Comment dimensionner les modules d’articulation d’un bras robotisé ? Guide pratique d’ingénierie

Introduction

Le choix du bonmodule d’articulation robotiqueconstitue une étape importante de la conception d’un bras robotisé, mais la sélection de l’articulation ne doit pas commencer par une simple comparaison des couples nominaux des moteurs. Un bras robotisé est un système mécanique couplé, et les performances d’une articulation peuvent directement affecter la charge, l’inertie et les exigences dynamiques des autres articulations.

Une approche courante consiste à sélectionner un module d’articulation selon la charge utile nominale du robot. Cela peut conduire à une conception surdimensionnée ou sous-dimensionnée, car la charge utile ne représente qu’une partie de la charge totale. L’articulation doit également déplacer la structure mécanique en aval, notamment les bras, effecteurs terminaux, câbles, capteurs et autres composants intégrés. Lors des accélérations et des décélérations, un couple supplémentaire est nécessaire pour surmonter l’inertie de rotation. L’articulation sélectionnée doit donc satisfaire aux exigences statiques et dynamiques tout en maintenant une marge de sécurité appropriée.

La masse de l’articulation est un autre facteur facile à négliger. Une articulation plus lourde peut offrir une capacité de couple supérieure, mais si cette masse supplémentaire est installée loin de la base du robot, elle peut augmenter la charge inertielle subie par le reste du bras robotisé. Cela peut finalement nécessiter des moteurs en amont plus grands et réduire les performances d’accélération de l’ensemble du système.

Pour cette raison, l’objectif du dimensionnement des articulations robotiques n’est pas de sélectionner la plus grande articulation disponible. Il consiste à déterminer la plus petite articulation pratique capable de satisfaire aux exigences de couple, de vitesse, de rigidité, de performances thermiques et de conditions de service, sans augmenter inutilement la masse et l’inertie du bras robotisé.

Cet article explique une approche d’ingénierie pratique pour dimensionner desmodules d’articulation robotique pour bras robotisés, en mettant l’accent sur le calcul de charge, l’inertie de rotation, la masse des articulations, la densité de couple, l’intégration mécanique et l’optimisation au niveau du système.

1. La sélection d’une articulation robotique doit commencer par le modèle mécanique

Avant de sélectionner un module d’articulation robotique, le bras robotisé doit être représenté sous la forme d’un modèle mécanique comprenant les dimensions et masses des bras, la charge utile, l’effecteur terminal, les positions des articulations et les centres de gravité approximatifs.

L’objectif de ce modèle n’est pas nécessairement de créer une simulation complexe dès le début du projet. Un modèle mécanique simplifié peut déjà fournir des informations précieuses sur les exigences de couple de chaque axe.

Pour chaque articulation, l’ingénieur doit comprendre quelle masse en aval l’articulation doit déplacer et à quelle distance cette masse se situe de l’axe de l’articulation.

Une approximation statique simple peut s’exprimer comme suit :

T = m × g × L

où T représente le couple gravitationnel, m représente la masse en aval, g représente l’accélération gravitationnelle et L représente la distance perpendiculaire entre l’axe de l’articulation et le centre de masse.

Cette équation montre pourquoi le couple requis ne peut pas être déterminé à partir de la seule charge utile. La masse des bras et composants propres au robot peut représenter une part importante de l’exigence de couple, en particulier lorsque le bras fonctionne dans des positions étendues.

Un processus de dimensionnement correct des articulations doit donc commencer par la structure mécanique plutôt que par le catalogue de produits.

2. La charge utile n’est qu’une partie de la charge de l’articulation

Lorsqu’un bras robotisé est décrit comme ayant une certaine capacité de charge utile, il est facile de supposer que la charge utile détermine le couple requis de l’articulation.

En réalité, l’articulation est responsable du déplacement de l’ensemble complet situé en aval.

Selon la structure du robot, cela peut comprendre la charge utile, l’effecteur terminal, les bras, roulements, câbles, capteurs et autres modules d’articulation situés plus loin sur le bras.

Plus une masse est éloignée d’un axe d’articulation, plus sa contribution au couple gravitationnel est importante.

Par exemple, lorsqu’un bras robotisé s’étend horizontalement, la distance entre l’axe d’articulation et le centre de masse en aval peut augmenter considérablement. La même charge utile qui produit un couple relativement faible lorsque le bras est replié peut créer un couple beaucoup plus important lorsque le bras est entièrement déployé.

Cela signifie que le dimensionnement des articulations doit prendre en compte des postures représentatives et les plus défavorables du robot, plutôt que de s’appuyer sur une seule position nominale.

La question pratique n’est pas simplement :

"Quelle est la charge utile du robot ?"

Elle est :

"Quelle masse totale en aval cette articulation doit-elle déplacer, et où cette masse se situe-t-elle dans la condition de fonctionnement la plus exigeante ?"

Cette distinction est fondamentale lors de la conception d’un bras robotisé fiable.

3. Le mouvement dynamique ajoute un couple inertiel

Les calculs de couple statique fournissent un point de départ utile, mais ils ne sont pas suffisants pour un bras robotisé qui doit accélérer et décélérer rapidement.

Pendant le mouvement dynamique, l’articulation doit également générer un couple pour accélérer l’inertie de rotation de la structure en aval.

La relation de base est :

T_inertia = J × α

où J représente l’inertie de rotation équivalente et α représente l’accélération angulaire.

L’exigence de couple totale peut donc être considérée comme suit :

T_required = T_gravity + T_inertia + T_external

Le terme externe peut inclure les forces générées par l’effecteur terminal, les charges de procédé, les forces de câbles ou d’autres perturbations spécifiques à l’application.

Cela est particulièrement important lorsque le bras robotisé est conçu pour des opérations de prise et de dépose à grande vitesse, de chargement de machines, d’assemblage, d’inspection ou d’autres applications impliquant des accélérations et décélérations fréquentes.

Une articulation qui semble adéquate dans des conditions statiques peut nécessiter un couple nettement plus élevé pendant le fonctionnement dynamique.

Pour cette raison, les ingénieurs doivent utiliser le profil de mouvement réel chaque fois que possible. La vitesse maximale seule ne détermine pas l’exigence de couple dynamique. L’accélération, la décélération, la répartition de la charge utile et l’inertie de rotation de la structure mobile peuvent être tout aussi importantes.

4. La masse de l’articulation peut modifier les exigences de l’ensemble du robot

L’une des considérations les plus importantes dans le dimensionnement des articulations robotiques est la masse de l’articulation sélectionnée elle-même.

Lorsqu’un module d’articulation est installé dans un bras robotisé, son poids devient une partie de la charge en aval des autres articulations.

Cela signifie que la sélection d’une articulation plus lourde peut modifier l’exigence de couple de l’ensemble du système mécanique.

Prenons un exemple simple. Si une articulation plus lourde est installée près de l’extrémité du bras robotisé, sa masse contribue à la charge qui doit être accélérée par les articulations plus proches de la base du robot. Si cette masse supplémentaire nécessite une articulation en amont plus grande, cette articulation en amont devient elle-même plus lourde, ce qui peut à nouveau augmenter la charge.

Cela crée une relation à l’échelle du système entre la taille des articulations et la masse du robot.

L’effet devient encore plus significatif lorsqu’on considère l’inertie de rotation. Pour une masse ponctuelle simplifiée, l’inertie de rotation peut être approximée comme suit :

J = m × r²

où m est la masse et r est la distance par rapport à l’axe de rotation.

Comme la distance est élevée au carré, une augmentation relativement faible de la masse distale peut avoir un effet disproportionné sur l’inertie perçue par une articulation en amont.

C’est pourquoi choisir une articulation avec une capacité de couple excessive peut parfois réduire les performances globales du robot au lieu de les améliorer.

La meilleure articulation est généralement celle qui offre des performances suffisantes sans ajouter de masse inutile.

5. La densité de couple est un paramètre clé pour la conception des bras robotisés

Pour les bras robotisés, le couple maximal est important, mais il ne doit pas être considéré isolément.

La densité de couple fournit une autre méthode utile pour comparer les modules d’articulation robotique.

En termes pratiques, la densité de couple décrit le couple de sortie qu’une articulation peut fournir par rapport à sa masse ou à son volume physique.

Une articulation à haute densité de couple peut fournir le couple de sortie requis tout en maintenant une structure robotique compacte et légère.

Cela est particulièrement utile lorsque l’articulation est installée loin de la base du robot.

La réduction de la masse distale peut diminuer les exigences de couple et d’inertie des articulations en amont. Par conséquent, l’avantage d’une articulation légère à haute densité de couple peut s’étendre au-delà de l’axe individuel sur lequel elle est installée.

Par exemple, si un module d’articulation harmonique compact peut fournir le couple requis avec moins de masse qu’une alternative plus grande, la réduction du poids distal peut améliorer l’équilibre mécanique global du bras robotisé.

Cela peut contribuer à une accélération plus élevée, une consommation d’énergie réduite, une diminution des charges structurelles et une meilleure réponse dynamique.

Par conséquent, lors de la comparaison de moteurs d’articulation robotique ou de modules d’articulation robotique harmonique candidats, les ingénieurs doivent considérer la relation entre le couple de sortie, la masse de l’articulation, les dimensions physiques et les exigences réelles de l’application.

6. Ne surdimensionnez pas chaque articulation pour la même raison

L’utilisation d’une articulation surdimensionnée dans l’ensemble du bras robotisé peut sembler simplifier l’ingénierie, car le même produit peut être utilisé sur plusieurs axes.

Cependant, cette approche peut introduire une masse et un coût inutiles.

Une articulation adaptée à un axe à forte charge peut être excessive pour un axe à charge plus faible. Installer cette articulation plus grande là où elle n’est pas requise augmente la masse du robot sans nécessairement améliorer ses performances utiles.

La masse supplémentaire peut également augmenter la charge sur les autres articulations.

Pour un fabricant de bras robotisés, le meilleur objectif est de créer une plateforme d’articulations standardisée comportant plusieurs classes adaptées de tailles et de couples.

Cela permet de maintenir la même philosophie de conception mécanique et électrique de base tout en sélectionnant des capacités d’articulation différentes selon les exigences réelles de chaque axe.

La standardisation peut réduire la complexité de l’ingénierie et de la production, mais elle ne signifie pas que chaque axe doit utiliser exactement la même articulation.

L’approche idéale consiste à minimiser le nombre de variantes d’articulations tout en conservant un équilibre couple/poids approprié.

7. La taille mécanique doit être évaluée avec le couple

Un module d’articulation robotique doit s’intégrer dans la structure du bras robotisé, mais une dimension extérieure compacte ne doit pas être évaluée séparément des performances mécaniques requises.

L’espace d’installation disponible, l’interface de montage, la longueur de l’articulation, la structure de sortie, l’agencement des roulements, le passage des câbles et les composants environnants influencent tous la conception finale de l’articulation.

Une articulation offrant un couple suffisant mais une longueur axiale excessive peut exiger une refonte majeure de la structure du bras.

De même, une articulation compacte peut s’adapter mécaniquement, mais manquer de couple continu ou de capacité thermique suffisante pour le cycle de service prévu.

C’est pourquoi la sélection de l’articulation doit être réalisée conjointement avec la conception mécanique.

Pour chaque module candidat, les ingénieurs doivent comparer les caractéristiques de couple et de vitesse du produit avec ses dimensions globales et sa masse. L’objectif est de déterminer si l’articulation peut satisfaire aux exigences de performance du robot dans l’encombrement mécanique disponible.

Pour les bras robotisés compacts, cet équilibre entre couple, masse, diamètre et volume d’installation peut être plus important que toute spécification individuelle.

8. Le couple continu et le couple de pointe doivent être évalués à partir du profil de mouvement

L’exigence de couple d’un bras robotisé n’est pas constante pendant le fonctionnement.

Différentes postures du robot et phases de mouvement peuvent produire des charges considérablement différentes.

Pendant l’accélération, le couple requis peut augmenter parce que l’articulation doit surmonter l’inertie de rotation. Pendant une posture statique maintenue, le couple gravitationnel peut devenir le facteur dominant. Pendant une décélération rapide, le système peut connaître une autre condition de couple élevé.

Pour cette raison, les ingénieurs doivent distinguer les exigences de fonctionnement continu et de pointe.

Une articulation peut disposer d’un couple de pointe suffisant pour un court événement d’accélération, mais rester inadaptée à un fonctionnement continu si sa capacité thermique est insuffisante.

Inversement, sélectionner une très grande articulation simplement pour augmenter la capacité de couple de pointe peut introduire une masse inutile.

L’approche correcte consiste à comparer les capacités continues et de pointe de l’articulation avec le profil de mouvement réel du robot.

Pour les applications impliquant des cycles répétitifs, le cycle de service doit également être pris en compte, car la charge thermique moyenne peut être très différente de la charge de pointe instantanée.

9. La sélection des articulations doit être vérifiée à l’aide du modèle complet du robot

Les calculs initiaux de couple ne sont qu’un début.

Une fois les modules d’articulation candidats sélectionnés, leurs masses et dimensions réelles doivent être intégrées au modèle du bras robotisé.

Cela est important parce que l’articulation sélectionnée devient une partie du système mécanique.

Par exemple, si le calcul initial suppose une articulation de 1 kg mais que le produit sélectionné pèse 1.8 kg, le calcul de masse en aval doit être mis à jour. La masse supplémentaire peut modifier le couple requis des articulations en amont.

Le même principe s’applique au centre de gravité et à l’inertie de rotation.

Un flux de travail d’ingénierie pratique est donc itératif. Le concepteur estime d’abord le couple requis, sélectionne une articulation adaptée, met à jour le modèle du robot avec la masse et les dimensions réelles de l’articulation, recalcule les exigences du système, puis confirme si les modules sélectionnés restent appropriés.

Cette approche est plus fiable que de sélectionner toutes les articulations une seule fois et de supposer que les calculs d’origine restent valables.

10. Exemple pratique : dimensionnement d’un bras robotisé à 6 axes

Considérons un bras robotisé à 6 axes avec une charge utile d’environ 2 kg et une portée d’environ 500 mm.

Ces deux chiffres seuls ne suffisent pas à déterminer les modules d’articulation corrects. Les masses des bras, les masses des articulations, le poids de l’effecteur terminal, le centre de gravité de la charge utile, l’accélération, la vitesse et la posture du robot doivent également être pris en compte.

Le processus de conception peut commencer par la création d’un modèle mécanique simplifié du bras.

Pour chaque articulation, calculez la masse totale en aval et son centre de gravité. Déterminez ensuite le couple gravitationnel dans les postures représentatives les plus exigeantes.

Calculez ensuite le couple inertiel en fonction de l’accélération angulaire requise.

L’exigence de couple résultante peut ensuite être comparée aux modules d’articulation candidats en tenant compte de leur masse, diamètre, longueur, vitesse, rigidité et caractéristiques thermiques.

Après avoir sélectionné des modules préliminaires, ajoutez leurs masses réelles au modèle du robot et répétez le calcul.

Ce processus itératif peut révéler qu’une articulation à couple élevé apparemment attrayante est inutilement lourde, ou qu’une articulation plus petite avec une densité de couple plus élevée offre une meilleure solution globale.

La sélection finale doit donc être basée sur le bras robotisé complet plutôt que sur des spécifications de produits isolées.

11. Comment les modules d’articulation harmonique prennent en charge les bras robotisés compacts

La transmission harmonique est largement utilisée dans les systèmes de mouvement robotiques, car elle peut offrir des rapports de réduction élevés, des dimensions compactes, une densité de couple élevée et un faible jeu.

Lorsqu’elle est intégrée à un module d’articulation robotique, la transmission harmonique peut être combinée avec un moteur, un encodeur et d’autres fonctions requises par l’architecture du robot.

La valeur de cette intégration est particulièrement évidente lorsque le robot dispose d’un espace d’installation limité.

Un actionneur d’articulation harmonique compact peut réduire le nombre de composants séparés à intégrer dans la structure du robot et simplifier l’intégration mécanique.

Cependant, l’articulation harmonique appropriée doit toujours être sélectionnée en fonction des exigences réelles du robot.

Le rapport de réduction, le couple de sortie, la vitesse, la masse de l’articulation, les dimensions, la rigidité, les performances thermiques, la configuration de l’encodeur et l’interface de commande doivent tous être pris en compte dans la conception du système.

L’objectif d’une articulation intégrée n’est pas simplement de combiner plusieurs composants dans un seul boîtier. Il consiste à fournir une unité de mouvement pratique pouvant être intégrée à l’architecture mécanique et de commande du bras robotisé.

12. L’intégration électrique et de commande doit être prise en compte lors de la conception mécanique

Bien que cet article se concentre sur le dimensionnement mécanique, l’intégration électrique ne doit pas être reportée après l’achèvement de la conception mécanique.

Le module d’articulation robotique sélectionné doit fonctionner avec l’alimentation électrique, le contrôleur, l’architecture de communication et le système de retour du robot.

Pour une articulation intégrée, les ingénieurs doivent confirmer la tension d’alimentation requise, la capacité de courant, l’interface de communication, la configuration de l’encodeur, l’architecture du variateur et les données de retour disponibles.

Ces informations peuvent affecter l’architecture globale du robot, notamment lorsque plusieurs modules d’articulation fonctionnent à partir d’un système d’alimentation DC commun.

Le cheminement physique des câbles d’alimentation et de communication doit également être pris en compte lors de la conception mécanique. Une articulation offrant un passage de câble interne approprié peut simplifier l’intégration de l’ensemble du bras robotisé.

Le principe clé est d’évaluer conjointement l’intégration mécanique et électrique plutôt que de traiter l’articulation comme un composant moteur isolé.

13. Une approche au niveau du système pour le dimensionnement des articulations robotiques

Un processus fiable de dimensionnement des articulations robotiques peut être résumé en plusieurs étapes d’ingénierie liées.

La première étape consiste à définir la géométrie du robot et ses conditions de fonctionnement. Cela comprend les dimensions des bras, la répartition des masses, la charge utile, l’effecteur terminal, la vitesse, l’accélération et le cycle de travail.

La deuxième étape consiste à calculer les exigences de couple statique et dynamique de chaque axe.

La troisième étape consiste à comparer les modules d’articulation candidats selon le couple, la vitesse, la masse, les dimensions, la rigidité et la capacité thermique.

La quatrième étape consiste à intégrer les masses des articulations sélectionnées dans le modèle mécanique complet et à recalculer les exigences en amont.

La cinquième étape consiste à vérifier la configuration finale dans les conditions de fonctionnement réelles du robot, y compris les postures représentatives, l’accélération, le fonctionnement continu et la charge thermique.

Ce processus évite une erreur de conception courante consistant à sélectionner chaque articulation indépendamment, sans considérer son effet sur le bras robotisé complet.

14. L’approche de HONPINE pour la sélection des modules d’articulation robotique

HONPINE fournit des réducteurs harmoniques, des moteurs d’articulation harmonique, des actionneurs rotatifs harmoniques, des réducteurs planétaires et des solutions de mouvement intégrées pour les applications robotiques et d’automatisation industrielle.

Pour les projets de bras robotisés, la sélection des articulations peut être évaluée selon les exigences réelles du système mécanique plutôt qu’en faisant simplement correspondre un chiffre de charge utile à un couple nominal de moteur.

Les paramètres clés comprennent la charge utile, la portée du bras, la masse des bras, la vitesse des articulations, l’accélération, le cycle de service, les dimensions d’installation, le couple requis, l’alimentation électrique et l’architecture de commande.

Ces paramètres peuvent être utilisés pour évaluer la combinaison appropriée de moteur, transmission harmonique, encodeur, architecture d’entraînement et interface mécanique.

Pour les applications robotiques personnalisées, le processus de sélection des articulations peut commencer par le modèle mécanique et les exigences de charge du robot. Les modules d’articulation candidats peuvent ensuite être évalués selon leur capacité de couple, leur masse, leurs dimensions, leur vitesse et leurs exigences d’intégration.

Cette approche permet d’optimiser l’architecture des articulations conjointement avec le bras robotisé au lieu de traiter l’articulation comme un composant indépendant.

15. Liste de contrôle pour le dimensionnement des modules d’articulation robotique

Avant de finaliser un module d’articulation robotique, les ingénieurs doivent vérifier la relation complète entre l’articulation et le bras robotisé.

La masse en aval doit être calculée pour chaque axe, y compris la charge utile, l’effecteur terminal, les bras, les câbles, les capteurs et les autres composants que l’articulation doit déplacer. Le centre de gravité doit être pris en compte dans les postures représentatives et les plus défavorables du robot.

Le couple gravitationnel statique et le couple inertiel dynamique doivent être calculés séparément. Le couple continu et le couple de pointe requis doivent ensuite être comparés au cycle de fonctionnement réel.

La masse de l’articulation sélectionnée doit être intégrée au modèle complet du robot, car elle peut modifier les exigences de couple et d’inertie des articulations en amont.

Les ingénieurs doivent également comparer la densité de couple, les dimensions de l’articulation, la vitesse, la rigidité, la capacité thermique, l’interface mécanique, le cheminement des câbles, l’alimentation électrique et la compatibilité de commande.

L’objectif final est de sélectionner une articulation qui satisfait aux exigences de performance du robot sans ajouter de masse ou de complexité mécanique inutiles.

Conclusion

Le dimensionnement d’un module d’articulation robotique pour un bras robotisé est un problème d’ingénierie au niveau du système.

La charge utile n’est qu’une partie du calcul. L’articulation doit également déplacer les bras en aval, l’effecteur terminal, les câbles, les capteurs et les autres composants. Pendant le fonctionnement dynamique, l’inertie de rotation et l’accélération créent des exigences de couple supplémentaires. Dans le même temps, la masse de l’articulation sélectionnée peut affecter la charge et l’inertie subies par les autres articulations.

C’est pourquoi le simple choix de l’articulation au couple le plus élevé est rarement la meilleure stratégie de conception.

Une approche plus efficace consiste à calculer la charge de chaque axe, évaluer le couple gravitationnel et inertiel, considérer la masse et la densité de couple des modules d’articulation candidats, puis vérifier le bras robotisé complet en incluant les composants sélectionnés dans le modèle mécanique.

Pour les bras robotisés compacts et de précision, un module d’articulation robotique harmonique correctement dimensionné peut offrir une combinaison utile d’intégration compacte, de densité de couple élevée, de rapport de réduction élevé et de mouvement rotatif précis.

L’objectif n’est pas de rendre chaque articulation aussi puissante que possible.

L’objectif est de créer une architecture d’articulations équilibrée dans laquelle chaque module fournit les performances requises tout en maintenant le bras robotisé complet léger, réactif et mécaniquement efficace.

HONPINE fournit des solutions de transmission harmonique et de mouvement intégré pour les applications robotiques et d’automatisation. Pour un projet de bras robotisé spécifique, la fourniture de la charge utile, de la portée, de la masse des bras, de la vitesse des articulations, de l’accélération, du cycle de service et des exigences d’installation peut constituer une base solide pour évaluer le module d’articulation robotique approprié.