Articulations rotatives pour robots : quelle architecture d’articulation convient à la conception de votre robot ?

Introduction : Pourquoi les articulations rotatives des robots prennent une importance croissante

Les robots ne peuvent pas se déplacer sans articulations, mais le rôle d'une articulation robotique a considérablement évolué à mesure que les systèmes robotiques sont devenus plus compacts, intelligents et adaptés à des applications spécifiques.

Dans un robot traditionnel, une articulation rotative est souvent constituée de plusieurs composants indépendants, tels qu'un moteur, un réducteur, un codeur, un servomoteur, un frein et parfois un capteur de couple. Chaque composant remplit une fonction spécifique, tandis que le fabricant du robot est responsable de leur intégration au sein d'une articulation complète.

Cette approche reste pertinente pour de nombreux robots industriels conventionnels. Cependant, les exigences des robots modernes sont de plus en plus élevées. Les robots humanoïdes nécessitent des actionneurs compacts et légers. Les robots collaboratifs requièrent un contrôle de mouvement sûr et réactif. Les robots médicaux sont souvent soumis à des exigences strictes en matière de dimensions, de précision et d'hygiène. Les bras robotiques spécialisés peuvent nécessiter des interfaces mécaniques particulières, un câblage interne spécifique ou des dimensions articulaires personnalisées.

De ce fait, la question qui se pose aux fabricants de robots n'est plus simplement de savoir quel moteur ou quelle boîte de vitesses choisir.

La question la plus importante est :

Quel type d'architecture d'articulation robotique doit être utilisé pour chaque axe du robot ?

C’est là que les modules articulaires robotiques intégrés prennent une valeur croissante.

Qu'est-ce qu'une articulation rotative pour un robot ?

Une articulation rotative permet à un élément d'un robot de pivoter par rapport à un autre. D'un point de vue mécanique, cela paraît simple. Dans un système robotique moderne, cependant, l'articulation doit souvent remplir plusieurs fonctions simultanément.

L'articulation doit générer un couple, transmettre le mouvement, fournir un retour d'information précis sur sa position, communiquer avec le contrôleur du robot et réagir dynamiquement aux variations de charge. Selon l'application, elle peut également nécessiter un système de freinage, de détection de couple, de surveillance de la température ou d'autres fonctions de sécurité.

C’est pourquoi une articulation rotative de robot moderne doit de plus en plus être considérée comme une unité de mouvement mécatronique complète plutôt que comme un simple moteur ou une boîte de vitesses.

Cette distinction prend toute son importance lors de la conception de robots à plusieurs axes. Chaque composant supplémentaire installé autour d'une articulation influe sur l'espace disponible, le poids total, le câblage, la structure mécanique et l'architecture de commande du robot.

L'articulation devient donc un élément important de la conception globale du robot plutôt qu'un composant isolé.

L'approche traditionnelle : construire une articulation de robot à partir de composants individuels

Depuis de nombreuses années, les fabricants de robots conçoivent les articulations rotatives en sélectionnant des composants individuels et en les intégrant en interne.

Le moteur est sélectionné en fonction de la vitesse et du couple requis. Un réducteur est ensuite adapté au moteur et aux performances de sortie souhaitées. Un codeur est ajouté pour le retour d'information de position, tandis que le servomoteur est généralement installé à l'extérieur de l'articulation. Selon l'application, la conception peut également nécessiter un frein, un capteur de couple, des connecteurs supplémentaires et d'autres composants électroniques.

Cette architecture offre une grande flexibilité car les ingénieurs peuvent sélectionner chaque composant indépendamment.

Cependant, cette flexibilité engendre également des travaux d'ingénierie supplémentaires.

Le moteur et le réducteur doivent être parfaitement adaptés. Les interfaces mécaniques doivent être conçues. Les signaux de l'encodeur doivent être connectés au système de commande. Le variateur doit être configuré et réglé. Les câbles d'alimentation et de communication doivent être acheminés à travers le robot. La gestion thermique doit également être prise en compte.

À mesure que les structures robotiques deviennent plus petites et plus intégrées, l'espace disponible pour ces composants diminue.

Il en résulte un problème d'ingénierie courant : les composants individuels peuvent tous répondre à leurs spécifications, mais leur intégration dans une articulation robotique compacte et fiable devient de plus en plus difficile.

Pourquoi les modules articulaires intégrés des robots transforment-ils la conception des robots ?

Un module articulaire robotisé intégré adopte une approche différente.

Au lieu de considérer le moteur, la transmission, l'encodeur, le variateur et les autres fonctions comme des composants totalement indépendants, on peut les concevoir comme des éléments d'une seule unité de mouvement coordonnée.

L'objectif n'est pas simplement de placer plusieurs produits dans un même boîtier.

Le véritable objectif est d'optimiser les interfaces mécaniques, électriques et de contrôle entre ces fonctions.

Cela permet de réduire le nombre de composants externes nécessaires autour de l'articulation et de simplifier l'architecture globale du robot. Cela facilite également la standardisation des interfaces mécaniques et électriques entre les différentes plateformes robotiques par les fabricants.

Pour les entreprises développant plusieurs types de robots, cela peut s'avérer particulièrement précieux. Différents axes de robot peuvent nécessiter différents niveaux de couple, dimensions, technologies de transmission ou configurations de détection, tout en utilisant une approche de développement de modules d'articulation commune.

Cela permet une approche plus modulaire du développement des robots.

Un robot n'a pas besoin de la même architecture articulaire sur tous les axes.

L'un des aspects les plus importants à prendre en compte lors du choix des modules d'articulation d'un robot est que les différents axes d'un même robot peuvent avoir des exigences totalement différentes.

L'articulation de l'épaule peut nécessiter un couple de sortie élevé et une grande rigidité structurelle car elle supporte plusieurs éléments en aval. L'articulation du coude peut exiger un équilibre entre couple, vitesse, poids et réponse dynamique. L'articulation du poignet peut privilégier une faible inertie et des dimensions compactes car elle est située à l'extrémité du bras du robot.

Les robots humanoïdes rendent cette différence encore plus flagrante. Les articulations de la hanche et du genou peuvent nécessiter une capacité de couple importante, tandis que celles du poignet et de la main peuvent privilégier la compacité, la légèreté et la réactivité.

Le même principe s'applique aux robots industriels, aux robots collaboratifs, aux systèmes médicaux, aux manipulateurs mobiles et aux bras robotiques spécialisés.

Par conséquent, le choix d'une articulation de robot doit commencer par la fonction de l'axe plutôt que de simplement sélectionner le même actionneur pour l'ensemble du robot.

Les modules de joints harmoniques et planétaires offrent différentes options de conception

Une articulation robotisée intégrée n'est pas obligée d'utiliser une technologie de transmission spécifique.

Différentes architectures de transmission peuvent offrir différentes combinaisons de caractéristiques de performance, c'est pourquoi les modules à joint harmonique et planétaire jouent un rôle important dans les systèmes robotiques.

Un module à joint harmonique peut constituer une solution efficace lorsque l'application exige des rapports de réduction élevés, des dimensions compactes, un faible jeu et un positionnement précis. Ces caractéristiques rendent la transmission harmonique particulièrement intéressante pour de nombreuses articulations robotiques où l'espace d'installation et la précision de positionnement sont essentiels.

Un module à joint planétaire offre une autre approche pour les applications où l'équilibre requis entre vitesse, couple, rendement, rigidité et coût global du système est mieux adapté à la transmission planétaire.

L'important, c'est que les fabricants de robots n'ont pas besoin de commencer par choisir la technologie de boîte de vitesses à utiliser.

Une meilleure approche d'ingénierie consiste à définir d'abord les exigences de l'articulation, puis à sélectionner l'architecture d'actionneur appropriée.

Cela fait de la technologie de transmission une partie de la solution plutôt qu'une contrainte initiale.

Quels problèmes un module articulaire robotique intégré peut-il résoudre ?

La valeur d'un module articulaire robotisé intégré devient plus claire lorsqu'on l'envisage du point de vue des problèmes d'ingénierie qu'il peut résoudre.

L'intégration mécanique représente un défi majeur. La conception de plusieurs composants en un seul actionneur permet de réduire le nombre d'interfaces mécaniques externes nécessaires. Ceci simplifie le logement de l'articulation et facilite la conception de la structure du robot environnant.

Un autre défi réside dans le câblage. Les robots modernes peuvent comporter des câbles d'alimentation, des connexions d'encodeur, des lignes de communication, des tubes pneumatiques et des câbles de capteurs. Les architectures à joints creux et les connecteurs intégrés offrent des options de routage plus pratiques, notamment pour les robots à axes rotatifs multiples.

Un troisième défi réside dans l'intégration des commandes. Lorsque l'électronique de commande et les interfaces de communication sont intégrées à l'articulation, l'architecture de commande externe peut potentiellement devenir plus compacte et plus facile à standardiser.

Il faut également tenir compte du poids et de l'inertie. Les composants situés plus loin de la base du robot peuvent avoir une influence significative sur la charge dynamique de l'ensemble du système. Une articulation intégrée plus légère peut donc offrir des avantages qui dépassent le cadre de l'articulation elle-même.

Enfin, les modules intégrés permettent de réduire le travail d'ingénierie répétitif nécessaire au développement des robots. Au lieu d'intégrer systématiquement la même combinaison de moteur, de réducteur, d'encodeur et de variateur pour chaque nouvelle plateforme robotique, les fabricants peuvent s'appuyer sur une architecture modulaire d'articulation éprouvée.

Pourquoi les articulations légères des robots sont-elles plus importantes dans les robots compacts ?

La réduction du poids devient particulièrement importante lorsque le robot comporte plusieurs articulations mobiles.

Une articulation située près de l'extrémité d'un bras robotisé contribue non seulement par son propre poids, mais affecte également la charge supportée par les articulations plus proches de la base.

Ceci est particulièrement important pour les robots humanoïdes et les bras robotiques compacts, où le couple moteur disponible et la capacité de la batterie sont limités.

Par exemple, la réduction de la masse de l'articulation du poignet peut influer sur les contraintes exercées sur les articulations du coude et de l'épaule. Ce même principe s'applique aux robots collaboratifs compacts et aux manipulateurs médicaux légers.

C’est pourquoi la conception légère ne doit pas être évaluée uniquement en fonction du poids d’un seul actionneur.

La question la plus pertinente est de savoir comment l'articulation sélectionnée influence la répartition des masses et les performances dynamiques de l'ensemble du robot.

La plateforme TCHL de HONPINE est conçue pour répondre à cette exigence, combinant une structure compacte avec des capteurs intégrés et des options d'installation mécanique flexibles pour les applications où l'espace et le poids sont particulièrement limités.

Quand la priorité passe-t-elle au couple et à la rigidité ?

La légèreté n'est pas toujours la priorité absolue.

Les robots industriels, les manipulateurs lourds, les systèmes de soudage, les équipements de palettisation et autres machines à forte charge peuvent nécessiter un couple de sortie et une rigidité structurelle nettement supérieurs.

Dans ces applications, le choix d'un actionneur extrêmement petit dans le seul but de réduire le poids peut engendrer un autre problème.

L'articulation doit pouvoir supporter la charge requise tout en conservant une rigidité et des performances de positionnement suffisantes.

La plateforme HAG de HONPINE répond à ce type d'exigence en proposant différentes tailles d'articulations et différents niveaux de couple, ainsi que des fonctions configurables telles que le freinage et la détection de couple.

HPJM-PRO offre une autre architecture intégrée pour les applications hautes performances où la densité de couple, la précision du retour d'information, la réponse dynamique et l'intégration de l'entraînement sont importantes.

L’objectif n’est donc pas de rendre chaque articulation du robot aussi petite ou aussi légère que possible.

L'objectif est de trouver le juste équilibre entre capacité de couple, rigidité, vitesse, poids, précision et intégration du système pour chaque axe spécifique.

La détection du couple ajoute une couche d'intelligence supplémentaire à l'articulation du robot.

Certaines applications robotiques nécessitent davantage d'informations que celles que peuvent fournir les retours d'information de position et de vitesse.

Lorsqu'un robot effectue un assemblage de précision, un polissage, un meulage, une manipulation souple ou une interaction physique avec des humains, le système de contrôle peut avoir besoin de comprendre la force ou le couple agissant sur l'articulation.

Cela crée une demande pour la détection intégrée du couple.

Au lieu d'ajouter une structure de détection de couple séparée autour de l'articulation du robot, un actionneur peut être conçu avec la mesure du couple intégrée à son architecture globale.

Le module d'articulation TCHL de HONPINE fournit un exemple de cette approche, avec un capteur de couple côté sortie intégré à la structure de l'articulation.

L'avantage ne se limite pas à l'ajout d'un capteur supplémentaire au robot.

L'avantage majeur réside dans le fait que la détection de force devient partie intégrante de l'actionneur lui-même, ce qui facilite le développement d'une commande en boucle fermée de la force et de la position pour les applications nécessitant une interaction physique réactive.

Cela peut s'avérer particulièrement précieux pour les robots collaboratifs, les robots médicaux, les robots humanoïdes, les plateformes de recherche et autres systèmes où le contact avec l'environnement constitue une partie importante de la tâche.

La flexibilité de l'installation mécanique peut être cruciale pour les conceptions de robots spéciaux.

Tous les robots ne peuvent pas utiliser une structure de montage articulaire conventionnelle.

Les bras robotisés spécialisés, les équipements médicaux, les plateformes de recherche et les systèmes d'automatisation personnalisés peuvent présenter des contraintes mécaniques inhabituelles.

L'actionneur peut devoir être installé dans une direction spécifique.

Le câble devra peut-être passer par le centre de la jonction.

Il pourrait être nécessaire de connecter directement l'articulation à une liaison robotique personnalisée.

Dans ces situations, l'interface mécanique de l'articulation peut devenir tout aussi importante que ses spécifications de couple et de vitesse.

Un module commun offrant de multiples configurations d'installation peut donner aux ingénieurs une plus grande liberté lors du développement de la structure du robot environnant.

C’est l’une des raisons pour lesquelles la plateforme TCHL de HONPINE intègre des configurations d’installation flexibles plutôt que d’être conçue autour d’une seule méthode de montage.

Pour les robots personnalisés, ce type de flexibilité peut réduire l'ampleur des modifications mécaniques nécessaires autour de l'actionneur.

À quel moment faut-il intégrer le système d'entraînement à l'articulation du robot ?

La question de savoir si le système d'entraînement doit être intégré à l'articulation dépend de l'architecture du robot.

Pour certains robots, les servomoteurs externes offrent une flexibilité suffisante et peuvent être préférés car le fabricant dispose déjà d'une armoire de commande et d'une architecture électrique établies.

Pour les robots compacts, cependant, les entraînements externes peuvent engendrer des besoins supplémentaires en espace et en câblage.

Un système d'entraînement intégré permet d'intégrer une partie de l'électronique dans l'actionneur lui-même, réduisant ainsi la quantité d'équipements à installer autour de l'articulation.

Cela peut s'avérer utile pour les robots dotés d'architectures distribuées, de systèmes de contrôle compacts ou d'un espace d'installation limité.

Les plateformes articulaires intégrées de HONPINE offrent différents niveaux d'intégration de la commande et de la communication, permettant de sélectionner l'architecture de l'actionneur en fonction des exigences de contrôle du robot plutôt que d'imposer la même configuration à chaque application.

Pourquoi une plateforme modulaire conjointe est-elle plus avantageuse qu'un modèle à joint unique ?

Les fabricants de robots développent rarement un seul robot pour toujours.

Une entreprise peut commencer par un bras robotique léger et développer ultérieurement un robot collaboratif plus imposant. Une autre peut développer une plateforme humanoïde avec des exigences différentes au niveau de la hanche, du genou, de l'épaule, du coude et du poignet.

Si chaque nouveau robot nécessite une architecture d'actionneur entièrement nouvelle, le temps de développement et les ressources d'ingénierie peuvent augmenter considérablement.

Une plateforme modulaire commune offre une autre approche.

Le fabricant peut sélectionner différentes tailles et configurations d'actionneurs tout en conservant un cadre de développement commun.

Par exemple, un axe de robot compact peut utiliser une architecture articulaire légère, tandis qu'un axe soumis à une charge plus importante utilise une articulation plus grande offrant une capacité de couple supérieure. Une articulation nécessitant une interaction physique peut intégrer un capteur de couple, tandis qu'un autre axe peut privilégier la vitesse et une faible inertie.

Cela permet au fabricant de robots de concevoir une gamme de produits autour d'une architecture articulaire évolutive.

C’est une des principales raisons pour lesquelles le concept de plateforme modulaire pour articulations robotiques prend une importance croissante.

L'approche intégrée des modules articulaires robotiques de HONPINE

HONPINE aborde le développement des articulations robotiques sous l'angle des différentes exigences des robots plutôt que d'une technologie de transmission unique.

La gamme de produits intégrés de l'entreprise comprend des modules à joints harmoniques et des solutions de modules à joints planétaires, permettant d'envisager différentes architectures de transmission en fonction de l'application.

Pour les structures robotiques très compactes et légères, la plateforme TCHL privilégie l'intégration compacte, l'installation flexible et la détection de couple en option.

Pour les applications robotiques hautes performances, HPJM-PRO combine les fonctions moteur, transmission, retour d'information et entraînement dans une architecture articulaire compacte conçue pour répondre aux exigences élevées en matière de contrôle de mouvement.

Pour les robots industriels et les applications à charge élevée, la plateforme HAG offre une gamme plus étendue de capacités de couple et de fonctions configurables telles que le freinage et la détection de couple.

HONPINE développe également des solutions de modules à joints planétaires pour les applications où une architecture de transmission planétaire correspond mieux aux performances requises et à la conception du système.

L'objectif de cette stratégie produit n'est pas d'imposer la même articulation à tous les robots.

Il s'agit de fournir aux fabricants de robots différentes architectures d'actionneurs afin que l'articulation puisse être sélectionnée en fonction des exigences réelles de chaque axe du robot.

Les modules articulaires intégrés peuvent changer la façon dont les robots sont développés.

Le changement le plus important apporté par les modules d'articulations robotiques intégrés ne réside pas simplement dans l'intégration du produit.

Il s'agit d'un changement dans le processus d'ingénierie.

Avec une approche traditionnelle basée sur les composants, les ingénieurs mécaniciens, les ingénieurs électriciens et les ingénieurs en contrôle doivent souvent coordonner plusieurs composants indépendants lors d'un développement conjoint.

Grâce à un module d'articulation intégré, un plus grand nombre de ces interfaces peuvent être définies au niveau de l'actionneur.

Cela permet au fabricant de robots de se concentrer davantage sur les fonctions essentielles du robot, notamment la structure mécanique, la planification des mouvements, les algorithmes de contrôle, la perception, les logiciels et le développement d'applications.

Pour les entreprises qui pénètrent un nouveau marché de la robotique, cela peut s'avérer particulièrement précieux.

Une entreprise peut posséder de solides compétences en intelligence artificielle, vision industrielle, automatisation logistique, logiciels industriels ou ingénierie d'applications sans pour autant avoir une vaste expérience dans le développement de moteurs, de réducteurs, d'encodeurs, de variateurs et d'actionneurs robotiques à partir de zéro.

Un module d'articulation robotique intégré peut fournir une base matérielle plus complète pour la construction de la plateforme robotique.

Comment choisir le bon joint rotatif pour un robot ?

Le joint rotatif approprié pour le robot doit être sélectionné en fonction des exigences complètes de l'axe du robot.

Le premier critère à prendre en compte est généralement le couple de sortie, mais le couple seul ne suffit pas.

La vitesse requise, l'accélération, le poids admissible, l'espace d'installation, les performances de positionnement, la rigidité structurelle, l'architecture de transmission et le cycle de service influencent tous le choix final.

L'architecture de commande doit également être prise en compte. Certains robots peuvent nécessiter un entraînement externe, tandis que d'autres peuvent tirer parti d'un entraînement et d'une interface de communication intégrés.

Si le robot effectue une interaction physique, la détection de force ou de couple peut devenir une exigence importante. Si l'articulation est installée sur un axe vertical, un frein peut également s'avérer nécessaire pour des raisons de sécurité.

L'installation mécanique ne doit pas non plus être négligée. Le cheminement de l'arbre creux, l'emplacement du connecteur, le sens de montage et l'espace disponible peuvent avoir une incidence considérable sur la praticité d'un joint.

C’est pourquoi le choix d’une articulation robotique est en fin de compte une décision d’ingénierie au niveau du système plutôt qu’une simple comparaison de spécifications individuelles.

L'avenir des articulations rotatives pour les robots

Le développement futur des articulations rotatives pour robots s'orientera probablement vers une plus grande intégration, une modularité accrue et une configuration spécifique à l'application.

Cependant, cela ne signifie pas qu'une seule technologie de transmission remplacera toutes les autres.

La transmission harmonique continuera de jouer un rôle important dans les applications exigeant des dimensions compactes, des rapports de réduction élevés, un faible jeu et un mouvement précis.

La transmission planétaire restera précieuse là où ses caractéristiques offrent une meilleure combinaison de vitesse, de couple, d'efficacité, de rigidité et de rapport coût-efficacité.

Dans le même temps, les moteurs, les codeurs, les variateurs, les interfaces de communication, les freins et les technologies de détection seront de plus en plus intégrés dans des plateformes complètes au niveau des articulations.

L'industrie évolue donc de la sélection des composants vers la sélection d'une architecture conjointe.

Il s'agit d'un changement important pour les fabricants de robots.

Au lieu de se demander quel composant individuel doit être installé dans un robot, les ingénieurs peuvent commencer par définir ce que l'articulation complète doit accomplir.

Conclusion : Choisir la bonne architecture articulaire robotique

Un joint rotatif de robot moderne est bien plus qu'un moteur relié à une boîte de vitesses.

Il peut s'agir d'une unité de mouvement complète combinant production d'énergie, transmission, retour d'information, contrôle, détection, communication, freinage et intégration mécanique.

Pour certains axes de robots, un module de joint harmonique intégré peut offrir la combinaison la plus appropriée de précision, de compacité et de rapport de réduction.

Pour d'autres applications, un module à joint planétaire peut offrir un meilleur équilibre entre vitesse, couple, efficacité, rigidité et exigences du système.

L'important est de ne pas imposer à tous les robots la même architecture d'actionneurs.

La meilleure approche consiste à sélectionner l'architecture articulaire appropriée pour chaque axe en fonction des besoins réels du robot.

C’est la voie que suit HONPINE avec sa gamme de modules articulaires robotisés intégrés.

En combinant des modules d'articulation harmonique, des solutions de modules d'articulation planétaire, différentes plages de couple, des options de détection, des configurations d'entraînement et des interfaces mécaniques, HONPINE peut accompagner les fabricants de robots qui recherchent plus qu'un simple moteur ou une boîte de vitesses.

L'objectif est de fournir une solution complète d'articulation robotique qui puisse être adaptée à la structure, au système de commande et aux exigences d'application du robot.

L'avenir des articulations rotatives pour robots ne réside pas dans la recherche d'un actionneur universel, mais dans le choix de l'architecture articulaire la mieux adaptée au robot.