Créer une machine CNC à dessiner

Préparer
- Lisez cette documentation destinée aux enseignants.
- Si nécessaire, prévoyez un cours préalable à l’aide du matériel de mise en route disponible dans le logiciel EV3 Lab ou l’application de programmation EV3. Cela permettra à vos élèves de se familiariser avec l’ensemble LEGO^® MINDSTORMS^® Education EV3.

Éveiller (30 min)
- Utilisez les idées évoquées dans la section Lancer une discussion ci-dessous pour engager une discussion en lien avec ce projet.
- Présentez le projet.
- Répartissez les élèves en binômes.
- Donnez à vos élèves le temps de rechercher des idées.

Explorer (30 min)
- Demandez à vos élèves de créer plusieurs prototypes.
- Encouragez-les à construire et à programmer.
- Demandez à chaque binôme de construire et de tester deux solutions.
- Fournissez-leur une grande feuille de papier millimétré et des crayons de couleur ou des marqueurs.

Expliquer (60 min)
- Demandez à vos élèves de tester leurs solutions et de choisir la meilleure.
- Vérifiez qu’ils sont en mesure de créer leurs propres bancs de test.
- Accordez un peu de temps à chaque équipe pour finaliser leur projet et collecter des ressources pour documenter leur travail.

Développer (60 min)
- Laissez le temps à vos élèves de créer leur rapport final.
- Animez une session de partage au cours de laquelle chaque équipe présentera ses résultats.

Évaluer
- Commentez les performances de chaque élève.
- N’hésitez pas à utiliser les rubriques d’évaluation fournies.

Les machines à commande numérique (CNC) utilisent des instructions préprogrammées pour contrôler très précisément un outil le long d’un ou de plusieurs axes. Elles sont généralement employées dans la fabrication intégrée par ordinateur pour transformer une conception numérique en un objet physique.

Encouragez la réflexion interactive.

Demandez à vos élèves de réfléchir à ces questions :

• Qu’est-ce qu’une machine CNC et dans quel contexte en utilise-t-on ?
• Quelle est la meilleure façon de fixer un crayon ou un marqueur ?
• Quel type de mécanisme motorisé peut déplacer le crayon ou le marqueur en deux dimensions ?
• Quelles caractéristiques permettront à la machine d’exécuter des mouvements précis et reproductibles ?

Incitez vos élèves à documenter leurs idées initiales et à expliquer pourquoi ils ont choisi cette solution pour leur premier prototype. Demandez-leur de décrire comment ils comptent évaluer leurs idées tout au long du projet. Ainsi, lors de la phase de révision et d’adaptation, ils disposeront d’informations spécifiques pour évaluer leur solution et décider si elle est efficace.

Extension Langue française

Pour intégrer des notions d’arts du langage, demandez à vos élèves de :

Option 1

• Utiliser leur travail écrit, leurs croquis et/ou leurs photos pour récapituler leur processus de conception et créer un rapport final.
• Enregistrer une vidéo qui détaille leur processus de conception, en commençant par leurs idées initiales et en finissant par le projet réalisé.
• Créer une présentation sur leur programme.
• Créer une présentation mettant leur projet en relation avec des applications réelles de systèmes similaires et décrivant de nouvelles inventions qui pourraient être imaginées grâce à ce qu’ils ont fabriqué.

Option 2
Dans le cadre de cette leçon, vos élèves ont également créé une machine CNC à dessiner. Les machines CNC utilisent des modèles de conception assistée par ordinateur (CAO) créés par une personne pour produire des pièces, des produits et des prototypes. Ces modèles CAO sont représentés par des données stockées par des ordinateurs sur des réseaux locaux ou dans le cloud.

• Discuter et rédiger un texte sur les avantages et les inconvénients du stockage de dessins CAO sur un seul ordinateur, sur un réseau local ou dans le cloud.
• Sachant que les établissements scolaires et les éditeurs de logiciels éducatifs sont tenus de protéger les données des élèves, notamment leurs dessins CAO numériques, rédiger une dissertation sur la confidentialité des données et son rapport avec le stockage en ligne des devoirs des élèves.
• Comparer les préoccupations en matière de sécurité d’une société d’ingénierie qui stocke des dessins CAO en ligne, et d’un établissement scolaire qui conserve les dessins CAO de ses élèves en ligne.

Extension Maths

Dans le cadre de cette leçon, vos élèves ont créé une machine à dessiner. Toutefois, supposons qu’ils aient dû fabriquer une machine capable de dessiner des formes géométriques spécifiques. Et qu’ils aient voulu perfectionner progressivement cette machine pour dessiner des formes bien précises. L’un des moyens pour y parvenir consiste à utiliser un type d’intelligence artificielle appelée « apprentissage automatique ». Pour avoir recours à l’apprentissage automatique, le système doit être alimenté avec des données d’entraînement afin de lui « apprendre » différentes formes et de lui permettre de déterminer s’il a reproduit avec précision une forme spécifique.

Pour intégrer des notions de mathématiques et s’entraîner à les appliquer au domaine de l’apprentissage automatique, en particulier à l’utilisation de données d’entraînement, demandez à vos élèves :

• de rédiger les définitions de trois formes géométriques de base (p. ex., cercle, carré, triangle équilatéral) et d’identifier les modifications à apporter à ces définitions pour permettre à un robot dessinateur de reproduire chacune de ces formes ;
• de rédiger la définition d’une forme géométrique spécifique de manière à ce que le robot dessinateur puisse la reproduire dans une taille bien déterminée ;
• d’examiner les définitions qu’ils viennent de rédiger, et de créer un tableau de données d’entraînement qui permettra d’enseigner à leur robot les mouvements à réaliser pour dessiner les formes choisies.

Pour souligner la corrélation entre les concepts et compétences mathématiques et ce thème, posez les questions suivantes :

• Qu’est-ce que l’intelligence artificielle ? En quoi diffère-t-elle d’un ensemble de commandes prescrites ? Dans quelle mesure les modèles mathématiques permettent-ils de distinguer l’intelligence artificielle d’une simple liste de commandes ?
• Quelles modifications apporteriez-vous à la conception de votre robot pour qu’il puisse observer son environnement et apprendre à dessiner les formes qu’il voit ?

Idées de construction
Demandez à vos élèves de construire quelques-uns des exemples fournis via les liens ci-dessous. Encouragez-les à observer comment ces systèmes fonctionnent et à réfléchir à la façon dont ils pourraient s’en inspirer pour résoudre le problème exposé.

• Capteur de couleur 1
• Pince
• Capteur gyroscopique
• Support de stylo
• Bascule
• Capteur tactile
• Plaque tournante

Astuces de test
Incitez vos élèves à élaborer leurs propres configuration et procédure de test pour sélectionner la meilleure solution. Les astuces suivantes peuvent aider vos élèves à mettre leur test en place :

• Marquez la position de la machine sur le papier millimétré afin de la placer dans la même position à chaque fois.
• Utilisez le quadrillage pour identifier des carrés de 1 cm x 1 cm ; cela facilitera l’enregistrement des résultats de chaque test.
• Créez des bancs de test pour enregistrer vos observations.
• Évaluez la précision de votre machine en comparant les résultats attendus avec les résultats réels.
• Répétez le test au moins trois fois.

Exemple de solution
Voici un exemple de solution répondant aux critères de la présentation du problème :

Exemple de programme EV3 MicroPython

#!/usr/bin/env pybricks-micropython

from pybricks import ev3brick as brick
from pybricks.ev3devices import (Motor, TouchSensor, ColorSensor,
                                 GyroSensor)
from pybricks.parameters import Port, Stop, Direction, Color, ImageFile
from pybricks.tools import wait

# Configure the turntable motor, which rotates the arm.  It has a
# 20-tooth, a 12-tooth, and a 28-tooth gear connected to it.
turntable_motor = Motor(Port.B, Direction.CLOCKWISE, [20, 12, 28])

# Configure the seesaw motor with default settings.  This motor raises
# and lowers the Pen Holder.
seesaw_motor = Motor(Port.C)

# Set up the Gyro Sensor.  It is used to measure the angle of the arm.
# Keep the Gyro Sensor and EV3 steady when connecting the cable and
# during start-up of the EV3.
gyro_sensor = GyroSensor(Port.S2)

# Set up the Color Sensor.  It is used to detect whether there is white
# paper under the drawing machine.
color_sensor = ColorSensor(Port.S3)

# Set up the Touch Sensor.  It is used to detect when it is pressed,
# telling it to start drawing the pattern.
touch_sensor = TouchSensor(Port.S4)

def pen_holder_raise():
    # This function raises the Pen Holder.
    seesaw_motor.run_target(50, 25, Stop.HOLD)
    wait(1000)

def pen_holder_lower():
    # This function lowers the Pen Holder.
    seesaw_motor.run_target(50, 0, Stop.HOLD)
    wait(1000)

def pen_holder_turn_to(target_angle):
    # This function turns the arm to the specified target angle.
    
    # Run the turntable motor until the arm reaches the target angle.
    if target_angle > gyro_sensor.angle():
        # If the target angle is greater than the current Gyro Sensor
        # angle, run clockwise at a positive speed.
        turntable_motor.run(70)
        while gyro_sensor.angle() < target_angle:
            pass
    elif target_angle < gyro_sensor.angle():
        # If the target angle is less than the current Gyro Sensor
        # angle, run counterclockwise at a negative speed.
        turntable_motor.run(-70)
        while gyro_sensor.angle() > target_angle:
            pass
    # Stop the motor when the target angle is reached.
    turntable_motor.stop(Stop.BRAKE)


# Initialize the seesaw.  This raises the Pen Holder.
pen_holder_raise()


# This is the main part of the program.  It is a loop that repeats
# endlessly.
#
# First, it waits until the Color Sensor detects white paper or a blue
# mark on the paper.
# Second, it waits for the Touch Sensor to be pressed before starting
# to draw the pattern.
# Finally, it draws the pattern and returns to the starting position.
#
# Then the process starts over, so it can draw the pattern again.
while True:
    # Set the Brick Status Light to red, and display "thumbs down" to
    # indicate that the machine is not ready.
    brick.light(Color.RED)
    brick.display.image(ImageFile.THUMBS_DOWN)

    # Wait until the Color Sensor detects blue or white paper.  When it
    # does, set the Brick Status Light to green and display "thumbs up."
    while color_sensor.color() not in (Color.BLUE, Color.WHITE):
        wait(10)
    brick.light(Color.GREEN)
    brick.display.image(ImageFile.THUMBS_UP)

    # Wait until the Touch Sensor is pressed to reset the Gyro Sensor
    # angle and start drawing the pattern.
    while not touch_sensor.pressed():
        wait(10)

    # Draw the pattern.
    gyro_sensor.reset_angle(0)
    pen_holder_turn_to(15)
    pen_holder_lower()
    pen_holder_turn_to(30)
    pen_holder_raise()
    pen_holder_turn_to(45)
    pen_holder_lower()
    pen_holder_turn_to(60)

    # Raise the Pen Holder and return to the starting position.
    pen_holder_raise()
    pen_holder_turn_to(0)

Les élèves qui ont apprécié ce cours pourraient être intéressés par les secteurs professionnels suivants :

• Fabrication et ingénierie (technologie des machines)
• Médias et communication (médias numériques)

Checklist d’observation de l’enseignant
Créez un barème adapté à vos besoins, par exemple :

1. Objectif partiellement atteint
2. Objectif atteint
3. Objectif dépassé

Utilisez les critères suivants pour évaluer la progression de vos élèves :

• Les élèves évaluent la conception de solutions concurrentes en fonction de critères prioritaires et de compromis.
• Les élèves développent de manière autonome une solution opérationnelle et créative.
• Les élèves communiquent clairement leurs idées.

Auto-évaluation
Une fois que vos élèves ont recueilli des données sur les performances, donnez-leur le temps de réfléchir à leurs solutions. N’hésitez pas à leur poser des questions comme :

• Votre solution répond-elle aux critères de la présentation du problème ?
• Pouvez-vous rendre les mouvements de votre machine plus précis ?
• Comment les autres ont-ils résolu ce problème ?

Demandez à vos élèves de réfléchir et de documenter deux façons d’améliorer leurs solutions.

Commentaires des camarades
Encouragez vos élèves à s’évaluer entre eux en évaluant leur propre projet mais aussi ceux des autres. Ce processus d’évaluation permet aux élèves d’apprendre à formuler des commentaires constructifs, à développer leur esprit d’analyse et à utiliser des données objectives pour avancer des arguments.