Euh... une quoi ?

Pourquoi une fourmi à vapeur ? L'idée m'est venue comme souvent d'une coïncidence : la découverte d'un robot à quatre pattes réalisé par le chinois Crabfu (voir la page qui lui est conscacrée), basé sur un moteur Wilesco D14, et l'achat en solde de ce même moteur.

Bien que le robot de Crabfu soit très esthétique (jetez un oeil à ses autres réalisations, c'est superbe), une chose me chagrinait grandement : sa démarche est vraiment ratée, il a plus l'air d'un chien au train arrière paralysé que d'un quadrupède. La vidéo montre clairement pourquoi : le robot n'est jamais en équilibre, il repose toujours sur ses deux pattes arrière tandis que seules les pattes avant se soulèvent du sol.

J'ai voulu réaliser mon propre automate basé sur six pattes, ce qui permet d'assurer la stabilité en ayant toujours trois pattes qui touchent le sol et trois pattes en l'air.

Le moteur

cylindre.jpg Le moteur est une chaudière à vapeur Wilesco D14. Firme allemande créée dans l'entre deux guerres, Wilesco s'est depuis une cinquantaine d'années spécialisée dans la production de machines à vapeur miniatures.

La D14 est, comme la plupart de leurs machines, basée sur un petit cylindre à double action, c'est à dire que la vapeur pousse le cylindre à l'aller comme au retour grâce à un tiroir d'admission mobile, contrairement aux machines à simple action où la vapeur ne pousse que dans un sens, le retour s'effectuant via un volant d'inertie. Wilesco a une page qui explique bien le principe. La chaudière est chauffée par des tablettes de combustible solide Esbit.

Elle a en outre l'avantage d'être très compacte, le cylindre étant monté sur la chaudière elle-même. Elle convient donc parfaitement à la réalisation de machines mobiles. Il existe tout un tas d'autres modèles destinés à animer des personnages articulés, sorte de croisement entre le modélisme ferroviaire et le nain de jardin.

La cinématique

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Récupérer la puissance

Pour transmettre la puissance du moteur aux pattes, j'ai opté pour une transmission par chaîne et un moto-réducteur à grand rapport, 286:1 exactement. Le moteur tourne très rapidement à vide mais n'a pas beaucoup de couple! J'ai supprimé la poulie d'origine et mis à la place un engrenage pour pouvoir y mettre la chaîne.

Les pattes

IMGP3334tp.jpgOn arrive à la partie centrale de la bête, le système de pattes.

L'idée générale m'est tombée dessus d'un coup, je l'ai vite couchée sur mon cahier de croquis et de là tout a été relativement vite.

Le principe est le suivant.

Les six pattes sont identiques : un morceau de tube de laiton est fixé sur un engrenage à un bout et se termine par un pied articulé à l'autre. Le tube s'engage dans un guide articulé, mais fixe, situé un peu au-dessus du milieu de la patte. Lorsque l'engrenage tourne, la partie inférieure de la patte décrit ainsi une espèce de patatoïde.

Le dimensionnement des éléments (longueur des pattes, placement du guide) a été déterminé par tâtonnement pour rentrer dans les cotes et pour donner aux pattes le mouvement souhaité. En plaçant le guide très bas par exemple, l'extrémité des pattes décrit une courbe en forme de goutte d'eau, totalmenet inefficace pour l'effet recherché.

De chaque côté du robot sont disposées trois pattes, les pattes opposées étant liées l'une à l'autre par un même axe.

Les pattes sont réglées de manière à ce que, d'un côté, lorsque les deux pattes extérieures sont en haut, celle du milieu est en bas, et réciproquement ; et pareil de l'autre côté, sauf que l'agencement est inverse (quand les deux pattes extérieures sont en bas côté droit, c'est la patte centrale qui est en bas côté gauche). Ainsi, le robot repose toujours sur trois pattes : les deux extérieures d'un côté, et celle du milieu de l'autre.

La mise en rotation des engrenages alterne la position des pattes. Elles sont par ailleurs animées, grâce leur trajectoire patatoïde, d'un mouvement d'avant en arrière. Tout ceci fait que le robot avance, toujours soutenu par un triangle. L'ensemble est calculé pour que le centre de gravité ne quitte jamais le triangle en question, sinon tout bascule.

Comme toutes les roues doivent tourner dans le même sens, elles sont reliées entre elles par des engrenages. Ainsi, une fois la position relative des pattes réglée initialement, elle est conservée indéfiniment. Au final, la réalisation est beaucoup moins complexe que ne le laisse croire le robot fini.

Entre la vidéo ci-dessus, ces quelques explications et l’animation ci-dessous, j'espère que ça sera à peu près compréhensible.

Sur l'animation, les cercles rouges figurent les engrenages, les barres jaunes les pattes et les points noirs les guides articulés. La trajectoire du bout des pattes est représentée en bleu clair, le vert figure le niveau du sol quand toutes les pattes touchent par terre.

On peut remarquer que quand le robot commence à se soulever, il recule légèrement avant d'avancer.

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La réalisation

La réalisation n'a pas été particulièrement compliquée. Le plus dur a été le dimensionnement des pattes, ensuite toutes les cotes en ont découlé.

Le perçage des axes des engrenages a dû être assez précis, la marge d'erreur étant d'un demi-millimètre environ.

Le dimensionnement du moto-réducteur a été plus problématique, je l'avais sous-dimensionné au départ et le moteur manquait de couple. J'ai donc dû greffer un étage supplémentaire après coup, mais j'avais prévu la manœuvre éventuelle...

Pour les matériaux, les engrenages sont en plastique, les axes en laiton sur des paliers lisses en alu, les pattes en tube de laiton, les pieds et les guides mobiles en profilé d'alu. Tous les axes et engrenages sont maintenus en place par des boulons et des écrous-frein.

Le châssis est réalisé en un matériau de récup assez miraculeux, un sandwich alu - polyéthylène - alu très léger, rigide et facile à travailler (de vieux panneaux d'exposition qui allaient partir à la poubelle). L'assemblage est fait au rivet pop. La légèreté de l'ensemble est assez importante car la machine à vapeur doit soulever tout le poids du robot à chaque pas et elle est en elle-même assez lourde.

L'ensemble fonctionne à merveille, même si l'esthétique me paraît perfectible. J'ai tenté de faire mieux sur l'automate suivant, mais c'est une autre histoire...

Note : toutes les photos sont cliquables et peuvent être agrandies.

Note bis : toute violation d'un brevet détenu par Apple passé, présent ou à venir serait purement involontaire.