Cas d’application des moteurs pour robots en environnements complexes : de l’aérospatial et de l’exploration extraterrestre au fonctionnement autonome

Avec le développement continu de la technologie robotique, les robots passent progressivement des environnements structurés de la fabrication industrielle traditionnelle, de l’entreposage et de la logistique à des scénarios d’application plus complexes et ouverts.

Dans le passé, les robots étaient principalement utilisés sur des lignes de production industrielle où l’environnement était stable et les tâches fixes. Aujourd’hui, ils prennent en charge des tâches de plus en plus complexes, telles que :

• Exploration aérospatiale et exploration extraterrestre

• Inspection en environnement extérieur

• Opérations dans des zones à haut risque

• Inspection dans des espaces confinés

• Fonctionnement autonome de longue durée

Contrairement aux environnements industriels traditionnels, caractérisés par des conditions stables et des tâches fixes, ces environnements complexes sont souvent confrontés à des défis tels que des températures extrêmes, des terrains irréguliers, des charges d’impact élevées, un espace d’installation limité et un fonctionnement continu de longue durée. Ces conditions imposent également des exigences plus élevées aux systèmes d’entraînement des robots. En tant que composants essentiels du système de mouvement robotique, la densité de couple, la réponse dynamique, la fiabilité, le rendement et les capacités de contrôle des moteurs et des actionneurs influencent directement les performances de mouvement et la capacité des robots à accomplir leurs missions.

Les exigences imposées aux systèmes d’entraînement robotique varient selon les environnements d’application. Par exemple, les robots quadrupèdes doivent faire face à des terrains complexes et à des impacts instantanés, les robots spatiaux accordent davantage d’importance à la précision des mouvements et à la fiabilité à long terme, tandis que les robots d’inspection fonctionnant sur de longues périodes doivent trouver un équilibre entre efficacité, durée de vie et stabilité de fonctionnement.

Sur la base de ces différences, cet article classe les applications des robots dans les environnements complexes en cinq catégories typiques et, à travers des cas d’application concrets, analyse les caractéristiques des robots, les exigences en matière d’entraînement ainsi que les principaux critères de sélection des moteurs et des actionneurs dans différents environnements.

Quelles sont les applications typiques des robots dans les environnements complexes ?

Les environnements complexes couvrent un large éventail d’applications, allant de l’exploration aérospatiale et extraterrestre aux opérations extérieures au sol, en passant par les opérations à haut risque et le fonctionnement autonome de longue durée. Les conditions environnementales et les objectifs des missions varient considérablement d’un scénario à l’autre. Les cinq catégories suivantes représentent les principales orientations actuelles des applications robotiques dans les environnements complexes.

Dans ces environnements complexes, les robots doivent non seulement accomplir des tâches de mouvement, mais également faire face à :

• Des variations extrêmes de température

• Des terrains irréguliers

• Des charges d’impact élevées

• Un fonctionnement continu de longue durée

• Des contraintes d’encombrement

• Des exigences élevées en matière de contrôle précis des mouvements

Les cinq catégories d’applications suivantes seront examinées séparément. À travers des cas concrets, nous analyserons plus en détail les conditions environnementales auxquelles les robots sont confrontés, les exigences liées aux missions ainsi que les exigences correspondantes imposées aux systèmes d’entraînement.

Applications des robots dans les environnements aérospatiaux, extraterrestres et extrêmes

Caractéristiques de l’environnement

Les environnements aérospatiaux, extraterrestres et extrêmes figurent parmi les scénarios d’application présentant les défis technologiques les plus importants pour les robots.

Par rapport aux environnements terrestres ordinaires, ces scénarios présentent généralement des conditions physiques particulières, notamment :

• Environnement sous vide

• Environnement à microgravité ou à faible gravité

• Variations extrêmes de température

• Conditions de surface complexes

• Maintenance sans intervention humaine sur de longues périodes

Les environnements d’application typiques comprennent :

• Zones d’exploration de la surface lunaire

• Surface de Mars

• Stations spatiales

• Extérieur des engins spatiaux

• Environnements polaires

• Zones industrielles à haute température

Dans ces environnements, une fois déployés, les robots sont généralement difficiles à entretenir manuellement. Les systèmes d’entraînement doivent donc être capables de fonctionner de manière stable sur de longues périodes.

Applications robotiques typiques

Robots d’exploration extraterrestre

Les robots d’exploration extraterrestre sont principalement utilisés pour effectuer :

• Déplacement sur la surface

• Analyse du terrain

• Détection de l’environnement

• Collecte d’échantillons

En raison des terrains complexes et des obstacles inconnus présents dans les environnements extraterrestres, les robots doivent disposer d’une bonne capacité d’adaptation aux mouvements.

Bras robotiques spatiaux

Les bras robotiques spatiaux sont largement utilisés pour :

• La maintenance des équipements spatiaux

• L’installation de composants

• La manipulation d’objets

• Les opérations de précision

Les articulations des bras robotiques doivent simultanément répondre à des exigences élevées en matière de précision de positionnement et de fiabilité à long terme.

Robots d’inspection pour environnements extrêmes

Dans les environnements industriels à haute température, à basse température ou dangereux, les robots peuvent remplacer les opérateurs humains pour effectuer :

• L’inspection des équipements

• La surveillance de l’état

• La collecte de données

Cela permet de réduire les risques liés à l’intervention humaine dans les zones dangereuses.

Exigences clés pour les moteurs et les actionneurs

Forte densité de couple

En raison des contraintes liées au poids et à l’énergie, les robots doivent obtenir une puissance de sortie élevée tout en conservant une masse limitée.Une forte densité de couple peut aider les robots à :

• Réduire leur poids total

• Augmenter leur capacité de charge

• Optimiser l’utilisation de l’énergie

Conception à faible inertie

Les actionneurs à faible inertie peuvent améliorer la vitesse de réponse des articulations robotiques.Pour :

• Les bras robotiques

• Les mécanismes de manipulation de précision

• Les robots à dynamique élevée

une conception à faible inertie permet d’améliorer les performances de contrôle.

Haute fiabilité

Les robots destinés aux environnements extrêmes sont généralement difficiles à entretenir. Le système d’entraînement doit donc offrir :

• Une longue durée de vie

• Un fonctionnement stable

• Une bonne fiabilité mécanique

Capacité de contrôle précise

Les opérations spatiales et les tâches de précision nécessitent généralement :

• Une grande précision de positionnement

• Une sortie de couple stable

• De bonnes capacités de contrôle des mouvements

Gestion thermique

Les températures extrêmes peuvent affecter :

• Les enroulements du moteur

• Les roulements

• Les composants électroniques

Il est donc nécessaire de prendre en compte à la fois le contrôle de l’élévation de température et la conception de la dissipation thermique.

Cas d’application

Lien vers le cas：Un Robot Sautant pour l'Exploration des Tubes de Lave Martiens

Avec l’approfondissement de l’exploration humaine de Mars, les tubes de lave martiens suscitent un intérêt croissant en raison de leur valeur scientifique potentielle en tant que ressources et habitats. Cependant, ces espaces souterrains complexes et de grande ampleur posent des défis considérables aux technologies d’exploration traditionnelles. Ce robot sauteur, spécialement conçu pour explorer les tubes de lave martiens, a pour objectif principal d’utiliser le saut comme mode de déplacement tout en conservant une capacité de marche afin de s’adapter aux terrains complexes et aux environnements extrêmes.

Le robot utilise une structure de jambe basée sur un mécanisme parallèle à 5 barres afin d’optimiser ses capacités de saut vertical dans l’environnement martien à faible gravité. Sa conception met l’accent sur un système de propulsion à haut rendement et une structure légère, tout en intégrant un système de saut assisté par ressort et de récupération d’énergie afin de permettre des sauts successifs.

Au niveau du système d’entraînement, le robot utilise l’actionneur robotique CubeMars AK70-10 KV100 pour fournir la puissance nécessaire au mécanisme de jambe parallèle. Ce modèle offre un couple maximal de 24,8 Nm et adopte une structure de réduction par engrenages planétaires de 10:1, permettant d’alimenter les mouvements articulaires du robot pendant les phases de saut et de marche. L’actionneur intègre un encodeur et prend en charge la communication CAN-bus à 1 MHz, facilitant ainsi le contrôle des mouvements et l’intégration du système.

En combinant l’actionneur AK70-10 KV100 avec une structure de jambe parallèle légère, un système de saut assisté par ressort et un système de récupération d’énergie, le robot répond à la fois aux besoins de puissance nécessaires au mouvement de saut et aux exigences globales de conception structurelle. Ce cas illustre également le fait que, pour les robots d’exploration extraterrestre, la sélection du moteur doit prendre en compte de manière globale le couple maximal, la structure de transmission, le poids, l’interface de contrôle ainsi que les contraintes énergétiques.

Plus de cas d’application：CubeMars soutient l'équipe de rover martien de la Binghamton University pour l'URC

Applications des robots dans les environnements extérieurs difficiles et non structurés

Caractéristiques de l’environnement

Les environnements extérieurs sont plus complexes que les environnements industriels, leur principale caractéristique étant leur niveau élevé d’incertitude.Les robots peuvent être confrontés à :

• Des zones montagneuses

• Des déserts

• Des terrains de type Gobi

• Des forêts

• Des terrains enneigés

• Des terrains boueux

• Des surfaces couvertes de gravier

Ces environnements ne disposent généralement pas de trajectoires fixes. Les robots doivent donc adapter leur état de mouvement en fonction de l’environnement en temps réel.

Applications robotiques typiques

Robots quadrupèdes

Les robots quadrupèdes coordonnent plusieurs articulations afin de réaliser :

• La marche

• La course

• Le franchissement d’obstacles

• La montée de pentes

Leurs actionneurs articulaires doivent ajuster en permanence leur puissance de sortie afin de maintenir la stabilité du corps.

Robots d’inspection en extérieur

Ils sont principalement utilisés pour :

• L’inspection des installations électriques

• L’inspection des conduites

• La surveillance des environnements extérieurs

• L’inspection des infrastructures

Robots de transport autonomes

Ils peuvent être utilisés pour :

• La logistique en environnement extérieur

• Le transport de matériel dans des zones spécifiques

• Les plateformes d’opérations autonomes

Exigences clés pour les moteurs et les actionneurs

Couple de pointe élevé

Les robots ont besoin d’une puissance instantanée importante dans les situations suivantes :

• Franchissement d’obstacles

• Montée de pentes

• Récupération de posture

• Démarrage rapide

Réponse dynamique rapide

Les robots à pattes, en particulier, nécessitent des actionneurs capables de répondre rapidement à :

• Les commandes de contrôle des mouvements

• Les variations du terrain

• Les ajustements de posture

Résistance aux chocs

Les terrains complexes peuvent entraîner :

• Des collisions

• Des chutes

• Des variations instantanées de charge

Le système d’entraînement doit donc présenter une bonne résistance mécanique.

Haut rendement

Les robots extérieurs sont généralement alimentés par batterie. Une meilleure efficacité de l’entraînement permet de :

• Prolonger l’autonomie

• Réduire la consommation d’énergie

Cas d’application

Lien vers le cas：CubeMars soutient le développement du robot quadrupède agricole de l'Université du Minnesota

Avec le développement rapide de l’agriculture de précision, l’obtention de données complètes et de haute précision sur la croissance des cultures est devenue un enjeu majeur. Une réalisation innovante du laboratoire de robotique agricole de l’Université du Minnesota — un robot quadrupède agricole spécialement conçu pour les environnements agricoles complexes.

Ce robot quadrupède utilise le moteur d’articulation CubeMars AK70-10 comme source d’entraînement principale. Il dépasse les limitations physiques des drones traditionnels et des machines agricoles à roues, en étant capable de pénétrer dans des champs de maïs denses et de collecter avec précision des données sur les maladies, les ravageurs et les nutriments sous la canopée. Il contribue ainsi à compléter un élément essentiel de l’agriculture intelligente moderne : l’inspection tridimensionnelle.

Plus de cas d’application：Kemba : un robot quadrupède alliant puissance et contrôle précis

Applications des robots dans les environnements à haut risque et pour les opérations spécialisées

Caractéristiques de l’environnement

Certains environnements de travail présentent des risques élevés et ne sont pas adaptés à une intervention humaine directe.Les environnements typiques comprennent :

• Les zones sinistrées

• Les zones d’intervention des services d’incendie

• Les installations nucléaires

• Les zones chimiques

• Les environnements industriels à haut risque

Les robots peuvent remplacer les opérateurs humains pour effectuer des tâches d’inspection, de sauvetage et d’intervention, améliorant ainsi la sécurité des opérations.

Applications robotiques typiques

Robots de recherche et de sauvetage

Leurs principales missions comprennent :

• La recherche dans les zones sinistrées

• La détection de l’environnement

• Le transport de matériel

Robots d’inspection des zones dangereuses

Ils sont utilisés pour :

• L’inspection des équipements industriels

• La surveillance de l’état des équipements

• Les rondes d’inspection automatisées

Robots pour opérations spécialisées

Ils comprennent notamment :

• Les plateformes d’opération à distance

• Les robots destinés aux opérations en environnements spéciaux

Exigences clés pour les moteurs et les actionneurs

Haute fiabilité

Les robots doivent être capables d’accomplir leurs missions de manière continue dans des environnements complexes.

Résistance aux chocs

Ils doivent conserver leurs capacités de mouvement en cas de collision ou de variation anormale de charge.

Contrôle précis des mouvements

Pour les bras robotiques et les mécanismes de manipulation, les mouvements doivent être exécutés avec précision.

Capacité de fonctionnement prolongé

Certaines missions peuvent durer longtemps. Il faut donc accorder une attention particulière à :

• L’élévation de température

• Le rendement

• La durée de vie

Cas d’application

Lien vers le cas：Gorilla Mk1 Robot : Alimenté par les moteurs CubeMars, ouvrant la voie à de nouveaux sommets dans la maintenance des lignes aériennes

Dans le domaine des opérations en hauteur sur les réseaux de transport d’électricité australiens, les interventions humaines sur les lignes sous tension sont toujours associées à des risques de sécurité extrêmement élevés. Un robot nommé Gorilla Mk1, développé pour les opérations de maintenance et d’inspection des lignes électriques à haute tension, apporte un niveau inédit de sécurité et d’efficacité grâce à ses technologies avancées et à son système de propulsion de précision. Au cœur de son système d’entraînement, le moteur couple sans cadre RI80 V2.0 de CubeMars joue un rôle essentiel.

Le robot Gorilla Mk1 est équipé de quatre moteurs couple sans cadre à rotor interne RI80 V2.0 de CubeMars. La haute précision et les performances de puissance élevées de ces moteurs permettent au robot de se déplacer de manière stable et sûre sur les lignes de transport d’électricité, tout en lui fournissant une forte capacité de traction et une capacité de charge élevée pour répondre aux exigences des opérations dans des environnements complexes. Ces moteurs fournissent également une puissance fiable au système de contrôle de précision du Gorilla Mk1, lui permettant d’ajuster avec flexibilité les forces appliquées sur la ligne et de maximiser la sécurité et l’efficacité des opérations.

Plus de cas d’application：Moteur cardan creux GL60II alimentant les robots d’ingénierie RoboMaster

Applications des robots dans les espaces confinés et les environnements à forte intégration

Caractéristiques de l’environnement

Certains robots doivent intervenir dans des zones où l’espace disponible est limité, par exemple :

• À l’intérieur des conduites

• À l’intérieur des équipements

• À l’intérieur des structures aérospatiales

• Sur les petites plateformes robotiques

Le principal défi de ces applications consiste à obtenir des capacités de mouvement suffisantes dans un espace limité.

Applications robotiques typiques

Robots d’inspection de conduites

Ils sont utilisés pour :

• L’inspection de l’état des conduites

• La détection des défauts

• La collecte de données

Robots d’inspection miniatures

Ils sont utilisés pour :

• L’inspection des espaces étroits

• L’inspection de l’intérieur des équipements

Petits bras robotiques

Ils sont utilisés pour :

• Les opérations de précision

• L’assemblage dans des espaces restreints

Exigences clés pour les moteurs et les actionneurs

Conception compacte

L’espace disponible étant limité, il est nécessaire de réduire :

• Les dimensions du moteur

• Le poids du système

Forte densité de couple

Le système doit fournir une puissance suffisante dans un volume limité.

Haut niveau d’intégration

Les actionneurs doivent généralement intégrer :

• Le moteur

• L’encodeur

• Les composants de commande

afin de réduire la complexité du système.

Conception structurelle flexible

Certaines applications nécessitent :

• Une structure creuse

• Des méthodes d’installation spécifiques

• Une conception personnalisée

Cas d’application

Lien vers le cas：案例展示 | CubeMars AK电机赋能 Legacy V2 四轮独立转向探测车

Dans les missions d’exploration de terrains complexes et d’inspection d’espaces étroits, la mobilité du châssis détermine souvent la réussite de la mission. Le véhicule d’exploration à quatre roues directrices Legacy V2 adopte une architecture innovante à quatre roues directrices et quatre roues motrices (4WS4WD) et utilise les modules d’entraînement de la série CubeMars AK comme unités principales de puissance et d’actionnement. Il peut ainsi effectuer des rotations sur place à rayon nul, des déplacements latéraux et d’autres mouvements omnidirectionnels, offrant une flexibilité extrême pour les missions d’exploration spécialisées.

Plus de cas d’application：KLEIYN : Robot quadrupède grimpeur de murs alimenté par CubeMars

Applications des robots dans les environnements nécessitant un fonctionnement autonome de longue durée

Caractéristiques de l’environnement

Avec le développement des technologies d’automatisation, de plus en plus de robots doivent être déployés pendant de longues périodes dans des zones où la maintenance humaine est difficile.Les environnements typiques comprennent :

• Les sites miniers autonomes

• Les zones éloignées

• Les infrastructures

• Les zones d’inspection sur de longues distances

Ces robots doivent généralement réduire les besoins en maintenance humaine et améliorer leur capacité à fonctionner sur de longues périodes.

Applications robotiques typiques

Robots d’inspection automatisés

Ils sont utilisés pour :

• L’inspection des équipements

• La surveillance de l’état

• La collecte de données

Plateformes mobiles de surveillance

Elles sont utilisées pour :

• La surveillance environnementale

• Les rondes automatisées

Robots de transport autonomes

Ils sont utilisés pour :

• Le transport sur de longues distances

• La logistique automatisée

Exigences clés pour les moteurs et les actionneurs

Haut rendement

Dans le cadre d’un fonctionnement de longue durée, il est nécessaire de réduire la consommation d’énergie.

Longue durée de vie

Il faut accorder une attention particulière à :

• L’usure mécanique

• L’élévation de température

• La capacité de fonctionnement continu

Faibles besoins de maintenance

Réduire les coûts de maintenance humaine et améliorer la disponibilité des équipements.

Fonctionnement stable

Le système d’entraînement doit maintenir des performances constantes sur de longues périodes.

Cas d’application

Lien vers le cas：CubeMars RI80 alimente le robot d’inspection des lignes de transmission de Transgrid

Dans le domaine de la maintenance des réseaux électriques à haute tension en hauteur, les opérations humaines sur des lignes sous tension comportent toujours des risques de sécurité extrêmement élevés. Le robot d’inspection des lignes de transport d’électricité à haute tension développé par la société australienne Transgrid s’inspire de manière innovante du système de suspension du rover martien Perseverance de la NASA et utilise les moteurs d’articulation haute performance CubeMars RI80 comme source d’entraînement principale. Il peut se déplacer de manière autonome sur les lignes à haute tension, effectuer des ascensions précises et franchir facilement différents accessoires et éléments de câblage, contribuant ainsi à éloigner les opérateurs humains des opérations dangereuses en hauteur sur des lignes sous tension.

Conclusion : principaux facteurs à prendre en compte pour la sélection des moteurs des robots en environnements complexes

La sélection des moteurs pour les robots opérant dans des environnements complexes ne doit pas se limiter à des paramètres isolés tels que le couple maximal ou la vitesse. Elle doit prendre en compte de manière globale l’environnement de fonctionnement réel, la mission du robot, la structure mécanique ainsi que les exigences de contrôle.

Lors de la sélection d’un moteur ou d’un actionneur, les principaux aspects à prendre en compte sont les suivants :

• Capacité d’adaptation à l’environnement

• Adéquation entre les exigences de la mission et les performances

• Couple, vitesse et cycle de fonctionnement

• Structure mécanique et exigences d’intégration

• Capacités de contrôle et fiabilité à long terme

Ce n’est qu’en assurant une adéquation appropriée entre le moteur, l’actionneur, la structure mécanique et le système de contrôle que les robots pourront fonctionner de manière stable, efficace et fiable dans des environnements complexes.