CCINP Modélisation TSI 2023Sujet et rapport du jury
- Changement de base et cinématique du solide
- Torseurs cinématiques, fermeture cinématique, hyperstatisme
- Régression linéaire, covariance
- Principe fondamental de la dynamique, torseur dynamique
- Équations différentielles linéaires du second ordre
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- Corrigé : pas encore disponible
Présentation du sujet
DifficileModélisation cinématique et dynamique d'un robot Lézard grimpantAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
DifficileLe sujet étudie un robot inspiré d'un lézard grimpant, composé d'une colonne vertébrale, d'épaules et de pieds actionnés. Il vise à valider une hypothèse géométrique simplificatrice, à établir la loi de commande du robot à partir d'une fermeture cinématique et d'une analyse vidéo du mouvement d'un vrai lézard, puis à dimensionner les moteurs nécessaires à son ascension d'une paroi verticale.
- 1Partie I : structure du robotestimation de l'erreur liée à l'hypothèse simplificatrice θ1 = -θ2 puis validation par une construction graphique.
- 2Partie II : calculs de cinématiqueétude de la fermeture cinématique du mécanisme, puis détermination de la vitesse angulaire par régression linéaire sur des données de tracking vidéo d'un lézard.
- 3Partie III : dimensionnement des moteurs du robotapplication du principe fondamental de la dynamique, linéarisation puis résolution d'une équation différentielle pour vérifier le cahier des charges des moteurs choisis.
Difficile. le rapport signale que le volume à traiter en trois heures devient extrêmement réduit et que de nombreuses questions de la fin du sujet (de Q26 à Q41) ont été très peu abordées, l'une d'elles étant presque jamais traitée.
L'épreuve en chiffres
Moyenne 9,67 / 20 · écart-type 3,13 · 1 137 présents · où vous situez-vous ?Afficher ou masquer la section
L'épreuve en chiffres
- Moyenne
- 9,67/ 20
- Écart-type
- 3,13
- Présents
- 1 137
- Coefficient
- 8
- Durée
- 3 h
Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.
Source : document officiel du concours, épreuve du 25 avril 2023. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.
Ce qu'a observé le jury
5 erreurs relevéesConfusion ligne/colonne dans les matrices de changement de base · Formules de trigonométrie mal maîtrisées · Confusion entre mouvement et liaisonAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
5 erreurs relevéesLe rapport signale que le volume de ce qui peut être traité en trois heures devient extrêmement réduit, ce qui conduit les correcteurs à attribuer des points dès qu'une question est commencée. Un manque de rigueur global a été noté, en particulier sur les conditions d'existence, les justifications de signe et la vérification de l'homogénéité des résultats. Les copies sont jugées insuffisamment rédigées, avec parfois aucune phrase pour expliquer la démarche suivie.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Confusion ligne/colonne dans les matrices de changement de baseQ1 et Q2
les réponses aux premières questions sont souvent fausses à cause d'une inversion entre ligne et colonne dans la matrice de changement de base.
- 2Formules de trigonométrie mal maîtriséesQ8
des difficultés apparaissent pour dériver une expression en sinus carré et pour retrouver la décomposition de sinus de 2t.
- 3Confusion entre mouvement et liaisonQ14
des confusions sont relevées entre le mouvement de rotation et la liaison pivot, avec un oubli fréquent du torseur et de l'axe de la liaison.
- 4Expressions inhomogènes en dynamiqueQ27 et Q28
beaucoup de candidats appliquent à tort le théorème de la résultante dynamique et produisent des expressions exotiques et inhomogènes, révélant un cours de dynamique très peu su.
- 5Liaisons oubliées lors de l'isolementQ30 et Q31
des liaisons sont oubliées lors de l'isolement du solide et des erreurs apparaissent sur les changements de point.
Ce qui a été bien réussi
- les réponses graphiques des questions 10 et 11 sont souvent correctes, même si les justifications manquent de clarté
- la question 16 est assez traitée car le résultat était donné dans le système de la question suivante
Conseils du jury
- oser proposer une réponse à toutes les questions, même incomplète, car des points sont attribués dès qu'une question est commencée
- bien lire l'énoncé pour répondre à toutes les parties d'une question
- vérifier systématiquement l'homogénéité et les signes des résultats
- donner un argument, un théorème ou une définition plutôt que des formules comme on voit bien que
- ne pas arranger un calcul pour qu'il colle à la forme attendue, mieux vaut laisser un résultat non abouti
Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.
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L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.Afficher ou masquer la section
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ÉPREUVE SPÉCIFIQUE - FILIÈRE TSI
MODÉLISATION
Durée : 3 heures
RAPPEL DES CONSIGNES
- Utiliser uniquement un stylo noir ou bleu foncé non effaçable pour la rédaction de votre composition ; d'autres couleurs, excepté le vert, peuvent être utilisées, mais exclusivement pour les schémas et la mise en évidence des résultats.
- Ne pas utiliser de correcteur.
- Écrire le mot FIN à la fin de votre composition.
Les calculatrices sont interdites.
- le texte du sujet : 8 pages,
- le Document-Réponse (DR) : 1 page.
Étude d'un Robot Lézard
Introduction
Les lézards grimpants en sont un bon exemple. Leur capacité d'escalade nécessite l'optimisation de paramètres conflictuels tels que la vitesse, la stabilité ou l'efficacité.
En s'inspirant de la morphologie d'un lézard, un groupe de chercheurs a conçu un robot, composé d'une colonne vertébrale, d'épaules et de pieds actionnés. Ces derniers adhèrent à la surface grâce à des griffes. Cette conception a permis aux chercheurs de faire varier indépendamment la vitesse, les angles de pied et la plage de mouvement, tout en collectant simultanément des données sur la distance grimpée, la stabilité et l'efficacité. Le robot est présenté sur la figure 1.

- 2 rotations spine (colonne vertébrale) : axes perpendiculaires à la surface;
- 4 rotations shoulder (épaule) : axes perpendiculaires à la surface;
- 4 rotations foot (pied) : axes parallèles à la surface.
1 - Présentation de l'étude
La structure du robot constituant une chaîne cinématique fermée et complexe, le sujet propose la validation d'une hypothèse géométrique simplificatrice dans la partie
Dans la partie II, l'étude d'une fermeture cinématique permettra d'établir la loi de commande du robot. Elle sera suivie d'une analyse du mouvement d'un lézard par tracking vidéo afin d'identifier un des paramètres de sa cinématique.
Enfin, dans la partie III, une étude du dimensionnement des moteurs du robot sera effectuée afin de permettre l'ascension d'une paroi verticale.
2 - Modélisation géométrique

- suppression des liaisons foot : celles-ci permettant aux griffes de s'insérer dans le revêtement mural (moquette...) facilitant l'adhérence du robot. On ne considérera pas ce réglage pour le mouvement étudié ;
- suppression des liaisons shoulder et remplacement par des liaisons au niveau des griffes. Cela ne correspond pas au mouvement réel du robot, mais les conséquences de cette modélisation ont peu d'influence sur la suite.
Les dimensions sont les suivantes :
-
a = 50 mm(AM = MB = CN = ND) ; -
b = 20 mm (ME = NF); -
ℓ = 60 mm ; -
c = 2b + ℓ = 100 mm ; -
AD^(→−) = 2ax_0^(→−) − (2b + ℓ)y_0^(→−) (quels que soientθ_1 etθ_2 );
− − 10^∘ < θ_i < 10^∘ aveci ∈ [ [1, 2] ] .
Partie I- Structure du robot
La première sous-partie va consister à déterminer l'erreur engendrée par cette hypothèse. Pour les premières questions, les deux angles
1.1 - Estimation de l'erreur liée à l'hypothèse
Q2. Écrire la matrice
Q3. Exprimer les coordonnées du vecteur
Q4. Exprimer les coordonnées du vecteur
Q5. En déduire les coordonnées du vecteur
Q6. Après avoir supposé que
Q7. Vérifier que
I. 2 - Construction graphique
Q12. Tracer sur le DR le point E'. Justifier les constructions.
Partie II - Calculs de cinématique
II. 1 - Étude de la fermeture cinématique
On posera aussi
Q14. Quel est le modèle de liaison cinématique utilisé pour toutes les liaisons de ce mécanisme? Donner les éléments de réduction du torseur
Q15. Déterminer le degré d'hyperstatisme du modèle du système tel qu'il est représenté sur la figure 2. Commenter la valeur trouvée et expliciter brièvement la localisation du jeu permettant de libérer les contraintes d'assemblage.
La fermeture cinématique suivante est déduite de l'étude des cycles du mécanisme :
Q17. En utilisant la fermeture cinématique précédente au point
Q19. Calculer le déterminant de la matrice
.jpg)
Ainsi, cette sous-partie a permis de montrer que connaître
II. 2 - Analyse du tracking vidéo du mouvement d'un lézard

Pour cela, deux séries de valeurs finies

| AN | |
|
|
0,25 |
|
|
0,4 |
|
|
0,084 |
|
|
1,03 |
Q21. Démontrer que
On définit la covariance des deux variables
Q22. Démontrer que
On cherche un couple (
Q23. Calculer les deux dérivées partielles d'ordre 1 de la fonction
On admet que la fonction
Q24. Vérifier que les coordonnées de celui-ci sont
Q25. Faire l'application numérique pour
Q26. Déduire de la question précédente la valeur de
Maintenant qu'il a été montré qu'il est cinématiquement possible "d'imiter" le comportement du robot, la partie suivante va permettre de dimensionner les moteurs nécessaires à la mise en œuvre de ce mouvement.
Partie III - Dimensionnement des moteurs du robot
Afin de dimensionner les moteurs à mettre en place sur cette liaison, pour la suite, il sera considéré que seul le moteur installé sur cette liaison met en mouvement le robot. L'hypothèse
- les liaisons sont supposées parfaites;
- la masse de la pièce 3 vaut
m = 250 g ; - l'accélération de pesanteur a pour valeur
g ≈ 10 m ⋅ s^(− 2) ; - la surface 0 sur laquelle est accrochée le robot est immobile dans le référentiel galiléen d'étude;
- le vecteur vitesse du centre de gravité de la pièce 3 dans son mouvement par rapport à 0 est modélisé par le vecteur
(0, v_y, 0) dans la baseB_0 = (x_0^(→−), y_0^(→−), z_0^(→−)) , avecv_y = aω_(20z) (la relation n'est pas à démontrer); - la masse de la pièce 2 est
m_2 , son moment d'inertie autour de l'axe (F, z_0^(→−) ) est appeléJ_2 et son centre de gravité est le pointG_2 tel queDG_2^(→−) = x_(G_2)x_2^(→−) + y_(G_2)y_2^(→−) .
Q28. Déterminer la projection du moment dynamique
Pour la suite, le point
On notera
Q30. Après avoir isolé la pièce 2 et fait un bilan des actions mécaniques, déterminer le système de 6 équations issu du principe fondamental de la dynamique, au point D , projeté dans la base
Q31. Montrer que l'on peut alors écrire :
Q32. Donner les développements limités à l'ordre 1 des fonctions cos et
Q35. Simplifier en conséquence l'équation (2) et vérifier que l'on obtient le système de Cauchy suivant:
Q37. Vérifier que
Q39. Cette condition étant vérifiée, exprimer les deux solutions
Q40. En faisant une application numérique, montrer qu'une seule des deux solutions peut correspondre à l'étude.
De grandes approximations peuvent être effectuées. On donne
Q41. Les moteurs choisis permettent-ils de respecter le cahier des charges?

DOCUMENT RÉPONSE
Q10. à Q13.

Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte l'épreuve de modélisation CCINP TSI 2023 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte l'épreuve de modélisation CCINP TSI 2023 ?
Le sujet porte sur la cinématique et la dynamique d'un robot articulé : changement de base, fermeture cinématique, régression linéaire et équation différentielle du second ordre.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées à l'épreuve de modélisation CCINP TSI 2023 ?
Le jury signale des confusions de ligne et de colonne dans les matrices de changement de base, des expressions inhomogènes en dynamique et un manque de rigueur dans la justification des résultats.
L'épreuve de modélisation CCINP TSI 2023 est-elle difficile ?
Le rapport la décrit comme longue par rapport au temps imparti, avec de nombreuses questions de la fin du sujet très peu traitées par les candidats.
L'épreuve de modélisation CCINP TSI 2023 porte-t-elle sur plusieurs parties indépendantes ?
Oui, le sujet comporte une introduction suivie de trois parties qui peuvent être traitées indépendamment.
Pas de description pour le moment
