INTRODUCTION

Les ingénieurs et les scientifiques estiment que, dans les années à venir, les robots feront partie intégrante de nos vies. Ils seront présents dans plusieurs domaines, comme les secteurs agricoles, ou hospitaliers, les milieux de la maintenance, de la construction ou de la domotique. Ils remplaceront potentiellement les humains dans de nombreuses applications, en particulier là où la précision est critique. Les robots accompliront des tâches qui sont difficiles ou dangereuses pour l’Homme. Dans un bon nombre de cas, ce sera probablement des robots à roues qui interviendront.

Les robots à roues se déplacent sur le sol en utilisant des roues motorisées pour se propulser. Cette conception est plus simple que l'utilisation de chenilles ou de « jambes ». Ces architectures à roues sont plus faciles à concevoir, à construire et à programmer, en particulier pour les déplacement en terrains plats et peu accidentés. Les robots à roues sont populaires sur le marché grand public, car la direction est simple et a un faible coût. Les robots ont au minimum trois roues pour assurer l'équilibre statique et dynamique. Des roues supplémentaires peuvent être ajoutées pour améliorer l'équilibre. Cela nécessite néanmoins un cout plus élevé dus aux mécanismes additionnels pour maintenir toutes les roues au sol, surtout lorsque le terrain n'est pas plat. La solution d’entrainement des robots est composée de moteurs couplés à des réducteurs, ceci augmente le couple et ainsi une meilleure maniabilité.

Cet article décrit les besoins, , et les exigences du marché robotique et tout particulièrement les critères de sélection des systèmes d’entrainement pour les applications à roues.

BESOINS ET DEMANDE DU MARCHÉ

Voici quelques exemples de secteurs ayant une demande croissante en robots. Les hôpitaux ont besoin de plus en plus de robots, destinés à diverses utilisations comme le contrôle des infections, la livraison des déchets médicaux ou de spécimens biochimiques ainsi que d’autres tâches ou services médicaux. Cette demande ne cesse de croitre, surtout depuis la pandémie du COVID-19, Un autre marché en expansion est le secteur de l'aérospatiale et de la défense (A&D), où les robots jouent un rôle crucial dans la surveillance et les opérations militaires. Enfin, un autre secteur en croissance est celui de l'inspection des pipelines (par exemple, dans les systèmes sous-marins).Les robots prennent des images afin d’identifier les fissures ou autres défauts de l'infrastructure. Les caractéristiques clés des systèmes utilisés dans les robots sont les suivantes :

Compacts et légers
Couple élevé
Grande durabilité (longue durée de vie)
Faible bruit (hôpital et A&D)
Haute efficacité et faible consommation de courant

POINTS CLÉS DE L’APPLICATION

(Figure 1)Les produits types utilisés dans les robots sont des moteurs à courant continu avec ou sans balais. Ils sont généralement associés à des réducteurs planétaires compacts. Les besoins peuvent varier légèrement d'une application à l'autre, mais les spécifications typiques des solutions de motorisées sont les suivantes :

Moteur : moteur cc avec ou sans balais, sans noyau de fer
Configuration du réducteur : planétaire – 2/3 étages, rapport de réducteur de 30:1 à 120:1
Encombrement du moto-réducteur : diamètre < 40 mm
Couple de sortie du réducteur : 4 à 8 Nm
Vitesse de sortie du réducteur : de 50 à 150 tr/min

CRITÈRES DE SÉLECTION

La sélection d'un moteur et du réducteur est une tâche essentielle lors de la conception d'un robot. Les principaux aspects sur lesquels il faut se concentrer sont illustrés en figure 2.

La première étape de la sélection d'un système motorisé consiste à déterminer les conditions de fonctionnement maximales auxquelles le produit sera soumis. Le facteur le plus critique dans la conception et la sélection d'un moto- réducteur est de confirmer la vitesse et le couple de sortie au niveau de la roue.

Couple
Il est plus simple de commencer par le calcul du couple de sortie, puis de travailler sur la sélection du moto-réducteur. Le couple sur la roue doit être déterminé en fonction de l'accélération du robot, du diamètre de la roue, de la capacité de charge (qui doit être suffisantepour tirer l'ensemble du robot), de la pente ou du franchissement d'obstacles. La friction et l'efficacité doivent également être prises en compte pour déterminer le couple final.

Vitesse
Après avoir obtenu le couple, l'étape suivante consiste à choisir la vitesse à laquelle la roue doit tourner. Tout comme le couple, il faut d'abord déterminer la vitesse souhaitée en sortie de la roue (c'est-à-dire, la puissance finale) avant de choisir les moteurs et les réducteurs. C’est lefabricant de robot qui calcule généralement la vitesse à laquelle le robot est censé se déplacer. Il ne faut pas oublier que le diamètre de la roue influencela vitesse de la roue.

Encombrement
Dès que les caractéristiques de performance de base du moteur sont connues, l'étape suivante consiste à s'assurer que l'assemblage motorisé (codeur + frein + moteur + engrenages) s’intègre et s’adapte correctement au robot. Un codeur permet de mesurer la vitesse de rotation de l'arbre du moteur. Le système de freinage contribue à maintenir le couple et permet un arrêt dynamique en cas d'urgence. Il existe plusieurs types de codeurs et de freins utilisés en robotique.

Tension électrique
La tension de fonctionnement est utilisée pour alimenter le moteur. En général, plus la tension est élevée, plus la vitesse du moteur est importante. Vous pouvez consulter la constante de tension (ou constante de la force contre-électromotrice) dans la fiche technique du moteur afin de déterminer la vitesse de rotation du moteur par volt.

Température de fonctionnement
Ce critère ne pose généralement pas de problème. Cependant si l’assemblage moteur est fermé, il faut s’assurer qu'il ne surchauffe pas. La plage de températures du réducteur n’est pas à négliger, car elle affecte la durée de vie de la lubrification et les performances dans le temps.

Poids
La masse de la charge n’est pas à négliger car elle impacte le couple. Une estimation de la masse (ouun calcul de la masse réelle) est essentielle pour choisir un moteur. Si la conception repose sur une estimation de la masse, nous recommendons d’appliquer un facteur de sécurité d'environ 25 %. La constante de couple dans la fiche technique du moteur aide à déterminer le couple de sortie par ampère.

Coût
Il peut parfois être tentant de construire des réducteurs à partir de zéro, car cela semble moins coûteux. Toutefois, concevoir, assembler et tester un nouveau réducteur prend du temps, et il est souvent plus économique de se procurer le réducteur dans un catalogue standard.

Précision / Efficacité
Quelle erreur de transmission pouvez-vous accepter dans votre système ? Les moteurs contrôlant les roues n’ont généralement pas besoin d’une haute précision. Ils sont utilisés sur différents terrains et profils de couple n'exigeant pas forcément de hautes performances (comme un faible niveau de bruit et de vibrations), une précision moindre peut donc être tolérée, Au contraire d’autres produits (comme un bras ou un instrument robotique ont souvent besoin de systèmes à faible jeu qui sont plus précis.

Fiabilité et bruit
Dans la plupart des applications, une fiabilité accrue est le facteur déterminant, en effet l'assemblage moteur doit résister à tous les points de fonctionnement. Dans certaines applications critiques, comme les robots de surveillance, en plus de la fiabilité élevée, le faible niveau de bruit est un également un aspect critique. Il est essentiel que le motoréducteur répondent à ces deux exigences.

Par exemple, pour une application robotique à roues, Portescap propose des produits pour la solution motorisée, comme avec le produit suivant :

Caractéristiques du moteur : - cc à balais 35 GLT
Réducteur principal : - réducteur planétaire, 3 étages, denture droite, rapport de réduction total 99,8

AVANTAGES TECHNOLOGIQUES

Les robots à roues peuvent être équipés de différents systèmes d’entrainement de roues. Une conception simple peut être celle d'un robot à 4 roues, avec 2 paires de roues motrices. Chaque paire peut tourner dans la même direction. Cependant, si les paires ne fonctionnent pas à la même vitesse, le robot se déplacera lentement et aura des difficultés à rouler droit. Une conception optimale comporte un mécanisme de direction différentielle similaire à celui utilisé dans une voiture. Ceci permet au robot de tourner à gauche ou à droite, avec un seul moteur. Une autre configuration courante est l’utilisation de moteurs qui entraînent les roues indépendamment (au lieu d'une direction différentielle). Dans ce cas, des moteurs séparés sont nécessaires pour entraîner chaque roue.

Les spécifications typiques peuvent être définies comme suit :

Boîtier : - 32 mm de diamètre x 115 mm de long
Capacité de couple de sortie du réducteur : 8 Nm
Vitesse de sortie du réducteur : 80 tr/min
Durée de vie prévue : - 1 000 heures
Température maximale : - 125 °C

Un produit Portescap présente l'avantage d'un boîtier très compacte, d’une performance de couple élevée et d'une longue durabilité. Cela permet donc d’adapter ce moteur à de multiples applications robotiques sur roues.(Figure 3)

PROGRÈS FUTURS DANS LA ROBOTIQUE À ROUES

Le principal inconvénient des robots à roues est qu'ils ont des difficultés à se déplacer sur des terrains rocheux, des pentes abruptes ou des zones à faible friction. La demande pour des robots capables de surpasser ces limites est en pleine expansion. Cette demande nécessite donc des changements au niveau de certains mécanismes, comme un changement de design du système d’entrainement. Cela ajoute plus de complexité et nécessite une étude détaillée avec un impact sur le coût.

Même si l’on n’effectue pas de changements majeurs sur le mécanisme, il y a souvent un besoin constant d'optimisation de lasolution. Quelques exemples d’améliorations pour les systèmes d’entrainement sont illustrées ci-dessous. Celles-ci augmentent les performances du robot à roues en termes de durabilité, d'efficacité et de faible niveau de bruit :

Améliorations des roulement : le roulement à aiguilles (figure 4) limitent les défaillances dues au frottement, assurant ainsi une rotation régulière des engrenages planétaires
Optimisation des dents des pinions dans le réducteur afin d’obtenir un faible niveau de bruit (figure 5)
Analyse avancée basée sur la FEA : ceci permet d'identifier les défaillances potentielles et de les éliminer dès le début de la conception (figure 6).
Simulation acoustique avancée : ceci permet d’estimer le bruit pour l'optimiser la conception des applications où le bruit est un paramètre critique (figure 7).

POUR CONTACTER UN INGÉNIEUR

Figure 1 - Les différentes configurations pour la robotique sur roues.
Figure 2 - Critères de sélection du moteur + réducteur
Figure 3 - Composite moteur + réducteur
Figure 4 - Nouvelle solution de roulement
Figure 5 - Solution de réducteur à faible bruit
Figure 6 - Analyse FEA avancée
Figure 7 - Simulation acoustique avancée