Le cœur du mouvement des robots : le rôle décisif des moteurs dans la précision

 

Les moteurs comme matériel de base pilotant le mouvement du robot

En tant que source de couple moteur, les moteurs jouent un rôle crucial dans l'application des articulations des robots. Un moteur, communément appelé « moteur », est un appareil qui convertit ou transmet de l'énergie électrique selon la loi de l'induction électromagnétique, représentée par la lettre « M » dans les circuits. Sa fonction principale est de générer un couple moteur, fournissant de l'énergie à divers appareils électriques et dispositifs mécaniques.

 

Dans le domaine de la robotique, le système articulaire est un élément clé pour réaliser divers mouvements, les moteurs articulaires étant considérés comme l'unité d'exécution de l'ensemble du système. Une articulation de robot complète comprend généralement un pilote, un contrôleur et un moteur d'articulation. Le moteur de l'articulation doit non seulement entreprendre des tâches telles que réduire la vitesse, transmettre et augmenter le couple, mais doit également contrôler le mouvement de l'articulation avec une grande précision.

 

Le moteur articulaire du robot influence directement des actions complexes telles que la marche, la course et le saut. Il est connu comme le « cœur » du robot et ses performances jouent un rôle déterminant dans la précision et l'efficacité du robot.

 

Moteur sans noyau : la force motrice derrière la technologie des articulations robotisées

Ces dernières années, les moteurs sans noyau sont progressivement devenus un favori dans le domaine de la robotique en raison de leur rendement élevé, de leur légèreté et de leurs caractéristiques de réponse rapide. Par rapport aux moteurs traditionnels, les moteurs sans noyau, avec leur rotor adoptant une structure à coupelle creuse et une inertie extrêmement faible, peuvent répondre de manière plus sensible aux signaux de commande. Cette fonctionnalité est idéale pour les articulations des robots, en particulier dans les scénarios nécessitant des mouvements rapides et précis, tels que les robots humanoïdes effectuant des actions subtiles ou complexes.

 

Histoire et application généralisée des moteurs

L'histoire des moteurs remonte au 19ème siècle. En 1820, le physicien danois Hans Christian Ørsted découvrit l'effet magnétique des courants électriques, jetant ainsi les bases de la théorie électromagnétique. L'année suivante, le scientifique britannique Michael Faraday crée le premier modèle expérimental de moteur électrique. Depuis lors, la technologie des moteurs n'a cessé de se développer et est progressivement devenue un élément indispensable de la production industrielle et de la vie quotidienne.

 

Les moteurs traditionnels se composent généralement d'un enroulement de stator, d'un induit ou d'un rotor rotatif et d'autres accessoires. Grâce au champ magnétique tournant généré par l'enroulement du stator, l'induit produit du courant et tourne sous la force du champ magnétique. Ce principe de conception a été conservé jusqu'à aujourd'hui, mais les moteurs de nouvelle génération, tels que les moteurs sans noyau, ont réalisé des avancées révolutionnaires en termes de matériaux et de structure, les faisant briller dans la technologie robotique.

 

Graphique : Historique du développement des moteurs

 

 

Il existe différents types de moteurs qui peuvent être classés selon différentes dimensions, telles que la plage d'applications, les caractéristiques structurelles et les principes de fonctionnement. Les principales classifications sont les suivantes :

• Par type de puissance de travail : moteurs à courant continu et moteurs à courant alternatif.
• Par structure et principe de fonctionnement : y compris les moteurs à courant continu, les moteurs asynchrones et les moteurs synchrones.
• Par application : moteurs d'entraînement, moteurs de commande, etc.

 

En prenant les moteurs à courant continu comme exemple, leur structure se compose généralement du stator et du rotor :

• Stator : Partie fixe du moteur qui génère le champ magnétique.
• Rotor : composant central responsable de la rotation et de la conversion d'énergie, également appelé induit, qui est le moyeu de puissance de sortie du moteur.

Semblables aux moteurs à courant continu, les moteurs à courant alternatif se composent également du stator et du rotor comme composants principaux, ainsi que du boîtier et d'autres pièces auxiliaires. Qu'il s'agisse de moteurs à courant continu ou à courant alternatif, la coordination de ces composants essentiels détermine les performances du moteur.

 

Dans la technologie robotique, les moteurs sans noyau se sont démarqués. Leur conception unique supprime le noyau de fer, permettant au stator et au rotor de s'adapter de manière plus légère et plus compacte, ce qui non seulement réduit l'inertie mais améliore également la vitesse de réponse et l'efficacité, ce qui les rend parfaits pour les articulations de robots de haute précision et de petit volume.

 

Moteurs intégrés : la combinaison parfaite entre taille réduite et efficacité améliorée

Les moteurs peuvent fonctionner comme des composants autonomes, mais dans de nombreux appareils modernes, ils sont souvent intégrés à d'autres pièces pour former des systèmes efficaces et unifiés. Cette conception intégrée réduit non seulement la taille globale de l'appareil, mais améliore également l'utilisation de l'espace et les performances. Par exemple:

• Entraînement électrique trois en un : l'intégration du moteur, du réducteur et du contrôleur de moteur, largement utilisé dans les véhicules électriques, réduit considérablement la taille et le poids de l'appareil.
• Entraînement électrique six-en-un : outre le moteur, le réducteur et le contrôleur, il comprend un convertisseur DC/DC, un chargeur et un boîtier de distribution, optimisant davantage l'utilisation de l'espace.
• Entraînement électrique huit-en-un : intègre davantage le système de gestion de la batterie et le contrôleur du véhicule, offrant ainsi une solution plus compacte et plus efficace pour les véhicules électriques.

Dans le domaine des robots humanoïdes, l'application de moteurs sans noyau permet non seulement un entraînement de haute précision des articulations du robot, mais favorise également la conception légère et compacte de la structure du robot. Par exemple, l'intégration d'un moteur sans noyau avec un réducteur et un contrôleur peut réduire efficacement l'occupation de l'espace commun tout en améliorant la vitesse de réponse et la fiabilité globale du système.

 

En technologie robotique, le choix du moteur détermine directement les performances et l'efficacité d'application de l'équipement. Les moteurs couramment utilisés dans les robots comprennent principalement les trois types suivants : les moteurs à courant continu, les servomoteurs et les moteurs pas à pas.

 

3.1 Moteurs à courant continu

Les moteurs à courant continu sont largement utilisés dans divers domaines et sont principalement divisés en deux types : les moteurs à courant continu avec balais et les moteurs à courant continu sans balais.

 

3.1.1 Moteurs à courant continu à balais

Les moteurs à courant continu à balais sont une technologie de moteur antérieure, avec les caractéristiques suivantes :

• Structure simple, faible coût : comptez sur le contact entre les balais et le rotor pour réaliser la fonction de commutation.
• Faibles exigences d'entraînement : la vitesse du moteur est directement proportionnelle à la tension appliquée, le contrôle est donc plus intuitif.

 

Inconvénients :

• L'usure des brosses nécessite un entretien fréquent.
• Les interférences électromagnétiques sont facilement générées pendant le fonctionnement, avec une fiabilité relativement faible.
• Durée de vie plus courte, ce qui le rend moins attrayant dans la conception d'un robot.

 

3.1.2 Moteurs CC sans balais

Les moteurs CC sans balais sont une version améliorée des moteurs CC, excellant dans plusieurs aspects :

• Utilisation d'un aimant permanent : durable, de petite taille et relativement faible coût.
• Commutation électronique : remplace les balais traditionnels pour obtenir une commutation de champ magnétique, améliorant ainsi l'efficacité et la fiabilité.
• Contrôle précis : grâce à des capteurs de retour de position (tels que des capteurs à effet Hall, des encodeurs optiques ou des dispositifs de détection de champs électromagnétiques arrière), les moteurs à courant continu sans balais peuvent contrôler la vitesse et la position plus précisément.

 

Bien que les circuits de commande soient plus complexes, les moteurs à courant continu sans balais surpassent considérablement les moteurs à balais en termes de performances et de durée de vie, ce qui en fait le type de moteur préféré pour les entraînements articulés de robots. En particulier, les moteurs à courant continu sans noyau et sans balais, avec leur rendement élevé, leur faible inertie et leur réponse rapide, sont particulièrement adaptés aux applications robotiques nécessitant une haute précision et une conception légère.

3.2 Servomoteurs

Les servomoteurs, également appelés moteurs d'actionneurs, sont les principaux composants d'exécution des systèmes de contrôle automatique. Leurs caractéristiques comprennent :

• Positionnement de haute précision : permet d'obtenir un déplacement angulaire ou une vitesse angulaire sur l'arbre en recevant des signaux d'impulsion.
• Contrôle en boucle fermée : les servomoteurs peuvent envoyer des signaux d'impulsion correspondant à l'angle de rotation, formant un système en boucle fermée en combinant les signaux d'entrée, obtenant ainsi un contrôle précis de la rotation.
• Classification DC et AC : Les servomoteurs sont divisés en servomoteurs DC et servomoteurs AC. Bien qu'il existe de légères différences dans les performances et les scénarios d'application, les deux peuvent ajuster avec précision la vitesse et la position en fonction des signaux de commande.
• Les caractéristiques de haute précision des servomoteurs les rendent largement utilisés dans les opérations de précision des effecteurs terminaux robotiques, tels que les bras robotiques et les doigts de robot.

3.3 Moteurs pas à pas

Les moteurs pas à pas sont des composants de contrôle en boucle ouverte qui convertissent les signaux d'impulsions électriques en déplacement angulaire ou en déplacement linéaire. Leurs caractéristiques comprennent :

• Contrôle pas à pas : chaque fois qu'un signal d'impulsion est reçu, le moteur tourne d'un angle fixe en fonction de l'angle de pas défini.
• Pas besoin de boucle fermée : les moteurs pas à pas peuvent obtenir un contrôle précis du déplacement angulaire grâce à des signaux d'impulsions électriques continus sans retour de position.
• Rentable : comparés aux servomoteurs, les moteurs pas à pas sont moins chers et conviennent aux applications nécessitant moins de précision.
• Les moteurs pas à pas sont couramment utilisés dans les composants à faible coût des structures de robots, tels que les joints simples, les entraînements de bandes transporteuses, etc.

 

Le robot humanoïde Tesla Optimus utilise 28 actionneurs, dont 14 actionneurs linéaires et 14 actionneurs rotatifs. Ces actionneurs sont chargés d'aider le robot à effectuer des actions complexes telles que la démarche et la préhension. D'une manière générale, les robots bipèdes doivent être équipés de 30 à 40 servomoteurs à courant continu, de taille compacte et doivent répondre à des exigences de puissance élevée, de densité élevée et de réponse rapide.

 

Optimus utilise trois types d'actionneurs linéaires et trois types d'actionneurs rotatifs. Parmi eux, les actionneurs linéaires comprennent des moteurs couple sans noyau et des vis à billes planétaires, tandis que les actionneurs rotatifs combinent des moteurs couple sans noyau et des réducteurs d'harmoniques. La répartition spécifique des actionneurs est la suivante :

• Épaule : 6 actionneurs rotatifs
• Coude : 2 vérins linéaires
• Poignet : 2 actionneurs linéaires rotatifs + 4
• Torse : 2 actionneurs rotatifs
• Hanche : 4 actionneurs linéaires rotatifs + 2
• Genou : 2 vérins linéaires
• Cheville : 4 actionneurs linéaires

Cette répartition des actionneurs assure la flexibilité et la stabilité du robot dans des environnements complexes.

 

Un moteur couple sans noyau est un servomoteur léger et à haut rendement, spécialement conçu pour les articulations robotiques et autres applications de précision. Sa structure unique offre les caractéristiques notables suivantes :

• Conception modulaire, facile à intégrer : le moteur couple sans noyau se compose d'un stator et d'un rotor, sans le carter moteur traditionnel. Cette conception permet aux ingénieurs de personnaliser le boîtier, les roulements et les composants du capteur en fonction de leurs besoins, le rendant ainsi adaptable à diverses structures de système.
• Taille compacte, légèreté : par rapport aux moteurs à boîtier, le moteur sans noyau réduit considérablement la taille et le poids globaux, ce qui le rend idéal pour les systèmes nécessitant des solutions intégrées.
• Hautes performances et réponse rapide : grâce à sa conception unique, le moteur sans noyau offre une réponse dynamique rapide, répondant aux exigences de mouvement articulaire de haute précision et d'efficacité énergétique des robots modernes.

Grâce à ces caractéristiques, le moteur couple sans noyau est largement utilisé dans les domaines de conduite haute performance, notamment la robotique, l'automobile, l'aérospatiale et les équipements médicaux.

 

Le moteur à coupelle sans noyau est un élément clé des mains adroites du robot humanoïde, particulièrement adapté aux articulations des doigts dans des scénarios nécessitant un espace limité et une haute précision. Les articulations à doigts nécessitent généralement des moteurs miniaturisés qui fournissent une force substantielle tout en garantissant légèreté et haute précision. Les principaux fabricants de robots, tels que Tesla, adoptent largement la solution de moteur à coupelle sans noyau, offrant un support électrique idéal pour la dextérité manuelle du robot.

 

Principaux avantages des moteurs à coupelles sans noyau

Conception sans cogging, améliore la précision et le bon fonctionnement : le moteur à coupelle sans noyau adopte une conception sans noyau et sans cogging, éliminant complètement les vibrations et le bruit causés par l'effet de cogging observé dans les moteurs traditionnels. Cette caractéristique améliore considérablement la fluidité du fonctionnement du moteur, ce qui le rend exceptionnellement adapté au contrôle de mouvement de haute précision dans les articulations des doigts des robots humanoïdes.

 

Haute efficacité et réponse rapide : le moteur à coupelle sans noyau brise la structure traditionnelle du moteur à noyau de fer en adoptant une conception de rotor sans noyau, réduisant considérablement les pertes par courants de Foucault et améliorant l'efficacité du moteur. Parallèlement, la légèreté du rotor lui confère d'excellentes capacités de démarrage et de freinage, offrant des performances de réponse dynamique qui répondent aux exigences précises des actions complexes.

 

Économie d'énergie et fiabilité : en éliminant les pertes d'énergie présentes dans les moteurs à noyau de fer, le moteur à coupelle sans noyau démontre des performances d'économie d'énergie exceptionnelles. De plus, sa structure simplifiée réduit la friction mécanique, améliorant encore la durée de vie et la fiabilité, garantissant des performances stables même dans des opérations à haute fréquence.

 

Application flexible dans des scénarios miniaturisés : Avec sa taille compacte et sa conception légère, le moteur à coupelle sans noyau est idéal pour les unités de mouvement miniatures telles que les articulations des doigts et des poignets des robots humanoïdes. De plus, sa conception sans encoches et son rendement élevé le rendent largement applicable dans des domaines tels que les équipements médicaux, les instruments de précision et l'aérospatiale.

 

Développement technologique et perspectives d'avenir

Le moteur à coupelle sans noyau, intégrant efficacité énergétique, haute précision et stabilité, représente un dispositif de conversion d'énergie haute performance. À mesure que la technologie robotique continue de progresser, le moteur à coupelle sans noyau optimisera davantage la puissance de sortie et le rapport volume, poussant les mains adroites du robot humanoïde vers des applications plus efficaces dans divers scénarios.

 

Continuer la lecture :Pourquoi les robots humanoïdes ouvrent un nouvel océan bleu pour les applications de moteurs sans noyau - Partie 1