Lever Microswitch

Présentation

Un micro-interrupteur à levier — un interrupteur miniature à action brusque — est un contact mécanique dans un petit boîtier plastique avec un levier métallique qui en dépasse. Poussez le levier et un ressort interne fait basculer le contact ; relâchez et le ressort le ramène. C’est l’un des plus vieux composants de cette bibliothèque et, sur un robot, l’un des plus utiles.

Ce qui en fait une pièce de robotique est l’action brusque. Le contact ne se ferme pas progressivement quand on appuie ; il saute, à un point répétable, avec un clic audible. Cela donne une réponse nette par oui ou non depuis un mécanisme bousculé par un robot en mouvement, exactement la situation où un capteur progressif donne n’importe quoi.

Fonctionnement

Trois bornes : COM (commun), NO (normalement ouvert) et NF (normalement fermé). Non appuyé, COM est relié à NF. Appuyé, il bascule vers NO. On en utilise deux sur trois et on ignore l’autre.

Pour un pare-chocs de robot, câblez COM à la masse et NO vers la broche d’entrée, avec le rappel interne de la broche :

pinMode(BUMP_L, INPUT_PULLUP);              // idle HIGH
bool pressed = digitalRead(BUMP_L) == LOW;  // LOW means the bumper moved

Ce montage est à sécurité intégrée : un fil de pare-chocs coupé se lit au HAUT, soit non appuyé. Câblé dans l’autre sens, un fil arraché convainc le robot qu’il est en collision permanente. Pour un arrêt d’urgence, utilisez NF à la place — là, un fil coupé doit arrêter la machine.

Le levier échange force contre course. Le poussoir nu veut environ 1 N sur à peu près 1 mm ; un bras de levier multiplie le mouvement pour qu’une coque pare-chocs parcoure 3–5 mm et déclenche avec un appui bien plus léger. Un galet en bout réduit la friction là où quelque chose glisse dessus plutôt que d’appuyer droit.

Quand l’utiliser

Utilisez-en partout où le robot doit savoir qu’il a déjà touché : pare-chocs, fins de course sur un bras ou un chariot, capteur de capot ou de tiroir, ou détecteur d’accueil. C’est la détection de dernier recours, et c’est un compliment — elle attrape le pied de chaise noir, la vitre, et l’obstacle à la mauvaise hauteur que chaque capteur optique et acoustique rate.

C’est aussi la seule détection dont a besoin un robot de couverture à rebond aléatoire. Deux de ceux-ci et un générateur aléatoire couvriront toute une pièce, ce qui est une quantité remarquable de comportement pour deux pièces mobiles.

Regardez ailleurs quand il faut éviter la collision plutôt que la détecter — c’est le travail d’un capteur ultrason ou temps de vol. Utilisez les deux : le télémètre évite la plupart des obstacles, l’interrupteur attrape ceux qu’il ne peut pas voir.

Pièges courants

• Un appui vaut neuf fronts. Filtrez-le, et ne branchez jamais une interruption qui compte — seulement une qui pose un drapeau ou capture une estampille temporelle.
• Le corps de l’interrupteur n’est pas une pièce de structure. Donnez à la coque pare-chocs une butée dure qui encaisse le choc. Les corps d’interrupteur se fissurent ; c’est ce qui les tue bien avant l’usure des contacts.
• Son propre ressort ne ramènera pas votre pare-chocs. Un micro-interrupteur repousse avec 50–100 g. Utilisez des élastiques ou de légers ressorts de compression pour le retour et laissez l’interrupteur seulement détecter.
• Un pare-chocs plat rate les touches en biais. Enveloppez la coque au moins à 45° de chaque côté, avec un interrupteur derrière chaque moitié pour que le code sache de quel côté tourner.
• Les longs fils captent le bruit moteur. Gardez le parcours court, torsadez la paire, et comptez sur le chemin basse impédance du rappel quand il est fermé.
• Les pouvoirs de coupure sont pour le secteur, pas la logique. Un interrupteur prévu 5 A sous 125 V AC passe ici des microampères ; la valeur ne dit rien d’utile sur sa vie dans ce rôle. Pré-course et force d’actionnement, si.

Câblage

Deux des trois bornes, et lesquelles décident comment le robot échoue.

La distinction compte. Un pare-chocs câblé en NO échoue en sécurité en lisant « pas de collision », ce qui est juste — un robot au fil de pare-chocs coupé doit continuer à rouler, pas se figer. Un arrêt d’urgence câblé en NF échoue en sécurité en lisant « arrêté », ce qui est aussi juste, pour la raison inverse.

Utilisez le rappel interne. Il ne coûte rien, n’exige aucun composant, et donne un état de repos défini. Une broche laissée en simple INPUT avec un interrupteur flotte quand l’interrupteur est ouvert, et les broches flottantes lisent le bruit électrique ambiant — qui sur un robot plein de moteurs est abondant.

Anti-rebond, fait correctement

Un seul appui produit environ neuf transitions sur à peu près 4,7 ms quand les contacts claquent et rebondissent. Un logiciel qui lit la broche naïvement voit neuf appuis.

const int BUMP_L = 2, BUMP_R = 3;
const unsigned long DEBOUNCE_MS = 8;      // longer than the ~5 ms bounce

struct Bumper {
  uint8_t pin;
  bool stable;            // the debounced state
  bool lastRead;
  unsigned long changedAt;
};

Bumper left  = {BUMP_L, true, true, 0};
Bumper right = {BUMP_R, true, true, 0};

// Returns true on the frame the bumper newly closes.
bool update(Bumper &b) {
  bool now = digitalRead(b.pin);          // HIGH = open, with INPUT_PULLUP
  if (now != b.lastRead) {
    b.lastRead = now;
    b.changedAt = millis();               // restart the timer on any edge
    return false;
  }
  if (millis() - b.changedAt >= DEBOUNCE_MS && b.stable != now) {
    b.stable = now;
    return (now == LOW);                  // newly pressed
  }
  return false;
}

void setup() {
  pinMode(BUMP_L, INPUT_PULLUP);
  pinMode(BUMP_R, INPUT_PULLUP);
}

void loop() {
  if (update(left))  { backUp(); turnRight(); }
  if (update(right)) { backUp(); turnLeft(); }
}

Le détail structurel important est que le temporisateur redémarre à chaque front, plutôt que d’échantillonner une fois et d’attendre. Un échantillonnage fixe peut tomber dans le rebond et verrouiller la mauvaise valeur ; redémarrer la fenêtre signifie que l’état n’est accepté qu’une fois la broche restée calme pendant toute la période.

Pourquoi pas une interruption

Les interruptions sur un contacteur de choc sont un piège, et précisément :

• Ne branchez jamais une interruption qui compte. Neuf fronts deviennent neuf comptages, et un anti-rebond dans une ISR exige millis(), qui n’avance pas dans une ISR sur AVR.
• Une interruption posant un drapeau convient, si le filtrage se fait dans la boucle principale. Mais scruter un interrupteur à 100 Hz ne coûte rien, et la boucle d’un robot tourne déjà.
• Réservez D2 et D3 aux encodeurs sur un Uno. Ce sont les deux seules broches d’interruption externe, et les encodeurs en ont vraiment besoin. Un pare-chocs non.

Le seul cas justifiant une interruption est un arrêt d’urgence dur qui doit couper les moteurs même si la boucle principale est bloquée — et cela se résout mieux en câblant l’interrupteur dans la ligne de validation du pilote moteur, pour que cela marche sans aucun logiciel.

Montage : la partie qui décide vraiment si ça marche

Tout ce qui précède est un problème résolu. La conception mécanique est là où les pare-chocs réussissent ou échouent.

La coque encaisse le choc, pas l’interrupteur. Un corps de micro-interrupteur est un plastique fin qui se fissure sous un coup direct. Construisez une coque pare-chocs qui pivote ou coulisse, donnez-lui une butée dure qui encaisse l’effort, et laissez l’interrupteur détecter un petit mouvement près de la fin de cette course.

Enveloppez la coque. Un pare-chocs avant plat rate tout ce qui est touché en biais — et un robot naviguant aux télémètres touche surtout en biais, parce que les obstacles de face étaient déjà détectés. Enveloppez au moins à 45° de chaque côté.

Deux interrupteurs, pas un. Gauche et droite, derrière les deux moitiés de la coque. Un interrupteur dit que vous avez touché quelque chose ; deux disent de quel côté tourner. La différence de comportement est spectaculaire et le surcoût est d’environ vingt centimes.

Ramenez le pare-chocs avec son propre ressort. Le ressort interne d’un micro-interrupteur repousse avec seulement 50–100 g, insuffisant pour rappeler fiablement une coque avec du frottement dans son pivot. Utilisez des élastiques ou de légers ressorts de compression, et laissez l’interrupteur seulement détecter.

Réglez la pré-course pour que la coque bouge avant que l’interrupteur ne bute. L’interrupteur fonctionne après 1–3 mm et a un peu de sur-course au-delà ; la butée dure de la coque doit arriver dans la sur-course, sinon l’impact est encaissé par le mécanisme interne de l’interrupteur.

En choisir un

Le pouvoir de coupure est sans objet ici. Un interrupteur prévu 5 A sous 125 V AC passe quelques microampères vers un rappel. Ce qui compte est la spécification mécanique : force d’actionnement, pré-course, et durée de vie mécanique nominale (10⁵–10⁷ manœuvres). Un robot cognant cent fois par parcours atteint 10⁵ manœuvres après mille parcours, donc la vie mécanique est effectivement illimitée — l’interrupteur mourra d’un corps fissuré bien avant.

Dépannage

Pourquoi cette pièce bon marché mérite sa place

Chaque autre capteur d’un robot a des surfaces qu’il ne peut pas voir. Un capteur ultrason est aveugle aux rideaux et aux murs abordés à angle fort. Un VL53L0X est aveugle aux surfaces noires mates, miroirs, et à tout en plein soleil. Une caméra a besoin de lumière.

Un micro-interrupteur n’a pas une telle liste. Si quelque chose touche le pare-chocs, l’interrupteur se ferme. Cela en fait la détection de dernier recours, et sur un robot qui doit survivre sans surveillance c’est la fiabilité la moins chère disponible — deux interrupteurs, deux broches, et environ quarante centimes.

C’est aussi, remarquablement, suffisant seul. Un robot à deux contacteurs de choc et un virage aléatoire au contact couvrira une pièce entière avec assez de temps — c’est exactement comment fonctionnait la première génération d’aspirateurs robots, et cela vaut d’être compris avant de chercher quoi que ce soit de plus sophistiqué.