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Construire un humanoïde plus performant avec une solution de mouvement légère, à forte densité de couple et compatible avec les robots

Dans la série TV à succès des années 1970, L'homme qui valait trois milliards, la technologie du futur avait fait de Steve Austin un être humain « plus fort, plus rapide, plus performant ». Mais il s'agissait de science-fiction. Aujourd'hui, les robots humanoïdes sont capables d'accomplir des tâches humaines aussi bien que les hommes, voire mieux, sans besoin de repos ou de nourriture, sans risque de blessure et sans crainte des éventuels dangers. De plus, pour qu'un humanoïde soit utile, son coût doit être nettement moins élevé que celui de « L'homme qui valait trois milliards ».

Les défis techniques liés à la conception d'un robot humanoïde réellement performant à un coût abordable sont considérables. Il y a 10 ans à peine, des vidéos virales de chutes d'humanoïdes lors du DARPA Robotics Challenge ont donné au grand public un aperçu amusant des difficultés rencontrées. Pour rester debout, sans parler d'exécuter des tâches complexes, les humanoïdes ont besoin de systèmes de détection, de traitement et de mouvement qui dépassent largement les capacités de la plupart des robots industriels. Mais ces défis se résolvent rapidement grâce aux progrès exponentiels de l'intelligence artificielle, de la vitesse des CPU, de la miniaturisation des circuits intégrés et d'autres technologies.

Toutefois, chaque technologie utilisée dans un robot est au service du mouvement. L'humanoïde n'est utile que dans la mesure où il peut se déplacer avec l'équilibre, la précision et la dextérité d'un humain, voire avec « plus de force, plus de rapidité et de meilleures performances » qu'un humain.

Les robots humanoïdes trouvent tout leur intérêt dans l'exécution de tâches à l'échelle humaine dans des environnements conçus pour l'homme. Cela peut aller de la manutention de caisses en carton dans un entrepôt au remplacement du personnel dans des environnements dangereux, en passant par l'aide aux personnes âgées ou même les tâches ménagères courantes. La pénurie croissante de main-d'œuvre encourage le développement de ces robots à échelle humaine, Goldman Sachs Research tablant sur un marché de plus de 6 milliards de dollars d'ici 10 à 15 ans.

Pour relever ce défi, les équipes d'ingénieurs doivent répondre aux deux exigences les plus importantes en matière de mouvement afin d'assurer la performance d'un robot humanoïde :

1. Minimiser la consommation d'énergie pour prolonger la durée de vie de la batterie;

2. Maximiser la densité du couple afin que les robots puissent supporter leur propre poids tout en manipulant d'importantes charges dynamiques externes.

Ces deux exigences sont étroitement liées et doivent être résolues en parallèle sur le même moteur. C'est pourquoi Kollmorgen estime que les moteurs et les actionneurs doivent être compatibles avec les robots, plutôt que de s'inspirer des critères de mouvement des drones ou d'autres applications non robotiques.

Comprendre les défis du couple, de la vitesse, du poids et de la performance

La limite de charge maximale recommandée pour les travailleurs humains selon l'équation de levage de l'Institut national pour la sécurité et la santé au travail est de 23 kg. UPS exige un étiquetage et des procédures spéciales pour l'expédition de colis de plus de 31,5 kg. La mise en œuvre de la directive sur la manutention manuelle dans l'Union européenne varie d'un État membre à l'autre, mais plusieurs pays fixent une limite de 25 kg pour les hommes et 15 kg pour les femmes.

Ces limites de poids constituent une ligne directrice générale pour les charges dynamiques que la plupart des robots humanoïdes sont censés porter; mais ces derniers doivent également supporter et déplacer leur propre poids, qui, à l'échelle humaine, peut être deux à trois fois supérieur à celui de la charge.

Les robots collaboratifs fixes utilisés dans les ateliers de fabrication possèdent depuis des années ces capacités de manutention de charges. Cependant, même les robots industriels les plus sophistiqués et les plus flexibles offrent généralement une liberté de mouvement de 6 à 7 degrés. Les robots humanoïdes, en revanche, disposent de 30 à 40 axes de mouvement, voire plus. Ces axes donnent à l'humanoïde la liberté de se déplacer, de manipuler son environnement et d'effectuer des tâches sophistiquées, semblables à celles de l'homme.

Chacun de ces axes ajoute du poids et de l'encombrement au robot tout en consommant de l'énergie. Les progrès en matière d'intelligence artificielle, de systèmes visuels, de capteurs kinesthésiques et de vitesse de traitement des données sont tous importants. Mais rien n'est plus essentiel pour concevoir une nouvelle génération de robots humanoïdes performants que de maximiser la densité du couple, de minimiser la taille et le poids et de réduire la consommation d'énergie de chaque articulation robotique.

Comprendre les exigences des servomoteurs

La taille, le poids et le couple des moteurs sont des caractéristiques essentielles des articulations robotiques humanoïdes. Le calcul des valeurs optimales de charge, de couple et de vitesse est relativement simple pour un robot collaboratif industriel, mais il en va différemment pour les humanoïdes.

Les articulations de ces robots ne fonctionnent pas dans la plage de vitesse limitée d'un cobot. Pour naviguer et travailler dans un environnement imprévisible, chaque articulation humanoïde doit être capable d'accélérations bidirectionnelles très rapides (de zéro à des vitesses élevées et inversement) dans un ballet dynamique continu fait d'équilibre, de précision et de puissance.

Compte tenu de ces exigences, le choix d'un moteur ne peut s'appuyer que sur des mesures conventionnelles de performance, telles que le couple continu et la vitesse nominale. À la place, il faudrait utiliser la constante du moteur, ou Km, calculée en divisant la constante du couple (Kt) par la racine carrée de la résistance ligne à ligne des enroulements du moteur (Km = Kt ÷ racine carrée Rm). Km est principalement une mesure des performances du moteur lorsqu'on compare des moteurs de taille similaire.

Un moteur à haut rendement peut fonctionner avec une élévation thermique minimale, ce qui assure une fiabilité des performances du moteur et des composants sensibles à la chaleur, tels que les lubrifiants et les composants électroniques, au sein de l'espace restreint d'une articulation robotisée. Le calcul de la constante Km par gramme de poids du moteur fournit également des données utiles pour sélectionner les moteurs les plus légers qui offriront les performances recherchées.

Pour optimiser le couple dans une articulation robotique légère et compacte, il est également possible d'utiliser des moteurs qui exploitent la règle D2L, selon laquelle le doublement de la longueur du bras de levier permet de quadrupler le couple sans affecter la longueur axiale du moteur. En d'autres termes, la règle D2L permet de construire une articulation plus puissante avec une simple augmentation du diamètre du moteur tout en conservant une largeur d'articulation minimale.

Sélectionner les bons moteurs compatibles avec les robots

Les servomoteurs conçus spécifiquement pour répondre aux exigences de taille, de poids et de performances des robots sont un moyen d'aider les équipes d'ingénieurs à élaborer et à construire un robot humanoïde plus performant et plus adapté au marché. La série de servomoteurs sans boîtier TBM2G de Kollmorgen est le meilleur exemple de moteur compatible avec les robots.

Les moteurs TBM2G sont disponibles en sept tailles de châssis, chacune pouvant être optimisée selon trois longueurs d'empilement différentes. C'est un avantage immense par rapport aux moteurs concurrents qui ne sont généralement disponibles que dans trois à cinq tailles de châssis. Avec autant d'options, il est possible de déterminer les moteurs TBM2G de manière à obtenir l'équilibre idéal entre taille, poids et couple pour chaque articulation de chaque robot, en fonction de l'utilisation qui lui est destinée.

Si l'on additionne les nombreuses articulations robotiques qui composent un humanoïde, les économies de poids et de taille réalisées pour chacune d'entre elles permettent d'aboutir à un robot nettement plus léger, qui nécessite beaucoup moins d'énergie pour supporter et déplacer son propre poids. Les moteurs TBM2G compacts, légers et de taille adaptée sont la solution idéale pour remplir cet objectif d'ingénierie.

Ces moteurs sans boîtier innovants intègrent également des matériaux avancés et de multiples options de bobinage qui permettent aux ingénieurs d'obtenir des solutions mécatroniques optimisées en réponse aux exigences de vitesse et de couple des articulations robotiques humanoïdes. Les servomoteurs sans boîtier TBM2G offrent :

  • une accélération rapide avec un couple constant pour toutes les exigences des articulations robotiques haute performance;
  • un couple continu plus important dans des boîtiers plus compacts et des formats qui exploitent la règle D2L;
  • une réponse et une précision fiables pour les mouvements fortement dynamiques requis dans les bras et les jambes des humanoïdes;
  • un rendement énergétique supérieur sur toute la plage de service des applications mobiles fonctionnant à 48 Vcc max;
  • une faible élévation thermique pour prolonger la durée de vie des lubrifiants, de l'électronique et des autres composants des articulations robotiques;
  • un alésage traversant de grand diamètre intérieur permettant d'accueillir des codeurs, câbles, arbres, outils et plus encore.

La série TBM2G rejoint la gamme complète de solutions de moteurs sans boîtier de Kollmorgen. Découvrez l'expertise de Kollmorgen dans le domaine de la robotique et des humanoïdes, et contactez-nous pour échanger avec un expert Kollmorgen spécialisé en robotique. Ensemble, nous pouvons donner vie aux robots humanoïdes du futur.

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