Robots à jambes vs Robots à roues : Comparaison des conceptions, des performances et des exigences en matière de moteurs

Robot à jambes

Les robots à jambes imitent le mouvement biologique, utilisant plusieurs articulations et systèmes d'actionnement pour une locomotion flexible. Ils s'appuient généralement sur des algorithmes de contrôle de démarche hautement précis et une modélisation dynamique pour offrir une plus grande adaptabilité aux terrains complexes. La conception des robots à jambes comprend des systèmes d'actionnement à plusieurs degrés de liberté et des systèmes de contrôle de moteur efficaces, comme le robot à une jambe StaccaToe, développé par l'Université du Massachusetts à Amherst.

Robot à roues

Les robots à roues reposent sur des systèmes de propulsion à roues simples mais efficaces. Ils présentent généralement des coûts de fabrication inférieurs et des vitesses plus élevées, ce qui les rend adaptés à la plupart des environnements industriels et commerciaux. Les robots à roues utilisent des moteurs pour entraîner les roues, permettant un mouvement linéaire ou de direction, et assurant un fonctionnement efficace et rapide sur des surfaces planes, comme le robot à quatre roues Legacy V2, développé par l'équipe BR de l'Université Saban.

Robots à jambes vs Robots à roues : Aperçu des performances avec Legacy V2 et StaccaToe

Le tableau ci-dessous compare les principales différences entre les robots à jambes et les robots à roues en termes de mobilité, de complexité de contrôle et d'exigences des systèmes de moteurs.

Choisir des moteurs pour les robots à jambes : Trouver un équilibre entre couple élevé et contrôle précis

Les robots à jambes doivent généralement effectuer des déplacements dans des environnements et terrains complexes, tels que le grimper de pentes, la traversée d'obstacles et la gestion de terrains irréguliers.

Pour accomplir ces mouvements précis, les robots à jambes ont besoin non seulement d'une sortie de couple élevée, mais aussi de la capacité à fournir une puissance continue tout en maintenant la précision et la stabilité.

Ainsi, lors de la sélection des moteurs pour les robots à jambes, des facteurs tels que les exigences en couple, la précision du mouvement et l'efficacité énergétique doivent être soigneusement pris en compte pour garantir que le robot puisse effectuer des tâches complexes.

Trouver un équilibre entre sortie de couple et contrôle précis

Le défi principal pour les moteurs de robots à jambes consiste à fournir une sortie de couple élevée tout en garantissant une grande précision et une faible vibration pendant le mouvement. Une solution courante consiste à utiliser un module d'articulation comprenant un moteur à courant continu sans balais (BLDC), un réducteur et un encodeur, qui maintient une sortie stable et un contrôle précis, même à basse vitesse.

• Haute précision

Typiquement, les moteurs BLDC associés à des encodeurs haute précision ou des actionneurs servo intégrés sont utilisés. Le contrôle en boucle fermée permet un retour précis de la position et du couple, garantissant la stabilité et la répétabilité du contrôle de la démarche.

• Haute réactivité

La sélection de moteurs BLDC avec une faible inertie du rotor ou des solutions de drive direct / faible ratio de réduction, combinée à des pilotes à large bande, permet des démarrages-arrêts rapides et une réponse dynamique, répondant aux exigences des mouvements à haute dynamique comme le saut et l'absorption des chocs à l'atterrissage.

Conception haute performance et efficacité énergétique

Pour les robots à jambes, la capacité à fonctionner de manière continue sur de longues périodes est une considération cruciale. Par conséquent, l'efficacité énergétique des moteurs des robots à jambes doit être optimisée. Pendant la phase de conception, il est nécessaire de sélectionner des moteurs à haute efficacité et de les intégrer avec des systèmes d'entraînement à haute efficacité afin de prolonger l'autonomie sans sacrifier les performances. De plus, les fonctionnalités à faible consommation d'énergie peuvent améliorer l'endurance du robot, minimiser les pertes d'énergie pendant l'opération et garantir la capacité à effectuer des mouvements complexes de manière continue.

Systèmes de contrôle intégrés et ajustement dynamique

Les robots à jambes nécessitent également des systèmes de contrôle hautement intégrés capables d'ajuster dynamiquement la sortie des moteurs en fonction des différentes tâches de mouvement. Les moteurs doivent non seulement fournir une puissance stable, mais aussi être capables de répondre rapidement et de s'adapter à des charges et des changements environnementaux variables. Par conséquent, le système de contrôle des moteurs doit prendre en charge la régulation multi-mode, comme le contrôle en boucle fermée de la position, de la vitesse et du couple, afin de garantir que le robot puisse ajuster de manière flexible et précise son état de mouvement lors de tâches complexes.

Application pratique

Dans le cas du robot à une jambe StaccaToe, l'actionneur AK80-9 KV100 V3.0 utilisé dans son articulation du genou fournit un couple élevé et une grande réactivité, offrant un soutien énergétique robuste pour le robot dans des terrains complexes tout en maintenant un contrôle précis des mouvements. Ses capacités de contrôle multi-boucles (comprenant les modes position, vitesse, couple et modes hybrides MIT) et d'ajustement intelligent permettent à l'articulation du genou de s'adapter précisément aux différents changements de charge lors de l'exécution de démarches complexes et de la traversée d'obstacles, garantissant ainsi la stabilité et l'agilité du robot.

Les actionneurs AK10-9 V2.0 KV60 et AK60-6 V1.1 KV80 utilisés dans les articulations de la cheville et du pied offrent également un contrôle précis du couple, garantissant la flexibilité et la stabilité du robot lors de tâches telles que les sauts et l'équilibre sur les orteils.

Paramètres clés

Choisir des moteurs pour les robots à roues : Optimisation pour une haute efficacité et un contrôle flexible

Comparés aux robots à jambes, les robots à roues dépendent davantage de la sortie de couple soutenue et de l'efficacité du système de transmission que du couple dynamique élevé des articulations.

Les robots à roues fonctionnent généralement sur des surfaces relativement planes, avec pour principales tâches des mouvements rapides, un positionnement précis et l'exécution efficace des tâches. Bien qu'ils nécessitent moins d'adaptabilité au terrain que les robots à jambes, les exigences de mobilité à grande vitesse et de direction agile nécessitent tout de même des systèmes de moteurs précis et un contrôle de conduite avancé.

Ainsi, lors de la sélection des moteurs pour les robots à roues, il est essentiel de choisir des systèmes d'alimentation capables de fournir une sortie de couple élevée, une haute efficacité énergétique et un contrôle précis.

Haute sortie de couple et haute efficacité

• Haute sortie de couple

Les robots à roues nécessitent une performance de couple élevée lors du démarrage, de l'accélération et des variations de charge (comme le transport de matériaux ou l'escalade de pentes). Une solution courante consiste à utiliser des moteurs BLDC combinés à des réducteurs planétaires, qui amplifient considérablement le couple de sortie tout en maintenant une réponse rapide. Cette configuration garantit une sortie de couple stable et continue à faibles vitesses, permettant au robot de maintenir une performance de mouvement fiable et une stabilité même sous de lourdes charges ou en fonctionnement de longue durée.

• Haute efficacité

Les robots à roues fonctionnent souvent de manière continue pendant de longues périodes, ce qui fait de l'efficacité du système un facteur crucial pour l'endurance globale. En utilisant des moteurs BLDC haute efficacité associés à des algorithmes FOC (Contrôle orienté champ), les pertes électriques et la génération de chaleur peuvent être efficacement réduites. De plus, la conception sans balais minimise les frictions mécaniques, améliorant ainsi l'efficacité de la conversion de l'énergie. Dans les applications réelles, cela prolonge non seulement la durée de vie de la batterie, mais améliore également la fiabilité du système, répondant aux exigences des secteurs de la logistique, de l'entreposage et de l'automatisation industrielle pour un fonctionnement à haute efficacité.

Système de conduite différentiel et conduite omnidirectionnelle

Lors du choix des moteurs, les robots à roues adoptent généralement des systèmes de conduite différentielle ou omnidirectionnelle pour améliorer la mobilité et la précision du contrôle :

• Système de conduite différentiel

En contrôlant la différence de vitesse entre les roues gauche et droite, le robot peut obtenir une direction et ajuster sa vitesse. Cette approche est simple, efficace et largement utilisée dans des applications nécessitant stabilité et contrôle simple.

• Système de conduite omnidirectionnelle

En utilisant plusieurs roues omnidirectionnelles, les robots peuvent se déplacer en douceur dans toutes les directions. Cela est idéal pour des applications nécessitant une grande manœuvrabilité dans des espaces confinés ou un positionnement précis.

Systèmes de conduite efficaces et contrôle

Pour améliorer l'efficacité globale et garantir un fonctionnement stable à long terme, les robots à roues dépendent de systèmes de conduite efficaces et d'un contrôle intelligent des moteurs. Ces systèmes peuvent ajuster dynamiquement la sortie des moteurs en fonction des exigences de la tâche, tout en minimisant la consommation d'énergie grâce à un contrôle précis. En régulant précisément le couple et la vitesse, les robots à roues sont capables d'exécuter des tâches de manière fluide et efficace dans une large gamme d'applications.

Application pratique

Lors du University Rover Challenge (URC) 2024, l'équipe TMR a adopté l'actionneur AK70-10 KV100 de CubeMars, qui répond aux exigences essentielles des robots à roues pour un couple élevé, une haute efficacité énergétique et un contrôle précis. Cela a permis au robot de maintenir sa stabilité et son efficacité pendant des missions de longue durée et de forte charge, améliorant ainsi la réactivité et la performance opérationnelle du rover.

Paramètres clés

Choisir le bon type de robot pour votre application

Avantages et applications des robots à jambes

Adaptabilité et flexibilité au terrain

Le principal avantage des robots à jambes réside dans leur capacité exceptionnelle à s'adapter à des terrains complexes. Ils peuvent facilement franchir des escaliers, des surfaces irrégulières et des obstacles, ce qui les rend particulièrement adaptés aux environnements difficiles tels que les missions de secours après une catastrophe et la reconnaissance militaire.

Optimisation des systèmes d'actionnement et de contrôle

En utilisant des systèmes d'actionnement à haute efficacité et des algorithmes de contrôle avancés, les robots à jambes peuvent améliorer de manière significative la stabilité du mouvement tout en optimisant la consommation d'énergie. Cela est particulièrement important pour les missions de longue durée telles que les opérations de recherche et de sauvetage et la reconnaissance sur le terrain.

Applications

Réponse aux catastrophes : Capable de naviguer à travers les débris et d'accéder à des zones difficiles d'accès pour localiser les survivants.

Reconnaissance militaire : Capable d'opérer sur des terrains accidentés et de réaliser des missions de reconnaissance complexes.

Avantages et applications des robots à roues

Efficacité et stabilité

Les robots à roues excellent dans les environnements plats, offrant des vitesses élevées et une efficacité opérationnelle. Ils sont largement utilisés dans l'automatisation industrielle, la gestion des entrepôts et le transport de matériaux.

Sélection et performance des moteurs

Les robots à roues utilisent généralement des moteurs BLDC et des actionneurs, connus pour leur efficacité élevée, leur faible bruit et leur longue durée de vie. Ces caractéristiques les rendent idéaux pour des applications nécessitant un fonctionnement continu et stable.

Applications

Entrepôt automatisé : Permet de transporter efficacement des marchandises et d'améliorer la productivité opérationnelle.

Transport de matériaux : Permet un transport rapide et précis dans les usines et les centres logistiques.

Robots à jambes ou à roues : Comment choisir ?

Le choix entre les robots à jambes et les robots à roues dépend de plusieurs facteurs clés :

• Exigences en matière de terrain : Les robots à jambes sont mieux adaptés aux terrains irréguliers et aux environnements riches en obstacles.

• Vitesse et efficacité énergétique : Les robots à roues sont idéaux pour des opérations rapides et écoénergétiques sur des surfaces planes.

• Budget et coûts de maintenance : Les robots à jambes nécessitent généralement un investissement initial plus élevé et une complexité de maintenance, tandis que les robots à roues offrent une solution plus rentable.

Conclusion

Le choix entre un robot à jambes et un robot à roues dépend en fin de compte de l'équilibre entre les exigences de l'application et les priorités de performance.

Les robots à jambes excellent dans les terrains complexes et les scénarios nécessitant une grande flexibilité et un contrôle précis des mouvements, tandis que les robots à roues offrent une efficacité supérieure et une rentabilité accrue dans des environnements structurés. En même temps, la sélection des moteurs joue un rôle crucial en tant que cœur du système d'entraînement, impactant directement la performance globale et la stabilité du système. Un design optimal nécessite une intégration soignée de l'architecture du robot et des systèmes de moteurs, garantissant le meilleur équilibre entre performance, efficacité et coût.