Installation pneumatique
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Dans le cadre d'un projet d'installation interactive j'ai réalisé le prototype d'un objet qui donne l'illusion de respirer. Pour donner cette impression j'ai d'une part travaillé mon objet pour qu'il puisse se gonfler et se dé-gonfler, et d'autre part, j'ai réalisé un système de contrôle d'un compresseur à air à l'aide d'une vanne boisseau et d'un servomoteur. Cette page documente la création d'un objet prêt à respirer, et le prototype d'une vanne à air contrôlée par un servomoteur (aussi exportable sur un projet à eau).
J'ai réalisé ce projet dans le cadre de mon stage en game design au laboratoire de recherche du Cédric au Cnam. Ce prototype a largement profité de la participation de Thierry Bombardier pour le prototype physique ainsi que de celle de Victor Couturieux pour la programmation.

L'objet pneumatique.	La vanne contrôlée par servomoteur.

L'objet¶

Objectif : Faire un objet qui se gonfle et se dégonfle pour mimer un mouvement respiratoire.

Prototype¶

Pour donner l'impression qu'il respire, l'objet doit être vidé, et un ballon va venir pousser les parois de l'intérieur.

Premier prototype en carton gonflable à l'aide d'une pompe à main. Pour voir la vidéo : ici

Problématiques¶

La principale problématique que j'ai rencontrée est celle liée à la simulation de l'expiration. S'il est facile d'envoyer de l'air pour simuler le mouvement de l'inspire, il est plus difficile de retirer cet air pour mimer l'expiration. L'usage d'une pompe à vide a été jugé trop lourd techniquement, et non nécessaire si l'on trouvait le moyen d'ouvrir le ballon et de le presser pour qu'il se dégonfle de lui même. Pour ouvrir le circuit et laisser l'air s'échapper, nous avons utilisé le système de vanne électrique décrit plus bas.
Et pour effectuer une pression sur le ballon nous avons utilisé :

• un ballon de baudruche pour sa matière élastique
• des ressorts de tension qui tirent les parois de l'objet vers le centre et pressent le ballon

Matériel¶

• Tuyau en pvc transparents qu'on utilise pour les aquariums,
• Raccords adaptés à la taille des tuyaux,
• Ressorts de traction,
• Embases adhésives pour servir de support de fixation aux ressorts,
• Serflex,
• Ballon de baudruche.

Montage¶

Mon objet en question était une radio, les images ci-dessous illustrent le montage de l'objet pneumatique.

Le système à air¶

Objectif : Créer un système de gestion de l'air pour permettre le gonflement et le dégonflement progressif du ballon.

Pour alimenter le réseau en air nous avons utilisé un compresseur sur lequel nous avons ajouté notre système de vanne boisseau contrôlée via un servomoteur. Dans cette installation il y a deux vannes : une à la sortie du compresseur, l'autre à la sortie de l'objet. Lorsque la première est ouverte, celle du ballon est fermée pour qu'il gonfle, et lorsque la vanne du compresseur est fermée, celle du ballon est ouverte pour laisser l'air s'échapper.

QUESTION : Pourquoi ne pas avoir utilisé une vanne solénoïde (ou électrovanne) ?

La vanne solénoïde semble être l'élément idéal puisqu'elle dispose d'un système d'ouverture/fermeture électronique. Mais après nos tests, nous avons remarqué que l'effet n'était pas du tout satisfaisant. La vanne solénoïde propose du tout ou rien : complétement ouverte ou complétement fermée. Le mouvement était haché et brutal, très loin du mouvement d'amplitude progressive de la respiration. Nous avons donc éliminé cette option pour nous diriger vers une vanne boisseau.

Matériel¶

Pour deux vannes

• Compresseur à air,
• Vannes boisseaux, x2, vérifiez qu'elles soient suffisamment douces pour les servomoteur. (voir le modèle de la photo ci-dessous)
• Embouts pour les raccords entre les tuyaux et la vanne, x3. Bien vérifier les références des tuyaux et de la vanne.
• Servomoteur MG996R, x2
• Vis 3mm, x8
• Boulons 3mm, x8
• Vis à bois, x16
• Planches, x2

Pièce 3D¶

Les modèles 3D du support : 3D_Vanne-Servo.zip

Note : ajouter un trou au centre de la pièce rotative pour visser l’embout en croix du servo.

Montage¶

Enfoncer la vanne dans le socle
Fixer le servo. Des vis peuvent être mises à l'envers pour ne pas gêner le disque de rotation.
Visser l'embout en croix sur le disque de rotation.
Positionner l'embout et le disque sur le servo. Visser l'embout au travers du disque après avoir calibré le position du servo. Attention aux vis qui pourraient empêcher la rotation.
Assembler les deux éléments. Finaliser la calibration du servo avant de fixer l'ensemble : attention aux risques de blocages. Ajouter une cale en plastique dans la saisie de la vanne pour éviter le jeu. Ici, j'ai mis un bout de chambre à air.

Programmation¶

La difficulté en programmation était de synchroniser les deux servomoteurs pour que les temps d'ouverture et de fermeture soient identiques : si le ballon gonfle pendant 2 sec, il doit passer autant de temps à se dégonfler pour pouvoir simuler une respiration. Mais dans cette installation, les objets allaient respirer de plus en plus fort au fur et à mesure de la progression. L'angle d'ouverture du servomoteur qui permet l'inspiration commence à 20° et finit à 90° après 15min. Or, le servomoteur qui permet l'expiration lui, ne change pas d'angle, il doit toujours s'ouvrir et se fermer à son maximum. Nous avons fait un code qui permet de rentrer l'angle d'ouverture désiré, en ayant toujours un temps identique pour le parcours des servomoteurs. De cette manière si l'inspire se fait à 20°, il prendra autant de temps que s'il se fait à 40 ou 80°, et le parcours du servo de l'expire s'effectuera sur ce même temps.

Un vidéo de démonstration ici

Le code est disponible ici : Valve_servo.ino

Rentrez des valeurs d'angle en dizaine dans le moniteur série.