Pourquoi les actionneurs électriques d’articulation pour robots remplacent-ils les systèmes hydrauliques dans les robots humanoïdes？

Les robots humanoïdes entrent dans une nouvelle phase de développement. Alors que les plateformes robotiques passent des démonstrations en laboratoire au déploiement industriel, les exigences relatives à leurs systèmes d’actionnement des articulations évoluent rapidement.

Depuis des décennies, les systèmes hydrauliques sont appréciés pour leur forte densité de puissance et leur capacité à supporter d’importantes charges dynamiques. Cependant, le développement des robots humanoïdes fait émerger un ensemble différent de priorités : compacité, haut rendement, commande précise des mouvements, maintenance réduite, électronique intégrée et compatibilité avec les systèmes alimentés par batterie.

Cela suscite un intérêt croissant pour les actionneurs électriques d’articulations de robots.

Cette transition est déjà visible sur les principales plateformes de robots humanoïdes. Boston Dynamics a retiré son Atlas hydraulique et présenté une version entièrement électrique conçue pour des applications réelles. L’entreprise indique que l’Atlas électrique doit offrir une force supérieure et une amplitude de mouvement plus large, tout en progressant vers un déploiement commercial.

Pour les fabricants de robots humanoïdes, la question n’est plus simplement de savoir si un actionnement électrique ou hydraulique peut générer une force suffisante. La question la plus importante est de déterminer quelle technologie offre la meilleure combinaison de puissance, de précision, d’efficacité, d’intégration, de fiabilité et d’évolutivité.

Qu’est-ce qu’un actionneur d’articulation de robot humanoïde ?

Un actionneur d’articulation de robot est le système mécanique et électromécanique qui génère un mouvement contrôlé au niveau d’une articulation robotique.

Dans un robot humanoïde électrique, un actionneur d’articulation typique peut intégrer plusieurs composants :

Moteur + Réducteur de précision + Encodeur + Variateur + Roulement + Frein ou capteur de couple

Selon l’architecture de l’articulation, différentes technologies de transmission peuvent être utilisées.

Pour les articulations rotatives, les solutions courantes comprennent les réducteurs harmoniques, les réducteurs planétaires et les moteurs couple sans cadre.

Pour les articulations linéaires, les fabricants peuvent utiliser des vis à rouleaux planétaires, des vis à billes, des mécanismes pignon-crémaillère ou d’autres systèmes de transmission rotative-linéaire.

Cette distinction est importante, car les robots humanoïdes n’utilisent pas une seule architecture d’actionneur pour toutes leurs articulations.

L’épaule, le coude, le poignet, la hanche, le genou et la cheville peuvent utiliser des actionneurs rotatifs, tandis que certains mécanismes de jambe ou de bras peuvent employer des actionneurs linéaires pour convertir la rotation du moteur en mouvement linéaire.

Pourquoi les robots humanoïdes s’orientent-ils vers l’actionnement électrique ?

Le passage à l’actionnement électrique ne s’explique pas par le fait que les systèmes hydrauliques seraient soudainement devenus inadaptés à la robotique.

Les systèmes hydrauliques offrent toujours une excellente densité de puissance, une force de sortie élevée et une forte résistance à certaines charges externes. Les recherches sur les actionneurs électrohydrostatiques se poursuivent également, car les systèmes EHA peuvent associer la puissance hydraulique à une commande électrique locale et à un haut niveau d’intégration.

Cependant, les robots humanoïdes imposent plusieurs exigences qui favorisent les systèmes électriques.

Un meilleur rendement énergétique

Un robot humanoïde est généralement alimenté par une batterie embarquée.

Le rendement énergétique devient donc beaucoup plus important que dans de nombreuses machines hydrauliques stationnaires.

Une architecture hydraulique conventionnelle nécessite de l’énergie pour entraîner une pompe et maintenir la pression du fluide. Elle requiert également des composants supplémentaires tels que des vannes, des réservoirs, des flexibles et des circuits hydrauliques.

Un actionneur électrique d’articulation peut convertir directement l’énergie électrique en mouvement mécanique contrôlé grâce au moteur et au système de transmission.

Ce parcours énergétique simplifié peut être avantageux pour les robots humanoïdes alimentés par batterie, notamment lorsque plusieurs articulations doivent fonctionner simultanément.

Une intégration système plus compacte

Les robots hydrauliques nécessitent davantage que le vérin hydraulique lui-même.

Un système complet peut comprendre des pompes, des vannes, des réservoirs de fluide, des conduites, des joints d’étanchéité et d’autres composants hydrauliques.

Ces composants imposent des exigences supplémentaires en matière d’intégration et de maintenance.

Un actionneur électrique d’articulation de robot peut intégrer le moteur, le réducteur, l’encodeur, le variateur et d’autres composants beaucoup plus près de l’articulation.

Cette architecture distribuée est particulièrement intéressante pour les robots humanoïdes, car l’actionneur peut être conçu en fonction de la géométrie réelle de l’articulation du robot.

Au lieu de construire un système d’alimentation centralisé et de distribuer la pression hydraulique dans l’ensemble du robot, les fabricants peuvent installer des actionneurs électriques compacts directement dans chaque articulation.

Actionneurs électriques ou hydrauliques pour robots humanoïdes

Le point important est que l’actionnement électrique ne consiste pas simplement à remplacer la puissance hydraulique par un moteur électrique.

Pour les robots humanoïdes, le système de transmission devient tout aussi important.

Une articulation électrique haute performance nécessite un moteur capable de générer une vitesse et un couple suffisants, associé à un système de transmission de précision qui convertit la sortie du moteur en un mouvement utilisable de l’articulation.

Le rôle des réducteurs de précision dans les actionneurs électriques d’articulations de robots

Le moteur électrique lui-même ne suffit généralement pas à entraîner directement l’articulation d’un robot humanoïde.

Les moteurs électriques sont généralement plus efficaces à des vitesses de rotation relativement élevées, tandis que les articulations robotiques nécessitent souvent des vitesses de sortie beaucoup plus faibles et un couple nettement supérieur.

Un réducteur de précision comble cet écart.

Par exemple :

Moteur haute vitesse → Réducteur de précision → Sortie d’articulation basse vitesse et couple élevé

Le choix du réducteur influence donc directement la taille, la densité de couple, le jeu, le rendement et la réponse dynamique de l’articulation du robot.

C’est pourquoi les réducteurs harmoniques et les réducteurs planétaires sont des composants importants des actionneurs électriques d’articulations de robots humanoïdes.

Réducteurs harmoniques pour les articulations rotatives des robots humanoïdes

Les réducteurs harmoniques sont particulièrement adaptés aux articulations rotatives compactes de précision.

Leur rapport de réduction élevé permet à un moteur relativement petit de générer un couple de sortie important sans nécessiter plusieurs étages d’engrenages conventionnels.

Les faibles caractéristiques de jeu de la transmission harmonique sont également précieuses pour les articulations qui exigent un positionnement précis et des changements fréquents de direction.

Les applications typiques comprennent :

Les poignets, coudes, épaules, articulations du cou et autres articulations rotatives compactes des robots humanoïdes.

Pour les conceptions hautement intégrées, un réducteur harmonique peut être associé à un moteur couple sans cadre, un encodeur, un roulement et un variateur afin de créer une articulation électrique compacte pour robot.

Pour les articulations de petite taille, les mini-réducteurs harmoniques de HONPINE peuvent également répondre aux applications où le diamètre d’installation et le poids sont particulièrement limités.

Réducteurs planétaires pour les articulations de robots à haute vitesse et fortes charges

Les réducteurs planétaires offrent un équilibre différent des performances.

Leur rendement de transmission élevé, leur capacité de charge importante et leur aptitude à supporter des vitesses d’entrée relativement élevées les rendent adaptés à de nombreuses applications de mouvement industriel.

Dans les robots humanoïdes, la transmission planétaire peut être envisagée lorsque l’articulation nécessite une combinaison de :

couple élevé, haut rendement, vitesse de rotation élevée et forte capacité de charge.

Les réducteurs planétaires sont donc particulièrement pertinents pour certaines conceptions d’articulations électriques fortement chargées des jambes, des bras et d’autres parties du robot.

La solution optimale dépend donc des exigences de chaque articulation, plutôt que du choix d’une seule technologie de réduction pour l’ensemble du robot humanoïde.

Pourquoi les actionneurs électriques intégrés d’articulations sont-ils importants pour les robots humanoïdes？

Les robots humanoïdes comportent un grand nombre d’articulations commandées indépendamment.

Si chaque articulation nécessite des moteurs, réducteurs, variateurs, capteurs et câblages externes distincts, le robot devient globalement plus grand et plus difficile à assembler.

Les actionneurs intégrés d’articulations de robots répondent à ce défi en regroupant plusieurs fonctions au sein d’un seul module mécanique.

Une articulation électrique intégrée typique peut combiner :

Moteur + Réducteur + Encodeur + Variateur + Roulement

Des fonctions supplémentaires telles que le frein, la détection du couple, STO, CAN/CANopen ou la communication EtherCAT peuvent également être intégrées selon l’architecture de l’actionneur.

Cela réduit le câblage externe et simplifie l’intégration mécanique.

Pour les fabricants de robots humanoïdes, l’intégration peut également améliorer l’efficacité de l’assemblage et faciliter la standardisation de l’actionneur sur différentes articulations du robot.

L’actionnement électrique ne se limite pas aux articulations rotatives

Bien que les réducteurs harmoniques et planétaires soient importants pour les articulations rotatives des robots, les robots humanoïdes nécessitent également des mouvements linéaires.

Une articulation linéaire peut être créée en convertissant la rotation du moteur en mouvement linéaire grâce à un mécanisme de transmission.

La vis à rouleaux planétaires constitue une technologie importante, car elle offre une capacité de charge élevée et une grande précision dans une structure relativement compacte.

Ce type de mécanisme est particulièrement pertinent pour les jambes des robots humanoïdes et pour d’autres applications nécessitant une force linéaire et une intégration compacte.

Par conséquent, l’architecture des futurs actionneurs de robots humanoïdes ne reposera probablement pas sur une seule technologie de transmission.

Les fabricants pourront plutôt combiner :

Actionneurs électriques rotatifs + Réducteurs harmoniques + Réducteurs planétaires + Actionneurs électriques linéaires + Vis à rouleaux planétaires

en fonction des exigences mécaniques de chaque articulation.

Qu’est-ce qui caractérise un bon actionneur électrique d’articulation de robot ?

Pour les robots humanoïdes, la sélection de l’actionneur doit aller au-delà du couple nominal.

Les ingénieurs doivent généralement évaluer :

La densité de couple, le couple maximal, le couple continu, la vitesse de sortie, le jeu, le rendement, les performances thermiques, l’inertie de l’articulation, la résolution de l’encodeur, la rigidité mécanique, l’interface de communication ainsi que la taille et le poids globaux de l’actionneur.

Par exemple, le poignet d’un robot humanoïde peut privilégier la compacité et un faible jeu, tandis qu’une articulation du genou ou de la hanche peut nécessiter un couple maximal et une capacité thermique nettement supérieurs.

Une main dextre nécessite un niveau supplémentaire de miniaturisation et de précision.

Cela signifie que l’actionneur idéal d’articulation de robot dépend de l’application et ne constitue pas une conception universelle.

Dans quels cas les actionneurs électriques d’articulations de robots sont-ils particulièrement adaptés？

Les avantages de l’actionnement électrique apparaissent particulièrement clairement dans les robots humanoïdes conçus pour un déploiement commercial.

Bras de robots humanoïdes

Les actionneurs rotatifs électriques peuvent assurer une commande précise de la position et du couple des articulations de l’épaule, du coude et du poignet, tout en conservant une structure mécanique compacte.

Jambes de robots humanoïdes

Les articulations de la hanche, du genou et de la cheville nécessitent un couple élevé, une réponse dynamique et une utilisation efficace de l’énergie. Les actionneurs électriques associés à des transmissions de précision adaptées peuvent constituer une alternative compacte aux systèmes hydrauliques centralisés.

Mains de robots humanoïdes

La main nécessite des actionneurs beaucoup plus petits et des mouvements extrêmement précis. Des réducteurs harmoniques miniatures et des moteurs électriques compacts peuvent être intégrés aux articulations des doigts lorsque l’espace d’installation est extrêmement limité.

Robots humanoïdes industriels

Pour les robots utilisés dans les usines et les environnements logistiques, l’actionnement électrique offre des avantages en matière d’intégration, de maintenance, de propreté et de compatibilité avec les architectures de commande numériques.

Cela est particulièrement pertinent alors que les robots humanoïdes passent des plateformes de recherche aux applications industrielles. Boston Dynamics, par exemple, a orienté le nouvel Atlas électrique vers une utilisation industrielle réelle, avec Hyundai comme premier partenaire d’application.

Pourquoi les actionneurs électriques d’articulations de robots deviennent-ils une technologie clé？

L’évolution des robots humanoïdes modifie les attentes des fabricants à l’égard des actionneurs d’articulations.

Les systèmes hydrauliques restent précieux lorsque la densité de force et la puissance dynamique extrêmement élevées constituent les principales exigences. Les systèmes pneumatiques peuvent également être utiles pour les applications souples et spécialisées.

Cependant, pour les robots humanoïdes alimentés par batterie et destinés à un déploiement à grande échelle, l’actionnement électrique offre une combinaison convaincante de rendement, de contrôlabilité, d’intégration compacte, de propreté et d’évolutivité.

La transition de l’Atlas, de l’actionnement hydraulique à l’actionnement entièrement électrique, constitue un exemple clair de cette orientation dans l’industrie.

Dans le même temps, l’actionnement électrique ne signifie pas que chaque articulation humanoïde doit utiliser le même moteur ou le même réducteur.

L’architecture future sera plus probablement une combinaison de différentes technologies de transmission électrique optimisées pour différentes articulations.

Actionneurs électriques d’articulations de robots HONPINE pour la robotique humanoïde

HONPINE développe des solutions intégrées d’actionneurs d’articulations de robots fondées sur des moteurs de précision, une transmission harmonique, une transmission planétaire, des encodeurs et des technologies de commande intégrées.

Pour les articulations rotatives des robots humanoïdes, les modules d’articulations à base de transmission harmonique offrent une solution compacte lorsque la faiblesse du jeu, la forte densité de couple et le positionnement précis sont essentiels.

Pour les applications nécessitant d’autres caractéristiques de couple, de vitesse et de charge, les solutions d’articulations à transmission planétaire offrent une architecture de transmission alternative.

HONPINE développe également des solutions d’actionneurs dotées d’une électronique intégrée et d’interfaces de communication, permettant aux fabricants de robots de réduire la complexité du système et de simplifier l’intégration des articulations.

Cette approche permet d’adapter l’architecture de l’actionneur à différentes applications de robots humanoïdes, des articulations de l’épaule et du coude aux poignets, hanches, genoux, chevilles et mains robotiques compactes.

Conclusion

Le passage de l’actionnement hydraulique à l’actionnement électrique constitue l’une des évolutions importantes de l’ingénierie des robots humanoïdes.

Les systèmes hydrauliques restent puissants et performants, mais les actionneurs électriques d’articulations de robots offrent des avantages qui deviennent de plus en plus importants à mesure que les robots humanoïdes s’orientent vers l’alimentation par batterie, la conception mécanique compacte, la commande numérique précise, le déploiement industriel et la production de masse.

La clé de cette transition ne consiste pas simplement à remplacer un vérin hydraulique par un moteur électrique. Les articulations électriques humanoïdes haute performance nécessitent une combinaison soigneusement adaptée de moteur, réducteur de précision, encodeur, variateur, roulement, détection et technologie de commande.

Pour les articulations rotatives, les réducteurs harmoniques et les réducteurs planétaires offrent des caractéristiques de performance différentes. Pour les articulations linéaires, des technologies telles que les vis à rouleaux planétaires offrent une autre voie vers l’actionnement électrique à force élevée.

À mesure que les robots humanoïdes deviennent plus performants et commercialement viables, les actionneurs électriques d’articulations de robots deviendront de plus en plus un élément fondamental des systèmes de mouvement des robots humanoïdes.

Les solutions intégrées d’articulations harmoniques et planétaires de HONPINE sont conçues pour accompagner cette transition grâce à des composants de mouvement compacts, précis et évolutifs destinés aux robots humanoïdes de nouvelle génération.