Comment réduire le bruit dans les articulations robotiques

Quelles sont les causes du bruit dans les articulations des robots ?

Avant de tenter de réduire le bruit, il est essentiel d’en identifier l’origine. Dans la plupart des systèmes robotiques, le bruit des articulations ne provient pas d’une seule source, mais résulte plutôt de l’interaction de multiples facteurs.

L’un des contributeurs les plus courants est la transmission par engrenages. Le jeu (backlash), un engrènement imparfait et les tolérances de fabrication peuvent introduire des impacts et des vibrations périodiques, en particulier dans les systèmes d’engrenages à fort rapport utilisés pour l’amplification du couple. Avec le temps, l’usure augmente encore ces effets, rendant le bruit plus prononcé.

Le comportement du moteur est un autre facteur significatif. Dans les systèmes BLDC et servo, les ondulations de couple (torque ripple) et les forces électromagnétiques peuvent générer des vibrations qui se propagent à travers la structure. Dans de nombreux cas, ce qui apparaît comme un bruit mécanique trouve en réalité son origine dans les caractéristiques de commande ou de commutation.

La résonance structurelle joue également un rôle critique. Les conceptions légères, bien qu’avantageuses pour l’efficacité, réduisent souvent la rigidité et rendent le système plus susceptible à l’amplification des vibrations à certaines fréquences. Lorsque la fréquence d’excitation correspond à un mode propre, même de petites perturbations peuvent produire un bruit perceptible.

La qualité d’assemblage ne doit pas être négligée. Un désalignement des arbres, une lubrification insuffisante et l’accumulation des tolérances peuvent tous introduire des frottements et des mouvements irréguliers. Ces problèmes se manifestent souvent sous forme de bruit dans des conditions dynamiques, même lorsque les composants individuels respectent les spécifications.

Enfin, l’instabilité du système de contrôle peut produire un comportement oscillatoire. Des paramètres PID mal réglés ou des commandes de couple excessivement agressives peuvent entraîner des micro-ajustements continus, perçus comme du bruit audible.

Comment réduire le bruit dans les articulations des robots

Réduire efficacement le bruit nécessite une approche coordonnée à travers plusieurs domaines plutôt qu’une solution isolée unique.

L’amélioration du système de transmission est souvent l’étape la plus directe. L’utilisation d’architectures de transmission à faible jeu et haute précision peut réduire considérablement le jeu mécanique, tandis qu’une plus grande précision de fabrication et une précharge appropriée contribuent à améliorer la fluidité de la transmission de force. Lorsque le bruit provient de l’engrènement des engrenages, l’optimisation mécanique est généralement inévitable.

Une attention particulière doit également être portée aux caractéristiques du moteur, en particulier aux ondulations de couple. Des techniques telles que le contrôle orienté champ (FOC), combinées à des codeurs haute résolution et à une conception électromagnétique optimisée, peuvent grandement améliorer la fluidité. Des systèmes bien conçus, comme ceux observés sur le MIT Mini Cheetah, démontrent comment la minimisation des ondulations de couple contribue à la fois aux performances et à la qualité acoustique.

Les améliorations structurelles offrent une autre couche d’optimisation. L’augmentation de la rigidité au niveau de l’articulation et la réduction de la compliance dans les interfaces de montage peuvent empêcher l’amplification des vibrations. L’analyse modale est souvent utile pour identifier les fréquences critiques et garantir que le système évite de fonctionner dans des zones sujettes à la résonance.

Les pratiques d’assemblage ont également un impact substantiel. Assurer un alignement précis, utiliser des roulements de haute qualité et appliquer une précharge et une lubrification appropriées peuvent éliminer de nombreuses sources de bruit induit par le frottement. En pratique, les problèmes attribués aux moteurs sont souvent liés à des imprécisions d’assemblage.

L’affinement de la stratégie de contrôle améliore encore la réduction du bruit. Un réglage minutieux des paramètres PID peut éliminer les oscillations, tandis que l’intégration d’un amortissement, d’un contrôle d’impédance ou d’une compensation en anticipation (feedforward) aide à stabiliser la réponse du système. Un contrôleur bien réglé réduit souvent le bruit sans nécessiter de modifications matérielles.

Les actionneurs intégrés comme stratégie de réduction du bruit

Dans les architectures traditionnelles, la séparation du moteur, du réducteur et du variateur introduit plusieurs interfaces où des désalignements et des incohérences peuvent survenir. Ces interfaces compliquent non seulement l’intégration, mais augmentent également la probabilité de vibrations et de bruit.

Les actionneurs intégrés répondent à ce défi en combinant ces éléments en une seule unité optimisée. Cette approche réduit les interfaces mécaniques, améliore l’alignement et permet une coordination plus étroite entre le contrôle et le matériel. En conséquence, les vibrations et les émissions acoustiques peuvent être considérablement réduites.

Des solutions telles que celles développées par CubeMars illustrent cette tendance. En intégrant la conception de la transmission, le contrôle du moteur et l’agencement structurel, ces actionneurs sont conçus pour offrir un mouvement plus fluide et des niveaux de bruit plus faibles dans les applications robotiques.

Approches supplémentaires de réduction du bruit

Lorsque le bruit ne peut pas être entièrement éliminé à sa source, des mesures secondaires peuvent aider à limiter sa propagation. L’utilisation de matériaux amortissants, de supports d’isolation vibratoire et de blindage acoustique peut réduire la transmission du son à travers la structure. Cependant, ces méthodes sont plus efficaces lorsqu’elles sont appliquées en complément d’améliorations fondamentales de conception plutôt qu’en solutions autonomes.

Choisir le bon actionneur pour une robotique à faible bruit

La sélection d’un actionneur robotique à faible bruit nécessite une évaluation d’ingénierie au niveau du système plutôt que de se concentrer sur une seule métrique de performance. Des facteurs tels que les ondulations de couple, le jeu de transmission, la bande passante de contrôle et l’intégration structurelle influencent collectivement la performance acoustique finale.

D’un point de vue ingénierie, le cœur d’un actionneur à faible bruit ne consiste pas à « réduire le bruit d’un seul composant », mais à réduire la génération et l’amplification des sources de vibration par une conception au niveau du système. Par exemple, plus les ondulations de couple sont faibles, plus la sortie du moteur est fluide et plus l’excitation transmise à la structure est faible ; plus le jeu est réduit, moins il y a d’impacts mécaniques ; et plus la bande passante de contrôle est appropriée, moins le système est susceptible d’entrer en oscillation.

Les solutions modernes d’actionneurs intégrés sont conçues sur la base de ce principe. En prenant les actionneurs intégrés CubeMars comme exemple, leur conception intègre généralement le moteur, le réducteur et le système de commande dans une architecture d’optimisation unifiée. Cela réduit les erreurs d’assemblage et les écarts d’alignement au niveau structurel, diminue les ondulations de couple au niveau du moteur et améliore la cohérence de la réponse dynamique grâce à une architecture de contrôle unifiée.

Dans les applications pratiques, ces actionneurs sont couramment utilisés dans des systèmes robotiques ayant des exigences élevées en matière de bruit et de fluidité de mouvement, tels que les articulations de bras robotiques, les articulations de pattes de robots quadrupèdes et les actionneurs des membres inférieurs de robots humanoïdes. Dans ces scénarios, où la stabilité du mouvement continu est essentielle, le bruit du système reflète souvent directement les performances dynamiques globales.

Cas de test de stabilité d’un robot quadrupède

Un passionné d’ingénierie de 15 ans, Arsenii Mironov, a conçu et construit de manière indépendante un robot quadrupède et a réalisé un test d’équilibre très représentatif. Il a placé le robot sur une planche en bois inclinable et a progressivement relevé un côté pour créer une pente. Malgré l’inclinaison en constante évolution, le robot a pu rester debout de manière stable sans glisser ni basculer, démontrant une excellente capacité de contrôle de posture.

Les 12 articulations du système sont entraînées par des actionneurs robotiques intégrés CubeMars AK70-10 KV100. Cet actionneur présente les caractéristiques clés suivantes dans des scénarios de charge dynamique :

• Densité de couple élevée : couple de pointe jusqu’à 24,8 Nm, capable de gérer des variations rapides de charge dynamique

• Réponse dynamique rapide : capacité de contrôle à faible latence prenant en charge des ajustements de posture à haute fréquence

• Système de retour haute précision : codeur 14 bits intégré permettant une précision de contrôle du mouvement au niveau submillimétrique

• Structure hautement intégrée : moteur, réducteur planétaire et variateur intégrés dans un format compact, réduisant les sources d’erreurs mécaniques

Ce cas démontre la relation directe entre faible bruit et haute stabilité : lorsqu’un actionneur présente une forte cohérence de réponse, le système n’a pas besoin de corrections de posture fréquentes, réduisant ainsi la génération de vibrations et de bruit structurel.

Cas d’un bras robotique stabilisé à deux axes

Un autre développeur, Cameron Coward, a développé un projet open source appelé CamRo, un bras de caméra robotisé stabilisé sur deux axes avec une programmabilité complète et une capacité de contrôle à distance. Le système est principalement utilisé pour obtenir une stabilisation de mouvement fluide de niveau professionnel.

Les unités d’actionnement principales de ce système utilisent des actionneurs intégrés CubeMars AK80-64 et AK60-6 V1.1, fournissant une sortie de couple stable et une précision de mouvement dans des conditions de contrôle hautement dynamiques.

Cette combinaison atteint un équilibre entre une grande rigidité et une réponse dynamique élevée, permettant au système de cardan de maintenir une sortie à faible jitter lors de mouvements rapides, réduisant ainsi les vibrations visuelles et le bruit structurel.

Pour les systèmes robotiques nécessitant une intégration encore plus élevée, CubeMars a également introduit la série AKH d’actionneurs planétaires à arbre creux.

Cette série est un module d’actionneur planétaire intégré à arbre creux conçu pour des articulations robotiques compactes à couple élevé et des systèmes d’automatisation. Son architecture principale intègre un moteur sans balais, un réducteur planétaire de précision, des codeurs doubles haute résolution et un système d’entraînement FOC, atteignant une sortie à haute densité de couple dans une structure légère.

Ses avantages de conception incluent :

• Structure à arbre creux permettant le routage des câbles et l’intégration de passage mécanique

• Architecture à double codeur améliorant la précision et la stabilité du contrôle en boucle fermée

• Réducteur planétaire offrant une densité de couple élevée et une structure compacte

• Entraînement FOC optimisant la douceur de sortie du moteur et réduisant les ondulations de couple

Cette série est particulièrement adaptée aux systèmes d’articulations robotiques de nouvelle génération nécessitant une optimisation simultanée de l’espace mécanique, de l’intégration du système et du fonctionnement à faible bruit.

Conclusion

La réduction du bruit dans les articulations robotiques est intrinsèquement un défi au niveau du système. Des solutions efficaces nécessitent des améliorations coordonnées dans la conception de la transmission, le contrôle du moteur, la rigidité structurelle et la qualité d’intégration.

En traitant ces facteurs à leur source, les ingénieurs peuvent obtenir non seulement un fonctionnement plus silencieux, mais aussi une précision, une efficacité et une fiabilité à long terme améliorées.