Créer un tapis roulant industriel

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.

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 tapis roulants industriels transportent des objets entre différents endroits, de la matière première au produit fini et emballé. Le tapis roulant à bande est le plus connu, mais de nombreux autres systèmes ont été développés afin de déplacer efficacement toutes sortes d’objets.

Encouragez la réflexion interactive.

Demandez à vos élèves de réfléchir à ces questions :

• Qu’est-ce qu’un tapis roulant industriel et dans quel contexte en utilise-t-on ?
• Quel type de mécanisme motorisé peut-on utiliser pour déplacer une bille ?
• Comment le système robotique peut-il déplacer la bille sans la faire tomber ?
• Quel rôle joue le capteur ? Comment pouvez-vous mesurer l’efficacité de votre système robotique ?

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 un système qui déplaçait une boule le long d’un chemin, de la même manière que les systèmes utilisés dans l’industrie manufacturière moderne.

• Réfléchir et se demander si la sécurité Internet et la sécurité des données internes devraient être un sujet de préoccupation concernant les opérations de fabrication modernes, et rédiger une dissertation à propos de l’industrie manufacturière moderne et de l’utilisation de données dans le cloud.
• Décrire l’utilisation de systèmes de manutention dans les centres de traitement des commandes effectuées dans le cadre d’achats en ligne.
• Évaluer les avantages et les inconvénients du stockage des données d’achat des consommateurs dans le cloud.

Extension Maths

Dans le cadre de cette leçon, vos élèves ont créé un système qui déplaçait une boule le long d’un chemin, de la même manière que les systèmes utilisés dans l’industrie manufacturière moderne. De nombreux procédés de fabrication modernes ont recours à l’automatisation pour le contrôle de la production et de la qualité. Une forme d’intelligence artificielle appelée « apprentissage automatique » peut être employée pour analyser les données de performances et générer de nouvelles procédures permettant d’améliorer les performances et l’efficacité globales. Pour ce faire, les ingénieurs de fabrication recueillent de vastes ensembles de données décrivant les performances et l’efficacité des systèmes. Les algorithmes d’apprentissage automatique permettent d’analyser ces données et, ce faisant, de prendre des décisions visant à améliorer les performances et l’efficacité.

Pour intégrer des notions de mathématiques et explorer des thèmes en rapport avec l’industrie manufacturière, tels que le contrôle de la qualité et l’apprentissage automatique, demandez à vos élèves :

• d’ajouter à leurs conceptions des éléments matériels et des logiciels permettant d’évaluer les performances, et de réfléchir à des moyens de représenter les performances de leur machine à l’aide de mesures quantitatives ;

• sachant que lors du contrôle de la qualité et de l’analyse des performances, les machines et leurs homologues humains doivent évaluer ce qui est « suffisamment bon », de développer des représentations quantitatives de ce qui est « suffisamment bon » pour leurs conceptions ;

• sachant que l’apprentissage automatique est l’outil à utiliser pour explorer de grands ensembles de données et essayer de comprendre les relations complexes entre les données machine (autrement dit, les étapes suivies) et les performances, de répertorier un maximum de variables présentes dans leurs systèmes et susceptibles d’avoir un impact sur les performances et l’efficacité de ces derniers.

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.

• Support de bille 1
• Cage
• Capteur de couleur 2
• Pince
• Rampe
• Bascule
• Chenilles
• 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 :

• Créez des bancs de test pour enregistrer vos observations.
• Évaluez la précision de votre système robotique 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
from pybricks.parameters import Port, Stop, Direction, SoundFile
from pybricks.tools import wait
from random import randint

# Configure the belt motor, which drives the conveyor belt.  Set the
# motor direction to counterclockwise, so that positive speed values
# make the conveyor move upward.
belt_motor = Motor(Port.A, Direction.COUNTERCLOCKWISE)

# Configure the "catch" motor with default settings.  This motor moves
# the ball to either cup.
catch_motor = Motor(Port.D)

# Set up the Color Sensor.  It is used in Reflected Light Intensity
# Mode to detect when the ball is placed at the bottom of the conveyor
# belt.
color_sensor = ColorSensor(Port.S3)

# Set up the Touch Sensor.  It is used to detect when the ball reaches
# the catch at the end of the ramp.
touch_sensor = TouchSensor(Port.S4)

# Initialize the conveyor belt.  This is done by slowly running the
# motor backward until it stalls.  This means that it cannot move any
# further.  Then it resets the angle to "0."  This means that when it
# rotates backward to "0" later on, it returns to this starting
# position.
belt_motor.run_until_stalled(-300, Stop.BRAKE, 30)
belt_motor.reset_angle(0)

# This is the main part of the program.  It is a loop that repeats
# endlessly.
#
# First, it waits until the ball is placed on the conveyor belt.
# Second, the ball is moved upward until it reaches the ramp where it
# rolls down to the catch.
# Finally, the ball is moved to the left or the right cup, or an error
# sound is made, chosen at random.
#
# Then the process starts over.  The ball can be placed at the
# beginning of the conveyor belt again.
while True:

    # Wait until the ball is placed in front of the Color Sensor.
    while color_sensor.reflection() < 5:
        wait(10)
    wait(500)
    
    # Move the ball up on the conveyor belt.
    belt_motor.run_target(250, 450, Stop.COAST, False)

    # Wait until the ball hits the Touch Sensor at the catch at the end
    # of the ramp.
    while not touch_sensor.pressed():
        wait(10)
    
    # Generate a random integer between "-1" and "1" to determine what
    # to do with the ball.
    catch_command = randint(-1, 1)

    # If it generates a "1," change the light to green and move the
    # ball to the right cup.
    if catch_command == 1:
        brick.light(Color.GREEN)
        catch_motor.run_target(400, -20)
        wait(1000)
        catch_motor.run_target(400, 0, Stop.HOLD)
    # If it generates a "0," change the light to orange and move the
    # ball to the left cup.
    elif catch_command == 0:
        brick.light(Color.ORANGE)
        catch_motor.run_target(400, 20)
        wait(1000)
        catch_motor.run_target(400, 0, Stop.HOLD)
    # Otherwise, change the light to red and play an error sound.
    else:
        brick.light(Color.RED)
        brick.sound.file(SoundFile.RATCHET)
        wait(1000)
    
    # Return the conveyor belt to its starting position.
    belt_motor.run_target(250, 0)

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

• Fabrication et ingénierie (technologie des machines)
• Sciences, technologie, ingénierie et mathématiques (ingénierie et technologie)

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 système robotique 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.