Actionneurs robotiques intégrés vs moteurs conventionnels : l’avenir du mouvement en robotique

Concepts de base des actionneurs électriques intégrés et des moteurs conventionnels

Systèmes de moteurs conventionnels

Les systèmes d’entraînement robotique conventionnels sont généralement composés de plusieurs modules fonctionnels, notamment le moteur lui-même, un driver externe, un encodeur et un réducteur. Ces composants sont connectés via des connexions électriques et des structures mécaniques afin de former une unité d’actionnement complète.

Dans la pratique de l’ingénierie, cette architecture offre une grande flexibilité. Les ingénieurs peuvent sélectionner des moteurs, réducteurs et contrôleurs de différentes spécifications en fonction des exigences spécifiques, permettant ainsi une conception système personnalisée.

Cependant, cette flexibilité entraîne également une complexité système plus élevée. Des paramètres tels que les caractéristiques du moteur, les rapports de réduction, la capacité de courant du driver et la précision du retour d’information de l’encodeur doivent être soigneusement appariés au niveau du système. Parallèlement, le système de contrôle doit réaliser le réglage des boucles de courant, de vitesse et de position.

Essentiellement, il s’agit d’un problème classique d’ingénierie système, nécessitant une forte expertise en contrôle moteur et en intégration système.

Actionneurs électriques intégrés

Un actionneur électrique intégré est une unité d’actionnement mécatronique qui intègre le moteur, le driver, l’encodeur et le réducteur dans une structure unique, et qui est largement utilisée en robotique et dans les systèmes de mouvement intelligents.

Un actionneur intégré typique est généralement composé des modules principaux suivants :

• Moteur brushless à courant continu (BLDC)

• Unité d’entraînement intégrée (supportant le contrôle FOC)

• Système de retour de position haute résolution (encodeur)

• Réducteur planétaire ou harmonique (optionnel selon l’application)

Ces produits sont connectés aux systèmes de contrôle de niveau supérieur via des interfaces de communication standard (telles que CAN, RS485 ou EtherCAT), permettant une intégration modulaire dans les systèmes de mouvement robotique pour un déploiement rapide et une application flexible.

Comparé aux solutions d’entraînement séparées conventionnelles, les actionneurs intégrés réalisent l’appariement et l’optimisation du moteur, du driver et du système de transmission dès la phase de conception produit. Cela réduit considérablement la complexité d’intégration et de débogage côté utilisateur, tout en améliorant la cohérence et la fiabilité du contrôle de mouvement.

Principaux avantages des actionneurs électriques intégrés

Réduction de la complexité d’intégration système

Dans les architectures conventionnelles, les ingénieurs doivent réaliser la sélection du moteur, l’adaptation du driver, la configuration de l’encodeur et le réglage des paramètres de contrôle. Ce processus est non seulement long, mais aussi fortement dépendant de l’expérience.

Les actionneurs intégrés réalisent l’optimisation système au niveau usine, éliminant la nécessité de gérer les correspondances de base. Les ingénieurs n’ont qu’à envoyer des commandes de contrôle via des interfaces de communication pour obtenir un contrôle de position, de vitesse ou de couple.

Cette approche réduit considérablement la complexité de conception système et minimise les problèmes de performance liés aux incompatibilités de paramètres.

Amélioration de l’utilisation de l’espace et de la densité de puissance

Dans les systèmes robotiques, l’espace des articulations est généralement très limité, en particulier dans les robots quadrupèdes, humanoïdes et les exosquelettes, où un couple élevé doit être fourni dans un volume restreint.

Les actionneurs intégrés adoptent une conception compacte en intégrant le système d’entraînement et de transmission, réduisant efficacement le volume global. En parallèle, des chemins de transmission et des structures optimisés permettent d’obtenir un couple plus élevé dans un même volume.

Cette caractéristique de haute densité de puissance les rend particulièrement adaptés aux conceptions d’articulations robotiques à espace limité et à fortes exigences de performance.

Optimisation de l’adéquation des performances système

Dans les systèmes conventionnels, des incompatibilités de paramètres peuvent apparaître entre les composants, comme un désalignement entre l’inertie du moteur et la rigidité du réducteur, ou une bande passante insuffisante du driver entraînant des retards de réponse.

Les actionneurs intégrés optimisent l’ensemble du système moteur, électronique et transmission dès la phase de conception, y compris le réglage des algorithmes de contrôle et l’intégration du système de retour, garantissant ainsi une coordination de tous les modules.

Dans les applications pratiques, cela se traduit par un fonctionnement plus fluide à basse vitesse, une réponse dynamique plus stable et une précision de contrôle plus élevée.

Amélioration de la fiabilité système

Les solutions conventionnelles multi-composants impliquent davantage d’interfaces de connexion et donc davantage de points de défaillance potentiels. Les câbles, connecteurs et drivers externes peuvent rencontrer des problèmes en cas de vibrations ou d’utilisation prolongée.

Les actionneurs intégrés réduisent les connexions externes et les interfaces, diminuant ainsi le risque de panne. Par ailleurs, leur structure intégrée augmente la rigidité mécanique et améliore la stabilité dans des conditions dynamiques.

Cet avantage est particulièrement important pour les robots mobiles et les environnements complexes.

Réduction du cycle de développement

Dans le développement robotique, l’intégration et le débogage système représentent souvent une part importante du temps total. Les solutions conventionnelles nécessitent plusieurs étapes telles que la sélection, l’installation, le débogage et l’optimisation.

Les actionneurs intégrés fournissent des modules standardisés, simplifiant considérablement le processus de développement. Les ingénieurs peuvent se concentrer davantage sur les algorithmes de contrôle de mouvement et les fonctionnalités système plutôt que sur le réglage bas niveau des drivers.

Cet avantage est particulièrement précieux pour les instituts de recherche, les start-ups et les projets à itération rapide.

Optimisation de la gestion thermique et de la durée de vie

La gestion thermique est un facteur clé influençant les performances et la durée de vie des moteurs. Dans les systèmes conventionnels, les sources de chaleur sont dispersées, rendant difficile une conception thermique unifiée.

Les actionneurs intégrés permettent une gestion thermique centralisée et des chemins de dissipation optimisés grâce à leur conception structurelle globale. Certains produits sont également équipés de systèmes de surveillance de température et de mécanismes de protection, activant une limitation de puissance ou une protection en cas de surchauffe.

Cette capacité de gestion thermique au niveau système contribue à améliorer la stabilité à long terme et à prolonger la durée de vie.

Scénarios d’application typiques des actionneurs électriques intégrés

Robots quadrupèdes

Les robots quadrupèdes imposent des exigences extrêmement élevées aux systèmes d’entraînement, notamment une forte densité de couple, une réponse dynamique rapide et une sortie stable dans des environnements complexes. Lors des sauts, de la course et des déplacements sur terrain complexe, les actionneurs articulaires doivent fournir une sortie continue tout en maintenant un contrôle précis face aux variations de charge instantanées.

Dans les applications pratiques, les actionneurs électriques intégrés sont devenus une solution dominante pour les articulations des robots quadrupèdes. Par exemple, le robot quadrupède de deuxième génération Kleiyn développé par le laboratoire JSK de l’Université de Tokyo illustre les avantages de cette approche dans des environnements complexes. Le robot peut non seulement marcher de manière stable sur des terrains irréguliers, mais aussi réaliser une ascension rapide et stable de type « chimney climbing », montrant ainsi le passage du mouvement plan à tridimensionnel.

Dans le système d’entraînement :

• Les articulations des jambes utilisent des actionneurs AK70-10 KV100 avec un couple maximal de 24,8 Nm, répondant aux exigences de réponse rapide en mouvement haute fréquence

• L’articulation de la taille utilise un actionneur AK10-9 V2.0 KV60 avec un couple maximal de 48 Nm, offrant un soutien stable et une capacité de charge élevée du troncGrâce à un couple élevé, une faible latence et des caractéristiques quasi direct-drive, ces actionneurs électriques intégrés assurent un mouvement stable sous charges dynamiques élevées.

Grâce à une sortie de couple élevée, une faible latence de réponse et des caractéristiques de quasi entraînement direct, ces actionneurs électriques intégrés maintiennent une grande fluidité et une stabilité élevée dans des conditions hautement dynamiques et à forte charge.

Robots humanoïdes

Dans les systèmes de robots humanoïdes, l’espace articulaire est fortement limité, tandis qu’un contrôle coordonné multi-degrés de liberté est requis, ce qui impose des exigences élevées en termes de taille, performance et précision de contrôle.

Les actionneurs électriques intégrés combinent moteur, entraînement et transmission dans une structure compacte, permettant un couple suffisant dans un espace limité. Parallèlement, les encodeurs haute résolution et les algorithmes de contrôle optimisés permettent un contrôle précis des mouvements complexes.

Dans la pratique, ces actionneurs ne permettent pas seulement les mouvements articulaires de base, mais aussi des comportements dynamiques plus complexes tels que l’équilibre, les changements de démarche et l’interaction homme-robot.

Par exemple, l’artiste Daniel Simu amènera son robot « Robin » sur scène pour exécuter une danse collaborative avec des humains. De telles applications nécessitent non seulement une grande précision des mouvements, mais mettent également l’accent sur la fluidité et l’expressivité.

Dans ce projet, le robot utilise des actionneurs de la série AK de CubeMars comme unités d’entraînement principales. Cette série est reconnue pour son faible jeu (backlash) et sa haute précision, offrant d’excellentes performances dans les applications nécessitant un positionnement précis et un fonctionnement fluide. Elle se distingue également par une conception hautement intégrée avec double retour d’encodeur, prenant en charge à la fois le mode de contrôle servo et le mode MIT.

Actionneur Robotique Série AK – Haute intégration pour la robotique

Systèmes d’exosquelette

Les systèmes d’exosquelette ont des exigences différentes des robots traditionnels, notamment la légèreté, la sécurité et une sortie de couple fluide afin d’assurer une interaction homme-machine naturelle.

Le système d’exosquelette des membres inférieurs piloté par IA développé par Georgia Tech, Stanford University et l’Université de Pennsylvanie est un cas d’application typique des actionneurs électriques intégrés. Le système a été publié dans Science Advances et a démontré une amélioration significative de l’efficacité de la marche humaine en environnement réel.

Le système utilise des actionneurs CubeMars AK80-9 KV100 comme unités d’entraînement principales.

L’actionneur réduit efficacement la consommation d’énergie liée au poids propre du système d’exosquelette grâce à une forte densité de couple et à une conception légère. En même temps, sa structure intégrée combine un moteur sans balais, un réducteur planétaire et un module d’entraînement afin d’obtenir une sortie de couple fluide et efficace.

Au niveau du contrôle, le système prend en charge la commutation entre les modes de contrôle servo et MIT, et dispose de fonctions d’identification des paramètres en un clic ainsi que de réglage adaptatif. Cela simplifie considérablement le processus de débogage et améliore la précision du contrôle. Ceci est particulièrement crucial pour les dispositifs portables nécessitant une réponse dynamique élevée et un contrôle de couple précis.

Solutions d’entraînement personnalisées

Dans les applications robotiques réelles, les exigences varient fortement selon les scénarios, et les produits standard ne peuvent souvent pas répondre à tous les besoins.

CubeMars s’appuie sur son expérience de longue date dans les moteurs robotiques pour fournir en continu des solutions d’entraînement personnalisées. L’entreprise est spécialisée dans la R&D et la fabrication de moteurs robotiques, avec des capacités complètes allant de la conception moteur au développement d’actionneurs intégrés.

À ce jour, CubeMars a fourni des solutions personnalisées à plus de 1 600 entreprises dans le monde et collabore avec plus de 1 000 entreprises et instituts de recherche en robotique. Ses produits sont largement utilisés dans l’automatisation industrielle, les robots humanoïdes, les exosquelettes, les robots médicaux et les robots mobiles, fournissant des solutions d’alimentation robotique fiables.

Grâce aux services personnalisés, les équipes d’ingénierie obtiennent plus de flexibilité dès la phase de conception et peuvent mieux équilibrer performance, structure et contrôle, améliorant ainsi l’efficacité et la fiabilité globales du système.

Conclusion

Les actionneurs électriques intégrés réalisent une optimisation complète des performances d’entraînement, de la compacité structurelle et de la cohérence du contrôle au niveau système en intégrant moteur, driver, encodeur et réducteur dans une seule unité.

Comparés aux systèmes moteurs conventionnels séparés, ils offrent des avantages significatifs en intégration système, densité de puissance, réponse dynamique et efficacité de développement, répondant mieux aux besoins de la robotique moderne en matière de contrôle haute dynamique, mouvement de haute précision et structures compactes.

À mesure que la robotique évolue vers la coordination multi-degrés de liberté, les hautes performances dynamiques et la miniaturisation, les actionneurs intégrés deviennent une approche technologique clé des systèmes de mouvement robotique modernes et sont de plus en plus utilisés dans les robots quadrupèdes, humanoïdes, les exosquelettes et l’automatisation industrielle