Guide de l`enseignant qui souhaite accompagner une

Transcription

Guide à l’intention des enseignantEs qui souhaitent
accompagner une équipe d’élèves du cycle 2-3 en vue
de la participation à un concours de robotique avec des
LEGO Mindstorms
Anne-Christine Gugler
[email protected]
Lausanne, août 2013
Remerciements
Je tiens à remercier Madame Quinche pour avoir accepté de superviser ce travail et pour ses
remarques constructives lors du premier jet. Je remercie particulièrement Madame Pauline
Ruffiot du Centre Roberta de l’EPFL pour son aide. Merci aux enseignants de l’Ecole
Internationale de Haut-Lac-Vevey, de l’établissement secondaire de Vevey, des Trois Sapins
d’Echallens et de l’école primaire de Saint-Imier qui ont pris le temps de répondre à mon
questionnaire. J’en profite pour féliciter toute l’équipe du Bureau de l’égalité des chances et
du Centre Roberta qui organisent de fantastiques événements en lien avec les robots
Mindstorms.
2
Table des matières
1.
Objectif et contenu ....................................................................................................................................... 5
2.
Qu’est-ce qu’une coupe de robotique ? .............................................................................................. 6
3.
Les apprentissages liés à un concours de robotique ................................................................ 11
3.1.
Les apprentissages liés aux disciplines .................................................................................. 12
3.2.
Les apprentissages liés à la formation générale ................................................................ 12
3.3.
Les capacités transversales .......................................................................................................... 13
4.
L’apprentissage de la robotique à l’école dans le PER, cycle 3 - spécification Vaud . 14
4.1.
Option spécifique vaudoise VP: « mathématiques et physiques » ............................ 14
4.2.
Options de Compétences Orientées Métiers OCOM – MITIC (VG)............................. 15
5.
Le robot LEGO Mindstorms NXT 2.0 ou EV3 ................................................................................ 16
6.
La programmation du Mindstorms .................................................................................................. 18
7.
Prérequis pour encadrer une équipe ............................................................................................... 19
8.
Les différents concours de robots Mindstorms .......................................................................... 20
8.1.
La compétition FIRST® LEGO® League ................................................................................ 21
8.1.1.
Description de la partie « robot match » ...................................................................... 24
8.1.2.
Description de la partie « robot design », construction et programmation 27
8.1.3.
Description de la partie « projet de recherche »....................................................... 32
8.1.4.
Description de la partie « esprit d’équipe » ................................................................ 36
8.2.
9.
La Coupe Roberta .............................................................................................................................. 37
8.2.1.
Défi « Live Challenge » ........................................................................................................... 37
8.2.2.
Robot match ............................................................................................................................... 37
Les élèves que vous préparerez à un concours de robotique .............................................. 38
10.
Matériel, logistique et budget .......................................................................................................... 39
10.1.
Matériel robotique ....................................................................................................................... 39
10.2.
Table, tapis de jeu et objets de missions ........................................................................... 40
10.3.
Logistique ......................................................................................................................................... 42
10.4.
Budget ................................................................................................................................................ 42
10.5.
Idées de financement .................................................................................................................. 43
11.
Idées de planification et d’encadrement .................................................................................... 43
11.1.
Préparation à la FLL .................................................................................................................... 44
11.2.
Préparation à la Coupe Roberta ............................................................................................ 46
12.
Guide de démarrage rapide - robot + programmation ........................................................ 46
12.1.
Les documents de référence pour le concours FLL ..................................................... 46
12.2.
Suggestions de construction du robot de base .............................................................. 47
12.3.
Comment concevoir des accessoires ou outils pour le robot ................................ 48
3
12.4.
Des astuces pour programmer efficacement .................................................................. 50
13.
Conclusion ................................................................................................................................................. 53
14.
Bibliographie ........................................................................................................................................... 55
14.1.
Livres .................................................................................................................................................. 55
14.2.
Fournitures matériel ................................................................................................................... 57
14.3.
Sites internet................................................................................................................................... 57
14.4.
Forum ................................................................................................................................................. 58
14.5.
Tutoriels............................................................................................................................................ 58
14.6.
Vidéos ................................................................................................................................................. 58
4
1. Objectif et contenu
L’objectif de ce guide est d’encourager le plus d’enseignantEs et donc d’élèves en Suisse
Romande à se lancer dans cette expérience enrichissante, en terme de savoir, de gestion de
projet et de collaboration qu’est un concours de robotique.
Ce document s’adresse à vous enseignantEs des cycles 2 et 3 qui souhaitez enseigner la
robotique à des élèves en vue d’un concours de robotique LEGO Mindstorms. Il n’est pas
nécessaire d’avoir fait des études techniques pour utiliser des robots Mindstorms. Cependant,
avoir suivi un cours d’introduction vous permettra d’enseigner de manière plus efficace et
vous fera gagner du temps. Le contenu de ce guide est tiré de mon expérience extrascolaire
comme encadrant d’une équipe de robotique constituée de jeunes entre 10-11 ans. Il est aussi
la synthèse de discussions et de réflexions que j’ai eues avec des enseignantEs ayant déjà
participés à des concours en 2012 – 2013, ainsi que la compilation des réponses à un
questionnaire auxquels certains d’entre eux ont eu la gentillesse de répondre.
Vous découvrirez ici les différents concours qui utilisent les LEGO Mindstorms et leur
déroulement. Ce document met en évidence les compétences développées selon le Plan
d’Etude Romand – PER. Ce sont des apprentissages liés aux sciences mais aussi aux
technologiques de l’information et de la communication MITIC 1 ainsi qu’à la gestion de
projet. Dans le canton de Vaud, la robotique est un objet d’apprentissage dans le cas de
l’option spécifique ou orientée métier. Elle peut aussi être un moyen de mettre en pratique des
objets d’apprentissage liés à d’autres disciplines que la robotique. Je me focaliserai ici sur la
préparation à la participation à un concours de robotique LEGO Mindstorms. Je ferai le lien
lors de l’explication détaillée des différentes parties des concours de robotique avec les
apprentissages du PER. Le calendrier des concours et l’occasion pendant laquelle vous
pratiquez la robotique devraient vous permettre de choisir le/s concours adaptés/s à vos élèves
en fonction de leur niveau ainsi que d’avoir une vision d’ensemble du travail préparatoire à
effectuer. Au fil du document vous trouverez des liens vers des ressources essentielles ce qui
devrait faciliter les premiers pas de l’équipe. Dans cette optique, le dernier chapitre donne des
solutions et des conseils pour commencer rapidement.
1
Médias, Image, Technologies de l'Information et de la Communication
5
2. Qu’est-ce qu’une coupe de robotique ?
1. Tables de jeu en duo au Rolex Learning Center. Sur le tapis imprimé, on voit les objets des
missions
Le premier concours de robotique eut lieu en 1992. Il était organisé par une association à but
non lucratif nommée FIRST fondée par Dean Kamen en 1989 aux Etats-Unis. FIRST est
l’acronyme de For Inspiration and Recognition of Science and Technology. Dean Kamen est
plus connu comme inventeur du Segway. Son idée était d’avoir un terrain de compétition sur
lequel les élèves plutôt intellectuels pourraient s’affronter à l’image des sportifs sur un terrain
de sport. Le concours spécifique aux LEGO : First LEGO League est né en 1999 aux EtatsUnis. (Kelly, 2008).
Les concours de robotique avec des LEGO Mindstorms sont des événements, en Suisse
romande, organisés par des hautes écoles et L’EPFL auxquels plusieurs équipes d’enfants de
10 à 16 ans participent. Une équipe est composée de deux à dix enfants et est supervisée par
un « coach » ou unE enseignantE. L’action se déroule sur une table recouverte d’un tapis de
jeu imprimé. Des éléments de construction LEGO fixés à l’aide de bandes Velcro™
composent les objets des missions
6
Les équipes s’affrontent lors de matchs organisés sous la forme de manches un contre un. Les
équipent doivent faire effectuer à leur robot des missions connues à l’avance afin de gagner
un maximum de points. Leur robot LEGO Mindstorms est autonome car il a été programmé
au préalable grâce à un logiciel graphique qui lui est propre. Sur la table, il y a une zone
appelée base qui est le seul endroit où on peut manipuler le robot pour lui connecter des
accessoires. Il faut noter que le robot est construit uniquement avec des pièces LEGO.
Zone de base
+ hauteur de
40 cm
2. Schéma de la table de jeu, vue de dessus. Le robot part de la base et effectue un aller - retour en
ligne droite pour aller prendre la chaise
« La base est une boite imaginaire. Elle est représentée par le périmètre inscrit sur le tapis,
elle est formée par ces lignes, les bordures intérieures de la table adjacentes et a un plafond à
40 cm. La base est un volume, pas une surface. La base est le lieu de service du robot, soit de
préparation, de départ et d’arrivée. » 2
« Une mission est une tâche que le robot doit accomplir pour gagner des points. Plus le robot
remplit de missions plus le score sera élevé. »3On trouve sur Youtube une vidéo officielle
dans laquelle les missions sont expliquées. Cependant il est quand même nécessaire de lire les
divers règlements ayant trait à la compétition.
2
3
Règlement du concours FLL
Règlement du concours FLL
7
3. Le film explique les missions et les points gagnés lorsqu'elles sont réussies.
http://www.youtube.com/watch?v=QqNKI0PyakI
Un exemple de mission issue du challenge Senior Solutions 2012 :
MENUISERIE, le robot doit aller chercher une chaise cassée et la ramener à la base.
4. Extrait du FLL Robot Game - Missions 2012 – mission MENUISERIE
8
La mission MENUISERIE réalisée par l’équipe les SAPtellites :
5. Mission : le robot doit aller chercher une chaise et la ramener à la base. On l’oriente de telle
sorte qu’il soit en ligne droite avec la chaise
Axe moteur du robot
Objet de la mission, chaise à réparer
Accessoire qu’on attache à
l’axe moteur du robot et qui
sert d’outil à attraper la
chaise
6. Avant du robot : on voit un moteur et l'outil formé de LEGO qui y sera connecté
9
Le robot est parti de la base.
Il avance en ligne droite,
s’arrête, fait tourner son
moteur ce qui descend l’outil
crochet.
7. Accessoire actif qui attrape la chaise par rotation de haut en bas
Puis le robot recule en ligne
droite vers la base tout en
ramenant la chaise
8. Les déplacements du robot lors de la mission menuiserie
Et en vidéo avec un autre robot : http://www.youtube.com/watch?v=Peeko0AhBT0
Le robot, lors des missions, doit saisir, poser ou pousser des objets. On lui fixe donc des
accessoires, appelé aussi outils, passifs ou actifs qui permettent de réaliser ces différentes
actions. Les accessoires passifs dépendent du mouvement du robot et les accessoires actifs
sont mus grâce à un moteur. Vous trouverez plus de détails sur les accessoires au chapitre sur
la conception des accessoires ou outils pour le robot.
10
3. Les apprentissages liés à un concours de robotique
9. Plan d'étude romand
La robotique pédagogique est une activité interdisciplinaire. La participation à un concours de
robotique permet la mise en œuvre des objectifs d’apprentissage des disciplines suivantes:

Mathématiques et sciences de la nature

Langues, français

Arts, activité créatrices et manuelles
Dans lesquelles s’intègre la formation générale

MITIC4

Choix et projets personnels
Et les capacités transversales
4

Collaboration

Communication

Stratégie d’apprentissage

Pensée créatrice

Démarche réflexive
Médias, Image, Technologies de l'Information et de la Communication
11
3.1. Les apprentissages liés aux disciplines
Ces sont des apprentissages liés aux sciences et mathématiques bien sûr, mais aussi au
français et on peut même faire intervenir les activités manuelles suivant le type de concours et
ce qu’on met en œuvre pour le présenter.
MATHEMATIQUES ET SCIENCES DE LA NATURE - Mathématiques
MSN 31 — Poser et résoudre des problèmes pour modéliser le plan et l’espace
MSN 33 — Résoudre des problèmes numériques et algébriques
MSN 34 — Mobiliser la mesure pour comparer des grandeurs
MSN 26 — Explorer des phénomènes naturels et des technologies à l’aide démarches
caractéristiques des sciences expérimentales
MSN 36 — Explorer des phénomènes naturels et des technologies à l’aide démarches
caractéristiques des sciences expérimentales
LANGUE - Français
L1 31 — Lire et analyser des textes de genres différents et en dégager les multiples sens…
L1 38 – Exploiter l’écriture et les instruments de la communication pour collecter
l’information, pour échanger et pour produire les documents
A 31 AC&M — Représenter et exprimer une idée, un imaginaire, une émotion, une
perception dans différents langages artistiques…
3.2. Les apprentissages liés à la formation générale
La participation à un projet collectif implique les apprentissages issus de la formation
générale suivants :
FG 24 — Assumer sa part de responsabilité dans la réalisation
de projets collectifs…
Mise en place de projets collectifs, recherche des compétences de chacun en lien avec les
tâches à accomplir.
Planification par étapes du travail en établissant des objectifs.
Auto- ou coévaluation de ces étapes et réadaptation des stratégies en conséquence.
Description de chaque étape du travail, des expériences et de leurs résultats, ainsi
qu'identification des facteurs de réussite ou d'échec.
Évaluation des modalités de collaboration de chacun dans un projet.
Construction du projet en tenant compte de la pluralité des opinions.
12
FG 34 — Planifier, réaliser, évaluer un projet et développer
une attitude participative et responsable…
Planification et gestion d'une ou plusieurs tâches particulières plus ou moins étendues dans le
temps et ajustement des collaborations avec les différents acteurs
Mise en place d'un plan de travail sur une ou plusieurs semaines et pour une ou plusieurs
disciplines
Mise en place d'un projet ou d'une recherche en en précisant les étapes (définition du thème,
planification des étapes, recherche des sources, production, réajustements)
Élaboration commune d'un projet en en définissant les modes de collaboration ou
de coopération
Mise en évidence de conditions générales d'apprentissage (connaissance de soi, de stratégies
méta-cognitives, gestion du stress, persévérance,…)
Découverte et exploitation d'autres manières d'apprendre et organisation de son travail
Les différentes parties des concours peuvent aussi développer les apprentissages de la
formation générale suivants :
FORMATION GENERALE
FG 21 — Décoder la mise en scène de divers types de messages…
FG 31 — Exercer des lectures multiples dans la consommation et la production de médias et
d'informations…
3.3. Les capacités transversales
Du point de vue transversal, un projet collectif signifie bien sûr collaboration en prenant en
compte l’autre en échangeant des points de vue sur le calendrier, le choix des missions,
l’attribution des responsabilités… en entendant et prenant en comptes les divergences par
exemple le choix du sujet de recherche.
La robotique peut aussi être utilisée comme moyen pratique pour appliquer des connaissances
théoriques ou comme vecteur
pour développer les capacités transversales énumérées
précédemment. La robotique est parfois utilisée dans la pédagogie compensatoire au vu des
compétences techniques et transversales qu’elle développe. En dehors des heures obligatoires,
c’est un excellent sujet pour des cours facultatifs.
On voit que les possibilités d’apprentissage sont multiples, il vaut peut-être la peine de se
fixer sur certaines d’autres elles afin de bien pouvoir les développer. Le temps dévolu à la
préparation au concours est vite saturé par la nécessité d’avancer et de trouver des solutions.
Les objets d’apprentissages seront détaillés au chapitre: les concours de robot Mindstorms qui
13
répertorie les types de concours et leurs parties. Ils seront colorés selon le code couleur du
PER.
4. L’apprentissage de la robotique à l’école dans le PER, cycle 3 spécification Vaud
Il est possible de faire de la robotique pendant les heures obligatoires d’enseignement, selon le
PER vaudois. En sciences, dans le cadre de l’option spécifique vaudoise : « mathématiques et
physiques » de 9-10H pour les élèves de voie prégymnasiale (VP) et dans l’Option de
Compétences Orientées Métiers – OCOM – MITIC - orientation technologique et de projets
interdisciplinaires pour les élèves de voir générale (VG).
4.1. Option spécifique vaudoise VP: « mathématiques et physiques »
L’option maths-physique comporte cinq volets d’apprentissage : MEP 31 : recherche,
expérimentation, rédaction, MEP 32 : mathématiques, MEP33 : physique, MEP34 : projets,
développement et découverte, MEP 35 : modélisation. Le MEP 34 est un complément aux
apprentissages FG, MSN, L1 et A listés précédemment. Il propose de se familiariser avec la
logique robotique et décrit les apprentissages qui lui sont liés en tant que projet et découverte.
Participer à un concours de robotique LEGO est une mise en œuvre de ce module avec
comme finalité le fait que l’élève sache programmer un robot.
10. MEP 34, un des quatre modules de l’option spécifique de maths-physique
14
4.2. Options de Compétences Orientées Métiers OCOM – MITIC (VG)
Suite au changement suscité par la LEO 5 qui entre en vigueur en août 2013, un groupe de
travail a proposé des activités pour l’option de 9H OCOM - MITIC – orientation
technologique. La participation à un concours de robotique avec des Mindstorms s’intègre
dans ce programme en tant que : présentation des activités de programmation sur robots. Ils
font référence aux apprentissages des disciplines MSN 33 & 35, L1, A33 et à la capacité
transversale de collaboration.
11. OCOM MITIC6
Loi sur l’Enseignement Obligatoire, loi vaudoise
Option de Compétences Orientées Métiers. Options artisanales, artistiques ou technologiques. MITOC
tronc commun – proposition d’activités – DP – DGEO, https://www.educanet2.ch → institution → DGEO
OCOM → classeur
5
6
15
5. Le robot LEGO Mindstorms NXT 2.0 ou EV3
Le robot est composé de différentes parties de LEGO techniques. « Le robot est la brique
intelligente avec tous ses accessoires mécaniques et électriques.»7. Le modèle de Mindstorms
actuel s’appelle NXT 2.0. D’ici août 2013 devrait sortir EV3 la version améliorée du NXT
2.0. Les deux modèles seront mécaniquement compatibles et l’interface graphique sera un peu
modifiée mais le savoir-faire acquis avec le NXT 2.0 sera complètement transposable avec le
Mindstorms EV3. Les copies d’écran sont issues du logiciel NXT 2.0.
Une brique intelligente, le
« cerveau » du robot
Des moteurs pour
actionner les roues ou un
outil
Des capteurs pour
interagir avec
l’environnement
Un programme qui décrit le comportement
Des LEGO (techniques) et de l’imagination
12. Robot LEGO Mindstorms NXT 2.0
7
Règlement First LEGO League, règlement Senior Solutions
16
Il y a tout d’abord une brique intelligente qui sert à stocker et exécuter les programmes. Ceuxci sont écrits sur un ordinateur grâce à un programme propre au Mindstorms qui fonctionne
par blocs. Puis ils sont transférés au robot via un câble USB, Bluetooth ou WiFi (Mindstorms
EV3). Deux moteurs permettent d’actionner les roues du robot. Les capteurs photosensibles,
de couleur, de contact ou ultrasons servent au véhicule à interagir avec son environnement. Il
suffit d’assembler le tout avec des éléments LEGO technique et vous avez un robot
Mindstorms.
Quelles différences entre NXT2 et EV3 ? Le logiciel EV3 contient tout une section destinée
aux enseignants appelée « robot esducator ». Avec le tutoriel de l’EV3 vous avez un robot
monté et opérationnel en 45 minutes. Le « robot educator » contient des robots de base et des
tutoriels qui donnent les bases de programmation.
13. Section "robot educator" du logiciel EV3
Avec le NXT2, on peut connecter 3 moteurs. L’EV3 a la possibilité de connecter 4 moteurs,
mais seulement 3 moteur sont fournis, 2 gros pour les roues et 1 pour les accessoires.
17
6. La programmation du Mindstorms
La programmation se fait par bloc et de manière séquentielle ce qui signifie que le robot
exécute les commandes dans l’ordre dans lequel on les met. Dans le menu de gauche, on
choisit des blocs d’action, de flux, de données ou liés à des capteurs et on les place sur la
barrette de LEGO. Une fois la programmation terminée, il est temps de tester son programme.
On connecte le robot avec l’ordinateur à l’aide d’un câble USB et on transfère le programme
au robot en cliquant sur un bouton de l’interface graphique. Puis il suffit de débrancher le
robot et de réaliser la mission sur la table.
14. Logiciel de programmation LEGO Mindstorms, exemple de séquence pour attraper une chaise
Le robot avance, abaisse son outil et recule
L’interface de l’EV3 est un peu différente mais la fonctionnalité des blocs reste la même.
15. Séquence de programmation avec l'EV3
18
7. Prérequis pour encadrer une équipe
Selon les organisateurs du concours, « le coach » n’a pas besoin d’avoir d’expérience dans la
technique, en partant de l’idée que ce sont les élèves qui font le travail. Expérience faite, le
temps de préparation au concours est très court et les missions difficiles! On perd aussi vite
du temps en mettant à jour le firmware (le système d’exploitation) du robot ou en établissant
la connexion Bluetooth et Wifi pour le robot EV3 successeur du Mindstorms NXT 2. Le
débogage des programmes peut être lui aussi un grand consommateur de temps surtout si on
est novice. C’est dans ces moments qu’il s’avère utile d’avoir des connaissances de base en
programmation afin d’être efficace dans ce type de situation sinon vous risquez d’être bloqué
pendant longtemps et votre équipe ne progressera pas. Si vous ne connaissez rien en
programmation ou si vous souhaitez vous perfectionner, vous pouvez suivre un cours de
robotique pour enseignantEs. Afin de vous préparer au mieux, la HEPL propose deux cours
de formation continue sur les LEGO Mindstorms.
AT046
Robots LEGO MINDSTORMS niveau 1 – introduction à la
technologie8
« Il permet aux participantes et participants de :








Construire une plateforme robotique mobile LEGO Mindstorms NXT
Comprendre le fonctionnement des divers capteurs et actionneurs
Programmer un robot Mindstorms avec le logiciel graphique Mindstorms Education NXT
Utiliser les 20 leçons multimédias intégrées dans le logiciel Mindstorms Education
Intégrer la robotique dans son enseignement, en fonction de ses branches
Accompagner les élèves dans leurs démarches et apprentissages en robotique
Utiliser les ressources pédagogiques à disposition, notamment sur le site edurobot.ch
Communiquer et échanger entre classes et enseignants au-travers d’une plateforme comme
Edurobot.ch »9

AT0467 Robots LEGO MINDSTORMS niveau 2 – programmer des robots10
« Il permet aux participant-e-s de :





Visualiser les valeurs des capteurs et autres variables internes du robot
Comprendre les trois types de données (logiques, numériques et texte)
Créer des blocs personnalisés
Enregistrer ses propres sons audio et les utiliser sur le robot
Maîtriser la communication sans fil Bluetooth entre robots
Cours Mindstorms 1, http://roberta.epfl.ch/page-26525-fr.html
http://roberta.epfl.ch/page-26525-fr.html
10 Cours Mindstorms 2, http://roberta.epfl.ch/page-26526-fr.html
8
9
19




Intégrer et utiliser ces fonctions avancées dans son enseignement, en fonction de ses branches.
Utiliser dans ses cours les LEGO Mindstorms en tant qu’appareil de mesure automatisé
Utiliser les ressources pédagogiques à disposition, notamment sur le site edurobot.ch
Communiquer et échanger entre classes et enseignantEs au-travers d’une plateforme comme
Edurobot.ch »16
La méthode Roberta – La robotique c’est l’affaire des filles11
Le Centre Roberta offre aussi des cours de formation continue aux enseignantEs, en
collaboration avec la HEP-BEJUNE.12
« Il permet aux participantes et participants de :


Connaître les différences entre filles et garçons dans leur approche à la technologie
Structurer un enseignement technique pour les garçons et les filles tout en tenant compte des besoins
des filles dans ce domaine
Construire une plateforme robotique mobile LEGO Mindstorms
Comprendre le fonctionnement des divers capteurs et actionneurs
Programmer un robot avec le logiciel graphique Mindstorms Education
Intégrer la robotique dans son enseignement, en fonction de ses branches
Entrer en contact avec le réseau Roberta (Lausanne, Berne, Winterthur)
Pouvoir utiliser les ressources du Centre Roberta de l’EPFL (prêt de matériel, etc.) roberta.epfl.ch »13






Et le centre propose des cours d’initiation à la robotique pour les classes 7-8H.
14
. Un
médiateur scientifique anime une séance de deux périodes d'initiation à la robotique et à la
programmation des robots, puis les robots peuvent rester encore un certain temps en classe.
8. Les différents concours de robots Mindstorms
Il existe deux sortes de concours que l’on peut faire avec des robots Mindstorms à des dates
différentes :

La FIRST LEGO League (FLL), en novembre

La Coupe Roberta, en avril
Le concours FLL est un concours de sciences, technologie & robotique alors que la Coupe
Roberta est un concours de robotique uniquement.
Cours Mindstorms 2, http://roberta.epfl.ch/page-26526-fr.html
http://www.hep-bejune.ch/formations/continue
13 http://roberta.epfl.ch/page-65188-fr.html
14 http://roberta.epfl.ch/page-65186.html
11
12
20
8.1. La compétition FIRST® LEGO® League
Le concours c’est 846 équipes en Europe Centrale et plus de 20'000 équipes dans le monde. 15
Il y a différentes étapes de sélection pour aller à la finale « European Championship ». Il faut
commencer par la sélection régionale à l’EPFL16 ou à l’HEIG-VD17 d’Yverdon. Les trois
gagnants du challenge FLL sont qualifiés pour la semi-finale d’Europe Centrale du sud-est.
Le gagnant acquière le droit de participer à la finale.
Chaque année le thème du concours change. L’idéologie de la compétition FLL est
représentée par le logo ci-dessous. Le concours comporte deux parties majeures qui
demandent de la préparation : le match de robot et le projet de recherche mais le jury
évalue aussi le jour même comment l’équipe a collaboré pour atteindre les objectifs et la
construction du robot. Chaque partie permet à l’équipe d’emporter un maximum 50 points
chacune.
Le concours FLL c’est donc :

Un match de robot

Une évaluation du jury de la construction et programmation du robot – robot design
(maximum)

Un projet de recherche scientifique sur un thème annuel

Une évaluation du jury de la capacité à collaborer de l’équipe
16. Les quatre parties du concours FLL qui peuvent rapporter chacune au maximum 50 points
15
16
http://www.hands-on-technology.de/en/firstLEGOleague/fllfacts
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
17
Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud
21
Les Mindfactory, une équipe Suisse de haut niveau, a réalisé une vidéo sur les différents
moments d’une compétition de sélection FLL.
17. Les quatre moments d'évaluation, le robot design, la recherche, l'esprit d'équipe et le match de
robot. http://www.youtube.com/watch?v=MjNrGDA1zG4
Et pour se faire une idée de l’ambiance lors de la compétition européenne.
18. Finale européenne de FLL, http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&v=qobUE1vJ3I&NR=1
22
Calendrier
Janvier
Annonce du thème de l’année
Début de la recherche
1.03 – 30.09
Inscriptions à la FLL
Fin août
Envoi du kit LEGO des missions = rentrée scolaire
Début de robotique
Novembre
Sélection régionale à l’EPFL ou HEIG-VD (Yverdon)
(1-3 équipes sélectionnées par région)
Décembre
Sélection FLL CE sud-est (CH/D), Bruggwindisch (AR)
Janvier
FLL Finale Europe Centrale
Mars
Open European Championship
Avril
FLL World Festival
Le thème de l’année est dévoilé en janvier. Le sujet de recherche porte en général sur trois
axes. Exemple pour 2013, le thème est les catastrophes naturelles et s’articule selon les trois
axes : prévenir – réagir – réparer. On peut donc commencer le projet de recherche dès
janvier. Pour la robotique, il faut attendre fin août car c’est à ce moment-là que les kits sont
envoyés. Un kit contient le tapis de jeu, les objets de mission LEGO et les instructions de
montage. A partir de cet instant, il ne reste deux mois pour réaliser les missions ce qui est très
court. C’est aussi à fin août que sont publiés le règlement du concours et les objectifs des
missions. Pour plus d’information voir le chapitre : guide de démarrage rapide.
Lire les différents textes et les comprendre met en œuvre l’apprentissage suivant :
LANGUE - Français
L1 31 — Lire et analyser des textes de genres différents et en
dégager les multiples sens…
6 …en dégageant le sens des mots et des phrases, à partir du texte et du
contexte
23
Je vais maintenant décrire les quatre parties du concours et les apprentissages qui leurs sont
liés.
8.1.1. Description de la partie « robot match »
Tout comme le thème, la table et les missions que le robot doit réaliser changent chaque
année. Le robot doit faire un maximum de points aux missions pendant une manche de 2
minutes 30. Ces dernières sont décrites dans le guide ad ’hoc. Il est bon de savoir que ce qui
n’est pas interdit est autorisé ! Deux tables de concurrents sont mises en parallèle car parfois
on a affaire à des missions de coopération qui peuvent mettre en avant d’éventuels talents de
négociateurs ou des missions offensives.
Exemple de mission de coopération
19. Extrait du FLL Robot Game - Missions 2012
Cette mission demande de s’entendre avec l’équipe face à laquelle le match de robot aura lieu.
L’idée étant de savoir qui bouge le pointeur sachant que quand la partie démarre, ils ne sont
pas alignés. Il suffit donc qu’une équipe pousse le sien pour qu’ils soient alignés et donnent
des points aux deux équipes.
20. Objet de mission pointeur
24
21. Mission de coopération. Si le pointeur est aligné avec celui de l’autre équipe alors toutes deux
gagnent des points.
Exemple de mission offensive
22. Extrait du FLL Robot Game - Missions 2012
25
23. Objet de mission ballon
Cette mission donne des points si elle est offensive. Le but étant d’actionner le levier qui fera
tomber la boule chez le voisin afin de vous faire gagner un maximum de points. Vous allez
peut-être bouger le levier plusieurs fois tout dépend de comment et quand l’équipe adverse va
procéder.
Le match de robots est un moment intense, il arrive souvent que le robot ne se comporte pas
comme il faut et mette les nerfs de l’équipe à rude épreuve. C’est dans ces moments de stress
qu’il est important de savoir gérer son matériel, apprendre de ses erreurs et persévérer. On
voit souvent un robot mal orienté au départ de la base, un outil mal installé, un mauvais
programme démarré etc. C’est aussi un grand moment de collaboration en réagissant aux
faits et en participant à l’élaboration d’une décision commune et à son choix.
L’efficacité du robot est sanctionnée par un résultat en points. Le match se déroule en trois
manches. Le meilleur score des trois manches est enregistré. Puis a lieu une demi-finale et une
finale.
L’échelle d’évaluation
Excellent (5), Très bien (3), Bien (2), A améliorer (0)
Le nombre de point est défini dans le règlement des missions. Il y a des pénalités dans
certaines situations définies par le règlement.
26
8.1.2. Description de la partie « robot design », construction et programmation
8.1.2.1 Construction
Le jury évalue la construction du robot et la qualité de sa programmation. Il évalue les
méthodes utilisées pour les déplacements du robot. De plus tous les élèves doivent pouvoir
justifier la construction, la stratégie générale et expliquer les programmes.
Le design de robot met en œuvre le développement de stratégies d’apprentissages dont la
gestion d’une tâche. On choisit une mission à réaliser, il faut analyser la situation, anticiper la
marche à suivre en planifiant le trajet, percevoir et analyser les difficultés rencontrées,
apprendre de ses erreurs et surtout persévérer et développer son goût de l’effort quand le robot
ne va pas au bon endroit ou que le programme bogue de manière inattendue. L’acquisition de
méthodes de travail est aussi un facteur de réussite et passe par la gestion de son matériel, son
temps et l’organisation de son travail.
La construction des accessoires qui seront attachés au robot pour effectuer les missions
demande de se représenter les mouvements dans les trois dimensions. La pensée créatrice
s’illustre par la concrétisation de l’inventivité en faisant le choix de nouvelles idées, de
nouvelles voies, dans le choix de stratégies et de techniques inventives. La mise au point
d’outil est créative, la manière de l’utiliser est originale.
Une équipe avait inventé un mécanisme que le robot poussait à un endroit du tapis de jeu et le
laissait en place. Pendant ce temps-là, le robot continuait vers d’autres missions. Le système
débarqué était mu par un ressort spiral qui fait qu’après un certain laps de temps le mécanisme
se déclenchait et faisait marquer des points à l’équipe.
Avant de reprogrammer une mission, il faut définir et se mettre d’accord sur la trajectoire que
le robot va devoir effectuer et l’ordre des missions.
MSN 31 — Poser et résoudre des problèmes pour modéliser le plan et
l’espace
Utilisation de systèmes de repérage pour communiquer des positions et des itinéraires, pour
placer des points (plan et espace)
27
Le robot se déplace grâce à la rotation de ses roues, il faut donc traduire cette rotation en
déplacement linéaire à l’aide de formules mathématiques si on souhaite optimiser sa
trajectoire.18 Plus d’information sur comment faire avancer son robot précisément au
chapitre : démarrage rapide.
24. Tutoriel Edurobot.ch
Les apprentissages associés à cette problématique de déplacement sont :
MSN 33 — Résoudre des problèmes numériques et algébriques







tri et organisation des informations (liste, tableau, schéma, croquis,…)
mise en œuvre d'une démarche de résolution
ajustement d'essais successifs
pose de conjectures, puis validation ou réfutation
déduction d'une ou plusieurs informations nouvelles à partir de celles qui sont
connues
réduction temporaire de la complexité d'un problème
vérification, puis communication d'une démarche et d'un résultat en utilisant un
vocabulaire, une syntaxe ainsi que des symboles adéquats
MSN 34 — Mobiliser la mesure pour comparer des grandeurs
Estimation de grandeurs, choix d'une unité adéquate, prise de mesure à l'aide d'un instrument
adapté et expression d'une grandeur dans diverses unités
 longueur
 angle (mesure en degrés)
18
http://www.edurobot.ch/site/?page_id=5
28
La création d’outils fait appel à la modélisation. Le monde qui nous entoure est composé
d’outils et de machines qui transmettent le mouvement. La créativité est encore de mise, car à
un mouvement peut être associés divers mécanismes.
MSN 26 — Explorer des phénomènes naturels et des technologies à l’aide
démarches caractéristiques des sciences expérimentales
Force et énergie (mécanique)
Observation et représentation des transmissions du mouvement (mouvements de rotation ou
de translation) dans des modèles expérimentaux et dans des objets technologiques (fouet
mécanique, sonnette, voiture à ressort, pendule, montre, système d'entraînement d'un vélo,
moulin,…)
Exemple concevoir un outil pince
Les mécanismes des objets qui nous entourent peuvent être source d’inspiration. Si on prend
un tire-bouchon de gaulle, en le manipulant on constate qu’une rotation de l’axe central ouvre
deux poignées.
25. Tire-bouchon de gaulle
Avec des LEGO techniques, on peut imiter ce mécanisme ce qui fait qu’obtient un système
qui s’ouvre et se ferme comme une pince. On peut l’utiliser par exemple pour tenir une boule
que l’on doit transporter et déposer à un endroit sur le tapis de jeu.
29
26. Système en LEGO technique qui tient une boule et qui lors de la rotation de l’axe noir libère la
boule de la pince
Si les objets du quotidien n’offrent pas de solution, les ouvrages d’Isogawa se révèlent être
des atouts précieux pour la construction en LEGO. Il faut au préalable analyser le mouvement
à effectuer en terme de translation ou de rotation. La consultation de la table des matières sous
forme de logo nous renseigne si la solution au mouvement en LEGO existe. Ce sont comme le
titre l’indique des machines simples mais ingénieuses.
27. Un des trois ouvrages d'Isogawa et les logos associés aux différentes transmissions du
mouvement
Il s’agit ensuite de fixer l’accessoire pince au robot. Dans notre exemple, on aimerait que la
pince soit à l’avant. Le problème est que la rotation du moteur est à 90° de l’axe du robot. On
a deux rotations à 90°, une lecture de la table des matières du livre propose divers solutions.
30
28. Comment transmettre à 90° une rotation selon Isogawa
29. L'accessoire pince monté sur le robot
31
8.1.2.2 Programmation
La programmation développe les compétences du MEP 34 : familiarisation avec des façons
de faire et de raisonner propres à la robotique de l’option maths-physique dont les objets
d’apprentissages ont été présentés au chapitre sur l'Option spécifique vaudoise VP. Les
apprentissages spécifiques à la programmation sur robot sont aussi décrits dans le chapitre :
l'OCOM-MITIC, programmation sur robot.
Les critères d’évaluation
Programmation
Les programmes sont organisés de manière logique. Des variables (valeurs dans les
programmes qui changent) sont utilisées. On utilise des éléments de flux dans la
programmation : si…, tant que…, jusqu’à ce que…, boucles. Les petites séquences de
programmes répétitives sont enregistrées comme des sous-programmes appelés MyBlocks
(sous-programmes) et de commentaires.
Construction du robot
Design original associé à de l’efficacité et une structure solide et robuste.
Stratégie de déplacement du robot sur la table
Combinaison de tâches et de missions, gestion de la vitesse, de la position et de la direction
plus gestion des trajectoires réussie.
8.1.3. Description de la partie « projet de recherche »
Les élèves doivent mener à bien un projet de recherche en lien avec le thème annuel et la
technologie. Ils ont cinq minutes pour le présenter. Le projet se base sur une solution
innovante. Le travail de recherche est tout aussi conséquent que la partie robotique car il
demande d’imaginer un moyen, de se référer à des solutions déjà existantes, d’aller à la
rencontre de scientifiques puis de discuter de la solution avec les éventuels utilisateurs afin
d’obtenir un retour d’information.
Exemple Senior Solutions 2012 des SAPtellites: solution innovante un bras robotisé
En 2012 le thème était de trouver des solutions pour les seniors afin qu’ils puissent rester
actifs. Une équipe a conceptualisé un bras robotisé qui se fixe sur une chaise roulante et
32
permet d’ouvrir les portes. Les enfants ont dû tout d’abord interroger des seniors pour
connaître leurs besoins, puis ils ont imaginé le concept du bras robotisé. Des recherches sur
internet leurs ont fait prendre conscience que ce produit existait déjà à l’état de prototype dans
de nombreux laboratoires universitaires. Ils ont alors réfléchi à un bras robotisé différent :
moins cher, plus mécanique et universel. Puis ils ont vérifié auprès de scientifique que leur
projet était innovant et réalisable. Pour finir c’est auprès du senior qu’ils sont retournés afin
d’avoir son opinion sur le produit développé.
Les deux capacités transversales majoritairement utilisées sont la capacité à communiquer et
celle de la pensée créatrice. L’élève va devoir explorer des ressources variées telles que des
images, des textes, des vidéos et comprendre l’apport de chacune. Le but du projet de
recherche est de trouver une solution innovante, il faudra donc exploiter les ressources en
anticipant de nouvelles utilisations analyser les solutions déjà existantes. La solution se doit
d’être réalisable donc il faudra concrétiser l’inventivité en tirant parti de ses inspirations, de
ses idées par exemple en vérifiant que la solution est fabricable et que le prix est abordable.
Développement de la démarche scientifique
Développement de stratégies d'exploration et/ou d'expérimentation, par :

l'imagination d'une piste de recherche, d'un dispositif d'exploration, qui permet de
répondre à une problématique, à une question de recherche
Développement de la démarche scientifique
Utilisation d'un langage spécifique : vocabulaire, symboles, règles de structuration (rapport,
schéma,…)
Utilisation de ressources externes de nature variée (articles, films, tables numériques,…)
La présentation de la recherche peut se faire de différentes façons : diapositives Power Point,
Prezi19, saynète avec costumes et décors, film, film d’animation etc. Il est possible de faire un
mélange des différents genres.
19
http://prezi.com
33
L1 38 – Exploiter l’écriture et les instruments de la communication pour
collecter l’information, pour échanger et pour produire les documents
UTILISATION D’UN ENVIRONNEMENT MULTIMEDIA
Utilisation de façon autonome et pertinente des appareils audiovisuels (appareil
d'enregistrement, caméra, appareil de photo numérique,…)
Utilisation d'un ordinateur et de ses périphériques (imprimante, scanner, clé USB,…)
Utilisation autonome ciblée de ressources numériques d'apprentissage (moyens
officiels, didacticiels disciplinaires, ludo-éducatifs, outils d'aides en lignes, devoirs
électroniques,…)
Choix et utilisation autonome de diverses ressources numériques adaptées à la tâche
projetée (textes, présentations, dessins, musique,…) jusqu'à la sauvegarde des documents
EDUCATION AUX MEDIAS
Sensibilisation à l'origine d'une information (source, adresse Internet,…)
PRODUCTION DE REALISATION MEDIATIQUE
Production de réalisations médiatiques (journal, roman-photo, publicité, page Internet,
présentation assistée par ordinateur/diaporama, séquence filmique,…)
ECHANGE, COMMUNICATION ET RECHERCHE SUR INTERNET
Dans le cadre d'un projet défini, navigation et recherches à partir de moteurs de recherche
sous le contrôle de l'adulte.
Sensibilisation au plagiat et aux lois en vigueur dans le domaine de la publication (respect de
l'intégrité, de la personnalité, insultes,…)
FG 31 — Exercer des lectures multiples dans la consommation et la
production de médias et d'informations…
UTILISATION D’UN ENVIRONNEMENT MULTIMEDIA
Recours aux moyens audiovisuels et informatiques adaptés à la tâche à effectuer jusqu'à la
production finale (impression de documents illustrés, de séquences filmées, de documents
sonores,…)
Repérage et utilisation autonomes de ressources numériques d'apprentissage (moyens
officiels,didacticiels disciplinaires, outils d'aides en lignes, devoirs électroniques,…)
Choix et utilisation autonomes (jusqu'à la gestion et l'organisation des documents) de
diverses ressources numériques adaptées à la tâche projetée (texte, présentation, feuille de
calcul, dessin, musique,…)
EDUCATION AUX MEDIAS
Réflexion sur la traçabilité de l'information (agences de presse, sources,…)
34
Choix du support et production de réalisations médiatiques selon le travail projeté en utilisant
la grammaire de l'image et les principales règles d'ergonomie et de lisibilité.
Application des notions liées au droit d'auteur.
Utilisation d'Internet comme source d'information et moyen de communication
Évaluation critique de l'information obtenue.
La mise au point de décors ou de maquette fait appel aux apprentissages du PER.
A 31 AC&M — Représenter et exprimer une idée, un imaginaire, une
émotion, une perception dans différents langages artistiques…
1 …en inventant et réalisant des objets, des volumes sous forme de projet ou à
partir de consignes
30. Maquette expliquant le fonctionnement d'un bras robotisé
La solution est unique, innovante et peut être réalisée. Des experts de différents domaines ont
été interviewés. Le projet fait référence à des sources scientifiques. La solution a été présentée
au groupe concerné. La présentation est fluide, bien structurée et créative.
35
8.1.4. Description de la partie « esprit d’équipe »
L’enjeu du concours n’est pas uniquement technologique mais fait aussi appel aux capacités
transversales: apprendre à travailler ensemble et à communiquer. Les élèves, au cours des
semaines de préparation, auront dû collaborer et échanger leurs résultats. Le blog peut être un
bon moyen de communiquer et de garder un tableau de bord.
Élaboration (individuellement ou en groupe) d'une page Internet en tenant compte du contenu
et de la mise en forme (texte, illustrations,…)
Présentation et prise en compte des notions liées au droit d'auteur.
Analyse des quatre questions de base de tout acte de communication : pourquoi ? à qui ?
quoi ? comment ?
Utilisation d'une adresse courriel de la classe et d'une plateforme de communication(blog,
forum,…)
Sensibilisation au plagiat et aux lois en vigueur dans le domaine de la publication(respect de
l'intégrité, de la personnalité, insultes,…)
FG 31 — Exercer des lectures multiples dans la consommation et la
production de médias et d'informations…
Élaboration (individuellement ou en groupe) d'une publication Internet en tenant compte du
contenu, de la mise en forme des pages et de l'architecture du site.
Application des notions liées au droit d'auteur.
Prise en compte des quatre questions de base de tout acte de communication : pourquoi ? à
qui ? quoi ? comment ?
Utilisation d'une adresse courriel personnelle institutionnelle et participation à une plateforme
de communication (blog, forum,…)
Utilisation d'une plateforme de collaboration.
Prise en compte des lois en vigueur dans le domaine de la publication, de l'usage d'Internet, de
la communication et du plagiat.
36
Lors du concours, les candidats doivent passer une épreuve qui évalue leur manière
d’interagir et les procédures mises en place ainsi que la manière de communiquer pour arriver
à résoudre le problème posé. Un exemple d’épreuve : l’équipe est sur un tapis souple et doit le
retourner tout en gardant les pieds dessus et ce en cinq minutes.
Cette épreuve teste surtout la compétence à collaborer et plus particulièrement l’action dans
le groupe. Le défi posé demande de réagir aux faits, d’articuler et de communiquer son point
de vue car il va falloir trouver rapidement une solution au défi. Il est aussi important de
reconnaître l’importance de la conjugaison des forces de chacun et d’adapter son
comportement car le jury s’attend à ce que l’équipe face preuve d’enthousiasme.
Les responsabilités sont attribuées et les élèves travaillent tous ensemble. Ils se respectent et
font preuve d’enthousiasme.
8.2. La Coupe Roberta20
La Coupe Roberta destinée à des jeunes de 10-16 ans reprend les missions
du challenge LEGO League ainsi que le règlement et la table de jeu.
L’inscription est gratuite. Le concours comporte deux parties : un défi
« live challenge » et des matchs robots.
31. Mascotte de la
Coupe Roberta
8.2.1. Défi « Live Challenge »
L’équipe doit résoudre une nouvelle mission sans préprogrammes sur son ordinateur et sans
se faire aider par un adulte. Les enfants ont 30 minutes pour mettre au point cette mission,
puis ils doivent la montrer au jury.
8.2.2. Robot match
Le match se déroule en deux manches de qualifications de chacune 2m30, puis une demifinale et une finale.
20
http://roberta.epfl.ch/coupe-missions
37
Calendrier
Novembre
Commande kit auprès de la FLL ou l’emprunter à une équipe
qui ne poursuit pas au-delà de la FLL
Février
Commande de kit FLL au Centre Roberta
Inscription à la Coupe Roberta
Avril
Coupe Roberta, festival de robotique, EPFL
9. Les élèves que vous préparerez à un concours de robotique
La préparation au concours peut se faire par exemple lors

de cours facultatifs de robotique (cycle 2 et 3)

de matinée pour enfants HPI21 (généralement organisées au primaire, cycle 1 et 2)
Et dans le cas du canton de Vaud :

lors des périodes de mathématiques-physique pour les élèves de l’option spécifique 9 11H (cycle 3)

lors de l’OCOM – MITIC (cycle 3)
Avec des élèves débutants et/ou jeunes (7-8H), il va falloir quelques cours de mise en route et
d’apprentissage du robot Mindstorms. En plus de la robotique s’ajoutent les difficultés de
construction du robot et de ses accessoires. Les plus jeunes ont de la peine à projeter leurs
idées en trois dimensions. La programmation et la construction peuvent donc être des
obstacles. Avec des élèves plus âgés, on a plus de chance d’avoir dans le groupe des élèves
qui connaissent bien les LEGO Techniques et ont peut-être déjà programmé un Mindstorms
ce qui permettra de gagner du temps sur le concours.
L’âge, le niveau des élèves et les dates des concours vont déterminer quel est le concours le
plus adapté à votre équipe. La FLL qui a lieu en novembre et qui est un projet conséquent
alliant recherche et robotique a tout intérêt à se préparer, dès janvier, avec des élèves de l’OS
maths physique 9H qui feront le concours en 10H ou avec des élèves d’un cours facultatif de
robotique. Il peut aussi se faire dans le cadre d’un cours tel que la matinée pour enfant HPI
qui dure assez longtemps pour traiter la recherche et la robotique en parallèle. La Coupe
Roberta qui a lieu en avril donc plus tard dans le calendrier scolaire peut convenir à des
21
Haut Potentiel Intellectuel
38
débutants car le concours ne porte que sur la robotique. Il peut être destiné à des élèves
d’Option de Compétences Orientées Métier - OCOM (9-11H, VD) ou à des élèves de cours
facultatif de robotique (7-11H). Ce sont des suggestions :
FLL
Coupe Roberta

Novembre

Avril

Robotique ET recherche

Robotique

Equipe mixte = débutants + avancé(s)

Débutants
Elèves


Elèves
Option de Compétences Orientées

Matinée pour HPI (7-8 H)
Métier OCOM (9-11H, VD)

OS maths- physique (9-10H, VD)
Cours facultatif de robotique (7-11H)

Cours facultatif de robotique (7-11H)
10. Matériel, logistique et budget
10.1.
Matériel robotique
Le matériel de base se compose d’un Set Education, d’une boîte d’extension de pièces LEGO,
du logiciel de programmation EV3, (une licence d’établissement est nécessaire à partir de
deux ordinateurs) et d’une batterie avec chargeur. Le set de ressource EV3 permet de
construire d’autres robots.
Ensemble de robotique LEGO Mindstorms
Education EV3 425.- CHF, réf. 45544
Set de ressource EV3 125.- CHF, réf. 45560
39
Licence unique pour le logiciel de
programmation EV3 120.-, réf. 2000045
Licence pour une classe du logiciel de
programmation EV3 455.-, réf. 2000044
transformateurs 10V DC 25.- CHF, réf. 8887

Clé USB Wifi  40 CHF, ref. 45516 (pas encore disponible)

Clé USB Bluetooth 40.- CHF, ref. 45515
10.2.
Table, tapis de jeu et objets de missions
Le tapis de jeu et les objets de missions s’appellent le « challenge set FLL ». Le tapis de jeu
se présente sous la forme d’une bâche de 115 x 237 cm qu’on peut rouler. Les objets des
missions sont en LEGO et sont à construire à l’aide d’instructions en ligne. Ils sont ensuite
fixés au tapis avec du velcro double face.
40
32. Le challenge set "Senior Solution 2012" composé du tapis et des objets de missions
La taille de la table correspond aux mesures du tapis et comporte un bord en bois peint en
noir. (Instructions de montage de la table22). Elle est posée sur deux trépieds. Vous trouvez
facilement les fournitures au magasin de bricolage du coin. UnE collègue de travaux manuels
se fera une joie de vous aider à la réaliser.
33. Dimensions de la table officielle
22
http://www.firstLEGOleague.org/sites/default/files/SenSolTableWeb.pdf
41
Il est possible de se passer de table, mais sa bordure est utile en tant que prise de référence
lors des déplacements du robot. De plus travailler à genoux est pénible à l’usage.
10.3.
Logistique
Vous avez besoin d’un ordinateur par robot, un ordinateur portable est idéal. Il vous faut aussi
une salle pour la table qui est assez encombrante et une armoire qui se ferme pour ranger les
boîtes LEGO et vos documents.
10.4.
Budget
Il faut compter 1 robot pour 2-3 élèves. Donc si on prend une équipe composée en moyenne
de 8 – 10 personnes, on a besoin de 4 robots. Dans la section fourniture de matériel, il y a des
endroits où acheter les Mindstorms. Attention, il y a la version standard qui se trouve dans le
commerce et qui se distingue de la version éducation par son alimentation à piles et le fait
qu’il n’y a pas la partie enseignant avec les didacticiels. De plus les capteurs fournis ne sont
pas les mêmes. En tant qu’enseignant c’est la gamme Education dont vous avez besoin et qui
est faite pour vous.
Proposition d’un set de classe:
4 x ensembles de robotique LEGO Mindstorms Education (4 robots)
1 x Software (licence d’établissement)
4 x Transformateurs 10V DC
2x Set de ressources EV3
 2’505 CHF
Si on y ajoute le prix du « challenge set » FLL, les frais d’expédition, le coût de la table et les
frais d’inscription au concours.
Set EV3 pour une classe
FLL Challenge set*
Coûts d’expédition *
Table + bords + trépieds + peinture noire
Frais d’inscription à la Coupe Roberta
Frais d’inscription à la FLL* 23
129 €
35 €
TOTAL
2’505 CHF
156 CHF
42 CHF
250 CHF
0 CHF
150 CHF
3’103 CHF
Le challenge set + les coûts d’expédition et les frais d’inscription reviennent annuellement. Le reste est un
investissement de base
23
42
Suivant où se trouve votre établissement, il faudra ajouter le coût du transport pour vous
rendre au concours. Si vous souhaitez faire un T-shirt pour l’équipe ce seront encore des frais
supplémentaires. Je pars de l’idée que l’établissement a quelques ordinateurs portables et de
ce fait ne les inclus pas dans le budget.
Si ce montant total vous fait peur, il est possible de se débrouiller avec un robot pour une
équipe. Votre budget minium sera :




Ensemble de robotique LEGO Mindstorms Education EV3
Set de ressource EV3
Licence unique pour le logiciel de programmation EV3
Transformateurs 10V DC
425 CHF
125 CHF
120 CHF
25 CHF
695 CHF
En y additionnant la table, le set et les divers frais on arrive aux alentours de 1'293 CHF.
10.5.
Idées de financement
Le coût de ce type de projet pour une classe va de 1'293 CH à 3’103 CHF et malheureusement
certains établissements n’ont pas de budget pour cela. Je vous propose donc des pistes pour
obtenir des Mindstorms. Pour commencer, il y a peut-être la possibilité d’emprunter du
matériel à un établissement scolaire voisin. Sinon, le centre Roberta de l’EPFL met à
disposition des écoles des kits LEGO Mindstorms NXT2.0 Education pour trois semaines au
prix de 5 CHF le kit. Un autre moyen d’obtenir un kit Mindstorms peut être le sponsoring. En
2012, SAP24 a subventionné des équipes, en passant par le centre Roberta de l’EPFL, en leurs
fournissant un kit complet et l’inscription à la FLL gratuite. Il faut regarder sur le site du
Centre Roberta si l’action se renouvelle d’année en année. La vente de pâtisserie est aussi une
solution souvent utilisée en milieu scolaire mais requiert du temps. Des établissements ont eu
l’idée de faire appel à des sponsors privés. Les élèves ont écrit à des entreprises locales pour
se faire subventionner et le résultat a été au-delà de leurs attentes.
11. Idées de planification et d’encadrement
Vous allez planifier avec les élèves les semaines qui précèdent le concours. Vous allez les
aider dans la construction du robot, le stockage des programmes, les conseiller pour la
24
http://www.sap.com
43
programmation et les guider dans le projet de recherche. Si vous prévoyez de vous lancer dans
la FLL, vous pouvez faire lire la bande dessinée25 aux élèves au préalable.
34. Bande dessinée qui décrit l'aventure First LEGO League
11.1.
Préparation à la FLL
Entre janvier et les vacances scolaires d’été

Présenter la bande dessinée FLL aux élèves

Définir l’équipe puis procéder à l’inscription du coach et de l’équipe sur le site de
hands-on-technology.de26

Discuter du thème annuel et de ses axes, proposer aux élèves de faire des recherches,
de chercher des scientifiques à rencontrer et les utilisateurs potentiels de la solution

Définir le mode de présentation du projet de recherche (film, saynète etc)

Trouver une salle dans l’établissement pour mettre la table FLL et surtout le matériel
sous clé
25
26
http://files.iai.heig-vd.ch/lara/web/Robot-CH/Concours/FLL/2003/FLL_FR-BandeDessinee2003.pdf
http://www.hands-on-technology.de/en
44

Fabriquer la table27. Les enseignantEs de travaux manuels peuvent s’avérer être des
alliés précieux quand il s’agit de la construire

S’arranger avec le responsable MITIC de l’établissement pour l’emprunt d’ordinateurs
portables ou pour équiper votre salle de robotique

Chercher des sponsors si nécessaire
Premières semaines d’école → vacances d’automne
Exemple 2013 : rentrée 26.08 – vacances d’automne 11.10  7 semaines

Faire ce qui est décrit pour janvier aux vacances d’été si vous commencez maintenant

Mettre en place la table, fabriquer les objets des missions suivant les instructions
reçues

Lire le règlement du concours (plusieurs fois), regarder la vidéo Youtube qui explique
les missions

Lire les FAQ sur les forums http://forums.usfirst.org/forumdisplay.php?f=24

Attribuer une responsabilité aux élèves en ce qui concerne : la recherche, la
présentation, la construction, la programmation, la stratégie, opérateur robot (2), les
relations publiques (logo, t-shirt, presse), la recherche de fonds. 28 (facultatif)

Fabriquer un robot de base, soit le choisir avec les élèves ou l’imposer. Il y a des
modèles NXT 2.0 à disposition sur edurobot.ch29 ou dans les livres cités en fin
d’ouvrages et qui correspondent aux exigences FLL.

Aller à la rencontre de gens et de scientifiques pour le projet de recherche

Choisir les missions robotiques et planifier les parcours du robot

Fabriquer les outils pour effectuer les missions, programmer celles-ci
Pendant les vacances d’automne
Exemple 2013 : vacances d’automne 11.10 – 28.10  2 semaines

Proposer aux élèves de se revoir.

Regarder sur Youtube les vidéos que les équipes postent sur les missions afin de se
donner des idées
http://www.firstLEGOleague.org/sites/default/files/SenSolTableWeb.pdf
Manuel des équipes FLL
29 http://www.edurobot.ch/site/?page_id=5
27
28
45
Dernière ligne droite entre les vacances d’automne et le concours début novembre
Exemple 2013 : rentrée d’automne 28.10 – 09.11sélection régionale 2 semaines

Mise au point de la présentation de recherche et répétitions

Faire un maximum de missions, puis vérifier la répétabilité
11.2.
Préparation à la Coupe Roberta
De la rentrée → avril ( 27 semaines)
Même soucis de logistique que pour la FLL.

Apprendre à programmer le Mindstorms.

Tester des constructions de LEGO Technique

Fabriquer un robot de base et y associer des outils

Programmer les missions et les vérifier

Regarder sur Youtube les vidéos que les équipes postent sur les missions
12. Guide de démarrage rapide - robot + programmation
Si vous lisez ces lignes c’est que vous avez des robots, une table et son challenge set et une
équipe d’élèves très motivés.
12.1.
Les documents de référence pour le concours FLL
Les documente de référence se trouvent en ligne soit sur http://www.hands-ontechnology.de/firstLEGOleague
en
allemand/anglais
ou
sur
http://roberta.epfl.ch/fll_documents en français. Prenez le temps de bien les lire et insistez
auprès de vos élèves pour qu’ils le fassent. Chaque années, des équipes perdent des points car
elles n’ont pas bien compris une mission et l’exécutent mal faute à une lecture insuffisante du
règlement.

« First LEGO League - Règlement», définit l’âge des participants, décrit les parties du
concours et ce qui est autorisé comme capteurs, moteurs, pièces et programmes pour le
robot, ainsi que la version de robot.
46

« Missions », document qui décrit les missions et le nombre de points gagnés quand
elles sont réussies ainsi que les points de pénalité lors d’interventions sur le robot hors
zone de base

« FLL Robot Game – plateau de jeu », décrit comment sont placés les éléments de
mission
12.2.
Suggestions de construction du robot de base
Dans un premier temps, il va falloir établir un cahier des charges pour le robot. Le nombre de
moteurs et les capteurs autorisés sont spécifiés dans le règlement. Les lignes sur le tapis vont
donner une idée de la manière dont vous aller programmer les trajectoires du robot. Une
solution basique étant d’avoir un capteur photosensible qui suit une ligne. Il se peut aussi que
la couleur des lignes et leur nombre soit à prendre en compte, à ce moment il vaudra mieux
utiliser un capteur de couleur. Une manière avancée de faire serait d’utiliser deux capteurs
dédiés à l’action de suivre la ligne et un autre qui prendrait en compte les couleurs. Mais pour
avoir une trajectoire optimale, le robot a au minimum un capteur photosensible qui pointe vers
le bas. Edurobot.ch propose plusieurs schémas de construction de robots. Edurobot.ch →
Téléchargement → LEGO Mindstorms NXT → modèles.
35. Site Edurobot.ch qui contient du matériel pédagogique pour les Mindstorms
47
36. Le logiciel de l'EV3 propose plusieurs robots qui pourraient servir de base
12.3.
Comment concevoir des accessoires ou outils pour le robot
Certaines missions demandent qu’on actionne des leviers ou des poussoirs, qu’on déplace des
objets. Sur les trois moteurs autorisés, deux sont dédiés à l’avancement des roues et il en reste
un auquel on peut attacher un outil qui fera des rotations ou des translations. Les outils des
débutants seront simples : une tige sur un axe qui lorsque le moteur tourne le fait se lever ou
se baisser. Un système plus sophistiqué comprend des roues dentées, des cames, des
transmissions par courroies (= élastiques LEGO), système pneumatique ou à ressort. La
transmission du mouvement est un challenge intéressant. Les élèves en ont eu un aperçu en 78H en sciences. Les livres de Y. Isogawa (revoir le chapitre sur la description de la partie «
robot design », construction et programmation) sont une aide précieuse.
48
37. Accessoire attaché au robot de base qui pousse des plaques LEGO
38. Accessoire connecté au robot de base qui tient une boule et peut la libérer
Un système d’accessoires - outils simples tels qu’une tige accrochée au robot de base qui lors
du déplacement du robot actionne un levier ou un poussoir à l’avant du robot qui amène par
glissement des objets, associé à des trajets aller-retour simples permettent d’obtenir autour des
150-200 points sur un maximum de 733 dans le cas de Senior Solutions 2012 (solution de
débutants), donc une réussite de 20-27%. Des accessoires - outils un peu plus complexes qui
font intervenir une transformation du mouvement, comme la pince qui tient la boule ci-dessus,
associés à des déplacements du robot basés sur la reconnaissance de lignes donnent un résultat
autour des 50% (utilisateurs ayant au moins une année de pratique) et les outils multitâches
permettent d’obtenir un 75% et plus (équipes très expérimentées). Un outil multitâche permet
en un seul déplacement d’exécuter plusieurs missions à la fois. L’ingéniosité développée dans
les outils qui permettent de combiner les tâches des missions donne des points au « robot
design ».
49
39. Vidéo de l'équipe SAPollo 7 qui utilise les lignes pour le déplacement du robot et différents
accessoires multitâches30. http://www.youtube.com/watch?v=_OzXUt0vzHE
12.4.
Des astuces pour programmer efficacement
Ce sont les déplacements du robot qui vont demander le plus de programmation. Les moteurs
possèdent des encodeurs qui permettent en principe de positionner de manière précise le robot
mais dans la réalité il vaut mieux éviter les longs trajets sans prise de référence.
Les règles de programmation du Mindstorms sont les mêmes que celles de tout autre langage
de programmation. Une structure logique, l’utilisation de variables et de sous programmes
répétitifs MyBlocks associés à des commentaires sont la base d’un bon programme.
30
http://www.youtube.com/watch?v=_OzXUt0vzHE
50
commentaire
MyBlock
40. Interface NXT 2. Les blocs sont commentés par un petit texte.
La programmation se fait aussi à différents degrés suivant si on est débutant ou expert. Il vaut
la peine dans tous les cas de comprendre et utiliser des programmes MyBlocks qui sont des
sous-programmes qu’on réutilise souvent dans les missions et qui font gagner en clarté dans le
programme.
Exemple : un MyBlock qui traduit en degré de rotation moteur une distance mesurée
Le déplacement du robot se fait grâce aux roues qui sont connectées à des moteurs. La gestion
de la rotation des moteurs se fait soit en nombre de rotations, en degré ou en durée. Suivant le
diamètre des roues, pour un tour complet du moteur, vous n’aurez pas la même distance
parcourue si vous avez des petites ou des grandes roues. Le lien entre une rotation moteur et
la distance parcourue par le robot est une relation de proportionnalité qui fait intervenir pi et
le diamètre de la roue. De plus on sait qu’un tour complet vaut 360°C. On peut donc lier
mathématiquement la rotation en degré et le déplacement sur la table en millimètres.
Degrés =
Il ne reste plus qu’à traduire la formule en blocs « avancer » et « mathématique ».
51
41. MyBlock AvanceNXTmm
Une fois le programme écrit, il faut sélectionner les blocs en cliquant glissant avec la souris et
dans le menu [Edition], choisi [Créer un nouveau MyBlock].
42. Programme principal qui contient un MyBlock
52
Il suffit ensuite de mesurer la distance à parcourir sur la table de jeu (120 mm et définir une
puissance) et coller le MyBlock dans le programme principal.
D’autres exemples de MyBlock se trouvent sur internet, SuitLigne ou LineFollower est un
sous-programme qui suit à l’aide d’un capteur photosensible une ligne sur le tapis de jeu ;
TourneDroite ou TourneGauche est un sous-programme qui effectue des rotations basé sur
l’entraxe des roues, leur diamètre et la rotation en degré qu’on aimerait faire faire au robot.
Si ces quelques lignes vous semblent difficiles, il existe de nombreux tutoriels sur internet
dont des liens sont disponibles dans la bibliographie et le livre de Griffin (2010) sur l’art de la
programmation du NXT 2.0. Ces ressources devraient pouvoir vous mettre le pied à l’étrier.
Les cours dispensés par le HEPL et le Centre Roberta Formation en robotique pour les
enseignants vous donneront aussi de bonnes bases de programmation.
13.
Conclusion
Si après avoir lu ce guide vous vous posez encore la question « Pourquoi participer à un
concours de robotique ?» voici quelques pistes de réflexion. Tout d’abord parce que les élèves
apprennent en s’amusant. De plus ils découvrent la logique de la programmation et ses
contraintes. Le fait de construire un robot et transmettre le mouvement implique des notions
de mécanique et de physique. Faire de la robotique est déjà tout simplement créatif et
instructif, mais si en plus on y ajoute la composante recherche, alors on a affaire à un projet
pluridisciplinaire qui développe la démarche scientifique, les sciences, la communication et
les MITIC. La créativité développée est un atout dans la réussite du projet. On voit que les
compétences disciplinaires, générales et transversales sont vastes et variées quand on fait de la
robotique. La collaboration est un élément à mettre en évidence car elle apparaît
spontanément dans les groupes et de ce fait la robotique semble avoir une fonction
réunificatrice. De plus, le contact avec l’enseignant est aussi enrichi de par l’intérêt et la
motivation des élèves.
Entraîner une équipe peut sembler une tâche colossale. Il y a l’aspect matériel et logistique à
gérer, le financement du projet à couvrir. De plus, il nécessite l’acquisition de nouvelles
connaissances de robotique et de mécanique. Mais cela vaut la peine de surmonter ses
appréhensions, car un concours, c’est aussi l’aboutissement de toute la période de préparation.
53
Il permet de se confronter à d’autres équipes, de découvrir d’autres solutions et d’être
récompensé de tous les efforts et du travail investi dans le projet d’équipe. Même si votre
équipe ne fait pas partie des gagnants de la sélection, vous aurez vécu plusieurs semaines
enrichissantes. La compétition est un moment palpitant et très intéressant d’un point de vue
développement personnel. Il met en lumière la collaboration de l’équipe et la résistance au
stress des élèves (la vôtre aussi). Vous aurez appris à mieux connaître vos élèves, en retour ils
auront beaucoup appris sur eux-mêmes. Peut-être aurez-vous aussi suscité des vocations pour
poursuivre cette activité en tant que loisir ou pour une vie professionnelle future qui sait ?
Participer à un concours de robotique est donc un projet porteur. Je ne peux de ce fait que
vous encourager à vous lancer.
54
14.
Bibliographie
14.1.
Livres
Ferrari, M. (2007). Building Robots with LEGO Mindstorms NXT.
Burlington, MA : Syngress Publishing, Inc.
Il explique comment attacher correctement les pièces LEGO et les
engrenages, comment utiliser l’air comprimé, il y a aussi des solutions
de pinces.
Griffin, T. (2010). The Art of LEGO MINDSTORMS NXT-G
Programming. San Francisco, CA: No Starch Press.

Schéma d’un robot test qui permet de tester les programmes. Permet
d’optimiser ses programmes en utilisant les MyBlocks, les variables et
solution de SuitLigne avancé.
Isogawa , Y. (2011). The LEGO Technic Idea Book: Fantastic
Contraptions. San Francisco, CA: No Starch Press.
Une centaine de petits mécanismes qui donnent une idée de comment
transmettre le mouvement via des roues dentées ou des courroies.
Isogawa , Y. (2010). The LEGO Technic Idea Book: Wheeled Wonders.
San Francisco, CA: No Starch Press.
Une centaine de modèles qui utilisent des principes, concepts
mécaniques. Donne une bonne vue d’ensemble des différentes
manières de transmettre le mouvement.
55
Isogawa , Y. (2010). The LEGO Technic Idea Book: Simple Machines.
Une centaine de modèles LEGO technique qui illustrent le principe des
engrenages, poulies, connecteurs, arbre de transmission.
Kelly, J. F. (2008). First LEGO League : The Unofficial Guide.
Donne des idées de gestion de l’équipe, explique ce qu’est la FLL et ce
que les juges aiment obtenir des équipes. Ce livre permet de bien
comprendre la philosophie FLL.
Trobaugh, J. J. (2010). Winning Design!: LEGO MINDSTORMS NXT
Design Patterns for Fun and Competition. Burlington, MA : Syngress
Publishing, Inc.
Le livre de référence en construction. Il propose un design de base
robuste, une stratégie de navigation et une manière d’attacher les outils.
Valk, L. (2010). The LEGO MINDSTORMS NXT 2.0 Discovery Book:
A Beginner's Guide to Building and Programming Robots. Laurens.
Livre richement illustrés qui permet de construire des robots tests et
d’apprendre à les programmer. Donne une vision très complète de la
programmation du NXT 2.0.
56
14.2.
Fournitures matériel
http://www.vivishop.ch
Matériel éducatif / librairie jeunesse
Rue Curtat 8, 1005 Lausanne
http://shop.educatec.ch
Matériel éducatif
http://www.bricklink.com
Site non officiel qui permet de commander des pièces LEGO
14.3.
Sites internet
http://www.plandetudes.ch/
Le plan d’étude des sciences et les compétences transversales
https://www.educanet2.ch
Le recueil d’activité pour les OCOM-MITIC et le plan d’étude pour l’OS maths -physique
http://www.hands-on-technology.de/en/firstLEGOleague
Site faitier de la FLL. Inscription de base et commande du kit pour la table.
http://roberta.epfl.ch/
Documents en français pour la FLL : guide du coach et règlements. Eventuellement
possibilité de subvention par une entreprise.
http://www.youtube.com
Vidéos de missions ou de robots d’autres équipes du monde entier.
http://www.hepl.ch
Formation – Offre de formation de la HEP Vaud – Formation continue – programme des
cours, cours de base Mindstorms et cours avancé.
http://www.fll-bejune.ch
First LEGO League JeJuNe
http://www.edurobot.ch/
Site crée et maintenu par des enseignants. Il contient un cours d’introduction au Mindstorms
NXT, un document suivi de projets, des modèles de robot de base.
http://www.techbrick.com/
Des feuilles de travail, des logos, les feuilles de score des missions, les applications
smartphones des feuilles de score etc.
57
14.4.
Forum
14.5.
Tutoriels
http://forums.usfirst.org/forumdisplay.php?f=24
Forum de discussions FLL
http://www.youtube.com/watch?v=8qpicQeaHio
NXT-G Votre 1er programme, explique comment programmer le robot pour le faire
avancer, démonstration avec le robot
http://firstLEGOleague.org/challenge/teamresources
FLL Team Ressources. Des conseils pour le design du robot, la programmation de base, et
des liens pour la construction et la programmation
http://www.sitedunxt.fr/
Tutoriel en français sur les déplacements de base en ligne droite et les rotations
http://www.stemcentric.com/nxt-tutorial/
STEM centrie, NXT tutoriel en vidéo sur les essentiels, déplacement, boucle, attendre,
capteur lumière, interrupteurs et les fonctions avancées : MyBlocks, variables
http://www.nxtprograms.com/help/MyBlocks/tutorial.html#Input
nxtprograms.com explique comment créer des blocks avec les MyBlocks
14.6.
Vidéos
http://www.youtube.com/watch?v=QqNKI0PyakI
Explication officielle des missions Senior Solutions 2012
http://www.youtube.com/watch?v=MjNrGDA1zG4
Un jour à la demi-finale de Brugg-Windisch
http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&v=qobUE-1vJ3I&NR=1
Finale européenne 2011/2012
58

Guide de l`enseignant qui souhaite accompagner une

Transcription

Documents pareils

Défi GEII 2012 - Challenge Robotique - IUT de Vélizy

Depuis quelques années, les drones aussi appelés UAV

RES5

Supervision SVI

Robot Artisan™(5KSM150PSEER)

plan de la maison - Salon des services à la personne

Documentation robot VIRTUOSO - France Accessoires Piscines

robot autonome pour piscine @ dolphin orca

RES8