Moteur DD ou réducteur harmonique pour les articulations de robots collaboratifs : lequel est le meilleur ?

Introduction

Les robots collaboratifs sont conçus pour fonctionner dans des environnements où humains et robots partagent le même espace de travail. Cela engendre des exigences différentes en matière de conception des articulations par rapport aux robots industriels conventionnels.

Une articulation de robot collaboratif doit fournir un couple suffisant et une précision de positionnement tout en conservant des dimensions compactes, un faible poids, un mouvement fluide, un contrôle réactif et une interaction de force appropriée.

Cela rend le choix de la transmission des articulations du robot particulièrement important.

Deux technologies peuvent être envisagées pour les articulations de robots collaboratifs : le moteur à entraînement direct (DD) et le réducteur harmonique . Un moteur DD actionne l’articulation directement, sans étage de réduction mécanique, tandis qu’un réducteur harmonique associe un servomoteur à grande vitesse à une transmission de précision à rapport élevé.

Aucune de ces technologies n'est universellement supérieure. La question plus pratique est de savoir quelle solution offre le meilleur compromis entre densité de couple, réversibilité, réponse dynamique, taille des articulations, rigidité, performances thermiques et exigences de contrôle pour un robot collaboratif donné.

Cet article compare les moteurs à entraînement direct et les réducteurs harmoniques pour les articulations de robots collaboratifs et explique dans quels cas chaque technologie peut constituer un meilleur choix.

De quoi un système de robots collaboratifs a-t-il besoin ?

Avant de comparer les moteurs à entraînement direct et les réducteurs harmoniques, il est important de comprendre les exigences d'une articulation de robot collaboratif.

Contrairement à un simple mécanisme rotatif, une articulation de robot doit accélérer, décélérer, inverser sa direction et maintenir une position précise de manière répétée tout en transportant une liaison mobile et une charge utile.

L'articulation doit donc répondre simultanément à plusieurs exigences.

La densité de couple est importante car l'actionneur doit générer un couple suffisant sans rendre le bras du robot excessivement lourd.

Un faible jeu est précieux pour maintenir la précision du positionnement et un mouvement prévisible.

La capacité de rétroaction devient importante lorsque le robot doit réagir naturellement aux forces extérieures.

La réponse dynamique influe sur la rapidité avec laquelle le robot peut accélérer, décélérer et réagir aux changements de mouvement.

La rigidité influence la capacité du robot à maintenir la position commandée sous charge.

Les performances thermiques sont également importantes car les robots collaboratifs fonctionnent souvent pendant de longues périodes dans des boîtiers articulés compacts.

Ces exigences peuvent conduire à différents choix de transmission en fonction de l'architecture du robot.

Comment fonctionne un réducteur harmonique dans une articulation de robot collaboratif ?

Un réducteur harmonique est généralement associé à un servomoteur pour former un système d'entraînement d'articulation de robot haute performance.

Le moteur fonctionne à une vitesse relativement élevée, tandis que la transmission harmonique assure un rapport de réduction élevé et convertit la sortie du moteur en un mouvement à vitesse plus faible et à couple plus élevé, requis par l'articulation du robot.

La structure de transmission compacte permet à un moteur relativement petit de générer un couple de sortie beaucoup plus élevé au niveau de l'articulation.

C’est l’une des principales raisons pour lesquelles les réducteurs harmoniques sont largement envisagés pour les articulations robotiques.

Un réducteur harmonique peut également fournir un jeu très faible, ce qui est précieux pour les applications nécessitant un positionnement précis et un mouvement multi-axes coordonné.

Pour les robots collaboratifs, cette combinaison de rapport de réduction élevé, de taille compacte, de faible jeu et de densité de couple élevée peut être particulièrement utile pour l'épaule, le coude et autres articulations porteuses.

Cependant, un réducteur harmonique reste une transmission mécanique.

Son comportement dynamique, son rendement, ses caractéristiques de torsion et sa capacité de rétroaction dépendent de la conception spécifique du réducteur, du rapport de réduction, de la charge et des conditions de fonctionnement.

Par conséquent, les ingénieurs doivent évaluer l'assemblage complet plutôt que de supposer que chaque réducteur harmonique offre les mêmes performances.

Comment fonctionne un moteur DD dans une articulation de robot collaboratif ?

Un moteur DD adopte une approche différente.

Au lieu de placer un mécanisme de réduction entre le moteur et l'articulation du robot, le moteur entraîne directement la sortie.

L'absence d'étage de réduction mécanique conventionnel permet au système de comporter moins de composants de transmission.

Cela peut présenter plusieurs avantages.

L'absence d'un étage de réduction mécanique élimine le jeu des engrenages associé à la transmission et permet d'établir une relation directe entre le couple moteur et le mouvement des articulations.

Les moteurs DD peuvent également offrir une excellente réponse dynamique.

Lorsque l'articulation nécessite une accélération, une décélération ou des changements de direction rapides, la transmission directe peut être intéressante car elle comporte moins d'éléments de transmission mécanique entre le moteur et la charge.

Une autre caractéristique importante est la possibilité de marche arrière.

Un joint à entraînement direct est généralement plus facile à inverser qu'un joint à engrenages multiples, ce qui rend les moteurs DD intéressants pour les applications où l'interaction des forces et la souplesse du mouvement sont importantes.

La limitation est le couple.

Comme il n'existe aucun mécanisme de réduction multipliant le couple moteur, le moteur DD doit générer lui-même le couple articulaire requis.

Pour une articulation de robot collaboratif à couple élevé, cela peut nécessiter un moteur plus gros avec un diamètre actif plus important et une capacité thermique supérieure.

Réducteur harmonique vs moteur à entraînement direct pour le couple articulaire d'un robot collaboratif

La densité du couple est l'une des différences les plus importantes entre les deux approches.

Avec un réducteur harmonique, le moteur n'a pas besoin de générer directement le couple final à la jonction. Le mécanisme de réduction augmente le couple de sortie tout en réduisant la vitesse de rotation.

Cela facilite la création d'un joint compact à couple élevé.

Un moteur à entraînement direct doit produire directement le couple de sortie requis.

Pour les articulations à faible couple, cela peut ne pas constituer une limitation importante.

Cependant, à mesure que le couple articulaire requis augmente, la taille du moteur, ainsi que les exigences en matière de courant et de température, peuvent augmenter considérablement.

C’est pourquoi la transmission harmonique peut s’avérer intéressante pour les articulations de robots collaboratifs qui nécessitent un couple élevé dans un espace mécanique limité.

Les moteurs DD deviennent plus intéressants lorsque le couple requis est modéré et que la conception met davantage l'accent sur l'entraînement direct, une réponse dynamique élevée et la capacité de marche arrière.

Quel système offre une meilleure capacité de rétroaction : un moteur à entraînement direct ou un réducteur harmonique ?

La possibilité de marche arrière est particulièrement importante en robotique collaborative.

Un robot peut avoir besoin de détecter les forces extérieures, de réagir au contact et de fonctionner en toute sécurité à proximité des personnes.

Une transmission à rapport élevé peut résister aux mouvements extérieurs car la charge doit entraîner le moteur à travers la transmission.

Un moteur DD ne possède pas ce même mécanisme de réduction.

La charge est directement reliée au moteur, ce qui permet à l'articulation de réagir naturellement aux forces extérieures.

C’est l’un des arguments les plus convaincants en faveur des moteurs DD dans les applications robotiques sensibles à la force.

Cependant, cela ne signifie pas que les articulations robotiques harmoniques ne peuvent pas prendre en charge le contrôle de la force.

Un joint harmonique peut utiliser le retour d'information d'un codeur haute résolution, les informations sur le courant du moteur ou un capteur de couple intégré pour assurer le contrôle de la force et du couple.

Les performances réelles dépendent donc de l'architecture articulaire complète.

Pour les applications nécessitant une interaction de force très sensible, les ingénieurs doivent évaluer non seulement le type de transmission, mais aussi la configuration de l'encodeur, la détection du couple, l'algorithme de contrôle et le frottement mécanique.

Quel système est le plus compact pour les articulations de robots collaboratifs ?

La compacité est un autre domaine où les réducteurs d'harmoniques peuvent présenter un avantage.

Un réducteur harmonique peut offrir un rapport de réduction élevé dans un format relativement compact.

Cela permet d'intégrer le moteur et la transmission dans un carter compact.

Pour un robot collaboratif à six axes, cela peut être important car chaque articulation contribue à la taille et au poids globaux du robot.

La réduction de la masse des articulations en amont peut également réduire le couple requis des articulations situées plus bas sur le bras du robot.

Un moteur à entraînement direct peut éliminer le réducteur, mais cela ne signifie pas nécessairement que l'articulation complète sera plus petite.

Le moteur doit produire directement le couple requis ; un moteur DD à couple élevé peut donc nécessiter un diamètre relativement important.

Par conséquent, la suppression du réducteur n'entraîne pas automatiquement une articulation robotique plus petite.

La comparaison correcte doit se baser sur l'ensemble de l'actionneur, y compris le moteur, les roulements, le boîtier, l'encodeur et le système de refroidissement.

Réducteur harmonique vs moteur à entraînement direct pour la précision des articulations robotiques

Les deux technologies peuvent prendre en charge des articulations robotiques de haute précision, mais elles y parviennent différemment.

Les réducteurs harmoniques sont intéressants car ils permettent d'obtenir un jeu extrêmement faible et un rapport de réduction élevé.

Cela les rend adaptés aux applications où un positionnement angulaire précis est important.

Les moteurs DD éliminent totalement le jeu mécanique de réduction.

Cependant, l'absence de jeu dans la boîte de vitesses ne garantit pas une précision système supérieure.

La précision finale des articulations du robot est également affectée par :

• Résolution de l'encodeur

• précision du relèvement

• Commande de moteur

• Déformation structurelle

• dilatation thermique

• rigidité mécanique

Pour un robot collaboratif, ces facteurs doivent être évalués conjointement.

Un moteur à entraînement direct doté d'un excellent retour d'information de l'encodeur mais d'une rigidité structurelle insuffisante peut ne pas surpasser un joint harmonique bien conçu.

De même, un réducteur harmonique à faible jeu ne peut pas compenser un mauvais retour d'information de l'encodeur ou une déformation structurelle excessive.

Quel système est le meilleur pour les mouvements collaboratifs à grande vitesse de robots ?

Les moteurs DD présentent un avantage naturel lorsque le mouvement rotatif continu à grande vitesse et la réponse dynamique rapide sont importants.

Comme le moteur entraîne directement la charge, il n'y a pas d'étage de réduction nécessaire pour transmettre le mouvement.

Cela peut s'avérer précieux dans les applications nécessitant des accélérations et des décélérations fréquentes.

Les réducteurs harmoniques peuvent également permettre des mouvements rapides des robots, mais la vitesse de sortie maximale est limitée par la transmission et le rapport de réduction sélectionné.

Pour les articulations de robots collaboratifs qui nécessitent une vitesse de sortie élevée mais un couple relativement faible, les moteurs DD peuvent donc constituer une option intéressante.

Pour les articulations nécessitant un couple élevé à une vitesse de sortie relativement faible, la transmission harmonique peut constituer une solution plus pratique.

Réducteur harmonique vs moteur à entraînement direct pour la commande de force de robots collaboratifs

Le contrôle de la force devient de plus en plus important en robotique collaborative.

Des applications telles que l'assemblage, le polissage, l'insertion, l'inspection et l'interaction homme-robot exigent que le robot réagisse aux forces de contact plutôt que de simplement suivre une trajectoire de position prédéfinie.

Les moteurs DD sont naturellement intéressants pour ces applications car le moteur est directement connecté à la sortie.

La relation mécanique entre le couple moteur et le couple articulaire est relativement directe.

Cependant, un joint harmonique peut également être conçu pour des applications à force contrôlée.

Par exemple, une articulation robotique intégrée peut utiliser un codeur côté sortie ou un capteur de couple pour obtenir des informations plus directes sur le mouvement ou le couple de l'articulation.

Cela peut améliorer considérablement la capacité du système de commande à distinguer entre le mouvement côté moteur et le mouvement de sortie réel.

Pour les articulations de robots collaboratifs hautes performances, la question ne devrait donc pas se limiter à :

Moteur à entraînement direct ou réducteur harmonique ?

Une meilleure question serait :

Avec quelle précision l'articulation complète peut-elle mesurer et contrôler le couple de sortie ?

Les modules de joints harmoniques peuvent intégrer plus qu'un simple réducteur.

Un module d'articulation de robot moderne n'est pas simplement un réducteur harmonique.

Un module articulaire complet peut intégrer :

• servomoteur

• Réducteur d'harmoniques

• Encodeur

• Conducteur

• Frein

• Capteur de couple

• Logement

• Roulements

Ce niveau d'intégration peut réduire le travail d'ingénierie nécessaire à la construction d'une articulation robotisée.

Pour les fabricants de robots collaboratifs, un module d'articulation harmonique intégré peut également fournir une interface mécanique et électrique plus standardisée.

Cela peut s'avérer utile lors du développement de plusieurs modèles de robots avec des capacités de charge utile différentes.

Le principal avantage ne réside pas simplement dans le réducteur harmonique lui-même, mais dans la possibilité d'intégrer la transmission, le moteur, les capteurs et les composants de commande dans un actionneur compact.

Quand faut-il choisir un réducteur harmonique pour un robot collaboratif ?

Il est judicieux d'envisager un réducteur harmonique lorsque l'articulation du robot collaboratif requiert une combinaison de couple élevé, de dimensions compactes et de faible jeu.

Il peut s'avérer particulièrement adapté aux articulations où l'actionneur doit supporter une charge importante tout en restant relativement léger.

Les applications typiques peuvent inclure :

• bras robotisés collaboratifs

• Robots collaboratifs à six axes

• articulations de robot humanoïde

• manipulateurs mobiles

• Bras robotiques de précision

Pour ces applications, la transmission harmonique peut offrir un équilibre pratique entre densité de couple, précision et taille d'encombrement.

Toutefois, le réducteur doit être sélectionné en fonction du couple réel, de la vitesse, de l'inertie de la charge, du cycle de service et des conditions thermiques, plutôt que de simplement choisir le rapport de réduction le plus élevé disponible.

Quand faut-il choisir un moteur DD pour un robot collaboratif ?

Un moteur à entraînement direct peut être plus approprié lorsque l'entraînement direct et une réponse dynamique élevée sont les principales exigences de conception.

Les considérations typiques comprennent :

• Grande capacité de rétrogradation

• Accélération et décélération rapides

• rotation continue

• Commande directe du couple

• Faible complexité de la transmission mécanique

Les moteurs à entraînement direct peuvent être particulièrement intéressants pour certaines articulations du poignet, les mécanismes sensibles à la force et les architectures de robots collaboratifs spécialisés.

Elles peuvent s'avérer moins intéressantes lorsque l'articulation nécessite un couple très élevé dans un boîtier extrêmement compact.

Dans ces cas-là, la taille supplémentaire du moteur nécessaire pour générer directement le couple peut devenir une contrainte de conception importante.

Moteur à entraînement direct ou réducteur harmonique : lequel est le meilleur pour les différentes articulations des robots ?

La meilleure technologie peut également varier d'un axe à l'autre d'un même robot.

Une articulation d'épaule ou de base nécessite généralement un couple élevé car elle supporte une grande partie de la structure du robot et de sa charge utile.

Un module à joint harmonique peut donc s'avérer intéressant pour ces positions.

Une articulation du coude nécessite également un couple important et une grande compacité, ce qui fait de la transmission harmonique une option pratique dans de nombreuses conceptions.

Les articulations du poignet ont souvent des exigences différentes.

Un poids réduit, une vitesse élevée et une réponse dynamique peuvent devenir plus importants ; un moteur à entraînement direct peut donc être intéressant à évaluer en fonction de l'architecture du robot.

Cela signifie qu'un fabricant de robots n'a pas nécessairement besoin d'utiliser exactement la même architecture d'actionneur pour chaque articulation.

Différentes positions articulaires peuvent avoir des exigences différentes en matière de couple, de vitesse, d'inertie et de contrôle de la force.

Comment choisir entre un moteur à entraînement direct et un réducteur harmonique pour un cobot

La sélection peut être simplifiée en évaluant les priorités de conception réelles.

Si l'articulation requiert une densité de couple élevée, des dimensions compactes, un rapport de réduction élevé et un jeu très faible, un réducteur harmonique est souvent un candidat idéal.

Si l'articulation privilégie l'entraînement direct, la possibilité de marche arrière, une réponse dynamique élevée et une faible complexité de transmission mécanique, un moteur à entraînement direct peut s'avérer plus intéressant.

Si l'application nécessite un contrôle de force très réactif, les deux technologies doivent être évaluées conjointement avec l'architecture de détection.

Un capteur de couple, une configuration à double encodeur et une commande servo appropriée peuvent avoir une influence significative sur les performances finales de l'articulation du robot.

Conclusion : Moteur DD ou réducteur harmonique pour robots collaboratifs ?

Il n'existe pas de solution universellement gagnante entre un moteur à entraînement direct et un réducteur harmonique.

Un réducteur harmonique est généralement plus intéressant lorsqu'une articulation de robot collaboratif nécessite une densité de couple élevée, des dimensions compactes, un faible jeu et un rapport de réduction élevé.

Un moteur DD devient plus intéressant lorsque l'entraînement direct, la possibilité de marche arrière, une réponse dynamique élevée et un mouvement rotatif continu sont les exigences principales.

Pour de nombreux bras robotiques collaboratifs compacts, les modules d'articulation harmonique offrent une combinaison pratique de couple, de précision et d'intégration. Pour les articulations spécialisées qui privilégient l'interaction directe des forces et la réponse dynamique, les moteurs DD peuvent apporter des avantages considérables.

Le point le plus important est d'évaluer l'articulation robotique complète, et non seulement le moteur ou le réducteur.

Le couple moteur, le rapport de réduction, le retour d'information de l'encodeur, la capacité de roulement, la rigidité structurelle, les performances thermiques, la détection de force et l'architecture de contrôle contribuent tous aux performances finales.

Pour les fabricants de robots développant des robots collaboratifs, la solution idéale peut donc être un module d'articulation harmonique pour les axes à couple élevé et une architecture à entraînement direct pour certaines articulations à grande vitesse ou sensibles à la force, en fonction des exigences mécaniques et de contrôle du robot.

HONPINE fournit des réducteurs harmoniques, des actionneurs rotatifs harmoniques, des modules d'articulation de robots et des solutions de moteurs DD pour différentes exigences de mouvement robotique, permettant aux ingénieurs de sélectionner l'architecture de transmission appropriée en fonction de l'application réelle.