Le potentiel de marché des robots humanoïdes d'ici les 10 à 15 prochaines années est évalué à plus de 6 milliards de dollars1. Une véritable ruée vers l'or dont les laboratoires, les instituts de recherche et les start-ups ont bien pris note : aujourd'hui, tous cherchent à développer des concepts et des prototypes avant que la concurrence ne se multiplie. Bien sûr, l'objectif demeure de concevoir un robot prêt à être fabriqué et commercialisé; un humanoïde dont les clients raffoleront.
Contrairement aux grandes entreprises de robotique, les équipes de conception tout droit sorties des universités ne disposent pas de suffisamment de ressources nécessaires au développement et à la fabrication. Elles s'attèlent donc à résoudre les défis qu'elles appréhendent le mieux. Ainsi, en matière de mouvement robotique, elles concevront les vérins qui contrôlent le mouvement des articulations robotiques.
Ce concept de vérin peut très bien découler d'une thèse de doctorat. L'objectif est alors de faire fonctionner un seul axe en fonction d'une spécification précise. En revanche, les robots humanoïdes peuvent facilement intégrer plus de 40 articulations qui se déplaceront de différentes façons. Il peut notamment s'agir de chevilles, de genoux et de hanches devant porter et équilibrer tout le poids d'un robot, mais aussi d'épaules, de coudes et de poignets devant minutieusement manipuler des charges tout en réalisant de nombreux mouvements.
Passer d'un concept à axe simple à un prototype à axe multiple fonctionnel nécessite de recourir à des vérins dont la conception et la taille répondent aux différentes exigences des articulations des humanoïdes. Et réussir cette intégration à grande échelle sur la base d'un premier concept de vérin représente un obstacle majeur à l'obtention d'un humanoïde pouvant être fabriqué et commercialisé.
La solution ? Kollmorgen, qui a su à de très nombreuses reprises aider les ingénieurs en robotique à donner vie à leurs concepts. Ces trois conseils vous aideront à fabriquer un humanoïde parfaitement intégrable et hautement performant.
1. Adoptez une approche simplifiée
Les vérins de votre robot humanoïde doivent répondre à plusieurs objectifs, c'est pourquoi la simplification de la conception dans son ensemble pose un défi. Souvent, les ingénieurs commencent par concevoir et améliorer un seul vérin, avant de chercher à le faire fonctionner avec l'ensemble du robot.
Une étape qui les conduit à la recherche d'investissements et de capital-risque pour permettre à l'entreprise d'être autonome. Pour aboutir à un robot fonctionnant parfaitement, de nombreuses modifications sont apportées au prototype. Ensuite, une fois la conception finalisée, la solution doit être adaptée en vue d'une commercialisation, en tant que produit ou service.
C'est à cette étape de productisation que les entreprises identifient les risques cachés de leur processus de développement : un robot qui fonctionne correctement en phase de prototype, mais dont la fabrication à l'échelle est difficile ou coûteuse. Avec leur multitude de pièces mobiles, les humanoïdes sont si complexes qu'il est facile de négliger la fabricabilité lors de l'étape de conception. En outre, l'identification tardive des problèmes de fabricabilité peut conduire à une nouvelle conception coûteuse ou au développement d'un robot trop coûteux à fabriquer et qui ne serait pas accepté sur le marché.
Afin de minimiser ce risque, nous vous conseillons de commencer par un ensemble de conceptions de vérins reposant sur une même architecture de base, mais dont la taille et le couple peuvent être facilement adaptés pour répondre aux besoins des articulations d'un humanoïde. Le vérin perfectionné en phase de R&D peut très bien fonctionner pour un bras ou une jambe donnés. Mais il peut aussi s'avérer trop imposant, lourd ou coûteux pour d'autres articulations d'un robot.
Pour maîtriser ces coûts et veiller à la fabricabilité de votre concept, optez pour des pièces dans les articulations ayant des fonctions similaires, comme un asservissement rotatif ou linéaire, tout en vous assurant que la taille de votre conception peut être adaptée au besoin. En adoptant une approche d'ensemble dès le début, vous simplifierez l'intégration des moteurs et d'autres pièces des articulations avec le concept de robot productisé.
2. Optez pour des réducteurs et des moteurs répondant aux besoins de la majorité des articulations
En matière de mouvement humain, les genoux, les hanches, les épaules, les coudes et d'autres articulations travaillent ensemble de manière extrêmement coordonnée. Pour simuler ces mouvements, un robot humanoïde a besoin d'au moins 40 degrés de liberté. Vos ingénieurs doivent modéliser chacun de ces axes pour se faire une idée précise du couple de sortie nécessaire pour chacun de ces réducteurs.
Cette analyse vous permettra alors d'identifier les réducteurs les plus adaptés pour chaque articulation. Nous pensons qu'il est crucial de baser la conception de votre moteur sur celle du réducteur, plutôt que l'inverse. Pour la majorité des articulations de robots humanoïdes, les réducteurs harmoniques, ou engrenages à onde de déformation, permettront d'utiliser des articulations extrêmement légères et compactes sans aucun jeu : des critères indispensables afin d'optimiser la taille et la précision générales de votre robot.
En règle générale, les réducteurs harmoniques fournissent une réduction du rapport de transmission de l'ordre de 80:1 à 180:1. Pour que les humanoïdes conservent leur équilibre et travaillent efficacement dans des environnements imprévisibles, leurs articulations doivent pouvoir accélérer/ralentir rapidement. Vous devrez pouvoir intégrer ces ensembles de réducteurs aux moteurs capables de générer un couple constant pour de nombreuses plages de vitesses, dont au moins 2 000 rpm.
Enfin, pour contrôler les coûts et garantir la fabricabilité, sélectionnez des réducteurs harmoniques disponibles dans plusieurs tailles et qui répondront aux besoins du plus grand nombre d'articulations rotatives. Optez également pour une conception de moteur qui évolue et fonctionne pour répondre aux exigences de diamètre, de vitesse et de couple de sortie identifiées pour les réducteurs harmoniques que vous avez choisis.
3. Simplifiez l'intégration grâce aux servomoteurs sans boîtier TBM2G de Kollmorgen
Aujourd'hui, la plupart des servomoteurs sans boîtier disponibles sur le marché sont conçus à d'autres fins que celles des articulations robotiques; les moteurs conçus pour les drones proposent ainsi un couple optimal uniquement au sein d'une stricte plage de vitesses. Les moteurs TBM2G de Kollmorgen, eux, sont bien différents, car ils sont précisément conçus pour fonctionner immédiatement avec les robots.
La taille des moteurs TBM2G a été pensée pour faciliter l'intégration avec des réducteurs harmoniques standard généralement utilisés pour les articulations robotiques. Ils sont également disponibles dans de nombreuses tailles pour s'adapter à presque toutes les articulations robotiques, des hanches larges et des genoux aux épaules, coudes et poignets plus petits. Bien que la plupart des moteurs sans boîtier soient disponibles dans deux ou trois tailles, les moteurs TBM2G, eux, proposent sept diamètres différents (50 mm à 115 mm) et trois longueurs (8 mm, 13 mm et 26 mm), dans un total de 21 tailles.
Ces moteurs sont aussi conçus pour fournir un couple constant sur une plage de vitesses complète, répondant ainsi aux strictes exigences de mouvement dynamique qui différencient les humanoïdes d'autres robots. Enfin, ils offrent des performances exceptionnelles à une température d'enroulement de seulement 85 °C. D'autres moteurs de la même classe n'offrent qu'une performance maximale lorsqu'ils fonctionnent sous des températures de 155 °C, qui peuvent rapidement endommager les lubrifiants des réducteurs et affecter la fiabilité des composants d'asservissement électronique.
Conseil bonus : faites appel à un expert
Kollmorgen est bien plus qu'un fournisseur de solutions de mouvement. Avec plus d'un siècle d'expérience collective et des milliers de clients satisfaits de nos services, notre mission est d'aider les ingénieurs en robotique à réussir. Robots industriels hautement productifs, robots chirurgicaux minutieux, nouveaux robots humanoïdes qui promettent d'épargner aux humains les tâches répétitives et ardues, voire dangereuses… les obligations en matière de mouvement robotique n'ont plus aucun secret pour nous, tout comme la manière de vous aider à atteindre une meilleure productivité et de nouvelles opportunités.
Vous souhaitez donner vie à votre concept d'humanoïde ? Contactez-nous à l'adresse https://www.kollmorgen.com/fr-fr/service-and-support/nous-contacter pour discuter de vos besoins et de vos objectifs avec un expert Kollmorgen en robotique.
1. Source : « Humanoid Robots: Sooner Than You Might Think », Goldman Sachs, 15 novembre 2022.
