Projets Génie Electrique 2003

P02A7

Etude et réalisation d'un masticateur artificiel

Etudiants : Julien FOURNIER et Arnaud BESNARD
Tuteur Technique : Jacques MARCHANT - Lionel BATIER
Tuteur Industriel : Xavier CLAVAUD

PRESENTATION DU PROJET

Dans le cadre de la formation Génie Electrique, 300 heures réparties sur la deuxième et la troisième année sont consacrées à la réalisation d'un projet industriel. Le projet du masticateur artificiel s'inscrit dans le cadre de la convention signée entre le CUST et l'ERT CIDAM. Il est le prolongement des travaux menés pour le développement de systèmes digestifs artificiels. Il consiste en la réalisation d'un masticateur artificiel qui transforme les aliments en un bol alimentaire présentant des caractéristiques équivalentes à celles résultant de la mastication humaine.
Les principes physiques mis en jeu doivent être identiques à ceux de la mastication humaine car les autres partenaires (INRA,GEPTA) souhaitent pouvoir étudier les relations qu'il y a entre la mastication et les propriétés des aliments.
Le projet du masticateur artificiel comporte deux parties distinctes : la réalisation mécanique qui est effectuée par le département Génie Physique et la réalisation électrique.

CAHIER DES CHARGES

L'appareil de mastication aura pour fonction de reproduire le résultat de la mastication des molaires de manière artificielle en respectant les conditions de température appliquées aux aliments et en y intégrant la salivation.
Le masticateur est un prototype destiné à des mesures en laboratoire. Il doit être doté de toutes les possibilités de modifications de ses paramètres de fonctionnement. Le logiciel de pilotage réalisé sur PC devra tenir compte de la diversité des choix des divers utilisateurs.

CAHIER DES CHARGES FONCTIONNEL

F1 : Mastiquer
Critères :

• Force de mastication ( Fmax = 100N )
• Longueur de l'étirement ( < 8mm )
• Nombre de cycles ( de 1 à 75 )
• Durée des cycles ( 1s )

F2 : Cisailler
Critère :

• Vitesse de rotation ( 12tr/min )

F3 : Réguler la température
Critère :

• Température des parois ( 34°C < T < 38°C )

F4 : Confiner les aliments
Critères :

• Volume ( <15 cm3 )
• Surpressions ( aucunes )
• Fuites légères Possibles ( par la sortie )

F5 : Saliver
Critère :

• Quantité ( 1ml par cycle )

C1 : S'adapter aux aliments
Critères :

• Dimension des ouvertures ( diamètre : 3.5 cm min )
• Matériaux utilisés ( compatibles )

C2 : Peu d'entretien
Critères :

• Temps d'entretien ( 1h/10h d'utilisation )
• Temps de démontage et de nettoyage ( 5min )
• Résistance au nettoyage ( détergents, lave vaisselle )

C3 : Etre ergonomique
Critères :

• Introduction des aliments ( Facile )
• Récupération des aliments ( Dans une coupelle )

C4 : Etre sans danger
Critère :

• Répétitivité des paramètres

Solutions retenues :

Notre système se compose d'une enceinte de mastication fixe dans laquelle va évoluer un piston qui sera mis en mouvement par plusieurs actionneurs électriques.
Le premier mouvement que le piston va faire est une translation réalisée par un vérin lui-même entraîné par un moteur commandé par un variateur. Pour connaître la position initiale du vérin et pour contrôler les fins de courses, nous utilisons des capteurs de position situés sur le corps du vérin.
Pour contrôler la force que nous allons appliquer, nous utilisons un capteur de force placé sur l'axe de translation. L'acquisition de celui ci sera faite sur le PC grâce à une carte analogique/numérique.
Le deuxième mouvement que le piston va réaliser est une rotation qui permet de simuler l'effet du cisaillement dans la mastication. Pour cela on utilise un moteur qui est jumelé avec un réducteur permettant d'augmenter le couple en sortie et de diminuer la vitesse. Nous aurions pu choisir un moteur qui possédait déjà le couple désiré mais ce moteur aurait été alors beaucoup plus gros et son poids aurait été beaucoup plus important.
Les deux variateurs de vitesse sont programmés dans un langage proche du basic à partir d'un PC via une liaison RS 485. La sortie du PC n'autorisant qu'une liaison RS 232, nous utilisons un convertisseur RS232/RS485.
L'interface graphique qui va permettre à l'utilisateur de gérer le masticateur artificiel, ainsi que la programmation des cycles de fonctionnement, ont été réalisées avec Visual Basic.

Avancement :

Nous avons réalisé une maquette avec les variateurs, les moteurs et le vérin. L'ensemble des cablages a été fait ce qui nous permet de pouvoir faire évoluer les actionneurs électriques.
Après étude de la documentation technique des variateurs Compax, nous avons utilisé le logiciel fourni par le constructeur pour paramétrer les variateurs et pour tester notre cablage.
La communication avec les deux Compax à partir du logiciel est très facile mais pour la régulation de notre masticateur nous utilisons Visual Basic. Après quelques recherches, nous avons intégré la communication avec les ports séries dans la programmation ce qui nous permet de commander les variateurs.
Nous avons réalisé l'étude du système de chauffage. Le choix d'un régulateur que nous allons créer nous même est envisagé. L'ensemble du matériel a été choisi mais pour des raisons de temps et d'argent nous ne l'avons pas commandé.
Nous avons choisi et commandé le capteur de force avec l'aide du département Génie Physique. Ce capteur sera placé sur l'axe de translation, mais n'ayant pas récupéré la partie mécanique, nous n'avons pas pu réaliser de tests.
Les acquisitions de la force ainsi que du chauffage seront réalisées grâce à la carte analogique/numérique que nous avons achetée et que nous avons installée dans l'ordinateur. Nous avons ensuite pu tester la conversion et l'intégrer dans les programmes de Visual Basic.
Le projet du masticateur artificiel n'est pas terminé, il reste à faire l'assemblage des parties mécaniques et électriques tout en y incorporant le capteur de force, réaliser le système de chauffage et effectuer tous les tests nécessaires à la vérification et à l'optimisation du bon fonctionnement des programmes.