Moteur d’articulation harmonique HONPINE HPJM : mode position vs mode vitesse – comment choisir le bon mode de commande ?

Bonjour, je suis Theodore Li, directeur technique chez HONPINE. Lorsque je travaille avec nos clients, l’une des questions qui revient souvent concerne la différence entre le mode position et le mode vitesse des moteurs à articulation harmonique.

Bien que ces deux modes soient largement utilisés dans les systèmes de mouvement robotisés, ils répondent à des besoins de commande différents. Le choix d’un mode inadapté peut affecter la précision des mouvements, l’efficacité de fonctionnement et la sécurité du système.

Dans cet article, je prendrai le moteur à articulation harmonique HPJM de HONPINE comme exemple pour expliquer le fonctionnement des modes position et vitesse, leurs différences et les applications auxquelles chacun convient le mieux.

1. Qu’est-ce que le mode position d’un moteur d’articulation robotique ?

Le mode position commande le moteur pour qu’il atteigne une position cible spécifiée. Il utilise généralement une architecture de commande en boucle fermée à trois boucles :

Boucle de position → Boucle de vitesse → Boucle de courant

La boucle de position externe utilise un régulateur PID pour comparer la position cible à la position réelle. La position cible est généralement exprimée en comptes du codeur (cnt), qui correspondent à une position angulaire donnée.

Le régulateur de position génère une consigne de vitesse pour la boucle de vitesse interne. Le contrôleur du moteur gère ensuite l’accélération et la décélération selon le profil de mouvement configuré, afin d’amener l’articulation à l’angle cible.

Une fois la position cible atteinte, le contrôleur maintient la position commandée grâce à la commande en boucle fermée.

Surveillance de l’erreur de poursuite : le contrôleur surveille l’écart entre la position cible et la position réelle. Si cette erreur de poursuite dépasse le seuil configuré, le moteur peut déclencher le code de défaut 0x8611 (erreur de poursuite) et s’arrêter, selon la configuration des protections du variateur.

Cette fonction est particulièrement utile dans les applications où une articulation doit atteindre un angle défini et maintenir sa position.

2. Qu’est-ce que le mode vitesse d’un moteur d’articulation robotique ?

Le mode vitesse commande directement la vitesse de rotation du moteur. Il utilise généralement une architecture de commande en boucle fermée à deux boucles :

Boucle de vitesse → Boucle de courant

Contrairement au mode position, le mode vitesse n’utilise pas de boucle de position active pour commander un angle cible. Le contrôleur reçoit plutôt une consigne de vitesse de rotation, exprimée en unités de 0.01 Hz côté moteur.

Le moteur régule sa vitesse selon la consigne reçue et continue de tourner tant qu’il reste activé et reçoit une consigne de vitesse non nulle.

Dans ce mode :

Le moteur contrôle la vitesse de rotation et non une position angulaire cible.

Il ne s’arrête pas automatiquement lorsque l’articulation atteint un angle particulier.

Il ne corrige pas activement l’erreur de poursuite de position à l’aide d’une boucle de position externe.

La protection contre l’erreur de poursuite associée au mode position n’est donc pas disponible de la même manière.

Important : le mode vitesse ne signifie pas que le moteur est dépourvu de protections. Toutefois, si la charge mécanique se bloque, le moteur peut continuer à produire un couple conformément aux limites de courant et aux paramètres de protection. Le contrôleur de niveau supérieur doit mettre en œuvre une surveillance du courant, une détection de blocage et une protection contre les dépassements de course adaptées.

3. Quand utiliser le mode position ?

Le mode position est généralement privilégié lorsqu’une articulation robotique doit atteindre un angle spécifié, se déplacer entre des positions définies ou maintenir une posture cible.

Les applications courantes comprennent les robots humanoïdes, les exosquelettes de rééducation, les bras robotisés collaboratifs, les systèmes pan-tilt et les mécanismes oscillants.

Articulations de robots humanoïdes : hanche, genou, cheville, épaule et coude

Exigences de l’application :

Pendant la marche, l’accroupissement, le redressement et les autres mouvements, chaque articulation doit atteindre un angle cible et maintenir la posture requise.

Mode recommandé : mode position

Le planificateur de mouvement de niveau supérieur calcule l’angle cible de chaque articulation et le convertit en nombre de comptes de codeur correspondant (cnt). Ces consignes de position sont ensuite envoyées au moteur HPJM.

Le système de commande interne à trois boucles du moteur gère le mouvement vers chaque position cible, notamment l’accélération, la décélération et le maintien de position.

Le contrôleur principal peut ainsi se concentrer sur la coordination du mouvement global du robot, au lieu de mettre en œuvre en externe la boucle de position de bas niveau de chaque articulation.

Points à prendre en compte concernant les protections :

Si une articulation se bloque mécaniquement ou rencontre une résistance excessive, l’erreur de poursuite peut dépasser le seuil configuré, déclencher un défaut d’erreur de poursuite 0x8611 et arrêter le moteur, à condition que la protection concernée soit activée et correctement configurée.

Recommandations de réglage :

Pour les mouvements sous forte charge, comme l’accroupissement et le redressement, évitez de régler le gain Kp de la boucle de position à une valeur trop élevée, car cela peut provoquer des vibrations ou des oscillations.

Une méthode de réglage pratique consiste à optimiser d’abord les gains Kp et Ki de la boucle de vitesse, puis ceux de la boucle de position. Le gain Kd de la boucle de position peut ensuite être ajusté si le contrôleur le permet et si l’application le nécessite.

Les réglages d’accélération doivent également être adaptés à l’inertie de l’articulation. Une accélération excessive peut augmenter l’erreur de poursuite et déclencher un défaut, en particulier lorsque l’articulation supporte une charge inertielle importante.

Articulations d’exosquelettes de rééducation : aide à la marche et entraînement de rééducation

Exigences de l’application :

L’exosquelette doit guider le membre de l’utilisateur jusqu’à un angle articulaire spécifié, maintenir une posture cible et réagir en toute sécurité en cas de résistance anormale.

Mode recommandé : mode position

Le contrôleur définit l’angle articulaire cible en fonction du programme de rééducation. Le moteur entraîne ensuite l’articulation vers la position spécifiée.

Points à prendre en compte concernant la sécurité :

Si l’utilisateur s’oppose au mouvement ou si la charge externe devient excessive, l’erreur de poursuite de position peut dépasser son seuil configuré et déclencher un défaut.

Toutefois, la protection contre l’erreur de poursuite ne suffit pas à garantir la sécurité lors d’interactions avec des personnes. Les exosquelettes de rééducation doivent également intégrer des limites de couple ou de force adaptées, des butées mécaniques de course, des arrêts d’urgence et des mécanismes de sécurité indépendants.

Robots collaboratifs et petits bras robotisés

Exigences de l’application :

Le robot doit se déplacer entre des positions définies, effectuer des opérations de prise et de dépose et maintenir une posture articulaire spécifiée.

Mode recommandé : mode position

Le contrôleur de niveau supérieur envoie des positions cibles au moteur d’articulation. Plusieurs positions cibles peuvent être configurées pour créer de simples mouvements point à point.

Par exemple, lors de la mise en service initiale du moteur, un test de positionnement avant-arrière peut être réalisé en commandant successivement différentes positions cibles.

Le mode position convient aux applications qui nécessitent un positionnement répétable des articulations et des points d’arrivée définis.

Systèmes pan-tilt et actionneurs oscillants

Exigences de l’application :

Le mécanisme doit tourner jusqu’à un angle spécifié, s’arrêter et rester dans cette position avant de se déplacer à nouveau.

Mode recommandé : mode position

Le contrôleur envoie un nombre cible de comptes du codeur (cnt). Le moteur se déplace jusqu’à la position angulaire correspondante, puis la maintient grâce à la commande en boucle fermée.

Limites du mode position :

Le mode position n’est généralement pas le choix privilégié pour les applications nécessitant une rotation continue et illimitée à une vitesse spécifiée.

Pour les moteurs présentant des rapports de réduction élevés, les ingénieurs doivent également prêter attention à la conversion entre les comptes du codeur et l’angle de sortie réel. Dans les configurations à double codeur, il faut distinguer les mesures du codeur côté moteur de celles du codeur côté sortie et vérifier la méthode de comptage applicable, sur un tour ou sur plusieurs tours.

4. Quand utiliser le mode vitesse ?

Le mode vitesse est généralement privilégié lorsqu’un mécanisme doit tourner en continu à une vitesse spécifiée ou lorsque le contrôleur de niveau supérieur est chargé du contrôle de la position et de la trajectoire.

Dans cette configuration, le moteur régule sa vitesse de rotation tandis que le contrôleur principal traite les retours externes et détermine la consigne de vitesse requise.

Point important pour la sécurité : le mode vitesse ne fournit pas la même surveillance de l’erreur de poursuite de position que le mode position. En cas de blocage du système mécanique, le moteur peut continuer à produire un couple dans les limites configurées. Le système de commande de niveau supérieur doit donc mettre en œuvre des limites de course, une détection de blocage et une surveillance des seuils de courant adaptées.

Roues motrices de robots mobiles

Exigences de l’application :

Un moteur d’articulation robotique peut également servir de moteur d’entraînement pour la roue d’un robot mobile. La roue doit tourner à une vitesse spécifiée pour faire avancer ou reculer le robot, ou le faire suivre une trajectoire en virage.

Mode recommandé : mode vitesse

Le contrôleur principal envoie une consigne de vitesse de rotation au moteur, exprimée en unités de 0.01 Hz côté moteur.

Le moteur est chargé de maintenir la vitesse commandée, tandis que le contrôleur de niveau supérieur gère la position et les déplacements du robot.

Par exemple, le contrôleur principal peut utiliser les données de retour d’une IMU et des codeurs de roue, ou l’odométrie, pour calculer les vitesses requises des roues et estimer le déplacement du robot.

Points à prendre en compte concernant les protections :

Si une roue est bloquée par un obstacle, le mode vitesse ne déclenche pas automatiquement un défaut d’erreur de poursuite de position. Le moteur peut continuer à produire un couple conformément à ses limites de courant.

Le contrôleur de niveau supérieur doit donc surveiller le courant du moteur et les autres signaux de retour pertinents. Si le courant dépasse un seuil défini ou si un blocage est détecté, le système doit réduire ou interrompre la sortie du moteur conformément à sa stratégie de sécurité.

Essais de durabilité et bancs d’essai à rotation continue

Exigences de l’application :

Pendant les essais de fatigue, les essais d’endurance ou l’évaluation des performances de longue durée, le moteur d’articulation doit tourner en continu à vitesse constante.

Mode recommandé : mode vitesse

Définissez une vitesse cible fixe et laissez le moteur fonctionner en continu pendant la durée d’essai requise.

Le mode vitesse convient à ces applications, car l’exigence principale est une vitesse de rotation stable et non le déplacement vers une position cible donnée.

Les systèmes d’essai doivent également intégrer une surveillance de température, une protection contre les surcharges et des fonctions d’arrêt d’urgence adaptées.

5. Le mode vitesse convient-il au contrôle de force et au contrôle d’impédance ?

Pas nécessairement.

Le moteur HPJM de HONPINE prend en charge le mode courant ainsi que les modes de commande en position et en vitesse. Pour les applications de contrôle de force, de couple ou d’impédance, le mode courant constitue généralement un point de départ plus adapté que le mode vitesse.

En mode courant, le contrôleur régule directement le courant du moteur. Le couple moteur étant lié au courant, ce mode constitue une base pour élaborer des stratégies de commande liées au couple.

Pour le contrôle d’impédance et les applications avancées de contrôle de force, les ingénieurs peuvent avoir besoin de signaux de retour supplémentaires, tels que la mesure du couple côté sortie, ainsi que d’un algorithme de commande externe.

Le mode vitesse peut toujours être utilisé dans certaines architectures de commande, mais il ne doit pas être considéré comme un substitut direct à une commande de couple basée sur le courant.

6. Mode position et mode vitesse : principales différences

7. Conclusion : choisissez le mode de commande en fonction de votre application

Les modes position et vitesse sont conçus pour répondre à des besoins différents en matière de commande de mouvement. Aucun des deux n’est systématiquement supérieur à l’autre.

Si une articulation robotique doit atteindre un angle précis, effectuer des mouvements point à point ou maintenir une posture définie, le mode position est généralement le meilleur choix.

Si un moteur doit tourner en continu à une vitesse spécifiée, tandis que le contrôleur de niveau supérieur gère la position et le déplacement du robot, le mode vitesse est généralement plus adapté.

Pour les applications de contrôle de force et d’impédance, le mode courant peut constituer une base plus appropriée.

Pour choisir un mode de commande pour le moteur à articulation harmonique HPJM de HONPINE, les ingénieurs doivent prendre en compte conjointement l’objectif de mouvement, la charge mécanique, l’architecture de commande, la configuration des retours et les exigences de sécurité.

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