Les dernières avancées en matière de robots humanoïdes ne résultent pas d'un seul bond technologique, mais plutôt de la fusion de matériels et logiciels plus abordables et avancés. Le développement des systèmes d'IA, des systèmes de contrôle du mouvement et des corps de robots jouent tous des rôles vitaux dans le progrès global des robots humanoïdes. Les principaux acteurs investissent massivement, avec des pays et des industries fournissant différents niveaux de soutien pour promouvoir un déploiement à grande échelle. Les composants robotiques tels que les réducteurs à entraînement harmonique évoluent également constamment et réalisent des percées technologiques.

Tendances du marché des robots humanoïdes

Selon Bank of America Global Research (B of A Global Research), les expéditions de robots humanoïdes connaîtront une forte croissance au cours de la prochaine décennie. Cette croissance sera stimulée par une demande finale croissante due au vieillissement de la population et aux pénuries de main-d'œuvre, aux améliorations technologiques (notamment en IA et contrôle du mouvement) et à la conception des produits, à la baisse des coûts des nomenclatures (BOM), et à l'expansion des applications finales. BofA Global Research est optimiste quant à la demande à long terme pour les robots humanoïdes car ils commencent à être utilisés à grande échelle dans les foyers et les industries de services.

B of A Global Research prévoit que les expéditions mondiales de robots humanoïdes atteindront 18 000 unités d'ici 2025. D'ici 2030-35, ils s'attendent à ce que les expéditions annuelles atteignent 1 million d'unités (représentant une augmentation de 400 000 unités par rapport aux niveaux de 2025, et des ventes cumulées mondiales atteignant 10 millions d'unités). Cela équivaut à un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 88 % de 2025 à 2035E.

La différence entre les robots humanoïdes et les robots industriels

Les robots industriels exécutent généralement des processus et tâches préprogrammés basés sur des algorithmes modulaires, recherchant une précision statique dans des scénarios spécifiques et standardisés. Les robots humanoïdes, en revanche, doivent s'adapter à des environnements très incertains et ouverts, intégrant des informations multimodales provenant de capteurs auditifs et visuels pour planifier et exécuter des actions de manière autonome. Cela représente une combinaison de technologie de fabrication et d'IA.

La structure de base d'un robot humanoïde

La structure typique d'un robot humanoïde peut être divisée en trois couches : le système d'IA, le système de contrôle du mouvement et le corps du robot :

Système d'intelligence artificielle (IA) : Le "cerveau" du robot humanoïde, principalement composé de puces et d'algorithmes d'IA. Responsable du traitement et de la prise de décision de haut niveau (décomposition des tâches, compréhension de l'environnement, raisonnement des modèles, etc.) et de l'interaction humaine.

Système de contrôle du mouvement : Le "cervelet" du robot humanoïde, composé principalement de contrôleurs et d'algorithmes de contrôle du mouvement. Principalement responsable de la coordination des mouvements, de l'équilibre du corps et de la navigation des trajectoires.

Corps du robot : Contient le matériel central pour la collecte de données environnementales et l'exécution des mouvements, y compris le système de vision, le système sensoriel, les actionneurs, les mains habiles, le système énergétique et les matériaux structurels.

Le système de contrôle d'un robot humanoïde a deux couches :

Le système d'intelligence artificielle gère le contrôle de haut niveau (traitement de l'information, prise de décision), soutenu par des puces et algorithmes d'IA.

Le système de contrôle du mouvement gère le contrôle de bas niveau (coordination des mouvements, équilibre du corps), soutenu par des contrôleurs et des algorithmes de contrôle du mouvement.

Puce : Les puces utilisées dans les robots humanoïdes incluent principalement des puces de processeur, des puces de contrôle et des puces de gestion de bus. Les puces de processeur forment le cœur du "cerveau" du robot, principalement utilisées pour l'inférence et le calcul des modèles. La technologie dominante actuellement est une architecture CPU (Unité centrale de traitement) plus GPU (Unité de traitement graphique), qui est également la plus mature.

Algorithme de contrôle et IA incarnée : L'algorithme de contrôle est au cœur du système de contrôle du robot humanoïde, permettant au robot de percevoir son environnement, de traiter de vastes quantités de données sensorielles, de prendre des décisions en temps réel et d'exécuter des actions. Les algorithmes de contrôle traditionnels utilisent une conception hiérarchique entre le système d'IA ("cerveau") et le système de contrôle du mouvement ("cervelet").

Inversement, certaines entreprises leaders en robots humanoïdes adoptent des modèles de bout en bout. Ces modèles peuvent générer des commandes d'action directement à partir des données sensorielles d'entrée (vision, langage, force, etc.), contournant les étapes de traitement intermédiaires complexes, et sont exécutés par un seul réseau neuronal. Comparés aux méthodes hiérarchiques, les modèles de bout en bout offrent des capacités de généralisation plus fortes, une efficacité plus élevée et des exigences moindres en ingénierie des caractéristiques. Cependant, ils nécessitent généralement de grandes quantités de données d'entraînement, ce qui peut être un goulot d'étranglement à court terme.

Module d'actionneur de robot

Le système d'entraînement est au cœur du contrôle du mouvement des robots humanoïdes. Il comprend des actionneurs électriques, électrohydrauliques et pneumatiques, qui entraînent ou contrôlent les composants du système en convertissant l'énergie en mouvement physique. Bien que les actionneurs électrohydrauliques offrent le couple de sortie le plus élevé, ils sont plus coûteux et présentent un risque de fuite d'huile. Les actionneurs pneumatiques sont moins chers mais ont une précision et une force de sortie inférieures. En raison de leur haute précision, de leur réponse rapide et de leur coût raisonnable, les actionneurs électriques sont devenus le choix dominant pour les robots humanoïdes.

Les actionneurs électriques comprennent

Entraînement servo

Moteur servo : Généralement un moteur à couple sans cadre pour la sortie de couple.

Système de transmission : Réducteurs harmoniques/planétaires (pour les actionneurs rotatifs) convertissent le couple ; vis à rouleaux planétaires (pour les actionneurs linéaires) convertissent le mouvement rotatif en mouvement linéaire.

Système de détection : Encodeurs et capteurs de couple/force pour collecter les données du système.

Sur la base de la fonction, les actionneurs électriques sont classés comme actionneurs rotatifs (pour les articulations rotatives comme le cou, l'épaule, le poignet, le coude) ou actionneurs linéaires (pour les articulations nécessitant un mouvement linéaire comme les bras, les chevilles, les genoux).

Mains habiles

Les mains habiles sont des effecteurs terminaux clés pour que les robots humanoïdes effectuent des tâches complexes et délicates, comme ramasser de petits objets et manipuler des articles fragiles. Les conceptions actuelles de différents fabricants varient de 6 à 42 degrés de liberté (DoF), contre les 27 DoF d'une main humaine. Généralement, une conception de main habile à 6 DoF peut atteindre 60-70 % de la fonctionnalité d'une main humaine.

Réducteur
Un réducteur est un dispositif mécanique utilisé dans les robots humanoïdes, les robots industriels et les machines-outils pour réduire la vitesse du moteur/moteur et augmenter le couple de sortie. Les trois principaux types sont : les réducteurs planétaires, les réducteurs à entraînement harmonique et les réducteurs RV (Rotary Vector). Actuellement, dans les conceptions principales de robots humanoïdes, les réducteurs à entraînement harmonique ou les réducteurs planétaires sont couramment utilisés pour les actionneurs rotatifs.

Vis à rouleaux planétaires
Les vis à rouleaux planétaires sont des composants mécaniques hautes performances utilisés dans les actionneurs linéaires pour convertir le couple rotatif de sortie d'un moteur servo en mouvement linéaire. Comparées aux vis à billes, elles offrent des avantages comme une durée de vie plus longue, une capacité de charge plus élevée, une efficacité de transmission plus élevée et une meilleure rigidité. Par conséquent, elles sont largement utilisées dans des industries comme la robotique humanoïde, l'aérospatiale et les machines-outils lourdes.

Moteur à couple sans cadre
Le moteur à couple sans cadre est un type de moteur à aimant permanent. Contrairement aux moteurs traditionnels, il se compose uniquement d'un rotor et d'un stator, sans boîtier, arbre, roulements ou système de retour. Cela élimine le besoin de pièces de transmission mécanique comme des engrenages ou des arbres, entraînant la charge directement par la force magnétique. Cette conception permet d'obtenir une densité de couple et des performances élevées dans une structure compacte et est couramment utilisée dans des applications nécessitant un couple élevé et des performances à basse vitesse, comme les articulations robotiques, les équipements médicaux et les systèmes aérospatiaux.

Système sensoriel
Le système sensoriel d'un robot humanoïde collecte des données environnementales, envoyées au module de contrôle du mouvement pour ajuster les mouvements du robot. Il comprend des caméras, des LiDAR (Light Detection and Ranging) et divers types de capteurs. Le nombre de capteurs peut varier de 30 à plus de 200, selon les fonctions du robot.

Système de vision

Un système intelligent complexe utilisant plusieurs types de caméras (caméras stéréo, caméras Time-of-Flight (ToF), caméras à lumière structurée) et des LiDAR pour capturer des informations visuelles sur l'environnement, améliorant les capacités de perception, de navigation et de contrôle du mouvement du robot.

Capteurs de force et de couple

Les capteurs de force mesurent la force ou la pression appliquée (principalement pour les actionneurs linéaires), la convertissant en un signal électrique pour la mesure, le contrôle et la surveillance. Les capteurs de couple mesurent le couple ou la force de rotation appliquée.

Unité de mesure inertielle (IMU)

Mesure l'accélération, la vitesse angulaire et d'autres paramètres de mouvement du robot, aidant le robot à sentir sa propre posture, son état de mouvement et à maintenir l'équilibre. Également utilisé dans l'électronique grand public, l'automobile et l'aérospatiale.

Capteurs tactiles

Couramment utilisés dans les mains habiles des robots humanoïdes (généralement 10 capteurs par robot, un par doigt) pour mesurer la force et la pression entre le capteur et un objet. Ils imitent les récepteurs dans les doigts humains, une partie cruciale de la peau humaine.

Le réducteur à entraînement harmonique joue un rôle clé ici

Face à la demande explosive pour les robots humanoïdes, les réducteurs à entraînement harmonique dominent en raison de leurs avantages de conception légère et de densité de couple élevée, tandis que les réducteurs planétaires complètent dans les scénarios de charge lourde. Actuellement, deux principales voies techniques – les processus de découpage fin de roue flexible et la substitution de matériaux de roue rigide – stimulent les mises à niveau itératives dans la technologie des matériaux des réducteurs. La production de masse à long terme de 10 millions de robots humanoïdes est estimée stimuler un marché de 19,15 milliards de £ pour l'acier des réducteurs à entraînement harmonique, avec un marché potentiel de 3,83 milliards de £ pour la substitution de la technologie d'acier de découpage fin/fonte ductile. Les réducteurs de précision sont les composants clés des robots.

Les réducteurs à entraînement harmonique offrent des avantages significatifs : petite taille, poids léger, grand rapport de réduction et densité de couple élevée, permettant un fonctionnement efficace dans des espaces confinés. Ils maintiennent également de bonnes performances dans des conditions spécifiques comme les espaces confinés et les environnements à rayonnement moyen. Ces caractéristiques ont conduit à leur utilisation généralisée dans la robotique mobile. En revanche, les réducteurs planétaires de précision sont principalement utilisés dans les composants avec des exigences de précision inférieures, offrant une rigidité plus élevée, une durée de vie plus longue et un coût relativement inférieur. Par conséquent, dans les robots humanoïdes, la combinaison de réducteurs à entraînement harmonique et de réducteurs planétaires de précision répond efficacement aux besoins de transmission de puissance des différentes articulations.

L'avenir des robots humanoïdes

Demande accrue de personnalisation

Alors que les domaines d'application s'étendent, de nouvelles exigences émergent dans différents secteurs. Les demandes de personnalisation augmentent. Les robots logistiques industriels, les robots de service, les robots de rééducation médicale, les robots éducatifs/de recherche, les robots de divertissement IP et les robots à usage spécial ont tous des exigences de conception distinctes. Par exemple, les robots à usage spécial doivent fonctionner dans des environnements difficiles, les robots éducatifs exigent un rapport coût-efficacité élevé, les robots de service se concentrent sur la mise à niveau des capacités d'interaction, et les robots logistiques nécessitent une grande flexibilité d'action. HONPINE s'engage à fournir des solutions pour divers fabricants et développeurs de robots.

Contrôle des coûts plus strict

Le développement des robots humanoïdes est fondamentalement une compétition de capital, qui cherche finalement des retours sur des investissements lourds. Les constructeurs automobiles, les entreprises de dispositifs mobiles, les sociétés de logiciels et d'autres ont rejoint l'industrie. La concurrence entre les fournisseurs de robots humanoïdes deviendra la norme.

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Modularisation et installation rapide

Alors que les fonctions des robots s'améliorent continuellement, la capacité à assembler rapidement des robots pour apporter rapidement de nouvelles fonctionnalités sur le marché est un facteur clé de compétitivité. De nombreux clients achètent directement des modules d'articulations de robots pré-intégrés. Un module d'articulation typique se compose d'un réducteur (généralement un réducteur harmonique de précision), d'un entraînement, d'un encodeur absolu, d'un frein, d'un moteur à couple sans cadre, d'un encodeur incrémental et de l'assemblage intégré de l'articulation. L'achat de modules au lieu de pièces individuelles réduit les coûts d'approvisionnement, raccourcit le temps d'installation et accélère la R&D.

Comment choisir un fournisseur de pièces de robot

Choisir un fournisseur avec de solides capacités de R&D est crucial pour une collaboration technique efficace en tête-à-tête. HONPINE attribue un support technique dédié à chaque client, fournissant un service en tête-à-tête depuis la sélection des modèles et les conseils d'installation après-vente jusqu'aux détails comme les conseils d'étanchéité de graisse des réducteurs harmoniques. De nombreux clients disent que HONPINE est comme leur partenaire fiable. Tout au long du développement des robots humanoïdes, chaque fois que des défis liés à la transmission de précision surviennent, nous sommes toujours prêts à aider à les résoudre. Cela joue un rôle clé dans l'accélération des délais de développement et la réduction des coûts de R&D.

HONPINE est spécialisé dans les équipements de transmission de précision, y compris les réducteurs harmoniques, les réducteurs planétaires, les modules d'articulations de robots, les actionneurs rotatifs de robots et les réducteurs RV. En tant qu'entreprise intégrée gérant les ventes, la production et la R&D, nous avons fourni des solutions de transmission de précision à plus de 200 000 entreprises depuis 2018. Nous offrons des conseils en tête-à-tête et établissons des groupes de communication technique dédiés pour chaque projet. Un service efficace et des produits rentables sont les raisons pour lesquelles de nombreux clients nous choisissent et entretiennent des partenariats à long terme.