La conception des articulations robotiques est un problème de compromis multi-objectifs. Dans un espace limité, elle doit simultanément répondre aux exigences de couple, de précision, de vitesse, de fiabilité et de maîtrise des coûts. Un module d’articulation robotiquemature est un système électromécanique intégré qui prend déjà en compte une densité de couple élevée, une forte intégration, une conception légère et la gestion thermique.

Source d’énergie du module d’articulation

Pour obtenir un couple de sortie maximal et une dissipation thermique efficace dans un volume compact, les articulations robotiques modernes n’utilisent généralement pas de moteurs traditionnels avec carcasse. À la place, les moteurs couple sans carcasse sont largement adoptés.

Un moteur sans carcasse se compose uniquement d’un stator et d’un rotor, qui sont directement intégrés dans le carter mécanique de l’articulation. La raison du choix de cette conception est qu’elle offre une densité de puissance extrêmement élevée et une excellente réponse dynamique.

Système de transmission du module d’articulation

Le moteur fonctionne généralement à grande vitesse mais produit un couple insuffisant, un réducteur est donc nécessaire pour amplifier le couple. Le choix du réducteur détermine directement la résistance aux chocs de l’articulation et les performances en matière de jeu.

Les types courants incluent :

(1) Réducteur harmonique

Les réducteurs harmoniques se caractérisent par un jeu nul, une taille compacte et des rapports de réduction élevés (généralement 50:1 à 160:1). Ils constituent actuellement la solution standard pour les articulations robotiques de haute précision. Cependant, leur résistance aux chocs reste relativement limitée.

(2) Réducteur planétaire / réducteur cycloïdal

Pour des conceptions telles que les robots quasi à entraînement direct inspirés du guépard, des réducteurs planétaires à faible rapport sont souvent utilisés. Ceux-ci offrent une excellente résistance aux chocs et une grande transparence du couple.

Codeurs et capteurs dans les modules d’articulation

Un contrôle d’articulation de haute qualité repose sur un retour en boucle fermée précis. La plupart des conceptions grand public adoptent une architecture à double codeur :

(1) Codeur côté moteur

Monté du côté du rotor du moteur, il s’agit généralement d’un codeur optique ou magnétique à haute résolution. Il est utilisé pour la commutation du moteur et le contrôle de la boucle de vitesse.

(2) Codeur absolu côté sortie

Installé à la sortie du réducteur, il mesure directement la véritable position physique de l’articulation, éliminant les erreurs de position causées par la flexibilité de la transmission.

(3) Capteur de couple d’articulation

Il est généralement intégré entre la sortie du réducteur et le bras du robot. Il est essentiel pour le contrôle d’impédance, le contrôle hybride force-position et pour garantir la sécurité dans l’interaction homme-robot.

Système d’entraînement et de contrôle du module d’articulation

Pour réduire la complexité du câblage dans le robot, la plupart des conceptions modernes intègrent directement le variateur du moteur dans l’articulation.

(1) Variateur hautement intégré / carte de commande moteur

Cette carte traite les signaux des capteurs et exécute des algorithmes de contrôle tels que le contrôle de la boucle de courant, de la boucle de vitesse et de la boucle de position. Elle est souvent réalisée sous la forme d’un PCB annulaire monté autour de l’arbre moteur ou du carter arrière.

(2) Interface de bus de communication

Des protocoles tels que EtherCAT ou CANopen sont utilisés pour l’échange de données à grande vitesse avec le contrôleur central du robot.

Mécanismes de sécurité et auxiliaires

Un composant de sécurité clé couramment utilisé est le frein (frein de maintien hors tension). Lorsque le robot perd son alimentation ou qu’une panne survient, le frein verrouille immédiatement l’arbre moteur pour empêcher le robot de s’effondrer sous son propre poids.

Structure mécanique et gestion thermique du module d’articulation

(1) Roulement à rouleaux croisés

Ce composant assure le support et la protection et est généralement utilisé comme roulement de sortie principal de l’articulation. Il peut simultanément supporter des charges radiales, des charges axiales et des moments de renversement, ce qui le rend idéal pour les forces complexes exercées sur les articulations robotiques.

(2) Carter léger et conception thermique

Les carters des robots humanoïdes sont généralement fabriqués en alliages d’aluminium de qualité aérospatiale (tels que l’aluminium 7075). Étant donné que le moteur sans carcasse est directement couplé au carter, la structure elle-même agit comme un dissipateur thermique principal. Par conséquent, une topologie structurelle bien conçue est nécessaire pour guider efficacement la dissipation thermique.