Moteur d’articulation robotique pour robots humanoïdes et robots à roues : comment choisir le bon actionneur d’articulation ?

Introduction

Lorsque l’on pense à un moteur d’articulation robotique, les robots humanoïdes sont souvent la première application qui vient à l’esprit. Un robot humanoïde peut comporter des dizaines d’articulations contrôlées indépendamment, notamment au niveau des hanches, genoux, chevilles, épaules, coudes, poignets, taille, cou et mains. Chaque articulation doit générer un mouvement rotatif contrôlé tout en restant compacte, légère, précise et capable de fonctionner de manière fiable sous des charges dynamiques.

Cependant, les moteurs d’articulation robotiquene se limitent pas aux robots humanoïdes. À mesure que les robots à roues évoluent, passant de simples plateformes mobiles à des systèmes mobiles de manipulation, d’inspection et de service, ils sont de plus en plus équipés de bras robotisés, de têtes rotatives, de mécanismes panoramique-inclinaison, de préhenseurs et d’autres structures articulées. Ces mécanismes nécessitent également des articulations rotatives compactes et contrôlées avec précision.

La question importante n’est donc pas de savoir si un robot est humanoïde ou à roues, mais quel type de mouvement articulaire il doit effectuer.

Une articulation de hanche d’un robot humanoïde et un coude de bras robotisé monté sur un robot mobile peuvent avoir des exigences de couple très différentes, mais tous deux dépendent d’un actionneur rotatif contrôlé. Une tête robotique peut nécessiter beaucoup moins de couple qu’un genou humanoïde, mais sa précision de positionnement et la fluidité de son mouvement peuvent être tout aussi importantes.

Le moteur d’articulation robotique constitue ainsi un élément fondamental de nombreux systèmes robotiques articulés.

Pourquoi les moteurs d’articulation robotique deviennent-ils un élément essentiel des robots ？

Un moteur d’articulation robotique ne doit pas être considéré comme un simple moteur produisant une rotation. Dans un système robotique moderne, l’articulation est une unité électromécanique complète dans laquelle le moteur, le réducteur, le codeur, l’électronique de commande, les roulements, le carter et le système de contrôle fonctionnent ensemble.

Une architecture intégrée classique peut être représentée comme suit :

Moteur + Réducteur + Codeur + Pilote = Moteur d’articulation robotique intégré

Selon l’application, des fonctions supplémentaires telles que la détection du couple, le freinage, la surveillance de la température et les interfaces de communication peuvent également être intégrées à l’articulation.

Cette architecture modifie la manière dont les fabricants de robots conçoivent leurs machines. Au lieu de sélectionner chaque composant séparément puis de les intégrer dans l’articulation finale, les ingénieurs peuvent utiliser un module d’articulation standardisé doté d’interfaces mécaniques, électriques et de communication définies.

Cela devient particulièrement intéressant à mesure que le nombre d’articulations du robot augmente. Un robot humanoïde peut nécessiter des dizaines d’axes motorisés, tandis qu’un robot mobile équipé d’un bras robotisé, d’une tête rotative et d’un système de manipulation peut également comporter plusieurs articulations contrôlées indépendamment.

Plus un robot possède d’articulations, plus une architecture d’actionnement standardisée et reproductible devient précieuse.

Exigences des moteurs d’articulation robotique dans les robots humanoïdes

Les robots humanoïdes imposent certaines des exigences les plus élevées aux moteurs d’articulation robotique, car l’actionneur doit s’intégrer dans une structure mécanique à l’échelle humaine tout en produisant un couple suffisant pour les mouvements dynamiques.

Les articulations de la hanche, du genou et de la cheville peuvent nécessiter un couple continu et de pointe élevé tout en supportant une part importante du poids du robot. Parallèlement, les articulations de l’épaule, du coude, du poignet et du cou nécessitent différentes combinaisons de couple, vitesse, compacité et précision de positionnement.

Un robot humanoïde ne peut donc pas utiliser simplement un actionneur identique dans tout le corps.

L’actionneur utilisé pour une articulation de hanche peut privilégier une forte densité de couple et une grande rigidité mécanique, tandis qu’un actionneur de poignet peut mettre davantage l’accent sur un faible poids, des dimensions compactes et un positionnement précis. Un actionneur de cou ou de tête peut nécessiter un couple relativement faible, mais une excellente fluidité de mouvement et une grande précision angulaire de positionnement.

Pour cette raison, une plateforme d’actionnement humanoïde pratique nécessite généralement plusieurs classes de couple et de dimensions, tout en conservant une architecture système cohérente.

Le principal défi consiste à obtenir des performances articulaires suffisantes sans rendre l’actionneur trop lourd ou trop volumineux. Chaque kilogramme supplémentaire au niveau d’une articulation robotique peut influencer la charge dynamique subie par les autres articulations, augmenter la consommation d’énergie et modifier les caractéristiques globales de mouvement du robot.

C’est pourquoi la densité de couple, la compacité, la rigidité mécanique, les performances thermiques et la précision du retour d’information sont devenues des critères d’évaluation importants pour les moteurs d’articulation des robots humanoïdes.

Les moteurs d’articulation robotique sont également importants dans les robots à roues

Les robots à roues sont souvent décrits principalement sous l’angle de leur plateforme de mobilité, mais leur architecture mécanique peut aller bien au-delà de la base mobile.

Un robot à roues moderne peut transporter un bras robotisé pour la manipulation, une tête rotative pour la perception, un mécanisme panoramique-inclinaison pour le positionnement des capteurs ou un système d’inspection multiaxe. Dès lors que ces mécanismes articulés sont ajoutés, le robot nécessite plusieurs articulations rotatives contrôlées.

Par exemple, un manipulateur mobile peut comporter une chaîne mécanique constituée d’une articulation d’épaule, d’une articulation de coude, d’une articulation de poignet et d’un mécanisme d’effecteur terminal. Le robot peut se déplacer dans son environnement à l’aide d’une plateforme mobile, mais ses fonctions de manipulation reposent sur les mêmes principes fondamentaux que les autres bras robotisés : chaque articulation rotative nécessite un couple contrôlé, un positionnement précis, une rigidité appropriée et un retour d’information fiable.

Le même principe s’applique aux têtes robotisées.

Un robot d’inspection à roues peut utiliser une caméra, un capteur de profondeur ou un autre système de perception monté sur une tête rotative. La tête peut devoir balayer continuellement son environnement, suivre une cible ou maintenir une orientation précise du capteur. Dans ces applications, l’actionneur n’a pas nécessairement besoin du couple extrêmement élevé d’une hanche ou d’un genou humanoïde, mais un faible jeu, des dimensions compactes, une rotation fluide et un contrôle précis de la position peuvent devenir plus importants.

L’utilisation de moteurs d’articulation robotique dans les robots à roues ne doit donc pas être comprise comme un substitut à leur système principal de mobilité. Elle représente plutôt le nombre croissant de fonctions articulées prises en charge par le robot au-delà du déplacement de base.

Les différentes articulations robotiques nécessitent des caractéristiques de moteur différentes

Les exigences d’un moteur d’articulation robotique sont principalement déterminées par la fonction de l’articulation.

Cette comparaison montre pourquoi il ne suffit pas de sélectionner un moteur d’articulation robotique uniquement en fonction de sa puissance nominale.

Un actionneur à couple élevé peut être idéal pour le genou d’un robot humanoïde, mais inutilement volumineux pour une tête robotisée. À l’inverse, un actionneur optimisé pour une faible inertie et un positionnement précis peut ne pas fournir un couple continu suffisant pour une articulation de bras robotisé lourd.

La bonne approche consiste à adapter l’actionneur aux exigences réelles de chaque articulation en matière de couple, de vitesse, de cycle de fonctionnement, de rigidité mécanique, d’espace d’installation et de retour d’information.

Pourquoi les moteurs d’articulation harmoniques sont-ils intéressants pour les articulations robotiques ？

Parmi les différentes technologies de transmission, la transmission harmonique est particulièrement intéressante pour les articulations robotiques nécessitant des rapports de réduction élevés, un faible jeu, des dimensions compactes et une grande précision de positionnement.

Un moteur d’articulation robotique basé sur une transmission harmonique associe le moteur à un réducteur harmonique afin de convertir la rotation à grande vitesse du moteur en un mouvement de sortie contrôlé à couple élevé.

Pour les applications soumises à de fortes contraintes d’espace, cette architecture peut offrir un équilibre intéressant entre le couple de sortie et l’encombrement.

Le faible jeu constitue un autre avantage important pour les articulations robotiques de précision. Lorsque plusieurs articulations fonctionnent ensemble, les erreurs de transmission peuvent affecter la position finale de l’effecteur terminal ou du corps du robot. Une transmission à faible jeu peut donc contribuer à améliorer la contrôlabilité globale de l’articulation.

Toutefois, la transmission harmonique ne doit pas être considérée comme une solution universelle pour chaque articulation robotique. Le rapport de réduction, la vitesse de sortie, le rendement, la réversibilité, la rigidité torsionnelle, les performances thermiques et le cycle de fonctionnement doivent tous être évalués conjointement.

La bonne question n’est donc pas de savoir si un moteur d’articulation harmonique est meilleur que tous les autres actionneurs, mais si ses caractéristiques correspondent aux exigences spécifiques de l’articulation ciblée.

Moteur d’articulation robotique intégré ou moteur et réducteur séparés

Les articulations robotiques traditionnelles utilisent souvent des composants séparés pour le moteur, le réducteur, le codeur et le dispositif de commande. Cette approche offre une certaine flexibilité pendant le développement, car les ingénieurs peuvent remplacer ou modifier individuellement chaque composant.

Cependant, à mesure que les systèmes robotiques s’orientent vers une intégration accrue et des volumes de production plus importants, les avantages d’un moteur d’articulation robotique intégré deviennent de plus en plus évidents.

Lorsque le moteur, le réducteur, le codeur et l’électronique sont conçus comme un seul module, les interfaces mécaniques peuvent être optimisées dès le départ au lieu d’être résolues lors de l’assemblage final. Le carter peut également être conçu autour du moteur et de la transmission afin d’améliorer la rigidité structurelle et la conduction thermique.

L’intégration peut également réduire la complexité du câblage externe. Cela est particulièrement utile autour des articulations rotatives, où les flexions répétées des câbles et les interférences peuvent entraîner des problèmes de fiabilité.

Un autre avantage important est la constance de fabrication. Au lieu d’assembler et d’étalonner individuellement chaque moteur, réducteur, codeur et dispositif de commande dans l’usine de robots, un module d’articulation complet peut être testé et étalonné avant la livraison.

Pour les robots comportant de nombreuses articulations, cela peut réduire considérablement la complexité de l’assemblage et de la mise en service.

Cependant, l’intégration ne signifie pas automatiquement que chaque composant doit être physiquement regroupé dans l’espace le plus réduit possible. Les chemins thermiques, les exigences de maintenance, le positionnement des capteurs et la rigidité mécanique doivent être pris en compte dès la conception initiale de l’architecture de l’articulation.

Une articulation véritablement intégrée n’est donc pas simplement un ensemble de composants placés dans un même carter. Il s’agit d’un système d’articulation conçu simultanément autour des exigences mécaniques, électriques, thermiques et de contrôle.

Comment choisir le bon moteur d’articulation robotique ？

La sélection d’un moteur d’articulation robotique doit commencer par le mouvement de sortie requis, et non par la puissance nominale du moteur.

Tout d’abord, les ingénieurs doivent déterminer le couple de sortie continu et de pointe requis dans les conditions réelles de fonctionnement. Une articulation robotique qui n’atteint son couple maximal que pendant une fraction de seconde présente des exigences très différentes de celles d’une articulation qui maintient en continu une charge lourde.

La vitesse de sortie est tout aussi importante. Le moteur peut fonctionner à une vitesse relativement élevée, mais c’est le réducteur qui détermine la vitesse finale et le couple de sortie de l’articulation. Le rapport de réduction doit donc être sélectionné en tenant compte à la fois du couple et de la vitesse, plutôt que de maximiser un seul paramètre.

La rigidité mécanique et le jeu doivent ensuite être évalués en fonction des exigences de précision de l’application. Les bras robotisés de haute précision, les articulations humanoïdes et les mécanismes de positionnement peuvent nécessiter des caractéristiques de transmission très différentes de celles de mécanismes rotatifs moins exigeants.

L’architecture de retour d’information constitue également un élément important. Un codeur côté moteur peut fournir un contrôle moteur à grande vitesse, tandis qu’un codeur côté sortie peut fournir des informations plus directes sur la position finale de l’articulation. Pour les applications robotiques avancées, les architectures à double codeur peuvent offrir des capacités supplémentaires de contrôle et de retour d’information.

Les performances thermiques doivent également être évaluées à partir du cycle réel de fonctionnement. Les seules données de couple de pointe de courte durée ne peuvent pas représenter fidèlement les performances d’une articulation fonctionnant en continu sous des charges dynamiques.

Enfin, les ingénieurs doivent prendre en compte le poids et les dimensions de l’actionneur, l’interface de communication, les exigences de câblage, la stratégie de maintenance et le niveau d’intégration.

Le meilleur moteur d’articulation robotique n’est donc pas nécessairement celui qui offre le couple ou la puissance les plus élevés. C’est celui qui fournit le couple, la vitesse, la précision, la rigidité, les performances thermiques et le niveau d’intégration requis dans l’enveloppe mécanique disponible.

Pourquoi les moteurs d’articulation robotique modulaires deviennent-ils plus importants ？

À mesure que les fabricants de robots développent différentes plateformes et générations de robots, le besoin de plateformes d’actionnement modulaires augmente.

Les différentes articulations nécessitent des niveaux de performance différents, mais la refonte complète de l’architecture électrique et mécanique pour chaque articulation génère un travail d’ingénierie inutile.

Une plateforme modulaire de moteurs d’articulation robotique peut au contraire proposer plusieurs tailles d’actionneurs et classes de couple tout en conservant des principes de conception mécaniques et électriques communs.

Par exemple, un fabricant de robots pourrait utiliser un actionneur à couple élevé pour la hanche d’un robot humanoïde, un actionneur de taille moyenne pour un coude et un actionneur compact pour un poignet ou une tête robotisée.

Les actionneurs eux-mêmes peuvent être différents, mais la méthodologie globale de développement reste cohérente.

Cette approche peut raccourcir les cycles de développement, simplifier les essais et faciliter le passage de robots prototypes à des plateformes de production.

Pour les fabricants qui développent plusieurs produits robotiques, la modularité peut donc être aussi importante que les performances d’un actionneur individuel.

L’avenir des moteurs d’articulation robotique

Le développement des moteurs d’articulation robotique évolue vers une intégration plus poussée.

Les futurs modules d’actionnement devraient intégrer davantage de fonctions dans un boîtier mécanique standardisé, notamment le moteur, le réducteur de précision, le codeur, l’électronique de commande, la détection du couple, la surveillance de la température, la communication et les fonctions de sécurité.

L’articulation robotique deviendra ainsi de plus en plus une unité électromécanique indépendante, capable de recevoir des commandes, de générer un couple, de mesurer son propre état de fonctionnement et de communiquer avec le contrôleur du robot.

Cette tendance est particulièrement visible dans la robotique humanoïde, mais la technologie sous-jacente peut également prendre en charge les bras robotisés, les manipulateurs mobiles, les robots d’inspection, les robots collaboratifs, les robots quadrupèdes et d’autres systèmes articulés.

Le point commun entre ces plateformes n’est ni la forme du robot ni son mode de mobilité.

Il s’agit de la nécessité de générer un mouvement rotatif précis et contrôlé à partir d’une articulation compacte et hautement intégrée.

Conclusion

Le moteur d’articulation robotique n’est plus une catégorie de composants limitée aux robots humanoïdes.

Les robots humanoïdes nécessitent de nombreux moteurs d’articulation au niveau des hanches, genoux, chevilles, épaules, coudes, poignets, cou et mains. Les robots à roues sont quant à eux de plus en plus équipés de bras robotisés, de têtes rotatives, de systèmes panoramique-inclinaison, de mécanismes d’inspection et d’autres structures articulées qui dépendent également d’articulations rotatives contrôlées.

La distinction importante ne consiste donc pas à déterminer si le robot est humanoïde ou à roues.

Elle réside dans ce que chaque articulation doit accomplir.

Les articulations humanoïdes fortement sollicitées peuvent privilégier la densité de couple, la rigidité, la capacité thermique et la réponse dynamique. Les articulations de bras robotisés peuvent nécessiter un équilibre entre couple, vitesse, précision et répétabilité. Les têtes robotisées et les mécanismes panoramique-inclinaison peuvent accorder davantage d’importance au faible jeu, à la précision de positionnement, à la compacité et à la fluidité du mouvement.

C’est pourquoi la sélection d’un moteur d’articulation robotique doit commencer par les exigences réelles de l’articulation, plutôt que par la catégorie générale du robot.

Pour les robots humanoïdes, les manipulateurs mobiles, les robots d’inspection, les bras robotisés et les autres systèmes robotiques articulés, un moteur d’articulation robotique intégré associant un moteur, un réducteur de précision, un codeur et un dispositif de commande peut fournir une base standardisée pour la construction d’articulations robotiques compactes et performantes.

L’avenir de l’actionnement robotique ne consiste pas simplement à rendre le moteur plus puissant. Il s’agit de créer un module d’articulation qui intègre la génération du couple, la transmission, le retour d’information, le contrôle et la structure mécanique dans un système optimisé pour les exigences de mouvement spécifiques du robot.