Bras de robot installé sur une chaîne de montage.

Quatre tendances robotiques élargissant le besoin de moteurs miniatures

Les progrès de l’automatisation et de l’intelligence artificielle (IA) stimulent l’innovation en robotique, leur permettant de se développer dans de nouvelles industries avec l’émergence de conceptions robotiques plus petites et plus intelligentes. Les nouveaux développements dans les systèmes de vision et les technologies de capteurs nécessitent des applications inventives pour les robots dans les domaines médical, de l’entreposage, de la sécurité et de l’automatisation des processus. Les technologies perturbatrices créent de nouvelles opportunités pour les moteurs miniatures pour résoudre les défis uniques du marché de la robotique, y compris le contrôle prévisible des outils chirurgicaux, la navigation sûre et efficace à travers les entrepôts et l’endurance nécessaire pour effectuer de longues missions de sécurité.

Tendance 1: mobilité et empreinte

La transition vers des applications robotiques collaboratives nécessite que les systèmes soient mobiles, adroits et compacts. Les tâches généralement gérées par des mains humaines entraînent le besoin de solutions de moteur miniaturisées qui peuvent imiter à la fois la taille et la capacité des mains utilisées pour effectuer le travail. Qu’est-ce que cela signifie pour les produits de contrôle de mouvement?

Les actionneurs robotiques nécessitent de petits moteurs à forte densité de puissance pour réduire la taille et le poids globaux, en particulier dans les solutions à articulations multiples (poignet, bras, coude, torse). Les solutions compactes améliorent la convivialité, l’autonomie et la sécurité (temps de réaction plus rapide grâce à une inertie plus faible). Les robots humanoïdes, les bras prothétiques, les exosquelettes et les pinces robotiques ont généralement des exigences pour une petite unité à haute densité de puissance. La densité de puissance est la quantité d’énergie générée par unité de volume du moteur. Un moteur générant plus de puissance dans un boîtier plus petit augmente la densité de puissance, ce qui est important lorsque l’espace est limité ou lorsque la puissance maximale est nécessaire dans un espace fixe.

Bras de robot installé sur une chaîne de montage.Portescap

Une densité de puissance élevée permet la miniaturisation des mécanismes ou une capacité accrue dans les conceptions actuelles, ce qui est essentiel pour réduire l’espace consommé par les éléments de mouvement. L’efficacité est essentielle pour tirer le maximum de puissance d’une conception donnée, les moteurs CC sans balais (BLDC) jouant un rôle important dans la réduction de la taille par rapport aux moteurs CC conventionnels. Les conceptions de moteur sans fente, combinées à des réducteurs planétaires efficaces, offrent une unité puissante dans un petit boîtier. Qu’il s’agisse d’une configuration courte, plate, à profil bas ou d’une conception longue et mince, les solutions sans balais peuvent être conçues pour répondre aux besoins spécifiques des clients.

La dextérité et l’agilité nécessitent une réponse dynamique et un fonctionnement fluide. Les moteurs BLDC sans fente éliminent le couple de détente et fournissent un mouvement dynamique précis avec des moteurs à faible inertie. Dans les applications à haute dynamique qui nécessitent une accélération / décélération constante (comme les robots delta et les systèmes pick-and-place), les caractéristiques d’accélération élevées sont essentielles. Les moteurs à courant continu sans noyau et les moteurs pas à pas à aimant à disque, ayant une très faible inertie, en font la bonne solution pour de telles applications.

Les moteurs CC à balai sans fer à haute efficacité sont le meilleur choix pour les applications mobiles alimentées par batterie pour prolonger la durée de vie entre les charges. De nombreuses applications robotiques fonctionnent sur batterie, elles nécessitent donc des moteurs efficaces (jusqu’à 90%) pour prolonger la durée de fonctionnement. Certaines applications nécessitent un couple élevé à des vitesses inférieures, réalisable en associant le moteur à une boîte de vitesses très efficace (jusqu’à 90%). Les conceptions de boîte de vitesses inefficaces ont un impact négatif sur l’efficacité globale du système en réduisant le temps de fonctionnement de la batterie et en augmentant les coûts.

Rendu 3D d'un bras robotique.Rendu 3D d’un bras robotique.Portescap

Tendance 2: robustesse et durée de vie prolongée

Les systèmes de robot utilisés dans des applications inhospitalières pour l’homme peuvent avoir à supporter des conditions environnementales difficiles, notamment des chocs et des vibrations énormes. La construction du moteur joue un rôle important dans la fiabilité et la durabilité. Les moteurs avec des boîtiers et des brides métalliques sont bien adaptés aux applications dans des environnements difficiles, y compris la surveillance, l’inspection des canalisations et des égouts industriels, la patrouille du réseau électrique et les véhicules guidés autonomes dans l’entrepôt. Lorsqu’il est soumis à ces températures et pressions extrêmes et à d’autres conditions dangereuses, un moteur bien conçu fournira une durée de vie supplémentaire par rapport aux moteurs standard.

Les robots dans les applications chirurgicales sont nécessaires pour supporter des cycles répétés de haute température et de pression pendant le processus de stérilisation. Pour répondre à ces exigences, la conception du moteur comprend l’encapsulation de composants électromécaniques et électroniques. Les mises à niveau de conception peuvent prolonger la durée de vie du moteur plusieurs fois, permettant au robot chirurgical d’effectuer de nombreuses autres chirurgies avant que l’entretien du contrôle de mouvement ne soit nécessaire.

Tendance 3: sécurité et analyse

Les robots collaboratifs, travaillant côte à côte avec les humains, doivent fonctionner de manière sûre et prévisible face à un obstacle. Les dispositifs de rétroaction, tels que les encodeurs, les thermistances et les capteurs de courant, ont un rôle à jouer pour protéger l’opérateur, le patient et le robot. Les codeurs haute résolution fournissent la précision requise pour atteindre de manière répétée des positions critiques, améliorant le rendement au cours d’un quart de travail. Les thermistances et autres dispositifs de température alertent les opérateurs lorsque les limites de température sont sur le point d’être dépassées, ce qui permet une interruption temporaire des opérations pour déterminer la source du problème et achever les corrections.

Sur la ligne de production, une panne de robot peut entraîner une perte de productivité, l’analyse fournie permettra donc d’économiser du temps et de l’argent. Les capteurs de courant de précision peuvent détecter les interactions involontaires avec le personnel, arrêtant rapidement le robot avant tout dommage ou dommage.

De nombreux systèmes robotiques collectent également diverses données liées aux travaux effectués ainsi qu’à l’autodiagnostic pour faciliter la maintenance prédictive. Les capteurs thermiques ou de force intégrés aux moteurs fournissent des données en temps réel pour améliorer la productivité en identifiant rapidement les écarts dans les niveaux de force attendus. Une force plus élevée que prévu requise pour terminer l’installation d’une vis peut alerter le système d’un problème en attente, permettant une mise à jour rapide du système pour poursuivre la production.

L’augmentation de la consommation de courant au fil du temps peut instituer des cycles de maintenance préventive prédictive. Un robot chirurgical fournirait les détails d’un remplacement de moteur pour éviter un arrêt inattendu lors d’une opération.

Robot chirurgical.Robot chirurgical.Portescap

Tendance 4: Autonomie et contrôle multi-axes

L’avenir de la robotique verra l’intégration continue de l’autonomie et de l’apprentissage automatique. Les applications d’entreposage reposent sur des délais d’expédition des commandes plus rapides tandis que les véhicules autonomes reposent sur l’auto-navigation et des informations précises pour fonctionner en toute sécurité. L’imagerie, la détection et la télémétrie lumineuses (LiDAR) sont utilisées pour capturer des images 3D de l’environnement tout en numérisant à des taux de rafraîchissement élevés et en s’appuyant sur un retour haute résolution avec une latence minimale.

Les systèmes de détection optique à pas fin, associés à des processeurs d’interpolation de haute capacité, fournissent des informations de position incrémentielles (16 à 20 bits) en temps quasi réel avec une erreur mécanique de l’ordre de 0,25 degrés mécaniques. L’utilisation de nouvelles technologies de capteurs en conjonction avec les dernières conceptions optimisées de moteurs permet des innovations quant à l’endroit et à la façon dont les véhicules autonomes peuvent fonctionner.

Lorsque les tâches qui nécessitaient traditionnellement une intervention humaine sont remplacées par l’automatisation, la solution robotique nécessite la coordination de nombreux axes de mouvement et, dans certains cas, doit être guidée par un système de vision. Les applications multi-axes, telles que les robots chirurgicaux, tirent parti des protocoles de communication d’interface série (comme BiSS ou SSI) qui permettent des connexions en guirlande d’encodeurs pour minimiser la complexité du câblage.

Les mécanismes volumineux sont rationalisés en incorporant une technologie de moteur miniature couplée à des avancées dans la technologie des capteurs contenant des capacités d’interface série. Les codeurs avec communication d’interface série fournissent des informations de position absolues basées sur la technologie de détection magnétique, avec une résolution typique de 14 bits et une précision de l’ordre d’un degré mécanique.

Table de robotique

Types de moteurs miniatures

Le marché de la robotique est un gros consommateur d’actionneurs électriques pour exécuter le mouvement. Différents types de moteurs, de boîtes de vitesses et de codeurs sont utilisés et sélectionnés en fonction des exigences de l’application, y compris les balais sans repassage CC (courant continu), les CC sans balais à fentes et sans fentes et les moteurs pas à pas, qui incluent les moteurs à pile, hybrides et à aimants à disque. Chaque technologie de moteur présente des avantages particulièrement adaptés à ses applications robotiques respectives.

Applications robotiques adaptées aux moteurs miniatures

Les moteurs miniatures jouent un rôle essentiel dans un nombre toujours croissant d’applications robotiques nécessitant des solutions de mouvement petites, mais puissantes et efficaces. La miniaturisation implique un examen attentif du type de moteur ou d’actionneur utilisé, de la manière dont il s’intègre dans les éléments mécaniques et de la manière dont il fournit de l’énergie aux capteurs et capte les informations en retour.

Robots de service. Les applications robotiques jouent de nouveaux rôles dans inspection, sécurité et patrouille sans pilote dans des environnements d’exploitation qui ne sont pas sûrs pour les humains ou qui sont hautement répétitifs. Ces systèmes vont bien au-delà de la simple fourniture des caméras fixes et des systèmes d’alarme du passé. Les utilisations typiques incluent la surveillance et l’inspection des pipelines et des égouts industriels, la patrouille du réseau électrique et les véhicules guidés autonomes dans l’entrepôt.

Les moteurs CC sans balais et CC sans balais, ainsi que leurs réducteurs et codeurs complémentaires, sont la solution de mouvement idéale pour fournir un couple élevé et une durée de fonctionnement de la batterie prolongée dans un ensemble léger.

Un bras robotique installé pour une application d'entrepôt.Un bras robotique installé pour une application d’entrepôt.Portescap

LiDAR. La technologie LiDAR permet aux machines d’accéder aux conditions environnementales actuelles en 3D, de développer une réponse puis de naviguer dans la situation. Les machines utilisant la gamme LiDAR vont des petits robots de service aux gros véhicules autonomes, le système LiDAR idéal étant compact, léger, précis et rentable. Les clients préfèrent les configurations de moteur plat pour la compacité et le poids minimum et les codeurs de moyenne à haute résolution pour un retour de précision.

Pinces électriques. Au cours de la dernière décennie, la conversion de la technologie pneumatique à la technologie électrique en préhension industrielle a gagné en popularité depuis les pinces électriques permettent un meilleur contrôle de la position du doigt de préhension, la détection de la préhension et le contrôle de la force et de la vitesse de préhension.

Les moteurs CC sans balais sans fente, ainsi que leurs boîtes de vitesses et codeurs complémentaires, offrent la densité de puissance élevée, la faible inertie, la haute précision et le faible poids nécessaires pour répondre aux exigences de l’application.

Robotique chirurgicale. Les applications de robot chirurgical ont des exigences uniques concernant la taille compacte, le faible poids, la densité de puissance élevée et la stérilisation. Bien que tous les moteurs d’un système robotique chirurgical ne nécessitent pas une solution stérilisable, d’autres exigences peuvent se concentrer sur la robustesse et la durabilité du moteur, comme dans les applications en autoclave. Dans ces applications, l’électronique (stator et électronique de commutation) est entièrement encapsulée dans un époxy thermodurci, garantissant que les températures et les pressions élevées rencontrées dans l’environnement de l’autoclave à vapeur n’affectent pas négativement l’électronique.

Dans le domaine en pleine expansion des robots chirurgicaux, un degré élevé de variabilité rend impossible la création d’une solution unique pour toutes les applications client. Même au sein du système du client, il peut y avoir des différences distinctes dans les types de moteurs qui articulent les différents axes ou effecteurs terminaux. Ces spécifications uniques nécessitent des solutions hautement personnalisables (à la fois électriquement et mécaniquement) pour répondre aux besoins du système robotique du client.

La personnalisation de la conception d’une application client garantit que les objectifs de performances sont atteints dans une taille de package définie. En comprenant les points de charge contraignants, une solution peut être développée qui répond à l’équilibre optimal de couple et de vitesse dans la conception la plus compacte et la plus légère possible.

Le co-auteur Dave Beckstoffer est directeur de programme commercial chez Portescap, un développeur de technologies de moteur, de boîte de vitesses et d’encodeur destinées aux clients à faible consommation d’énergie.

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