Un module d'articulation robotique est bien plus qu'un simple moteur associé à un réducteur. Dans les systèmes robotiques modernes, l'articulation doit contrôler avec précision la position, la vitesse et le couple tout en s'adaptant aux variations de charge et aux commandes de mouvement.
C’est pourquoi un module d’articulation robotique intégré combine généralement plusieurs composants clés, notamment un servomoteur, un réducteur de précision, un codeur, un pilote de moteur, une interface de contrôle et, dans certaines conceptions, un capteur de couple.
Ensemble, ces composants créent un système de contrôle de mouvement en boucle fermée.
Un processus de contrôle de position simplifié est :
Commande de mouvement → Contrôleur → Pilote de moteur → Servomoteur → Réducteur de précision → Articulation du robot → Retour d'information de l'encodeur
Pour la commande du couple, une voie de rétroaction supplémentaire peut être utilisée :
Commande de couple → Pilote de moteur → Servomoteur → Réducteur de précision → Sortie articulaire → Retour de couple → Contrôleur
La capacité de comparer en permanence le mouvement commandé avec le retour d'information réel des articulations permet à un module articulaire de robot d'atteindre un positionnement précis et un couple de sortie contrôlé.
Cet article explique comment la position et le couple sont contrôlés à l'intérieur d'un module d'articulation de robot, comment les codeurs et les capteurs de couple contribuent au contrôle en boucle fermée, et pourquoi ces technologies sont importantes pour les robots humanoïdes, les robots collaboratifs, les robots industriels et autres systèmes robotiques avancés.
Un module d'articulation de robot est une unité de mouvement intégrée conçue pour actionner un axe de rotation d'un robot.
Selon sa conception, un module d'articulation de robot peut intégrer :
Servomoteur
Réducteur de précision
Encodeur côté moteur
Encodeur côté sortie
conducteur de moto
Capteur de couple
Frein
interface de communication
Capteurs de température et de protection
Au lieu de concevoir l'articulation du robot à partir de composants séparés, un module intégré combine plusieurs éléments de contrôle de mouvement en un ensemble compact.
Cette approche permet de réduire les travaux d'intégration mécanique, de simplifier le câblage, d'améliorer la compacité du système et d'offrir des performances de contrôle plus constantes.
Pour les robots humanoïdes et les robots collaboratifs, ce niveau d'intégration est particulièrement utile car l'espace articulaire est limité et l'actionneur doit souvent fournir un couple élevé à partir d'un format relativement compact.
Le contrôle de position est l'une des fonctions fondamentales d'un module d'articulation de robot.
L'objectif est simple : faire en sorte que la position articulaire réelle suive la position commandée avec la plus grande précision possible.
Par exemple, un contrôleur de robot peut commander à une articulation de pivoter à 45°.
Le module d'articulation doit alors :
Recevez la position cible.
Déterminer le mouvement moteur requis.
Actionnez le moteur.
Réduisez la vitesse du moteur grâce à la boîte de vitesses.
Mesurez la position réelle.
Comparez la position réelle avec la cible.
Corrigez la commande du moteur si une erreur existe.
Ce processus se répète continuellement.
L'encodeur est l'un des composants de retour d'information les plus importants dans un module d'articulation de robot.
Un codeur convertit la rotation mécanique en un signal de retour électrique qui peut être interprété par le système de commande.
Selon l'architecture, l'encodeur peut être installé côté moteur, côté sortie, ou les deux.
Un codeur côté moteur fournit principalement des informations sur :
position du moteur
vitesse du moteur
sens de rotation du moteur
Commutation
Retour d'information sur la commande à haute vitesse
Un codeur côté sortie mesure la position rotationnelle réelle de l'articulation du robot après le mécanisme de réduction.
Cette distinction est importante.
Le moteur peut effectuer des milliers de tours tandis que l'articulation du robot tourne à une vitesse beaucoup plus faible en raison du rapport de réduction.
Par conséquent, la mesure de l'arbre moteur uniquement ne fournit pas toujours d'informations complètes sur la position de sortie réelle.

Le codeur côté moteur est situé près de l'arbre moteur.
Il est couramment utilisé pour :
Contrôle orienté champ
Commutation du moteur
Retour de vitesse
Retour d'information sur la position du moteur
Commande servo
Du fait de la grande vitesse de rotation du moteur, l'encodeur doit fournir un retour d'information rapide et fiable.
Un codeur côté sortie mesure la position de la sortie réelle de l'articulation du robot.
Cela peut aider le système de contrôle à détecter les différences entre la position de sortie commandée et la position de sortie réelle.
Cela peut s'avérer particulièrement précieux lorsque le système de transmission introduit de petites quantités de :
Déformation élastique
Erreur de transmission
Contrecoup
Déflexion de l'arbre
Conformité mécanique
Pour les articulations de robots de haute précision, le retour d'information sur la position côté sortie peut donc fournir un niveau de contrôle supplémentaire.
Une architecture à double encodeur utilise à la fois une rétroaction côté moteur et une rétroaction côté sortie.
Le système de commande peut utiliser l'encodeur côté moteur pour une commande rapide du moteur tout en utilisant l'encodeur côté sortie pour surveiller la position réelle de l'articulation.
Cette architecture peut améliorer la capacité du module articulaire à :
Maintenir un positionnement précis de la sortie
Détecter les erreurs de transmission
Compenser les écarts mécaniques
Surveiller les mouvements articulaires
Stratégies de contrôle avancées de prise en charge
Pour des applications telles que les robots humanoïdes, les robots collaboratifs et les manipulateurs robotiques de précision, ce retour d'information supplémentaire peut s'avérer précieux.
La commande de position fonctionne normalement comme un système en boucle fermée.
Voici une séquence de contrôle simplifiée :
Position cible → Contrôleur de position → Commande moteur → Pilote de moteur → Servomoteur → Réducteur de précision → Articulation du robot → Retour d'information de l'encodeur
Le contrôleur évalue en permanence la différence entre la position cible et la position mesurée.
Cette différence est appelée erreur de position.
Si la position réelle est en retrait par rapport à la cible, le contrôleur ajuste la commande du moteur.
À mesure que l'articulation se rapproche de la cible, la commande est ajustée pour réduire le dépassement et améliorer la stabilité.
L'algorithme de commande exact dépend du système d'asservissement et de l'application, mais le principe reste le même :
Mesurer → Comparer → Corriger → Répéter
Le contrôle de position à lui seul ne suffit pas pour de nombreux robots modernes.
Un robot doit également savoir quelle force il applique à son environnement.
Cela devient particulièrement important lorsqu'un robot :
Saisit un objet
Entre en contact physique avec une surface
Promenades
Escalades
Effectue l'assemblage
Interagit avec les humains
Manipule des composants délicats
Le contrôle du couple permet au robot de réguler la force de rotation produite au niveau d'une articulation.
Au lieu de simplement donner des ordres :
Déplacez l'articulation à 30°.
Le robot peut également donner des ordres :
Appliquez un couple contrôlé tout en maintenant la position requise.
Cela transforme le robot d'une machine purement basée sur la position en un système de mouvement plus adaptatif.
Le moteur génère un couple au niveau de son arbre.
Le réducteur de précision transforme ensuite la vitesse et le couple du moteur en fonction de son rapport de réduction.
Une relation simplifiée est :
Couple moteur → Réducteur de précision → Couple de sortie de l'articulation
Un rapport de réduction plus élevé peut produire un couple de sortie plus élevé tout en réduisant la vitesse de sortie.
Cependant, le couple de sortie réel dépend également du rendement de la transmission et des conditions de fonctionnement.
Par conséquent, le choix des articulations du robot ne peut pas se baser uniquement sur le couple moteur.
Les ingénieurs devraient également prendre en compte :
Rapport de réduction
Couple nominal
Couple maximal
efficacité de transmission
Charge utile du robot
vitesse conjointe
Accélération
cycle de service
forces extérieures
inertie articulaire
Il existe plusieurs méthodes pour estimer ou mesurer le couple dans un module d'articulation de robot.
Pour de nombreux servomoteurs, le couple électromagnétique est lié au courant du moteur.
Le contrôleur peut donc estimer le couple moteur à partir du courant mesuré.
Cette approche peut s'avérer utile car elle ne nécessite pas forcément un capteur de couple séparé.
Cependant, le couple moteur estimé n'est pas toujours identique au couple réel à la sortie de l'articulation du robot.
Les pertes de transmission mécanique, le frottement, la déformation et d'autres facteurs peuvent affecter le couple de sortie final.
Un capteur de couple mesure le couple directement à un emplacement approprié dans la transmission mécanique ou la structure de sortie.
Un module d'articulation robotique équipé d'un capteur de couple intégré peut fournir un retour d'information direct sur la force au système de commande.
Cela peut prendre en charge :
Contrôle du couple
Contrôle de la force
Détection de collision
Contrôle de conformité
Détection des contacts
Interaction homme-robot sécurisée
Manipulation précise
Pour les robots qui interagissent physiquement avec leur environnement, un retour d'information direct sur le couple peut s'avérer particulièrement précieux.
Dans les modules articulaires robotiques avancés, la position et le couple ne doivent pas toujours être considérés comme des fonctions distinctes.
Ils peuvent opérer ensemble.
Imaginez par exemple un robot collaboratif se déplaçant vers un objet.
Lors de déplacements libres, le robot peut privilégier le contrôle de position.
Lorsque le robot entre en contact avec l'objet, le retour d'information du couple ou de la force devient plus important.
Le système de commande peut alors réduire le mouvement commandé ou ajuster le couple appliqué en fonction des conditions de contact.
Cela engendre un comportement plus docile.
Dans quelle mesure l'articulation doit-elle se déplacer ?
À quelle vitesse l'articulation doit-elle se déplacer ?
Quelle force de rotation l'articulation doit-elle appliquer ?
Ces couches de contrôle peuvent fonctionner ensemble au sein d'une architecture de servocommande.
Les robots humanoïdes imposent des exigences particulièrement élevées en matière de contrôle articulaire.
Un robot humanoïde doit gérer en permanence son équilibre corporel tout en se déplaçant dans un environnement changeant.
Par exemple, pendant la marche :
L'articulation de la hanche change de position.
Le genou supporte une partie du poids du corps.
La cheville interagit avec le sol.
Les forces extérieures changent continuellement.
Le robot doit maintenir son équilibre.
Les informations de position à elles seules ne permettent pas de décrire pleinement l'état physique du robot.
Les informations relatives au couple et à la force peuvent fournir des informations supplémentaires sur la manière dont le robot interagit avec son environnement.
C’est l’une des raisons pour lesquelles les actionneurs des robots humanoïdes haute performance combinent de plus en plus :
Densité de couple élevée + Retour d'information précis sur la position + Retour d'information sur le couple
Les robots collaboratifs travaillent souvent en étroite collaboration avec les humains.
Cela engendre des exigences différentes de celles des robots industriels traditionnels fonctionnant au sein de cellules de travail isolées.
Un robot collaboratif peut avoir besoin de détecter un contact inattendu et d'y répondre de manière appropriée.
Une articulation robotique sensible au couple peut aider à identifier les conditions de charge anormales.
Par exemple:
Mouvement normal → Couple attendu
Contact inattendu → Déviation du couple
Réponse du contrôleur → Réduire le couple / Arrêter / Changer de trajectoire
Cependant, la détection du couple ne constitue qu'un élément d'un système de sécurité robotique. La sécurité globale dépend également du contrôleur du robot, du logiciel, de la conception mécanique, de l'architecture de détection, de l'évaluation des risques et des normes de sécurité applicables.
Le réducteur de précision est un autre composant essentiel à l'intérieur d'un module d'articulation de robot.
Un moteur de robot fonctionne généralement à une vitesse relativement élevée.
L'articulation robotisée, cependant, nécessite souvent :
vitesse de rotation plus faible
Couple de sortie plus élevé
Haute précision de positionnement
Erreur de transmission faible
Dimensions mécaniques compactes
Le réducteur permet de combler cette différence.
Les réducteurs harmoniques peuvent fournir des rapports de réduction élevés dans des formats compacts, ce qui les rend adaptés à de nombreuses articulations robotiques.
Les réducteurs planétaires peuvent également être utilisés lorsque l'application requiert une combinaison différente de couple, de vitesse, d'efficacité, de rigidité et de coût.
L'architecture de transmission a donc une influence directe sur les performances globales du module articulaire du robot.
Le jeu est un facteur important à prendre en compte dans les systèmes de transmission robotisés.
En cas de jeu mécanique excessif entre les composants de la transmission, le moteur peut se déplacer sans produire immédiatement le mouvement de sortie attendu.
Cela peut réduire la précision du positionnement.
Cela peut également compliquer le contrôle du couple car la relation entre le mouvement du moteur et le mouvement de sortie devient moins prévisible.
Les réducteurs de précision à faible jeu sont donc largement utilisés dans les applications robotiques qui nécessitent un mouvement précis.
Pour des applications telles que les bras robotisés, les robots humanoïdes, les axes rotatifs CNC et l'automatisation de précision, une faible erreur de transmission peut constituer un critère de sélection important.

Le concept le plus important à la base du contrôle moderne des articulations des robots est celui de la boucle fermée.
Un système en boucle fermée ne se contente pas d'envoyer une commande et de supposer que l'articulation a bougé correctement.
Au lieu de cela, il mesure en continu l'état réel de l'articulation.
Une architecture simplifiée est :
Commande → Contrôleur → Pilote → Moteur → Réducteur → Sortie joint → Encodeur / Capteur de couple → Retour d'information → Contrôleur
Cette boucle de rétroaction permet au système de détecter les différences entre le comportement attendu et le comportement réel.
Sans rétroaction, le système fonctionne davantage comme un mécanisme en boucle ouverte.
Grâce à ce retour d'information, le contrôleur peut corriger en permanence ses commandes.
Les modules d'articulation des robots ont souvent besoin de communiquer avec un contrôleur de robot de niveau supérieur.
Les technologies de communication industrielle courantes comprennent :
PEUT
CANopen
EtherCAT
RS-485
Protocoles Ethernet industriels
L'interface de communication permet au contrôleur du robot d'envoyer des commandes et de recevoir des retours d'information de l'articulation.
Selon l'architecture, le module commun peut échanger des informations telles que :
Position cible
Vitesse cible
Couple cible
Position actuelle
Vitesse réelle
Couple réel
Température du moteur
État de panne
État de l'encodeur
EtherCAT est souvent choisi pour les systèmes robotiques nécessitant un contrôle multi-axes synchronisé et une communication rapide.
Les protocoles CAN et CANopen peuvent également constituer des solutions pratiques pour les articulations robotiques distribuées, où l'architecture système, le coût et les exigences de communication doivent être équilibrés.
L'intégration du moteur, du réducteur, de l'encodeur et de l'électronique dans un seul module joint offre plusieurs avantages potentiels.
H3 : Conception mécanique compacte
Un actionneur hautement intégré permet de réduire l'espace nécessaire aux composants séparés.
Ceci est particulièrement utile dans :
articulations de robot humanoïde
Poignets robotiques
Mains habiles
robots collaboratifs
bras robotiques compacts
Lorsque les composants de commande et de retour d'information sont intégrés à l'articulation, le nombre de connexions externes nécessaires peut être réduit.
Cela peut simplifier l'assemblage des robots et la gestion des câbles.
Un module d'articulation robotique pré-intégré peut réduire le travail d'ingénierie nécessaire pour l'adaptation :
Moteur
Boîte de vitesse
Encodeur
Conducteur
Contrôleur
Le module peut en revanche être considéré comme une unité de mouvement standardisée.
L'intégration des capteurs et de l'électronique de commande au plus près de la transmission mécanique peut également contribuer à réduire la distance physique entre l'actionneur et ses composants de rétroaction.
Ceci est précieux pour les systèmes robotiques compacts.
Le choix d'un module d'articulation de robot ne doit pas se baser uniquement sur le couple nominal.
Les ingénieurs doivent évaluer l'ensemble des exigences opérationnelles.
Déterminer le couple continu requis en fonctionnement normal.
Tenez compte du couple maximal requis lors de l'accélération, de l'impact ou d'un mouvement dynamique de courte durée.
L'articulation doit atteindre la vitesse de rotation requise tout en maintenant le couple nécessaire.
Le rapport de réduction influe sur la vitesse de sortie, le couple de sortie, le point de fonctionnement du moteur, la capacité de rétroaction et la réponse dynamique.
Tenez compte de la résolution de l'encodeur, de la précision de la transmission, du jeu et des performances globales du servomoteur.
Déterminer si l'estimation du couple basée sur le courant est suffisante ou si une détection directe du couple est nécessaire.
Pour les robots mobiles et les robots humanoïdes, le poids des articulations a un impact direct sur la dynamique du système et la consommation d'énergie.
Assurez-vous que le module de jointure prend en charge l'architecture de contrôle requise, telle que CAN/CANopen ou EtherCAT.
L'actionneur doit dissiper la chaleur en fonctionnement continu.
Le module doit s'insérer dans l'espace articulaire disponible sans compromettre la résistance structurelle.
Chaque robot privilégie des caractéristiques de contrôle différentes.
Les robots humanoïdes nécessitent généralement :
Densité de couple élevée
poids léger
Dimensions compactes
Haute précision de positionnement
contrôle dynamique du couple
Commentaires fiables
Les exigences peuvent varier considérablement selon les articulations : hanche, genou, cheville, épaule, coude et poignet.
Les cobots privilégient souvent :
Faible réaction
Mouvement fluide
Détection du couple
Conformité
Détection de collision
faible bruit
Les robots industriels mettent généralement fortement l'accent sur :
Répétabilité élevée
Haute rigidité
Longue durée de vie opérationnelle
Couple de sortie stable
Contrôle précis de la position
Les mains robotiques nécessitent un équilibre différent :
Petite taille
faible inertie
Contrôle précis de la position
Contrôle précis du couple
Réponse rapide
C’est pourquoi il n’existe pas de module d’articulation robotique idéal pour toutes les applications robotiques.
HONPINE développe des modules articulaires robotiques intégrés basés sur des technologies de transmission de précision et de contrôle de mouvement servo.
Selon le modèle et l'application, un module d'articulation robotique intégré peut combiner des composants tels que :
Réducteur de précision
Servomoteur
Encodeur haute résolution
électronique d'entraînement
Détection du couple
Interfaces de communication industrielle
Pour les robots humanoïdes, les robots collaboratifs, les bras robotiques et autres systèmes robotiques compacts, cette architecture intégrée permet de réduire la complexité de l'intégration mécanique tout en fournissant le retour d'information nécessaire au contrôle de mouvement en boucle fermée.
Le module de joint harmonique TCHL de HONPINE, par exemple, intègre un capteur de couple dans l'architecture du joint et prend en charge les applications de contrôle de couple et de position en boucle fermée.
D'autres architectures d'actionneurs intégrés peuvent être configurées autour de différentes combinaisons de transmission harmonique ou planétaire, de retour d'information de l'encodeur, d'entraînement du moteur et d'exigences de communication.
Un module d'articulation robotique est une unité de mouvement robotique intégrée qui combine généralement un moteur, un réducteur de précision, un encodeur et d'autres composants nécessaires à l'entraînement d'une articulation robotique.
Le contrôleur envoie une position cible au module d'articulation. Le pilote moteur actionne le moteur, tandis qu'un codeur mesure la position réelle. Le contrôleur compare en permanence les positions cible et réelle et ajuste la commande du moteur afin de réduire l'erreur de position.
Le couple peut être contrôlé par estimation du couple à partir du courant moteur ou par retour d'information direct du couple grâce à un capteur de couple intégré. Le système de commande ajuste la consigne du moteur en fonction du couple requis.
Une architecture à double encodeur permet de fournir un retour d'information côté moteur et côté sortie. Ceci permet au système de commande de surveiller à la fois le mouvement du moteur et la position réelle de la sortie articulaire.
Non. Certaines applications peuvent utiliser le courant moteur pour estimer le couple. La mesure directe du couple prend tout son sens lorsqu'un contrôle précis de la force, la conformité, la détection de contact ou une interaction physique homme-robot sont nécessaires.
Le contrôle de position détermine le déplacement de l'articulation du robot. Le contrôle de couple détermine la force de rotation appliquée par l'articulation. Les robots avancés peuvent combiner ces deux méthodes de contrôle selon la tâche à accomplir.
Un codeur fournit des informations sur la position angulaire et, selon le système, sur la vitesse et le sens de rotation. Ces informations permettent au contrôleur d'effectuer une régulation de mouvement en boucle fermée.
Les réducteurs harmoniques sont largement utilisés dans les articulations robotiques car ils offrent des rapports de réduction élevés, des dimensions compactes, un faible jeu et une grande précision de positionnement. Cependant, le choix du réducteur approprié dépend des exigences de couple, de vitesse, de rendement, de rigidité, de rétroaction et de coût de l'application.
Un module d'articulation de robot moderne contrôle la position et le couple grâce au fonctionnement coordonné du moteur, du réducteur de précision, de l'encodeur, du pilote, du contrôleur et, le cas échéant, d'un capteur de couple.
Le contrôle de position repose en grande partie sur un retour d'information précis. L'encodeur indique au système de commande la position réelle de la sortie du moteur ou de l'articulation, permettant ainsi au contrôleur de corriger le mouvement en continu.
Le contrôle du couple ajoute une dimension supplémentaire d'intelligence. En estimant le couple à partir du courant moteur ou en le mesurant directement grâce à un capteur de couple, le robot peut réguler la force produite au niveau de l'articulation et réagir plus efficacement aux charges externes.
La combinaison d'une transmission de précision, d'un retour d'information haute résolution, de la technologie d'entraînement servo et d'une commande en boucle fermée est donc essentielle à la conception moderne des articulations robotiques.
À mesure que les robots humanoïdes, les robots collaboratifs et les systèmes robotiques agiles deviennent plus dynamiques et compacts, les modules d'articulation robotiques intégrés sont de plus en plus importants pour atteindre l'équilibre requis entre couple, précision, poids, détection et contrôle.
Pour les fabricants de robots et les intégrateurs de systèmes, le choix du module d'articulation adéquat ne se limite pas à la puissance du moteur ou au rapport de réduction. L'architecture complète de commande de mouvement — incluant le retour d'information, la détection du couple, la communication, les performances thermiques, les dimensions mécaniques et les exigences de contrôle — détermine l'efficacité d'une articulation robotique dans une application réelle.
En savoir plus
En savoir plus sur l'histoire de HONPINE et les tendances de l'industrie liées à la transmission de précision.
Double Cliquez
Nous fournissons des réducteurs à entraînement harmonique, des réducteurs planétaires, des moteurs d'articulation de robot, des actionneurs rotatifs de robot, des réducteurs à engrenages RV, des effecteurs terminaux de robot, des mains robotiques habiles