesse maxi, la décélération, si l'angle ne bouge pas, il faut augmenter temporairement la puissance PWM. Nota : avec nos cartes contrôleurs IBT-4, le PWM est limité à 200kHz max, nous allons l'utiliser à 20kHz (12bits) pour que les moteurs soient silencieux...
Exemple de ligne de code : HG(45,50); GG(-45,50); PG(-10,40); Moteur();
La routine Moteur() lance les 3 mouvements : hanche gauche, genou gauche et pied gauche en même temps (comme pour Echo).
Pour marcher, Minnie doit commencer par mettre son appui sur le pied gauche.
Exemple (les angles sont approximatifs et doivent être réglés précisément sur place, à vitesse très lente, pour un équilibre gauche/droite avant/arrière optimal.
Avance cuisse gauche de 15°, recule mollet gauche de 15°, incline pied gauche de 5° extérieur, pied droit de 30° vers l'intérieur : Minnie est alors en appui sur le pied gauche (sans tomber)
Pied droit à 0°
Recule le tronc, avance la cuisse droite de 30°, recule le mollet droit de 30°
Avance le tronc recule la cuisse gauche de 30°, avance le mollet droit de 30°, pied gauche à 0° : Minnie est alors en appui sur les 2 pieds
Et grosso modo, ainsi de suite en inversant la droite et la gauche
Il faut réaliser tous ces mouvements à vitesse très lente puis accélérer (il faudra peut-être retoucher un peu les angles).
Pour marcher vite, comme pour un humain, il y a un angle idéal : les petits pas sont lents, et les grandes enjambées aussi...
A noter que la marche ne consomme pas énormément d'énergie (ce qui consomme, c'est se relever et courir). Comme un humain : un bipède est plus efficace énergétiquement qu'un quadrupède.
Ensuite il faut apprendre à Minnie à se relever lorsqu'elle est couchée sur le ventre ou sur le dos. Lui apprendre à tourner (ce n'est pas très compliqué). Lui apprendre à courir, ça, c'est plus difficile parce que c'est un mouvement dynamique qu'on ne peut pas se contenter de jouer très lentement puis accélérer. Et aussi parce que, comme un humain, pour courir, il faut d'abord accélérer puis courir et ralentir...
Réalisation :
Il faut commencer par fabriquer le tronc et les jambes :
Modifier les 10 motoréducteurs et leur ajouter les potentiomètres
Monter 4 motoréducteurs dans le boitier
Fabriquer les cuisses et le mollets et les pieds avec les profilés aluminium. Il faut rajouter des trous supplémentaires dans le bas des cuisses pour pouvoir visser (et dévisser) les 4 vis M4 qui maintiennent le moteur de genou.
Assembler tout ça
Installer la plaque en plexi, les 2 charnières et les 2 cornières, le Teensy 4.1, le convertisseur et 10 cartes contrôleurs
Installer la batterie, le connecteur de charge et l'interrupteur de marche
On peut commencer les premiers essais sans accéléromètre, sans tête, sans bras...
Arrivé ici, il est nécessaire de construire un Youpala : un support en bois muni de 4 roulettes avec une double potence reliée par 2 cordelettes et 2 mousquetons aux arceaux en acier de Minnie. Ainsi Minnie (comme un bébé humain) peut faire ses premiers pas sans vraiment se casser la figure... Le Youpala est aussi pratique pour le montage, le câblage (il y a pas mal de câblage dans Minnie) et les tests moteurs, potentiomètres....
Il faut ensuite ajuster précisément les angles de la marche, la forme et la taille des pieds en CTP (contreplaqué) et voir si on peut l'équiper de chaussures pour une stabilité suffisante.
Il faut alors ajouter les bras dont on aura besoin pour que Minnie puisse se relever
Il faudra enfin rajouter l'accéléromètre et mettre au point les routines pour se relever depuis position sur le ventre ou sur le dos.
Et finalement ajouter les 2 servos, la tête avec le capteur ultra-sons...
Plus tard, un microphone, un haut-parleur et une caméra avec probablement un ESP32-S3 pour gérer tout ça, discuter avec le robot et faire de la détection d'obstacles voire de la reconnaissance de visages...
Premiers tests :
Installer le potentiomètre sur un motoréducteur :
Nota : Pour le capteur de position, à la place du potentiomètre, nous avons fait des essais avec des capteurs magnétiques AS5600 et un aimant collé sur l'axe moteur mais les perturbations magnétiques apportées par le moteur sont trop importantes...
Nota : il n'est même pas nécessaire, ni souhaitable d'ouvrir le boitier du réducteur ni d’ailleurs celui du potentiomètre PT15.
Percer un avant-trou Ø3 (par exemple) centré sur l'axe de sortie, à l'arrière du boitier du motoréducteur coudé 5840-31ZY : on voit l'axe à travers le trou. En faisant tourner le motoréducteur, on peut voir, à la loupe, s'il est précisément centré
Agrandir le trou au foret de 6 et le terminer avec une lame de métal ou un tournevis plat pour obtenir un diamètre de 6.5 : arrivé là, on voit bien l'axe (D5) et le roulement
Percer un axe dans l'axe en acier du moteur, en faisant tourner (pour être bien centré) le moteur lentement (6V) tout en fraisant (fraise d3) un trou de 6 de profond dans l'axe en acier
Insérer une pige (acier) 10xd3.2 avec de l'époxy dans le trou
Installer le potentiomètre avec un peu d'époxy sur la pige
Nota : on peut évidemment continuer à utiliser le motoréducteur normalement, avec l'axe, même s'il est inutilisé.
Nous avons usiné, avec notre Cnc3040 maison, dix adaptateurs en plexiglas e8 avec un "trou de serrure" pour le potentiomètre qui rentre en forçant un peu. (La Cnc nous permet de fabriquer facilement 10 adaptateurs précis et identiques. (On pourrait aussi les imprimer en 3D). Les potentiomètres ont tous été modifiés (plus de butée).
Nota : on aurait pu usiner l'adaptateur dans du plexi de 10 et usiner le "tour de serrure" sans déboucher en laissant 1 mm pour protéger le potentiomètre. Mais dans notre cas, il n'y a vraiment pas beaucoup de place dans le profilé...
oNous avons monté un adaptateur sur le dos d'un moteur avec 4 vis fraisée M4x8
Puis nous avons monté le potentiomètre P15 10k et ses 3 fils
ATTENTION : Le problème, ici, c'est de se procurer des potentiomètres PT15 SANS BUTÉE. Ça existe mais c'est vraiment difficile à trouver. Nous avons choisi d'utiliser des PT15 standards et de percer un trou près de l'axe pour ôter la butée : c'est une opération délicate. (Mais bon, les PT15 ne sont pas chers...)
Méthode pour enlever la butée du PT15 :
Sacrifier un PT15 en l'ouvrant en séparant la partie métallique de la partie plastique noire juste pour bien comprendre comment fonctionne la butée
Positionner le potentiomètre au quart de sa course (d'un côté ou de l'autre)
Percer un trou Ø1.2 dans le plastique noir à l'opposé des contacts, tout près de la partie blanche mais sans la toucher. Attention d'aller doucement quand le foret traverse le plastique et qu'il dégage...
Avec une épingle ou un objet pointu (et une loupe), à travers le trou arracher des morceaux de plastique noir, côté centre qui constituent la butée
Avec un axe, essayer de forcer (un peu la butée) dans un sens ou dans l'autre
Enlever un peu plus de plastique, forcer un peu avec l'axe et ainsi de suite jusqu'à ce que la butée saute
Vérifier à l’ohmmètre et en faisant tourner l'axe, que le potentiomètre est toujours "vivant"
En option : nous avons rebouché chaque trou avec un peu de résine (pour éviter les saletés qui pourraient s'y introduire)
Au bout de un ou deux potentiomètres, l'opération prend moins de 5mn par potentiomètre.
Nota : en principe, on n'atteint jamais la butée...
Nota : si on laisse la butée, au moindre bug, défaut... on va tout casser.
Nota : il existe aussi des PT15U à durée de vie rallongée (le PT15 est donné pour 10000 cycles).
Nota : une petite entaille sur la partie plastique blanche du PT15 indique la position du curseur...
Photo : Le support plexi est fixé sur le dos du moteur avec 4 vis FM4x8. Il maintient le potentiomètre Piher PT15 10k linéaire modifié sans butée. 3 fils sortent du potentiomètre pour les essais électrique. On perçoit le trou dans le potentiomètre qui nous a permis de supprimer la butée.
Nota : L'ensemble fait 38.7mm d'épaisseur ce qui rentre dans notre profilé 45x45 (qui fait donc 41mm intérieur). On pourra peut-être même faire une découpe (en trou de serrure) dans le profilé 45x45 uniquement de la largeur de l'axe moteur (pour mettre l'ensemble en place).
Souder les 3 fils sur le potentiomètre
Vérifier, en alimentant le potentiomètre en 3.3V et en connectant un voltmètre sur sa sortie que quand on fait tourner le moteur (avec une alimentation de 4 ou 5V) la tension suit sur une large partie (~270°) de la rotation.
Relier le moteur sur un pont en H alimenté en 12V (dans le bon sens)
Relier les 2 entrées du pont et le curseur du potentiomètre (3.3V) au Teensy 4.1
Relier la sortie d'un autre potentiomètre (0 et 3V3) à une entrée au Teensy 4.1
Charger le Teensy 4.1 avec du code généré par IA (GPT-5.5) : "Propose-moi du code commenté pour piloter mon moteur 12 V DC avec ZK-BM1 et un potentiomètre installé sur l'axe de sortie du moteur 5840-31ZY relié à un Teensy 4.1 en analogique. Je voudrai une routine du type Mot(45,60) où 45 représente l'angle souhaité en ° et 60 représente 60% de PWM. rampe linéaire accélération et décélération. La position du moteur pilotée par une entrée analogique du Teensy 4.1. "
Et voilà, il n'y a plus qu'à brancher et tester... le motoréducteur coudé 5840-31ZY doit suivre la position du potentiomètre comme un (gros) servo RC... Si ça ne fonctionne pas, il suffit peut-être de permuter les fils du moteur...
Attention : il faut absolument réussir cette étape-clef avant d'investir et d'acheter le reste du matériel.
Il vaut mieux connecter une résistance, par exemple 220k, entre la sortie du potentiomètre et la masse pour éviter une tension flottante quand le potentiomètre va au-delà de sa course normale... (on pourra l'ajouter dans les adaptateurs plexi...)
Ensuite, nous allons monter 6 moteurs : les 2 cuisses, mollets et pieds sur le boitier avec le Teensy 4.1 et tester un "robot-tronc" sans bras ni tête qui doit apprendre à marcher lentement...
Nous avons fabriqué les brides constituées chacune d'un tube acier D10d8 à l'intérieur d'un tube D12d10 soudés à l'arc à 2 rondelles acier D32d10e2 chaque rondelle est percée de 3 trous taraudés M4 à 120° et un trou taraudé M4 dans le tube le plus proche possible du bord. (L'axe du moteur n'est pas très long).
Nous avons besoin de :
4 brides L=46 pour les épaules et les hanches. Profilés 50x50 (46 de large)
2 brides L=41 pour les genoux. Profilés 45x45 (41 de large)
2 brides L=26 pour les coudes. Ces 2 brides ont des méplats pour pouvoir rentrer à l'intérieur du profilé 30x30 (26 de large)
Ces brides sont glissés à l'intérieur des profilés aluminium et maintenues de chaque côté par 3 vis FM4x8 et une vis M4 pour bloquer l'axe du moteur.
Nota : le fait de fixer la bride de chaque côté du profilé renforce les articulations.
Fabrication des pieds provisoires : (il faudra probablement modifier la largeur et la longueur des pieds en fonction de la stabilité et de l'algorithme de marche...)
Le coffret en cours de fabrication : la plaque en plexi pivotante et un moteur (hanche droite) ont été installés. (les écrans de protection du plexi sont toujours là ce qui lui donne un aspect "flou". Les 2 servos de tête ont été installés et la fixation du servo inférieur a été renforcée. (Pour éviter qu'à la 1ère chute, Minnie soit décapitée...)
Le coffret avec :
Les 2 servos de tête non connectés
Les 2 arceaux de sécurité M6
La prise de charge 12V (pas visible sur l'image) et l'interrupteur de marche (en haut, sous le Teensy 4.1)
le Teensy 4.1 (provisoirement remplacé par un ESP32
La rallonge USB-C de programmation
Le convertisseur 5V (fixé sous le plexi par un collier)
10 cartes contrôleur de moteur (20 kHz) (vissées sur le plexi) reliés en 12V, dont une reliée au Teensy 4.1 et au :
Moteur de hanche droite avec sa bride
Un potentiomètre de test pour les essais
Nous allons pouvoir faire les premiers essais électriques : demander à l'IA d'écrire un bout de code : Prompt : "Génère le code Arduino IDE Teensy 4.1 pour gérer la position d'un moteur 12V en PWM sur la sortie 19 et sens sur la sortie 20, fréquence 20kHz. avec rampe d'accélération et décélération. Position en fonction de la tension sur la broche 2 de 0V à 3.3V. le potentiomètre de consigne, alimenté en 3.3V est relié à la broche 1.".
Nota : pour l'instant, Minnie est alimentée par le connecteur de charge (en haut), en 12V, avec une alimentation de labo...
Sur l'image suivante, Minnie est sous tension : Les Leds du convertisseur, des 5 contrôleurs et de le Teensy 4.1 sont allumées... (consommation 36mA)
Il reste à câbler les 2 servos, 9 moteurs avec leurs 9 potentiomètres et le capteur ultrasons (il faudra aussi rajouter un module accéléromètre).
Premiers essais électriques : Nous avons longuement discuté avec notre IA pour optimiser le code pour éviter le pompage en évitant les zones mortes.
Avec un algorithme correct : les servos commencent à bien marcher : rapide et pratiquement plus de pompage.
Minnie a maintenant un Youpala (4 roulettes) (3 des 4 moteurs ont été provisoirement simulés...) :
La mécanique a avancé : ça y est : Minnie est sur ses pieds ! (avec sa batterie). il manque :
9 des 10 motoréducteurs... (on distingue le moteur de hanche droit à gauche de la batterie sur l'image)
La tête avec le capteur à ultrason, le voyant marche et la casquette
Le capot avant avec les protections en mousse avant et arrière
Les protections des profilés
Pas mal de câblage...
Minnie a reçu sa tête, sa casquette (un peu petite), une bouche (provisoire) et son capteur à ultrasons, la batterie. Il manque l'électronique. On voit bien la plaque en plexi transparente qui reçoit l'électronique et qui peut pivoter pour l'accès.
Minnie avec une partie de l'électronique. Il manque des moteurs : (la carte de crédit, aux pieds de Minnie, donne l'échelle)
Une vue plus détaillée de l'électronique, sous tension. Une partie du câblage, l'ESP32 (et le potentiomètre sur la droite) sont provisoires. Les "gros" fils (1.5²) rouges et bleus qui alimentent les 10 contrôleurs sont reliés au 12V batterie à travers l'interrupteur de marche. Le Teensy 4.1 (provisoirement remplacé par un ESP32 surélevé par 4 entretoises) est relié à la rallonge USB-C. Le convertisseur 12V>5V est sous la plaque en plexi (sous l'ESP32) pour gagner de la place. Il manque l'accéléromètre. On distingue la batterie 12V, en bas, derrière la plaque en plexi. Seul le moteur en bas à gauche (difficilement visible) (Hanche Droite) est présent. Les 3 autres sont provisoirement remplacés par une plaque de contreplaqué et une vis M8.
La plaque en plexi est soulevée pour bien montrer le moteur avec son potentiomètre, les 3 autres moteurs simulés par une plaque de contreplaqué, la batterie 12V (maintenue par 4 fils d'acier) avec son câble de charge et son câble de décharge, le servomoteur de tête et les 2 équerres en aluminium : une pour l'appui de la plaque en plexi et l'autre pour l'appui et la vis de fixation. Le convertisseur provisoirement fixé par une ligature blanche qui sera remplacée par 2 colliers plastiques.
Minnie commence à bouger (OK, elle ne marche pas encore).
Uniquement la hanche droite...
Minnie a reçu tous ses moteurs (10 en tout) (mais ils ne sont pas encore câblés et il manquent leurs potentiomètres). Du coup, elle a pris du poids : environ 7.5kg (qui devrait être à peu près son poids définitif).
Nous avons installé les 9 potentiomètres. Il reste à les câbler en faisant des trous dans les profilés aluminium et la boite pour passer les câbles...
La "carte-mère" du Teensy 4.1 (soudé sur 2 connecteurs femelle enfiché dans les connecteurs malle verts)de Minnie recto et verso :
Chaque broche du connecteur mâle est connectée par soudure à sa voisine à gauche ou à droite
Les fils des entrées analogiques, sorties moteur... sont soudés sur la broche extérieur du connecteur vert
A chaque sortie de Teensy 4.1, une résistance R220 est soudée sur la carte mère : il faut absolument éviter un court-circuit entre 2 sorties sinon on détruit le Teensy 4.1. Les résistances permettent d'éviter la destruction même en cas de court-circuit, par exemple sur le connecteur du driver
En haut à gauche, 2 broches Test (en noir) masse pour connecter les instruments de mesure
Un bornier à vis, vert pour l'alimentation 5V
Un condensateur de 220nF pour découpler le 5V au plus près (au verso)
Les 2 trous d3 pour fixer la carte sur la plaque en plexi
En haut à droite, 2x3 broches pour relier les servos RC
Une Led de marche sur le 5V
2 Résistances d'atténuation du 12V pour que le Teensy 4.1 puisse mesurer la tension batterie
Une Led Verte (boitier blanc) et une Led Rouge et leurs résistances reliées à des sorties Teensy 4.1 pour le debug
Les fils jaune et vert relient les servos au Teensy 4.1
A noter qu'il reste une seule broche (20) libre des pins extérieures du Teensy 4.1 disponible...
Après avoir câblé la carte mère, avant d'insérer le Teensy 4.1 et de mettre sous tension, il faut impérativement vérifier l'isolation de chaque broche du Teensy 4.1 et de sa voisine.
Ainsi on peut déconnecter le Teensy 4.1 de la carte-mère (indispensable pour programmer facilement, de-bugger et, en cas de crash, remplacer facilement le Teensy 4.1)
Minnie à peu près câblée (il manque l'accéléromètre et les servos) : Pas mal de fils. Nous testons séparément chaque moteur (tension/courant) et son potentiomètre avant de les connecter.
Les 6 fils noirs des masses potentiomètre sont reliés (domino électricien) derrière la plaque à un unique fil noir relié au Teensy 4.1.
Pour les 6 fils jaunes 3.3V potentiomètres, nous aurions pu les relier ensemble au 3.3V du processeur... Une astuce : chaque fil jaune d'un potentiomètre est relié à une R220 et ensuit la borne opposée de chaque résistance est reliée au 3.3V du Teensy 4.1 :
Vue la valeur du potentiomètre 10k (constante) ça ne change quasiment rien à la tension (3.23V au lieu de 3.3V)
Si un potentiomètre est en court-circuit (3.3V ou curseur) (fil pincé, cosse potentiomètre tordue), le moteur correspondant va faire n'importe quoi mais les autres pourront fonctionner normalement
Ça permet de mesurer la tension et donc le courant de chaque potentiomètre pour vérifier que tout va bien (3.23V) et ça facilite le diagnostic et la réparation
En cas de court-circuit, ça protège le Teensy 4.1
Nous avons rajouté, sur la "carte-mère" du Teensy 4.1 des manchons plastiques (bleus) pour limiter encore les risques de court-circuits entre sortie...
Une petite astuce pour tester les moteurs calmement (relier les entrées des drivers directement sur le 3V3 applique la pleine tension 12V au moteur et les mouvements sont violents) : notre petit oscilloscope qui fait aussi générateur BF en mode signal rectangulaire, 10kHz (le maximum), rapport cyclique réglable entre 0 et 100%. Ça permet de tester le bruit en fonction de la fréquence et la puissance à injecter dans les moteurs : par exemple celle d'un moteur de hanche pour soulever la jambe....
Après avoir lancé un programme qui fait marcher tous les membres de Minnie les uns après les autres (Minnie est suspendue sur son youpala). Avec notre "petite" batterie, nous avons une autonomie de plus de 4h ce qui est une bonne surprise ! Nous considérons qu'il faut arrêter de décharger la batterie quand elle est à 10V. A noter que le BMS intégré à la batterie la coupe totalement quand la tension est inférieure à 9.5V environ. Dans le cas du fonctionnement réel, plusieurs moteurs fonctionneront en même temps, Minnie devra supporter son poids. Il faudra alimenter les servos, l'accéléromètre, les ultra-sons... La consommation sera donc un peu plus importante et l'autonomie sera plus faible. Mais, bon, ça nous donne une idée de la future autonomie du robot...
Nous avons rajouté des butées en mousse (noire), 2 sur chaque chaussure. Pour tenter d'éviter de bloquer brutalement et d'abimer les moteurs de cheville (le pignon qui engrène sur la vis sans fin de l'axe moteur) en cas de bug quand les pieds sont en butée contre les mollets.
Les pieds de Minnie ; la forme, les dimensions et le matériau des pieds d'un robot sont importants : Dans le cas de Minnie, à moins de rajouter des nouveaux servos dans un autre axe au niveau des hanches, il faut déterminer la largeur des pieds : suffisamment large côté intérieur pour limiter l'angle auquel Minnie doit pencher pour transférer son appui sur un pied. Suffisamment large côté extérieur pour, avec l'angle correspondant à la hauteur de soulèvement maximum. Minnie puisse basculer son appui sur l'autre pied. Ces largeurs dépendent évidemment de l'altitude verticale du centre de gravité.
Nous allons faire les essais de marche avec des pieds de 150. Axe à 60 de l'extérieur, 90 de l'intérieur.
Une illustration : Ici les pieds sont juste assez larges pour provoquer un basculement de Minnie qui va au-delà du centre de gravité et qui permet donc à Minnie de s'appuyer sur un seul pied pour pouvoir marcher... Une fois Minnie basculée, l'angle du pied à gauche doit être réglé pour que la verticale du centre de gravité passe à peu près par l'axe du pied pour un maximum de stabilité.
Une photo de Minnie avec des nouveaux pieds en cours d'essais. (qui ne sont pas encore définitifs...) Il ne faut pas oublier que, en matière de robot, avant d'écrire le code pour des nouveaux mouvements, il faut que ces mouvements soient MECANIQUEMENT possibles.
Les tout premiers pas de Minnie : bon d'acccord, c'est encore hésitant mais ce n'est qu'un début. Pour le moment, en cas de chute, elle ne sait pas encore se relever toute seule...
Minnie a reçu des protections à l'avant et à l'arrière... (A noter qu'elle a aussi reçu un voyant vert de marche sur le dessus du boitier et un amortisseur de cou à ressort avec un tuyau (jaune) pour limiter l'effet Zébulon !)
Créé le 21/03/2026
A jour le 04/07/2026
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