Comment choisir des actionneurs articulaires harmoniques pour un bras robotisé à 7 DDL ?

Bonjour, je suis Theodore Li, directeur technique chez HONPINE. Dans cet article, j’expliquerai comment sélectionner desactionneurs articulaires harmoniquespour un bras robotique à sept degrés de liberté.

Un bras robotique à sept degrés de liberté, ou 7-DOF, possède un degré de liberté supplémentaire par rapport aux six généralement nécessaires pour contrôler la position et l’orientation d’un effecteur terminal dans l’espace tridimensionnel. Ce degré de liberté supplémentaire est appelé redondance cinématique.

Avec une conception mécanique et des algorithmes de commande appropriés, cette redondance offre une plus grande flexibilité de mouvement, permet l’évitement des obstacles et des singularités, et rend possibles des mouvements souples similaires à ceux d’un bras humain.

Ces capacités rendent les bras robotiques 7-DOF précieux pour la recherche et le développement en robotique médicale, l’assemblage de précision, l’usinage flexible et les opérations dans des environnements difficiles.

Alors, comment choisir les modules articulaires pour un bras robotique 7-DOF ?

Comment sélectionner des actionneurs articulaires harmoniques pour un bras robotique 7-DOF ?

Adapter chaque actionneur aux exigences de charge de l’articulation

Au sein d’une même série d’actionneurs, une taille de châssis plus importante offre généralement un couple de sortie supérieur et peut supporter des charges articulaires plus élevées. Toutefois, l’actionneur doit être sélectionné selon les exigences de chaque articulation, plutôt qu’en fonction de son seul numéro de modèle.

Dans de nombreuses configurations de bras robotiques, les articulations les plus éloignées de l’effecteur terminal doivent supporter la charge utile ainsi qu’une plus grande partie des composants en aval du bras. Par conséquent, ces articulations nécessitent souvent un couple de sortie plus élevé.

L’articulation de l’épaule en est un exemple typique. Comme elle supporte une grande partie du bras et fonctionne à une distance considérable de la charge située sur l’effecteur terminal, un actionneur articulaire harmonique plus grand est souvent sélectionné pour cette position.

Les articulations du poignet, en revanche, exigent une prise en compte attentive de la flexion et de la rotation du poignet, des charges d’outillage et de la masse totale de l’ensemble distal. Des modules articulaires plus petits et plus légers sont souvent appropriés lorsqu’ils répondent aux spécifications requises en matière de couple et de mouvement.

Le principe de sélection consiste à calculer les exigences de charge de chaque articulation et à adapter l’actionneur en conséquence, plutôt que d’utiliser simplement le même module sur l’ensemble du bras.

Exemple : actionneurs robotiques harmoniques HONPINE TCHL

Pour illustrer cette approche, considérons une configuration de bras robotique 7-DOF utilisant des actionneurs robotiques harmoniques de la série TCHL de HONPINE.

Dans cet exemple, l’épaule utilise unmodule articulaire TCHL 20, tandis que le poignet utilise un module articulaire TCHL 14.

Le TCHL 14 présente une conception compacte et légère, avec une structure creuse et un passage pour le routage des câbles. Ces caractéristiques en font un candidat pour les ensembles de poignet et de cou robotique à espace restreint, où la réduction de la masse distale est un objectif de conception important.

Cette configuration illustre l’approche de sélection ; elle ne constitue pas une recommandation universelle pour tous les bras robotiques 7-DOF.

Pourquoi les bras robotiques chirurgicaux 7-DOF nécessitent-ils des modules articulaires harmoniques plus avancés ?

Une conception redondante à sept degrés de liberté, associée à des techniques appropriées de planification de mouvement et d’évitement d’obstacles, offre à un bras robotique chirurgical une plus grande liberté de manœuvre dans un espace de travail restreint.

Cette flexibilité aide le système à répondre aux exigences de positionnement et d’accès des procédures chirurgicales complexes.

Les capacités du bras robotique abordées ici comprennent également le mouvement guidé à la main, le fonctionnement motorisé, la commande à distance basée sur API, ainsi que l’identification et la compensation automatiques de la charge utile.

La prise en charge de ces fonctions impose des exigences élevées en matière de détection articulaire, de réponse de commande et d’intégration système.

Détection du couple et contrôle réactif de la force

Pour la configuration de bras chirurgical à commande de force abordée ici, les capteurs de couple intégrés de haute précision constituent une partie importante de la conception du module articulaire.

Ces capteurs fournissent un retour d’information pour le contrôle sensible à la force et la détection des collisions. Les performances décrites pour cette application comprennent une précision de contrôle de force de 0.5 N et une fréquence de mise à jour de commande supérieure à 1,000 Hz.

La capacité visée est une réponse à l’échelle de la milliseconde aux forces de contact, permettant des tâches délicates telles que l’insertion et le vissage contrôlé.

Ces valeurs doivent être associées à une configuration et à une méthode d’essai définies. Elles ne doivent pas être considérées comme des spécifications communes à tous les modules articulaires ou à tous les bras robotiques complets.

Contrôle du couple à large bande passante et mouvement souple

Le contrôle de force à large bande passante peut être résumé comme suit :

Contrôle du couple en boucle fermée à large bande passante + algorithmes de commande souple

L’objectif est de rendre la réponse du système en couple ou en force suffisamment rapide et précise pour la tâche prévue.

Un capteur de couple intégré à haute résolution fournit le retour d’information nécessaire à cette approche de commande. La réponse complète dépend également de la manière dont la détection, l’actionnement et les algorithmes de commande sont intégrés.

Planification de mouvement fondée sur la redondance et évitement d’obstacles

L’évitement d’obstacles fondé sur la redondance peut être décrit par trois éléments clés :

Redondance cinématique + projection dans l’espace nul + optimisation hiérarchique par priorité des tâches

Le degré de liberté supplémentaire offre au bras davantage d’options pour ajuster sa configuration tout en maintenant la tâche requise de l’effecteur terminal.

La planification de mouvement peut coordonner plusieurs objectifs ayant différentes priorités, tels que :

1. Respecter les limites articulaires afin de favoriser un fonctionnement sûr.

2. Réduire au minimum les mouvements et les vitesses articulaires inutiles, avec l’efficacité énergétique comme objectif d’optimisation.

3. Maintenir une configuration de bras appropriée et gérer la proximité des singularités.

Lorsqu’un mouvement redondant suffisant est disponible, le contrôleur dispose d’une plus grande liberté pour prendre en charge des tâches secondaires telles que l’évitement d’obstacles. La possibilité de satisfaire tous les objectifs dépend toujours de l’espace de travail disponible, des limites articulaires et des contraintes de la tâche.

Modules articulaires harmoniques de la série HAG de HONPINE

Pour les applications exigeantes de contrôle de mouvement, HONPINE propose les modules articulaires harmoniques de la série HAG.

La série HAG est destinée aux applications nécessitant un contrôle précis du mouvement et des capacités avancées de détection de force. Safe Torque Off (STO) est disponible en option, selon le modèle et la configuration sélectionnés.

Cette option peut être envisagée dans le cadre de la conception de sécurité du système robotique complet. Elle ne doit pas être interprétée à elle seule comme la confirmation qu’un module articulaire ou un bras robotique est approuvé pour une application médicale particulière.

Lors de l’évaluation d’unmodule articulaire harmonique HAG, confirmez les performances de détection requises, les interfaces de commande et les fonctions de sécurité disponibles pour la configuration spécifique.

En savoir plus sur les actionneurs harmoniques pour bras robotiques 7-DOF

Le choix d’unactionneur articulaire harmoniquecommence par la compréhension des besoins de chaque articulation. Les articulations de l’épaule, du coude et du poignet peuvent avoir des exigences différentes en matière de couple, de poids, d’espace d’installation, de détection et de commande.

Contactez HONPINE pour obtenir davantage d’informations sur les actionneurs rotatifs harmoniques et les modules articulaires pour bras robotiques 7-DOF.