Moteur d’articulation robotique à double encodeur : comment réduire le jeu du réducteur harmonique et améliorer la précision de positionnement

Introduction

Un moteur d'articulation robotique ne se résume pas à un moteur associé à un réducteur. Dans une articulation robotique haute performance, le couple moteur, la transmission par réduction, le retour d'information de l'encodeur, la rigidité mécanique, les algorithmes de commande et la précision de la sortie interagissent pour déterminer les performances de mouvement finales.

Cela devient particulièrement important lorsqu'un réducteur harmonique est utilisé à l'intérieur du moteur de l'articulation du robot.

Les réducteurs harmoniques sont largement utilisés dans les articulations robotiques car ils offrent un rapport de réduction élevé, des dimensions compactes, une densité de couple élevée et un jeu très faible. Cependant, un point technique est souvent mal compris : un réducteur harmonique n’a pas littéralement un jeu nul.

De nombreux fabricants présentent les réducteurs d'harmoniques comme ayant un « jeu nul » à des fins marketing. D'un point de vue technique, il est plus exact de dire qu'ils présentent un jeu extrêmement faible, voire nul, dans des conditions de fonctionnement spécifiées.

Même lorsque le jeu mécanique est extrêmement faible, la position de sortie réelle d'une articulation de robot peut toujours être affectée par une erreur de transmission, une déformation élastique, une compliance en torsion, une variation de charge, une déformation des roulements, une tolérance d'assemblage et d'autres facteurs.

C’est là que l’architecture de rétroaction du moteur articulaire du robot devient cruciale.

Un codeur simple côté moteur indique au contrôleur le sens de rotation du moteur. Une architecture à double codeur ajoute un point de mesure supplémentaire côté sortie, permettant au contrôleur de comprendre ce qui se passe réellement après le réducteur.

Pour les robots de haute précision et à haute dynamique, cette différence peut avoir un impact significatif sur le positionnement, le suivi de trajectoire, le contrôle de la force et la stabilité du mouvement.

Le jeu du réducteur d'harmoniques est extrêmement faible, mais il n'est pas littéralement nul.

La popularité des réducteurs d'harmoniques en robotique est étroitement liée à leur capacité à réaliser une structure de transmission à très faible jeu dans un format compact.

Contrairement aux réducteurs d'engrenages classiques, la transmission harmonique utilise une cannelure flexible, une cannelure circulaire et un générateur d'ondes pour atteindre des rapports de réduction élevés grâce à une déformation élastique contrôlée.

Cette architecture permet aux fabricants de minimiser le jeu mécanique entre les composants engrenés.

De ce fait, les réducteurs harmoniques peuvent atteindre des niveaux de jeu extrêmement faibles par rapport à de nombreux mécanismes de réduction conventionnels.

Cependant, un jeu extrêmement faible ne doit pas être automatiquement décrit comme un jeu nul absolu.

Dans les systèmes mécaniques réels, plusieurs facteurs peuvent contribuer à l'écart de position de sortie. Il peut s'agir notamment des tolérances de fabrication, des conditions d'assemblage, de la précharge, de l'usure, de la température, du sens de la charge, de la déformation élastique et des variations des conditions de fonctionnement.

Par conséquent, les ingénieurs qui évaluent un moteur d'articulation de robot doivent faire la distinction entre trois concepts différents :

Le jeu mécanique, ou jeu perdu, associé à l'inversion du mouvement.

L'erreur de transmission décrit la différence entre le comportement théorique et le comportement réel de la transmission.

La déformation élastique se produit lorsque la structure de transmission et mécanique se déforme sous l'effet du couple et de la charge externe.

Ces effets sont liés, mais ils ne sont pas identiques.

Cette distinction est particulièrement importante lorsqu'un robot doit maintenir une grande précision de positionnement tout en transportant une charge variable.

Pourquoi un faible jeu angulaire n'implique-t-il pas automatiquement une précision de rendement élevée ?

Il est tentant de supposer qu'un réducteur harmonique à jeu extrêmement faible produira automatiquement une articulation robotique tout aussi précise.

En pratique, la transmission mécanique ne représente qu'une partie de la chaîne cinématique complète.

Considérons un moteur d'articulation de robot composé d'un moteur, d'un réducteur harmonique et d'un codeur côté moteur.

L'encodeur mesure la position de rotation de l'arbre moteur. Le contrôleur peut ainsi déterminer si le moteur a atteint la position demandée.

Mais l'arbre moteur n'est pas la sortie finale de l'articulation du robot.

Entre le moteur et la liaison du robot se trouvent la transmission harmonique, les roulements, le carter, la bride de sortie et la structure mécanique. Sous différentes charges, chaque composant contribue à la position finale de la sortie.

Par exemple, lorsque le robot accélère rapidement, s'arrête brusquement, change de direction ou applique une force extérieure, le couple transmis par l'articulation change considérablement.

L'encodeur côté moteur peut indiquer que le moteur a atteint la position commandée, tandis que la bride de sortie peut subir une différence faible mais mesurable due à la transmission et à la structure mécanique.

C’est pourquoi le retour d’information sur la position du moteur et le retour d’information sur la position de sortie ne sont pas nécessairement la même chose.

Pour les applications robotiques exigeantes, les ingénieurs doivent de plus en plus prendre en compte la chaîne de rétroaction complète plutôt que de se concentrer uniquement sur la résolution de l'encodeur moteur.

Que peut et ne peut pas vous dire un seul encodeur ?

Un moteur d'articulation de robot conventionnel peut utiliser un seul encodeur côté moteur.

Cette configuration présente plusieurs avantages. Elle est relativement simple, compacte, économique et suffisante pour de nombreuses applications.

L'encodeur côté moteur fournit au contrôleur des informations importantes sur la position et la vitesse du moteur. Il prend en charge la commutation, le contrôle de vitesse, le contrôle de position et d'autres fonctions d'asservissement.

Cependant, il ne mesure pas directement la position angulaire réelle de l'arbre de sortie.

Cette distinction devient plus importante à mesure que le taux de réduction augmente.

Le contrôleur peut calculer la position de sortie théorique à partir de la position du moteur et du rapport de réduction, mais la position calculée repose toujours sur l'hypothèse que la transmission se comporte exactement comme prévu.

En conditions réelles d'utilisation, la transmission peut subir une déformation élastique ou d'autres écarts de position.

Pour les robots qui ne nécessitent qu'une précision modérée, cela peut ne pas représenter une limitation importante.

Pour les bras robotisés de haute précision, les robots humanoïdes, les robots médicaux, les manipulateurs à commande de force et autres systèmes nécessitant un mouvement très réactif, la différence entre la position de sortie calculée et la position de sortie réelle devient cependant beaucoup plus importante.

Comment les doubles encodeurs modifient-ils l'architecture de rétroaction ?

Un moteur à double encodeur pour articulation de robot place un encodeur côté moteur et un autre côté sortie.

Les deux encodeurs observent différentes parties de la chaîne de mouvement.

L'encodeur côté moteur fournit principalement des informations sur la position et la vitesse du moteur.

L'encodeur côté sortie mesure directement la position de la sortie articulaire.

Le contrôleur peut alors comparer les deux signaux de retour pour comprendre le comportement de la transmission.

Cela ne signifie pas que le second encodeur élimine comme par magie le jeu mécanique.

Il offre en revanche quelque chose qu'un encodeur unique ne peut pas fournir : des informations directes sur la position de sortie réelle.

Ce retour d'information supplémentaire peut aider le système de contrôle à identifier et à compenser les différences de position dues aux caractéristiques de transmission et à la déformation dépendante de la charge.

Pour un moteur d'articulation de robot, cela crée une architecture de contrôle en boucle fermée plus complète.

Les doubles encodeurs permettent de séparer le mouvement du moteur du mouvement réel de l'articulation.

L'avantage principal des doubles encodeurs ne réside pas simplement dans une « résolution supérieure ».

Il s'agit d'un retour d'information plus complet.

Avec un simple codeur côté moteur, le contrôleur ne connaît que les informations suivantes :

Nombre de tours effectués par le moteur.

Avec un codeur côté sortie, le contrôleur peut également déterminer :

De combien la sortie de l'articulation du robot a-t-elle réellement pivoté ?

Cette distinction devient précieuse lorsque le robot est soumis à des charges dynamiques.

Lors d'une accélération, d'une décélération, d'un changement de direction ou d'un contact externe, le système de transmission peut se comporter différemment d'un modèle mécanique rigide idéal.

La différence entre les mesures côté moteur et côté sortie fournit des informations utiles sur ce comportement.

Pour les moteurs d'articulation de robots haute performance, ces informations supplémentaires peuvent permettre un contrôle de position plus précis et de meilleures stratégies de compensation.

Cela peut également améliorer la capacité du système à maintenir la précision de la trajectoire lorsque la charge articulaire change.

Pourquoi est-ce plus important pour les robots à haute dynamique ?

L'exigence d'un retour d'information côté sortie devient de plus en plus importante à mesure que les mouvements du robot deviennent plus rapides et plus dynamiques.

Un robot se déplaçant lentement et effectuant des mouvements relativement simples peut tolérer de petites déviations de transmission.

Un robot à grande vitesse effectuant un suivi de trajectoire continu a une tolérance beaucoup plus faible.

Il en va de même pour les robots qui changent fréquemment de direction ou interagissent avec leur environnement.

Les robots humanoïdes en sont un excellent exemple.

Les robots humanoïdes modifient continuellement la charge de leurs articulations lorsqu'ils marchent, s'équilibrent, tendent des bras, manipulent des objets et interagissent avec leur environnement.

Le genou, la cheville, la hanche, l'épaule, le coude et le poignet ne fonctionnent pas sous des charges constantes.

Le moteur articulaire doit pouvoir répondre à des exigences de couple et de position en constante évolution.

Dans de tels systèmes, le recours exclusif à la rétroaction côté moteur peut ne pas fournir suffisamment d'informations sur l'état réel de la sortie.

Une architecture à double encodeur offre au contrôleur un autre point de mesure plus proche de la sortie mécanique réelle.

Les encodeurs doubles sont particulièrement précieux lorsque la précision et la charge changent simultanément.

La précision du positionnement devient plus difficile à atteindre lorsque le robot doit maintenir sa précision malgré des charges variables.

Imaginez un bras robotisé passant d'un état déchargé à la prise en charge d'un composant lourd.

La position articulaire commandée peut rester inchangée, mais le couple appliqué à la transmission change sensiblement.

Le système mécanique réagit à ce couple.

Même si le réducteur harmonique présente un jeu extrêmement faible, les composants de transmission et de structure ne sont pas infiniment rigides.

Une petite déformation élastique peut donc influencer la position de sortie réelle.

Un codeur côté moteur ne peut pas, à lui seul, observer directement cet écart côté sortie.

Un système à double encodeur peut.

Cela rend le double retour d'information particulièrement précieux pour des applications telles que l'assemblage de précision, le polissage robotisé, la manipulation médicale, les robots de recherche avancés et les robots collaboratifs haute performance.

Pourquoi la résolution de l'encodeur n'est-elle pas la même que la précision des articulations du robot ?

Une autre idée fausse courante dans le choix des moteurs d'articulation de robot est qu'un nombre de bits d'encodeur plus élevé produit automatiquement une articulation de robot plus précise.

Non.

La résolution de l'encodeur décrit la précision avec laquelle l'encodeur peut diviser la position rotationnelle.

La précision réelle du système dépend d'une combinaison de facteurs beaucoup plus importante.

Ces facteurs incluent la précision de l'encodeur, la tolérance d'installation, l'excentricité, la variation de température, l'erreur de transmission mécanique, la rigidité structurelle, l'étalonnage, les algorithmes de contrôle et les conditions de charge.

Par exemple, l'augmentation de la résolution de l'encodeur côté moteur n'élimine pas nécessairement la déformation côté sortie.

C’est pourquoi le simple remplacement d’un encodeur 17 bits par un encodeur à plus haute résolution peut ne pas produire l’amélioration attendue de la précision réelle des articulations du robot.

Pour les applications exigeantes, les ingénieurs doivent évaluer l'architecture de rétroaction complète plutôt que de se concentrer uniquement sur la résolution de l'encodeur.

Les encodeurs absolus et les encodeurs duaux résolvent des problèmes différents.

On parle parfois des codeurs absolus et des codeurs doubles comme s'il s'agissait de technologies concurrentes.

En réalité, ils résolvent des problèmes différents.

Un codeur absolu détermine la position angulaire absolue de l'arbre.

Une architecture à double encodeur détermine la position de deux points différents au sein de la transmission mécanique.

Un moteur d'articulation de robot peut donc utiliser simultanément des codeurs absolus et une double rétroaction.

Par exemple, un codeur absolu côté moteur peut fournir des informations précises sur la position du moteur après la mise sous tension, tandis qu'un codeur côté sortie fournit un retour d'information direct de la sortie articulaire du robot.

Cette combinaison permet de réduire le besoin de retour à l'origine mécanique tout en améliorant la complétude du système de retour d'information de position.

Pour les robots humanoïdes et collaboratifs, où les retours mécaniques fréquents à la base peuvent être gênants ou indésirables, cette architecture peut s'avérer particulièrement utile.

Quand un moteur d'articulation de robot doit-il utiliser des encodeurs doubles ?

Toutes les articulations de robots ne nécessitent pas deux encodeurs.

La décision devrait être fondée sur les exigences de performance réelles du robot.

Si l'application présente une vitesse relativement faible, une faible charge et tolère une erreur de positionnement modérée, un seul codeur côté moteur peut offrir un équilibre approprié entre performance, complexité et coût.

Cependant, les doubles codeurs deviennent de plus en plus intéressants lorsque le robot nécessite une grande précision de positionnement sous des charges dynamiques.

Elles sont particulièrement pertinentes lorsque l'articulation doit supporter un suivi précis de la trajectoire, des changements de direction fréquents, des charges variables, une interaction des forces ou un contrôle avancé en boucle fermée.

La question importante n'est donc pas :

« Chaque robot a-t-il besoin de deux encodeurs ? »

La question la plus pertinente est :

« Ce robot a-t-il besoin d'un retour d'information direct de la sortie réelle des articulations ? »

Si la réponse est oui, un moteur d'articulation robotique à double encodeur mérite d'être sérieusement envisagé.

Le rôle des moteurs intégrés aux articulations des robots

L'architecture de l'encodeur ne représente qu'une partie d'une articulation robotique moderne.

Les conceptions de robots traditionnels combinent souvent un servomoteur, un réducteur harmonique séparé, un encodeur externe, un pilote externe, un frein et de multiples câbles.

Cette approche offre de la flexibilité, mais elle peut également augmenter la taille, le poids, la complexité du câblage et la charge de travail d'intégration de l'ensemble du joint.

Un moteur d'articulation robotique intégré combine plusieurs de ces composants en un seul module compact.

Selon son architecture, le module peut intégrer le moteur, le réducteur harmonique, le système d'encodeur, le pilote, le frein, le capteur de couple et les interfaces de communication.

Cela modifie la tâche d'ingénierie, qui consiste désormais à concevoir chaque composant articulaire séparément, puis à sélectionner une architecture articulaire intégrée appropriée pour le robot.

Pour les fabricants de robots développant des bras robotiques spécialisés, des robots humanoïdes, des robots collaboratifs, des équipements médicaux et des systèmes d'automatisation de précision, cela peut simplifier considérablement l'intégration mécanique et électrique.

Comment HONPINE conçoit-il les moteurs d'articulation de robots à double encodeur ?

HONPINE développe des modules d'articulation robotiques intégrés pour des applications où les performances du moteur, la transmission, le retour d'information, l'intégration mécanique et le contrôle doivent fonctionner comme un seul système.

Plutôt que de traiter le réducteur harmonique comme un composant de transmission isolé, HONPINE intègre le réducteur avec le moteur, l'encodeur, le variateur et d'autres éléments fonctionnels en fonction des exigences des différentes architectures de robots.

La série TCHL est conçue pour les articulations robotiques ultra-compactes où le poids, l'encombrement, le retour d'information et la détection du couple sont des facteurs essentiels. Son capteur de couple intégré et son architecture de connexion flexible la rendent idéale pour les applications nécessitant des articulations compactes sensibles à la force.

La série HAG offre un plus large éventail d'options de couple et de configuration, avec des codeurs absolus haute résolution, un retour d'information à double codeur en option, la détection de couple, le freinage et des options de communication industrielle. Elle convient ainsi à des applications allant des robots collaboratifs et articulations humanoïdes aux bras robotiques industriels et à l'automatisation de précision.

La série HPJM-PRO est conçue pour les applications robotiques et d'automatisation hautes performances qui nécessitent une densité de couple élevée, une électronique d'entraînement intégrée, un retour d'information précis et une intégration mécanique compacte.

L'important est que ces plateformes ne soient pas destinées à imposer à tous les robots la même architecture articulaire.

Les différents systèmes robotiques ont des exigences différentes en matière de couple, de vitesse, de poids, de précision, de détection, de freinage, de communication et d'installation.

L'architecture du moteur articulaire appropriée doit donc être sélectionnée en fonction des exigences mécaniques et de contrôle réelles du robot.

Du faible jeu à la rétroaction de sortie complète

Le développement de la technologie des articulations robotiques ne se limite plus à la simple question de savoir si un réducteur présente un faible jeu.

Pour la prochaine génération de systèmes robotiques, les ingénieurs doivent prendre en compte l'ensemble de la chaîne de mouvement.

Un réducteur harmonique peut offrir un jeu extrêmement faible et des rapports de réduction élevés.

Un codeur haute résolution permet une mesure angulaire précise.

Un moteur puissant peut générer un couple élevé et une accélération dynamique.

Mais ces composants n'atteignent leur plein potentiel que lorsque la transmission mécanique, le système de rétroaction, l'architecture de contrôle et la conception structurelle sont correctement adaptés.

C’est pourquoi les moteurs à double encodeur pour articulations de robots deviennent une solution importante pour les applications où la position de sortie réelle compte autant que la position du moteur.

L'objectif n'est pas d'affirmer qu'un double encodeur « élimine » le jeu du réducteur d'harmoniques.

L'objectif est de mesurer plus précisément la sortie réelle de l'articulation et de fournir au contrôleur les informations nécessaires pour compenser les erreurs liées à la transmission et la déformation dépendante de la charge.

Voilà un avantage technique bien plus significatif.

Choisir la bonne architecture de moteur d'articulation robotique

Lors du choix d'un moteur pour articulation de robot, les ingénieurs doivent évaluer plus que le couple nominal et le rapport de réduction.

L'architecture de rétroaction doit être prise en compte en même temps que la transmission mécanique.

Pour les applications nécessitant des dimensions compactes et un faible poids, un moteur à joint intégré permet de réduire l'espace occupé par les composants séparés du moteur, du réducteur, du variateur et du câblage.

Pour les applications exigeant une grande précision de positionnement, le retour d'information côté sortie peut être plus important que la simple augmentation de la résolution de l'encodeur moteur.

Pour les applications impliquant un contact physique, un assemblage contrôlé par la force, le polissage ou l'interaction homme-robot, la détection de couple intégrée peut fournir une autre couche importante de retour d'information.

Pour les articulations verticales, un frein intégré peut améliorer la sécurité en cas de panne de courant.

Pour les architectures robotiques distribuées, l'intégration d'interfaces de communication telles qu'EtherCAT, CANopen ou autres peut simplifier l'intégration au niveau système.

Le meilleur moteur pour articulations de robot n'est donc pas forcément celui qui possède les meilleures spécifications dans une catégorie donnée.

Il s'agit de celui dont la transmission mécanique, l'architecture de rétroaction, la capacité de détection, le système d'entraînement et les dimensions physiques correspondent aux exigences réelles du robot.

Conclusion

Les réducteurs harmoniques restent l'une des technologies de transmission les plus importantes pour les articulations de robots hautes performances car ils combinent des dimensions compactes, des rapports de réduction élevés, une densité de couple élevée et un jeu extrêmement faible.

Cependant, un jeu extrêmement faible ne doit pas être confondu avec un jeu littéralement nul.

Plus important encore, un faible jeu mécanique ne garantit pas à lui seul un positionnement parfait de la sortie sous charges dynamiques.

À mesure que les robots deviennent plus rapides, plus légers, plus souples et plus interactifs, la relation entre la position du moteur et la sortie réelle des articulations devient de plus en plus importante.

Un seul encodeur mesure le côté moteur.

Une architecture à double encodeur ajoute un retour d'information direct depuis la sortie.

Ces informations supplémentaires permettent au système de contrôle de mieux comprendre le comportement de la transmission et de compenser les écarts de position causés par les caractéristiques mécaniques et les variations de charge.

C’est pourquoi les moteurs d’articulation de robots à double encodeur sont particulièrement précieux dans les applications robotiques de haute précision et à haute dynamique.

HONPINE propose plusieurs plateformes intégrées de moteurs pour articulations de robots, notamment TCHL, HAG et HPJM-PRO, permettant aux fabricants de robots de sélectionner différentes combinaisons de performances moteur, de transmission harmonique, de retour d'encodeur, de détection de couple, d'intégration d'entraînement, de freinage et de communication en fonction des exigences de leur application.

L'avenir de la conception des articulations robotiques ne se résume pas à obtenir un « jeu nul » sur une fiche technique.

Il s'agit de construire un système de mouvement mesurable, contrôlable et intégré qui fournisse les performances de sortie requises dans des conditions réelles d'exploitation.