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Comprendre comment les bras robotisés se déplacent implique d'étudier la mécanique de leurs articulations et les systèmes de contrôle sophistiqués qui les régissent. Le contrôle de ces articulations est essentiel pour une utilisation précise et efficace dans diverses applications, de la fabrication de lignes d'assemblage aux dispositifs médicaux, la robotique chirurgicale et les systèmes d'automatisation avancés.

Qu'est-ce que les joints de robots et pourquoi ont-ils de l'importance?

Les joints robot sont les connexions mobiles entre différentes parties du corps d'un robot, tout comme les joints chez l'homme. Ces liaisons permettent aux robots de plier, de tourner et de se déplacer dans différentes directions, leur permettant d'effectuer des tâches et d'interagir avec leur environnement. Les joints robot sont les composants qui permettent le mouvement et la rotation au sein des systèmes robotiques, analogues aux joints humains.

Tous les robots industriels ne sont que des chaînes ou des collections de « joints ». Les joints robot sont des mécanismes qui créent le mouvement dans un ou plusieurs axes du robot. Ensemble, les joints du robot créent les mouvements souhaités des membres du robot. La conception, la configuration et le contrôle de ces joints déterminent directement les capacités, l'espace de travail et les caractéristiques de performance du robot.

Ces joints sont généralement équipés de vérins, de capteurs et de composants mécaniques pour faciliter le mouvement contrôlé et le positionnement précis. La compréhension des différents types de joints, de leurs propriétés mécaniques et des exigences de contrôle est fondamentale pour toute personne travaillant avec des systèmes robotiques, que ce soit dans la conception, la programmation, la maintenance ou l'ingénierie d'application.

Types fondamentaux de joints de robots

Les joints robotisés peuvent être classés de plusieurs façons, mais la classification la plus fondamentale est basée sur leur conception cinématique, comment ils se déplacent et quel type de mouvement ils permettent. Les deux types primaires forment les éléments de construction de pratiquement tous les systèmes robotiques.

Raccords de rotation: Mouvement rotatif

Une articulation révoltée (également appelée articulation de la broche ou de la charnière) est une paire cinématique à un degré de liberté utilisée fréquemment dans les mécanismes et les machines. L'articulation limite le mouvement de deux corps à la rotation pure le long d'un axe commun. Les articulations révoltées, également appelées articulations rotatives, facilitent la rotation autour d'un seul axe. Elles offrent une polyvalence dans le mouvement et sont pivotantes pour permettre la flexion et les mouvements torsadeurs.

Un joint révolté (ou joint rotatif) permet une rotation autour d'un seul axe, semblable à une charnière de porte ou un coude humain. Ce type offre un degré de liberté (DOF) et est largement utilisé dans les bras robotiques, comme ceux des lignes de montage industrielles. La simplicité et la fiabilité des joints révoltés en font le type de joint le plus commun dans la robotique industrielle.

Les joints revoltés sont largement utilisés dans les bras et les jambes robotiques, où ils permettent l'articulation et la maniabilité essentielles pour des tâches telles que l'assemblage, le soudage et la manutention des matériaux dans les processus de fabrication. Les joints revoltés excellent dans des tâches nécessitant un mouvement angulaire, comme la peinture robotisée des pièces de voiture ou l'assemblage électronique.

Un joint révolté est un joint rotatif à axe unique. Il permet à un robot de tourner par rapport à un autre autour d'un axe fixe, comme une charnière. C'est l'articulation la plus utilisée dans les bras des robots, en particulier dans les robots articulés et 6 axes. Chaque joint révolté ajoute un degré de liberté, et lorsqu'il est empilé en séquence, il peut produire un mouvement très flexible et semblable à celui de l'homme.

Joints Prismatiques: Mouvement linéaire

Un joint prismatique (ou un joint linéaire) permet un mouvement linéaire sur un seul axe, comme un tiroir coulissant ou un piston. Il fournit également un DOF et est commun dans les applications nécessitant un déplacement linéaire précis, comme les imprimantes 3D (mouvement d'axe Z) ou les machines CNC. Les joints Prismatiques, aussi appelés joints coulissants ou linéaires, permettent un mouvement linéaire sur un seul axe. Ce type d'articulation permet aux robots de prolonger ou de rétracter leurs pièces, comme un télescope.

Les joints Prismatic sont couramment utilisés dans les curseurs robotiques, les bras extensibles et les mécanismes télescopiques, où un mouvement linéaire précis est crucial pour des tâches telles que les opérations de pick-and-place et le positionnement.

Les joints Prismatic sont idéaux pour les tâches linéaires comme les systèmes de pick-and-place dans l'emballage. Le chemin linéaire fourni par les joints prismatic assure une excellente répétabilité et est particulièrement précieux dans les systèmes de coordonnées cartésiennes où le mouvement en ligne droite est nécessaire.

Un joint linéaire ou prismatique peut se déplacer dans un mouvement translationnel ou coulissant sur un seul axe. C'est probablement le type de joint le plus simple à imaginer et le plus facile à contrôler. Cette simplicité rend les joints prismatiques attrayants pour les applications où le positionnement linéaire simple est la condition principale.

Joints sphériques: Mouvement multidirectionnel

Les articulations sphériques, également appelées articulations à billes et à poches, permettent de se déplacer dans plusieurs directions autour d'un point central. Elles offrent un haut degré de flexibilité en mouvement. Les articulations sphériques (jointes à billes et à poches) permettent trois DF rotationnels, en mimant une épaule ou une hanche humaine.

Les articulations sphériques sont couramment utilisées dans les poignets et les hanches robotiques, où le mouvement omnidirectionnel est essentiel pour des tâches telles que la manipulation d'objets, la saisie et la navigation dans des environnements complexes. La flexibilité fournie par les articulations sphériques permet aux robots de naviguer et d'interagir plus efficacement avec leur environnement, ce qui les rend adaptés aux applications nécessitant agilité et adaptabilité.

Une articulation sphérique peut se déplacer en plusieurs degrés de liberté autour d'un seul point. Vous pouvez penser qu'une articulation sphérique est comme l'articulation supérieure de votre bras, elle peut se déplacer dans plusieurs directions mais autour du même point. La commande articulaire sphérique peut devenir assez complexe. Parfois, il est plus facile de décrire l'articulation sphérique comme étant 3 articulations révoltées avec un axe qui se croise à un point commun.

Joints cylindriques: Mouvement combiné

Les articulations cylindriques combinent les mouvements des articulations rotatives et prismatiques, permettant à la fois la rotation et le glissement le long d'un seul axe. Cette combinaison offre une plus grande flexibilité et est souvent utilisée dans des applications robotiques qui nécessitent un mouvement linéaire et rotationnel.

Un joint cylindrique combine un mouvement rotatif et linéaire dans un axe. Il permet au lien connecté de tourner et de glisser le long d'un même axe, offrant plus de portée et de flexibilité qu'un simple joint révolté ou prismatique seul. Cette double capacité rend les joints cylindriques précieux dans des applications spécialisées où les deux types de mouvement sont nécessaires simultanément.

Les articulations cylindriques sont généralement présentes dans les bras et les pinces cylindriques des robots, où les tâches nécessitent un mouvement rotationnel et linéaire, comme la manipulation des matériaux, l'usinage et les opérations d'assemblage. L'intégration du mouvement rotationnel et linéaire dans les articulations cylindriques offre une polyvalence dans l'exécution des tâches qui nécessitent une combinaison des deux types de mouvement, améliorant l'efficacité et la fonctionnalité des systèmes robotiques.

Degrés de liberté et de configuration des robots

Le concept de degrés de liberté (DOF) est central pour comprendre les capacités des bras robotisés. Chaque joint fournit généralement un degré de liberté, et le nombre total de DOF détermine comment le robot peut positionner et orienter son effecteur final dans l'espace. La plupart des robots industriels ont entre 4 et 7 degrés de liberté, les robots à 6 axes étant la configuration la plus courante.

Un robot industriel à six axes utilise généralement six articulations révoltées pour atteindre des orientations complexes. Cette configuration permet au robot de positionner son effecteur final à n'importe quel point de son espace de travail et de l'orienter dans n'importe quelle direction, offrant ainsi une flexibilité maximale pour des tâches complexes.

Un nombre plus grand indique une flexibilité accrue dans l'alignement d'un outil, ce qui en fait un paramètre important pour la conception de bras robotiques. Prenons le cas d'un robot série, où le nombre fait souvent référence au nombre de joints rotatifs à une seule axe dans le bras. Le choix du nombre de degrés de liberté à inclure dans la conception d'un robot implique l'équilibre entre la capacité et les défis de complexité, de coût et de contrôle.

L'effecteur final est positionné avec cinq degrés de liberté dans les systèmes de manipulateurs en série et parallèles, composé de trois DoF translationnels et deux pour l'orientation. Ainsi, une relation directe entre la position du actionneur et la configuration du manipulateur peut être trouvée.

Espace de travail et retouche robot

La collection de tous les endroits que l'effecteur final peut atteindre est l'espace de travail robot, parfois appelé espace accessible. Les longueurs de liaison, les restrictions de rotation et de traduction, la conception générale du mécanisme, et d'autres facteurs affectent tous l'espace de travail. En modifiant les longueurs de connexion et les degrés de liberté permis pour le mécanisme, le volume de travail produit de cette façon spécifie l'espace utilisable pour le robot.

L'articulation de l'épaule est située à la base d'un manipulateur robotisé. C'est souvent le plus gros joint et détermine la quantité de rotation du robot. Elle a l'effet le plus significatif sur la taille de l'espace de travail du robot. La portée de mouvement de l'articulation de l'épaule détermine fondamentalement la portée et la couverture globale du bras robotisé.

La jointure du poignet est située à la fin du manipulateur robotisé. Elle a le plus d'effet sur la position de l'effecteur final du robot. Souvent, les joints du poignet peuvent tourner à 360 degrés. Elle est également soumise à plus de vibrations causées par l'environnement que les autres joints.

Acteurs : Le pouvoir derrière le mouvement interarmées

Les actionneurs sont les composants qui transforment l'énergie en mouvement mécanique, servant de muscles de systèmes robotiques. Un actionneur se réfère à tout dispositif mécanique ou électromécanique qui crée le mouvement. L'actionneur génère une force en utilisant un type d'énergie particulier. Le choix du type actionneur affecte de façon significative la performance, la précision, la vitesse et la capacité de charge du robot.

Moteurs électriques

Les moteurs électriques sont la centrale derrière les joints des robots, la conversion de l'énergie électrique en mouvement mécanique. Ces moteurs sont disponibles en différents types, y compris les moteurs DC, les moteurs pas à pas et les servomoteurs. Chaque type de moteur offre des avantages distincts pour différentes applications et exigences de performance.

Les moteurs à piston continu assurent une rotation continue et sont couramment utilisés dans les applications où le contrôle de la vitesse est essentiel. Les moteurs à piston continu offrent un contrôle précis de la position et sont souvent utilisés dans les systèmes robotiques nécessitant un positionnement précis.

Les moteurs DC sont souvent sélectionnés en raison de leur simplicité et de leur facilité de contrôle. Cependant, dans les scénarios exigeant une haute précision et de contrôle, la préférence s'incline souvent vers les moteurs Servo ou Stepper. Les moteurs Servo sont particulièrement remarquables pour leur capacité à fournir un contrôle précis sur la vitesse, la position et l'accélération, ce qui en fait un choix idéal pour des applications complexes telles que la manœuvre de bras ou de jambes robotisés.

La position angulaire ou linéaire, la vitesse et l'accélération peuvent être contrôlées avec précision avec un servomoteur, un actionneur rotatif ou linéaire. Il s'agit d'un moteur approprié relié à un capteur de rétroaction de position. Il faut également un contrôleur assez complexe, souvent un module spécial créé uniquement pour l'utilisation avec des servomoteurs. Cette approche intégrée assure le contrôle précis nécessaire pour les applications robotiques exigeantes.

Le choix du moteur de joint de bras robot dépend de facteurs tels que le couple, la vitesse et la précision de mouvement nécessaires à l'application spécifique du joint robot. Les ingénieurs doivent évaluer soigneusement ces facteurs pendant la phase de conception pour assurer une performance optimale.

Activateurs hydrauliques et pneumatiques

Les moteurs électriques dominent la robotique moderne, mais les actionneurs hydrauliques et pneumatiques jouent toujours un rôle important dans des applications spécifiques. Les actionneurs hydrauliques utilisent un fluide pressurisé pour générer des mouvements et sont capables de produire des forces très élevées, ce qui les rend adaptés aux applications industrielles lourdes et aux robots à grande échelle qui doivent soulever des charges importantes.

Les actionneurs pneumatiques utilisent l'air comprimé et sont appréciés pour leur simplicité, leur propreté et leur sécurité dans certains environnements. Ils sont généralement présents dans les opérations de pick-and-place, les systèmes d'emballage et les applications où les atmosphères explosives rendent les actionneurs électriques inappropriés.

La sélection entre actionnement électrique, hydraulique et pneumatique dépend de plusieurs facteurs, dont la force requise, les besoins de précision, les exigences de vitesse, les conditions environnementales, les considérations d'entretien et les contraintes de coûts.

Systèmes de transmission

Les moteurs génèrent de la force, mais les systèmes de transmission comme les engrenages, les courroies ou les entraînements harmoniques transfèrent cette puissance aux articulations. Ces systèmes de transmission remplissent de multiples fonctions critiques : ils modifient les caractéristiques de vitesse et de couple du moteur, offrent un avantage mécanique pour le levage de charges lourdes et aident à atteindre le positionnement précis requis pour les tâches robotiques.

Les vitesses contrôlent la vitesse et le couple du mouvement d'une articulation en transmettant la puissance de l'actionneur aux pièces mobiles. Elles règlent également la force appliquée pour assurer le fonctionnement de l'articulation à la vitesse et la force souhaitées. La réduction de vitesse est particulièrement importante en robotique car elle permet aux moteurs plus petits et plus rapides de produire les couples élevés nécessaires pour manipuler les charges tout en maintenant un contrôle précis.

Les entraînements harmoniques sont particulièrement populaires en robotique de précision en raison de leurs rapports de réduction élevés dans les paquets compacts, de caractéristiques zéro contre-slash et d'une excellente précision de positionnement. Les entraînements de courroie offrent des avantages dans les applications nécessitant une transmission de puissance à plus longue distance ou lorsque la conformité du système est bénéfique.

Capteurs et mécanismes de rétroaction

Les capteurs jouent un rôle crucial dans la rétroaction du système de commande du robot, lui permettant de surveiller et d'ajuster avec précision la position, la vitesse et la force de l'articulation. Sans capteurs, les systèmes robotiques fonctionneraient en boucle ouverte, ne pouvant vérifier que les mouvements commandés ont été effectivement exécutés ou pour compenser les perturbations et les erreurs.

Les capteurs sont essentiels pour fournir à l'articulation robotique la capacité d'interagir intelligemment avec son environnement en fournissant une rétroaction inestimable au système de contrôle. Cette rétroaction permet un contrôle en boucle fermée, où le système surveille en permanence son état réel et apporte des corrections pour obtenir les performances souhaitées.

Capteurs de position et de vitesse

Les capteurs de position et de vitesse contrôlent le mouvement du bras robot. Ils donnent des informations en temps réel sur la position et la vitesse du bras. Cela permet de déplacer le bras exactement comme prévu. Les encodeurs sont utilisés pour la position, et les tachomètres pour la vitesse. Cette information aide le bras à suivre le bon chemin.

Les encodeurs optiques utilisent des modèles de lumière pour détecter la position, tandis que les encodeurs magnétiques utilisent des champs magnétiques. La résolution de l'encodeur – à quel point finement il peut diviser une rotation ou un mouvement linéaire – affecte directement la précision de positionnement de l'articulation.

Les capteurs de vitesse, ou tachomètres, mesurent la vitesse du mouvement articulaire. Ces informations sont cruciales pour le contrôle en douceur du mouvement, le suivi de la trajectoire et les performances dynamiques.

Capteurs de force et de couple

Les capteurs de force et de couple suivent les forces utilisées par le bras. C'est la clé pour les tâches nécessitant une certaine force, comme le broyage ou le polissage. Ces capteurs permettent des opérations contrôlées par la force où le robot doit appliquer des quantités spécifiques de force plutôt que de simplement se déplacer vers des positions spécifiques.

Les capteurs de force/torque sont particulièrement importants dans les opérations d'assemblage où les pièces doivent être pressées avec une force contrôlée, dans les tâches de finition de surface comme le ponçage ou le polissage lorsque la force de contact est nécessaire, et dans les robots collaboratifs (cobots) où la détection de force permet une interaction sûre avec les travailleurs humains.

Les capteurs de force/torque multiaxes peuvent mesurer simultanément les forces et les couples dans plusieurs directions, fournissant des informations complètes sur les forces d'interaction.Cette capacité est essentielle pour les tâches de manipulation complexes et pour la mise en œuvre de stratégies de contrôle avancées comme le contrôle d'impédance, où le comportement mécanique du robot peut être programmé pour agir comme un ressort ou un amortisseur.

Capteurs de vision et de proximité

Bien que ne faisant pas directement partie du mécanisme de joint, les systèmes de vision et les capteurs de proximité fournissent une rétroaction environnementale critique qui guide les mouvements de joint. Les systèmes de vision peuvent identifier les objets, déterminer leurs positions et orientations, vérifier la qualité de l'assemblage et guider le robot à travers des tâches complexes.

Les capteurs de proximité détectent la présence d'objets sans contact physique, en utilisant des technologies telles que l'infrarouge, l'ultrason ou la portée laser. Ces capteurs aident les robots à éviter les collisions, à détecter la présence de pièces et à naviguer en toute sécurité dans leur espace de travail.

Systèmes de contrôle pour joints robots

Les capteurs fournissent en permanence des retours sur le système de commande, permettant des réglages en temps réel, assurant des mouvements précis et en douceur pour terminer la tâche. Ce processus de transmission, de mouvement et de retour en boucle fermée permet aux joints robotiques d'effectuer des actions précises et répétables dans diverses applications.

Le système de contrôle des articulations robotiques est le cerveau derrière leur mouvement, chargé d'interpréter les retours de capteurs et d'envoyer des commandes aux actionneurs pour réguler la position, la vitesse et le couple. Il comprend des capteurs, un contrôleur et des actionneurs travaillant ensemble pour assurer un contrôle précis et efficace du mouvement.

Contrôle ouvert par rapport au contrôle fermé par boucle

Les systèmes de commande en boucle ouverte envoient des commandes aux actionneurs sans vérifier que le mouvement souhaité a été réalisé. Ces systèmes sont plus simples et moins coûteux mais ne peuvent pas compenser les perturbations, les variations de charge ou l'usure mécanique.

Les systèmes de contrôle en boucle fermée utilisent la rétroaction du capteur pour surveiller en permanence l'état réel de l'articulation et la comparer à l'état désiré. Toute différence (erreur) déclenche une action corrective pour amener l'articulation à sa position cible, sa vitesse ou sa force. Ce mécanisme de rétroaction permet une précision élevée, une répétabilité et la capacité de compenser les perturbations et les variations dans les conditions de fonctionnement.

Grâce à des mécanismes de coordination et de rétroaction précis, le système de contrôle assure que le robot fonctionne en douceur, efficacement et en toute sécurité, répondant aux exigences de diverses applications. Les robots industriels modernes utilisent universellement un contrôle en boucle fermée pour leurs joints critiques afin d'atteindre les performances requises pour la fabrication et d'autres applications exigeantes.

Contrôle PID

Le contrôle proportionnel-intégral-dérivatif (PID) est l'algorithme de contrôle le plus utilisé en robotique. Le contrôleur PID calcule une valeur d'erreur comme différence entre un point de consigne souhaité et une variable de processus mesurée, puis applique une correction basée sur des termes proportionnels, intégraux et dérivés.

Le terme proportionnel produit une sortie proportionnelle à l'erreur actuelle, plus l'erreur est grande, plus la mesure corrective est forte. Le terme intégral tient compte des erreurs passées, éliminant l'équilibre et assurant que le système atteint la cible. Le terme dérivé prédit l'erreur future en fonction de son taux de changement, fournissant un amortissement pour empêcher l'oscillation et le dépassement.

Les contrôleurs PID mal ajustés peuvent présenter une réponse lente, un dépassement excessif, une oscillation ou une instabilité. Il existe différentes méthodes de réglage, depuis les approches manuelles d'essai et d'erreur jusqu'aux techniques systématiques comme le réglage Ziegler-Nichols et les algorithmes modernes d'auto-tuning.

Algorithmes de contrôle avancés

Alors que le contrôle PID gère efficacement de nombreuses applications robotiques, des stratégies de contrôle plus sophistiquées sont utilisées pour des tâches exigeantes. Le contrôle basé sur des modèles utilise des modèles mathématiques de la dynamique du robot pour prédire le comportement et calculer des actions de contrôle optimales.

Les algorithmes de contrôle adaptatifs ajustent leurs paramètres en temps réel en fonction des conditions changeantes, en maintenant les performances même lorsque les caractéristiques du robot changent en raison de l'usure, des variations de température ou de différentes charges utiles.

Les stratégies de contrôle de l'impédance et de la force régulent l'interaction mécanique entre le robot et son environnement plutôt que de se contenter de position.Ces approches sont essentielles pour des tâches telles que le montage, le polissage et la collaboration homme-robot où la gestion des forces de contact est aussi importante que l'obtention de la précision de position.

L'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle sont de plus en plus appliqués au contrôle des robots, permettant aux systèmes d'apprendre des stratégies de contrôle optimales à partir de l'expérience, de s'adapter aux nouvelles situations et de gérer des tâches complexes qui sont difficiles à programmer explicitement.

Kinématique : Les mathématiques du mouvement des robots

La cinématique est l'étude du mouvement sans tenir compte des forces qui la provoquent. En robotique, la cinématique fournit le cadre mathématique pour relier les positions de joint à la position et l'orientation de l'effecteur final du robot. La cinématique est essentielle pour la programmation des mouvements du robot et la conception des systèmes de contrôle.

Cinématique vers l'avant

La cinématique avancée calcule la position et l'orientation de l'effecteur final du robot en fonction des angles ou des positions de l'articulation. Il s'agit d'un calcul simple qui consiste à appliquer une série de transformations de coordonnées correspondant à chaque joint et à chaque maillon de la chaîne cinématique du robot. La convention Denavit-Hartenberg (D-H) est une méthode normalisée pour attribuer les cadres de coordonnées aux liaisons de robots et pour calculer systématiquement ces transformations.

La cinématique avant est simple par calcul et a toujours une solution unique – étant donné un ensemble spécifique de valeurs communes, il y a exactement une pose d'effecteur final correspondante. Cela rend la cinématique avant utile pour la simulation, la visualisation et la vérification des configurations des robots.

Inverse Kinématique

La cinématique inverse détermine les angles ou les positions de jonction nécessaires pour placer l'effecteur final du robot à une position et une orientation souhaitées. C'est le problème qui doit être résolu lors de la programmation d'un robot pour atteindre un point précis dans l'espace ou suivre un chemin particulier. Contrairement à la cinématique avancée, la cinématique inverse peut être mathématiquement complexe et peut avoir plusieurs solutions, aucune solution ou une infinité de solutions selon la configuration du robot et la pose de la cible.

Pour certaines configurations de robots, il existe des solutions analytiques en forme fermée au problème de la cinématique inverse, fournissant des réponses exactes par des équations algébriques. Ces solutions sont efficaces sur le plan calculable et préférées lorsque disponibles. Cependant, de nombreux modèles de robots n'admettent pas de solutions en forme fermée, exigeant des méthodes itératives numériques qui rapprochent la solution par un raffinement successif.

Lorsqu'il existe plusieurs solutions cinématiques inverses, le système de contrôle doit choisir celles qui doivent être utilisées en fonction de critères tels que la réduction des mouvements articulaires, l'éviter, rester dans les limites des articulations ou maintenir la continuité avec la configuration précédente.

Jacobian et Velocity Kinematics

La matrice jacobine relie les vitesses des articulations aux vitesses des effecteurs finals, fournissant une approximation linéaire de la cinématique du robot dans le voisinage d'une configuration particulière. Le jacobin est essentiel pour le contrôle de vitesse, le contrôle de force et l'analyse de singularité. Il permet au robot de suivre les trajectoires en douceur en coordonnant les vitesses de toutes les articulations pour produire le mouvement de l'effecteur final souhaité.

Les singularités se produisent dans des configurations où la matrice jacobin perd du rang, ce qui signifie que le robot perd un ou plusieurs degrés de liberté. Dans des configurations singulières, le robot ne peut pas se déplacer dans certaines directions, quelle que soit la façon dont les articulations sont commandées, et les petits mouvements d'effecteur final peuvent nécessiter de très grandes vitesses articulaires.

Composants mécaniques et considérations de conception

Au-delà des actionneurs et des capteurs, les joints robotisés intègrent divers composants mécaniques qui permettent un fonctionnement fluide, précis et fiable. La conception et la sélection de ces composants influent de manière significative sur les caractéristiques de performance de l'articulation.

Roulements

Les roulements se présentent comme un autre élément mécanique indispensable dans un joint robotique, qui a pour mission de minimiser les frottements entre les pièces mobiles et de rendre le support pour les mouvements rotationnels ou linéaires. La race des roulements sélectionnés dépend des exigences opérationnelles spécifiques de l'articulation robotique. Par exemple, les roulements à billes sont un choix populaire en raison de leur compétence dans les capacités de faible frottement et de vitesse de rotation élevée, tandis que les roulements à rouleaux sont l'objet d'applications nécessitant des capacités de charge plus élevées.

Les roulements préchargés éliminent le jeu et les rétro-éclairements, garantissant que les mouvements commandés se traduisent directement par des mouvements réels sans perte de mouvement. La sélection du type de roulement, de la taille et de la précharge implique des facteurs d'équilibrage, y compris la capacité de charge, la rigidité, le frottement, la capacité de vitesse et le coût.

Pour les joints linéaires, les roulements linéaires ou les rails de guidage assurent un mouvement glissant sans heurt avec un frottement minimal, qui peuvent utiliser des éléments à billes ou à rouleaux qui fonctionnent sur des rails de précision ou, dans certains cas, des roulements à air qui utilisent un mince film d'air sous pression pour éliminer complètement le frottement de contact, mais au prix d'une alimentation en air continue.

Liens

Les liaisons sont des entités rigides reliées par des articulations, orchestrant un système qui assure le mouvement contrôlé. Au sein d'un joint robotique, les liaisons sont les conduits de transfert de mouvement d'un segment du robot à un autre. La conception architecturale de ces liaisons, incluant leur longueur et leur configuration, a un impact significatif sur le mouvement du robot et la complexité de ses mouvements.

La conception mécanique d'un bras robotique, inspiré par la main humaine, consiste en plusieurs connexions qui composent ensemble une chaîne cinématique. Les joints qui relient les liaisons fournissent au système ses capacités de mouvement rotationnel et translationnel. Les liaisons doivent être suffisamment rigides pour maintenir la précision sous charge tout en étant aussi légères que possible pour minimiser l'inertie et la consommation d'énergie.

Les liaisons robotisées modernes sont souvent construites à partir d'alliages d'aluminium, de composites de fibre de carbone ou d'autres matériaux avancés qui fournissent d'excellents rapports résistance-poids. La conception structurelle doit tenir compte des charges statiques, des forces dynamiques pendant le mouvement, l'expansion thermique et les vibrations.

Scellement et protection

Les joints robotisés opérant dans des environnements industriels doivent être protégés contre les contaminants tels que la poussière, le liquide de refroidissement, les copeaux métalliques et l'humidité. Les joints empêchent ces contaminants d'entrer dans le mécanisme de joint où ils pourraient causer l'usure, la corrosion ou la défaillance.

Les robots pour les environnements difficiles peuvent nécessiter des cotes IP65 ou supérieures, avec des joints complètement scellés et des matériaux spéciaux résistant aux produits chimiques, aux températures extrêmes ou à d'autres conditions difficiles. Les robots de transformation alimentaire ont besoin de matériaux et de conceptions spéciaux de qualité alimentaire qui facilitent le nettoyage et la désinfection.

Facteurs influant sur le rendement et la fiabilité des conjoints

Plusieurs facteurs influencent le rendement des joints robotisés et leur durée de fonctionnement. La compréhension de ces facteurs est essentielle pour une sélection adéquate des robots, une ingénierie d'application et une planification de maintenance.

Capacité de charge et charge utile

Chaque joint robot a une capacité de charge maximale qui ne doit pas être dépassée. Cette capacité dépend de la résistance des composants mécaniques, de la capacité de couple des actionneurs et de la rigidité de la structure. L'utilisation à proximité ou au-delà de la capacité nominale accélère l'usure, réduit la précision et peut entraîner une défaillance prématurée.

La charge utile, le poids que porte le robot à son effecteur final, affecte tous les joints de la chaîne cinématique, les joints plus proches de la base étant généralement plus chargés. Lors de la sélection d'un robot, les ingénieurs doivent tenir compte non seulement du poids de la pièce, mais aussi du poids des effecteurs finaux, des outils et de tout autre équipement supplémentaire.

Gamme de mouvement : Une épaule bien conçue permet au bras d'atteindre les positions hautes et basses sans forcer les autres articulations. Vitesse vs précision Échange : Les moteurs à épaule haute-torque permettent une forte montée mais peuvent sacrifier la vitesse. Les systèmes avancés font un équilibre grâce à des algorithmes de freinage dynamique et de contrôle adaptatif.

Frise et port

La friction dans les joints robot consomme de l'énergie, génère de la chaleur et provoque une usure qui dégrade les performances au fil du temps. La réduction de la friction par une sélection appropriée des roulements, la lubrification et la conception est cruciale pour l'efficacité et la longévité.

L'usure se produit chaque fois que les surfaces se déplacent en contact, changeant progressivement les dimensions et les dégagements. Cela peut conduire à une augmentation des contre-coups (déplacement perdu), une précision réduite, et éventuellement une défaillance.

Certains modèles modernes de robots utilisent des moteurs à entraînement direct qui éliminent les boîtes de vitesses et leurs frictions et contre-coups associés, obtenant des performances supérieures au coût de la construction de moteurs plus gros et plus chers. Le choix entre les systèmes à entraînement direct et les systèmes à entraînement direct dépend des exigences de performance spécifiques et des contraintes de coûts de l'application.

Effets de la température

La température affecte les performances des robots de plusieurs façons. Les moteurs et l'électronique ont des limites de température de fonctionnement au-delà desquelles ils peuvent être endommagés ou effectuer des performances irréalisables. L'expansion thermique modifie les dimensions des composants mécaniques, ce qui peut affecter la précision.

La production de chaleur à partir de moteurs, de frictions et d'électroniques doit être gérée par des systèmes de ventilation, de dissipateurs de chaleur ou de refroidissement actif adéquats. Dans des environnements extrêmes, des composants et matériaux spéciaux résistant à la température peuvent être nécessaires.

Vibrations et résonance

Les vibrations peuvent dégrader la précision de positionnement, accélérer l'usure et entraîner une défaillance structurelle extrême. Les sources de vibrations incluent la commutation motrice, les fréquences de mailles de vitesse, les résonances structurelles et les perturbations externes. Les structures robotiques ont des fréquences naturelles à lesquelles elles ont tendance à vibrer, et ces résonances peuvent provoquer de grandes oscillations même à partir de petites perturbations.

Pour réduire les vibrations, il faut augmenter la rigidité structurelle, ajouter l'amortissement, éviter le fonctionnement aux fréquences résonantes et utiliser un montage résistant aux vibrations. Les algorithmes de contrôle avancés peuvent supprimer activement les vibrations en détectant les oscillations et en appliquant des commandes correctives.

Étalonnage et précision

Même les robots bien conçus nécessitent un calibrage pour obtenir leur précision spécifiée. L'étalonnage consiste à mesurer les positions réelles obtenues par le robot et à ajuster les paramètres pour minimiser les erreurs.

L'étalonnage cinématique ajuste les paramètres géométriques du modèle cinématique du robot pour correspondre au robot physique réel. Cela peut améliorer de façon significative la précision de positionnement absolu. Certains systèmes avancés effectuent l'étalonnage automatique à l'aide de dispositifs de mesure externes ou de routines d'auto-étalonnage.

Considérations relatives à l'entretien et à la fiabilité

Un programme de maintenance bien planifié prévient les défaillances inattendues, prolonge la durée de vie des équipements et assure une qualité constante dans les opérations de production.

Lubrification

La lubrification réduit le frottement et l'usure des composants mobiles, dissipe la chaleur et protège contre la corrosion. Différents composants nécessitent des lubrifiants différents – les boîtes de vitesses utilisent généralement de l'huile ou de la graisse, tandis que les roulements peuvent utiliser de la graisse ou de l'huile selon leur conception.

Une surlubrification peut être aussi problématique que la souslubrification, causant un frottement excessif, la production de chaleur et la contamination. Les systèmes de lubrification automatique peuvent assurer une lubrification cohérente et appropriée sans intervention manuelle.

Inspection et surveillance

Les inspections visuelles peuvent détecter des fuites, des dommages, des attaches lâches et d'autres problèmes évidents. Les techniques de surveillance plus sophistiquées comprennent l'analyse des vibrations, la surveillance de la température, la surveillance du courant et le suivi des erreurs de positionnement au fil du temps.

La maintenance prédictive utilise les données et l'analyse des capteurs pour prédire quand les composants risquent de échouer, ce qui permet de planifier la maintenance de façon proactive plutôt que d'attendre une défaillance ou d'effectuer la maintenance selon un calendrier fixe, quel que soit l'état réel.

Remplacement des éléments

Certains composants ont une durée de vie limitée et nécessitent un remplacement périodique. Les roulements, joints, ceintures et autres articles d'usure doivent être remplacés selon les recommandations du fabricant ou lorsque l'inspection révèle une détérioration.

Lors du remplacement des composants, il est important d'utiliser des pièces qui répondent ou dépassent les spécifications d'origine. Les pièces de rechange inférieures peuvent échouer prématurément ou causer des dommages à d'autres composants.

Applications dans les industries

Les joints robot permettent l'automatisation dans pratiquement tous les secteurs, avec des types et des configurations spécifiques de joints optimisés pour différentes applications. La compréhension de ces applications aide à illustrer l'importance pratique de la mécanique et du contrôle des joints.

Fabrication et montage

La fabrication est le domaine d'application le plus important pour les robots industriels. Les robots articulés à joint multiples révolté effectuent des opérations de soudage, de peinture, de manutention des matériaux, de manutention des machines et de montage. La flexibilité des joints révoltés permet à ces robots d'accéder à des pièces complexes sous plusieurs angles et de travailler dans des espaces confinés.

Les robots SCARA, combinant jointages volute et prismatiques, excellent dans les opérations de pick-and-place à grande vitesse et les tâches d'assemblage dans la fabrication électronique.

Robotique médicale et chirurgicale

La robotique médicale exige une précision, un mouvement et une fiabilité exceptionnels. Les robots chirurgicaux utilisent des articulations miniaturisées avec plusieurs degrés de liberté pour manipuler des instruments à l'intérieur du corps du patient avec une plus grande dextérité que les mains humaines.

Les robots de réadaptation aident les patients à retrouver leur mobilité après une blessure ou une maladie, avec des articulations conçues pour fournir une résistance et un soutien appropriés.

Logistique et entreposage

La croissance explosive du commerce électronique a entraîné la demande d'automatisation des entrepôts. Les robots mobiles naviguent dans les entrepôts de transport de marchandises, tandis que les bras robotiques choisissent des articles dans les étagères et les placent dans des conteneurs d'expédition.

Les robots collaboratifs travaillent avec les travailleurs humains dans les centres de réalisation, avec des articulations de détection de la force qui assurent une interaction sûre. La vitesse et la précision des articulations robotiques permettent des débits de débit dépassant de loin les opérations manuelles tout en maintenant la précision et en réduisant les erreurs.

Agriculture

Les robots agricoles sont de plus en plus utilisés pour la plantation, la récolte, l'ensemencement et la surveillance des cultures. Ces robots doivent fonctionner dans des environnements extérieurs non structurés, avec des conditions de terrain, de temps et d'éclairage variables.

La capacité de travailler sans fatigue rend les robots attrayants pour les tâches agricoles à forte intensité de main-d'œuvre, bien que la complexité et la variabilité des environnements agricoles présentent des défis permanents.

Exploration spatiale et sous-marine

Les robots spatiaux doivent fonctionner dans le vide, les températures extrêmes et les rayonnements tout en étant légers et hautement fiables car la réparation est souvent impossible. Les joints peuvent utiliser des lubrifiants spéciaux ou des lubrifiants secs pour fonctionner dans le vide où les lubrifiants conventionnels s'évaporent.

Les robots sous-marins sont soumis à des pressions élevées, à des eaux salées corrosives et à une visibilité limitée.Les joints à pression permettent de maintenir une pression interne égale à la pression de l'eau environnante, empêchant ainsi les forces de broyage tout en gardant l'eau hors des composants sensibles.

Tendances nouvelles et développements futurs

La technologie de jointage robot continue d'évoluer, mue par les progrès des matériaux, des capteurs, des actionneurs et des algorithmes de contrôle.

Robotique douce et joints compatibles

Les robots rigides traditionnels sont complétés par des robots souples qui utilisent des matériaux flexibles et des joints conformes. Ces systèmes peuvent interagir en toute sécurité avec les humains, s'adapter aux objets irréguliers et naviguer dans des espaces confinés.

Les joints de rigidité variable peuvent ajuster leur conformité, agir rigidement lorsque la précision est nécessaire et conforme lorsque la sécurité ou l'adaptabilité est requise.Cette capacité est particulièrement précieuse pour les robots collaboratifs et les applications impliquant le contact avec des objets délicats ou irréguliers.

Intelligence artificielle et apprentissage automatique

L'IA et l'apprentissage machine transforment le contrôle et la programmation des robots. Plutôt que de programmer explicitement chaque mouvement, les robots peuvent apprendre les tâches par démonstration, essai et erreur, ou simulation.

La vision informatique alimentée par l'apprentissage profond permet aux robots de percevoir et de comprendre leur environnement avec une capacité sans précédent. Cette perception guide les mouvements conjoints pour saisir des objets nouveaux, naviguer dans des environnements dynamiques et s'adapter aux conditions changeantes.

Miniaturisation et micro-robotique

Les progrès de la microfabrication permettent aux robots de plus en plus petits de réaliser des opérations chirurgicales invasives, d'inspecter les espaces confinés ou de manipuler des objets microscopiques. La création de vérins, de capteurs et de sources d'énergie efficaces à ces échelles présente des défis uniques.

À la plus petite échelle, les mécanismes articulaires conventionnels deviennent peu pratiques et d'autres approches utilisant des champs magnétiques, des réactions chimiques ou des composants biologiques sont à l'étude. Ces microrobots peuvent éventuellement permettre des applications comme la livraison ciblée de médicaments, la chirurgie cellulaire ou la surveillance de l'environnement à l'échelle microscopique.

Efficacité énergétique et durabilité

Plus les robots sont nombreux, plus leur consommation d'énergie devient importante. Des moteurs plus efficaces, une planification optimisée des mouvements et des systèmes de récupération d'énergie peuvent réduire considérablement la consommation d'énergie.

Les pratiques de fabrication durables sont appliquées à la production de robots, à l'utilisation de matériaux recyclables et à la conception de démontages et de réutilisations de composants. La longue durée de vie des robots bien entretenus contribue à la durabilité en amortissant les impacts de la fabrication sur de nombreuses années d'utilisation productive.

Collaboration homme-robot

Les robots collaboratifs (cobots) conçus pour travailler en toute sécurité aux côtés des humains se développent rapidement. Ces systèmes intègrent des articulations sensitives, des mécanismes conformes et des systèmes de contrôle de sécurité qui arrêtent ou limitent les forces en cas de contact. La capacité à combiner flexibilité et jugement humains avec précision robotique et infatigabilité crée de puissants systèmes de travail hybrides.

Les interfaces avancées, y compris la reconnaissance des gestes, le contrôle de la voix et la réalité augmentée, facilitent la programmation et l'exploitation des robots sans formation spécialisée. Cette démocratisation de la robotique permet aux petites entreprises et aux nouvelles applications de bénéficier de l'automatisation.

Principales considérations pour la sélection et la conception de la combinaison de robots

La sélection ou la conception de joints robotisés appropriés nécessite une attention particulière aux multiples facteurs. La liste de contrôle suivante résume les principales considérations :

  • Exigences d'application: Quelles tâches le robot doit-il exécuter? Quelles sont les exigences de précision, de vitesse et de force?
  • Espace de travail: Quel volume doit atteindre le robot? Y a-t-il des obstacles ou des contraintes?
  • Payload: Quel poids doit supporter le robot, y compris les pièces, outils et effecteurs finaux?
  • Dégres de liberté:[ Combien de DF sont nécessaires pour atteindre les positions et les orientations requises?
  • Types de joints:[ Quelle combinaison de types de joints révoltés, prismatiques et autres convient le mieux à la demande?
  • Sélection de l'actionneur: Quel type de l'actionneur (électrique, hydraulique, pneumatique) est le plus approprié?
  • Exigences de capteurs:[ Quelle rétroaction est nécessaire pour un contrôle adéquat (position, vitesse, force)?
  • Système de contrôle: Quels algorithmes de contrôle et ressources de calcul sont nécessaires?
  • Conditions environnementales: Quels facteurs de température, d'humidité, de contamination et autres facteurs environnementaux doivent être pris en compte?
  • Sécurité:[ Quelles sont les caractéristiques de sécurité nécessaires, en particulier pour l'interaction homme-robot?
  • Entretien:[ Quel entretien sera nécessaire et dans quelle mesure les composants sont-ils accessibles?
  • Coût: Quel est le budget pour l'achat initial, l'installation et l'exploitation continue?
  • Fiabilité: Quelles heures de repos sont nécessaires et quelles sont les conséquences d'un échec?
  • Intégration: Comment le robot interagira-t-il avec d'autres équipements et systèmes?
  • Évoluabilité:[ Les exigences pourraient-elles changer à l'avenir et le système peut-il s'adapter?

Une analyse minutieuse de ces facteurs, souvent avec la participation des fabricants de robots et des intégrateurs de systèmes, permet de s'assurer que la configuration du robot sélectionné répond bien aux exigences d'application.

Programmation et enseignement des mouvements de robots

Une fois qu'un robot avec des articulations appropriées est sélectionné, il doit être programmé pour effectuer des tâches utiles. Plusieurs approches de programmation sont couramment utilisées, chacune avec des avantages pour des situations différentes.

Enseignement manuel

Enseigner un bras robot est la clé. Il s'agit de guider le bras à travers des mouvements, qui sont ensuite sauvés et joués en arrière. La programmation par le plomb est une façon commune. Ici, l'opérateur déplace le bras pour lui enseigner le chemin. Cette approche intuitive ne nécessite aucune connaissance de programmation et est rapide pour des tâches simples.

L'opérateur déplace physiquement le robot à chaque position souhaitée, et le système enregistre les angles d'articulation ou les positions de l'effecteur final. Le robot peut alors rejouer ces positions pour répéter la tâche. Cette méthode fonctionne bien pour des tâches comme la peinture ou le soudage où le chemin est plus important que des coordonnées précises.

Programmation hors ligne

La programmation hors ligne utilise des logiciels pour créer des programmes de robots sans relier le robot réel. Les ingénieurs peuvent simuler les mouvements du robot, vérifier les collisions, optimiser les temps de cycle et déboguer les programmes avant de les télécharger au vrai robot. Cette approche minimise les interruptions de production et permet de développer des programmes complexes efficacement.

Les systèmes de programmation hors ligne modernes incluent l'intégration CAO, permettant aux programmes de robots d'être générés directement à partir de la conception de pièces. La simulation valide que le robot peut atteindre toutes les positions requises et que les objectifs de temps de cycle peuvent être atteints.

Langues de programmation de haut niveau

Les langages de programmation robot permettent de spécifier précisément les mouvements, la logique et les interactions de capteurs. Les langages vont des systèmes spécifiques aux fabricants aux langages normalisés comme RAPID (ABB), KRL (KUKA) ou les langages d'usage général comme Python avec des bibliothèques robotiques.

La programmation nécessite la compréhension des systèmes de coordonnées, des types de mouvement (mouvements conjoints par rapport aux mouvements linéaires), des limites de vitesse et d'accélération, et la façon d'intégrer la rétroaction des capteurs.

Considérations de sécurité dans la conception et l'exploitation de robots

La sécurité des robots est primordiale, d'autant plus que les robots travaillent de plus en plus près ou avec des humains.

Des barrières physiques comme les clôtures et les rideaux lumineux empêchent les humains d'entrer dans l'espace de travail du robot pendant son fonctionnement. Des capteurs de sécurité détectent les intrusions et déclenchent des arrêts immédiats.

Les robots collaboratifs utilisent des articulations sensitives et des limites de puissance/force pour s'assurer que le contact avec l'homme ne peut causer de blessures. Lorsque le robot détecte une résistance inattendue, il s'arrête immédiatement ou se rétracte.

Les normes de sécurité comme ISO 10218 (robots industriels) et ISO/TS 15066 (robots collaborateurs) fournissent des cadres pour la conception et le déploiement de robots sûrs. Une formation adéquate garantit que les opérateurs, les programmeurs et le personnel de maintenance comprennent les procédures de sécurité et les risques potentiels.

Conclusion : La Fondation de la capacité robotique

Les joints robotiques sont les éléments fondamentaux qui permettent aux systèmes robotiques de se déplacer, de manipuler et d'interagir avec leur environnement. La compréhension de la mécanique des joints – des types de joints de base et de leurs caractéristiques de mouvement aux actionneurs, capteurs et systèmes de contrôle qui les régissent – est essentielle pour quiconque travaille avec la robotique.

Le domaine continue de progresser rapidement, avec des innovations dans les matériaux, les actuateurs, les capteurs et les algorithmes de contrôle qui élargissent les capacités robotiques. Des applications industrielles traditionnelles aux domaines émergents comme la robotique douce, les dispositifs médicaux et la collaboration homme-robot, la technologie conjointe demeure au cœur de la fonctionnalité robotique.

En comprenant les principes abordés dans ce guide – types de joints, degrés de liberté, actionneurs, capteurs, cinématiques et systèmes de contrôle – les ingénieurs et techniciens peuvent concevoir, sélectionner, programmer et entretenir des systèmes robotiques qui offrent des performances fiables, précises et efficaces.

À mesure que les robots se multiplient dans les industries et les applications, l'importance des mécanismes de joint robustes, précis et fiables ne fera que croître. Que vous conçoyiez un nouveau système robotique, que vous choisissiez un robot pour une application spécifique ou que vous conserviez les équipements existants, une solide compréhension de la mécanique de joint constitue la base du succès.

Pour ceux qui souhaitent en apprendre davantage sur la robotique et l'automatisation, des ressources sont disponibles auprès d'organismes comme Robotic Industries Association, d'établissements universitaires offrant des programmes de robotique et de fabricants qui fournissent une documentation technique détaillée et une formation.

Des informations supplémentaires sur l'automatisation industrielle et les systèmes robotiques sont disponibles dans le Organisation internationale de normalisation, qui développe des normes de sécurité et de performance pour les équipements robotiques.