Un robot peut détecter son environnement et planifier un mouvement, mais rien de tout cela ne devient physique tant qu’un actionneur ne convertit pas la commande du contrôleur en mouvement ou en force. Chaque articulation qui se plie, chaque roue qui tourne et chaque pince qui se ferme remonte à un seul. L’actionneur est le composant où le calcul devient une action mécanique, et le point où la plupart des décisions concernant la charge utile, la vitesse, la précision et la sécurité d’un robot sont effectivement prises. Comprendre le rôle qu’il joue explique pourquoi deux robots construits autour de contrôleurs similaires peuvent se comporter si différemment une fois qu’ils transportent une charge.
L’actionneur comme point d’action d’un robot
Le logiciel de contrôle décide ce qu’un robot doit faire, et l’actionneur est ce qui concrétise cette décision dans le monde physique. Il prend une commande électrique de faible puissance et produit une sortie mécanique contrôlée, que cette sortie soit une rotation à une articulation, une extension linéaire d’un membre ou une force de serrage à l’extrémité d’un bras. Un robot porte un actionneur pour chaque degré de liberté contrôlable, donc un bras à six axes en a au moins six, chacun possédant un mouvement indépendant.
Parce que l’actionneur est la dernière étape avant le mouvement physique, ses limites deviennent les limites du robot. Le contrôleur le plus rapide ne peut pas faire accélérer une articulation au-delà de ce que son actionneur peut fournir, et la planification de trajectoire la plus sophistiquée ne peut pas placer un outil plus précisément que ce que l’actionneur et son retour d’information le permettent. C’est pourquoi la spécification de l’actionnement en amont façonne tout ce qui suit.
Comment les actionneurs s’intègrent dans la boucle de contrôle d’un robot
Le mouvement dans un robot s’exécute en boucle continue. Le contrôleur émet une commande, l’actionneur se déplace, un capteur signale le résultat, et le contrôleur corrige au cycle suivant. Un actionneur fonctionnant en boucle ouverte se déplacera sur commande mais ne pourra pas confirmer qu’il a atteint la cible, ce qui est acceptable pour un arrêt fixe et insuffisant pour un positionnement précis sous charge variable.
La plupart des articulations robotiques ferment cette boucle avec l’un des trois modes de contrôle suivants :
- Contrôle de position, où l’actionneur se déplace vers un angle ou une course commandé et le maintient.
- Contrôle de vitesse, où l’actionneur maintient une vitesse commandée, courant dans les mouvements continus et les bases mobiles.
- Contrôle de couple ou de force, où l’actionneur régule la force qu’il applique, ce qui permet un contact sûr et une préhension contrôlée.
Chaque mode dépend du retour d’information. Les encodeurs, les résolveurs et les potentiomètres de précision signalent la position de l’arbre ou de l’articulation au contrôleur, transformant un simple moteur en un axe contrôlable. Sans ce signal, l’actionneur et la logique de contrôle sont déconnectés, et le robot se déplace à l’aveugle. La même boucle de commande et de retour d’information pilote les machines automatisées bien au-delà de la robotique, et voir comment les actionneurs industriels fonctionnent dans un système d’automatisation montre comment la logique d’une seule articulation s’étend pour coordonner l’équipement sur une ligne de production complète.
Types d’actionneurs et rôles qu’ils remplissent
Le choix du bon actionneur pour une articulation dépend de la force, de la vitesse, du poids et du comportement de contrôle exigés par l’application. Quatre familles couvrent la plupart des systèmes robotiques.
Actionneurs électriques
Les servomoteurs, les moteurs à courant continu sans balais et les moteurs pas à pas dominent la robotique car ils offrent un mouvement propre, précis et contrôlable avec un retour d’information intégré. Associés à des réducteurs ou des entraînements harmoniques, ils offrent une grande précision de positionnement et une répétabilité, ce qui convient aux bras articulés, aux portiques et aux plateformes mobiles. Ils fonctionnent sur des alimentations électriques standard, ne génèrent pas de frais généraux de gestion des fluides ou de l’air, et s’intègrent directement aux contrôleurs numériques, c’est pourquoi ils sont le choix par défaut pour la plupart des mouvements de précision.
Actionneurs hydrauliques
Les actionneurs hydrauliques offrent la force et la densité de puissance les plus élevées de toutes les options, c’est pourquoi ils apparaissent dans les robots industriels lourds, les machines à pattes et les applications qui soulèvent de lourdes charges dans une articulation compacte. Le coût est un système de support de pompes, de fluide et de joints, ainsi que la maintenance qui l’accompagne. Lorsque la force brute par unité de taille est le facteur décisif, l’hydraulique conserve toujours l’avantage.
Actionneurs pneumatiques
Les actionneurs pneumatiques utilisent l’air comprimé pour un mouvement rapide et léger avec une conformité naturelle qui convient aux pinces, aux mécanismes de prise et de placement et à la robotique souple. Leur élasticité rend le positionnement précis à mi-course plus difficile, ils sont donc plus efficaces dans les mouvements à deux états et dans les tâches où un contact doux et tolérant est un atout.
Actionneurs souples et à élasticité série
Les actionneurs à élasticité série placent un ressort délibéré entre le moteur et la charge, permettant au système de mesurer et de contrôler la force avec précision et d’absorber les chocs. Cette souplesse est essentielle pour les robots collaboratifs qui partagent l’espace avec des personnes, où une articulation rigide serait dangereuse au contact. Le même principe soutient les robots marcheurs et toute tâche qui exige une force contrôlée plutôt qu’un positionnement rigide.
Ce que la spécification d’un actionneur décide de la performance
La spécification de l’actionneur a un impact sur presque tous les chiffres sur lesquels un robot est jugé, c’est pourquoi elle mérite une attention particulière avant que la conception mécanique ne soit figée. Les principaux effets sont prévisibles :
- Charge utile et couple. L’actionneur de chaque articulation détermine la quantité qu’elle peut déplacer et maintenir, et les articulations distales doivent également supporter le poids des actionneurs au-delà d’elles.
- Le couple disponible et l’engrenage déterminent la rapidité avec laquelle une articulation atteint et maintient une cible, façonnant le temps de cycle.
- Précision et répétabilité. La résolution du retour d’information, le jeu et la rigidité déterminent la précision avec laquelle le robot revient au même point à chaque fois.
- Rigidité versus souplesse. Un actionneur rigide maintient fermement sa position, tandis qu’un actionneur souple cède au contact, et l’application décide lequel est le plus sûr.
- Énergie et chaleur. L’efficacité régit la quantité de puissance qu’une articulation consomme et la quantité de chaleur qu’elle dissipe pendant un mouvement soutenu.
La masse distale mérite une mention spéciale. Un actionneur surdimensionné sur un poignet force chaque articulation en dessous à grandir, ce qui augmente le poids et le coût tout au long de la chaîne. Dimensionner chaque articulation pour sa tâche réelle permet de maintenir le bras entier léger.
Actionneurs d’articulation versus actionneurs d’effecteur terminal
Les actionneurs remplissent deux rôles distincts selon leur emplacement dans le robot. Les actionneurs d’articulation déplacent la structure elle-même, positionnant le bras ou la base afin que l’outil arrive là où il doit être, et ils privilégient le couple, la vitesse et la précision de positionnement. Les actionneurs d’effecteur terminal gèrent la tâche une fois l’outil en place, actionnant les pinces, les tournevis, les soudeuses ou les têtes de distribution, et ils privilégient souvent la force contrôlée et la modulation fine plutôt que la plage de mouvement brute.
Séparer ces rôles pendant la conception évite une inadéquation courante, où une articulation dimensionnée pour un positionnement grossier est sollicitée pour effectuer une manipulation délicate pour laquelle elle n’a jamais été conçue. La pince qui manipule une pièce fragile exige un retour de force et une modulation douce, tandis que l’articulation qui fait pivoter le bras en position exige vitesse et rigidité.
Pourquoi le retour de position rend un actionneur contrôlable
Un contrôleur ne peut commander un actionneur qu’avec la précision avec laquelle il peut mesurer la position actuelle de cet actionneur. Le retour d’information est ce qui convertit un moteur qui tourne en une articulation qui atteint une cible et signale quand elle ne le fait pas. La détection de position prend en charge les arrêts répétables, une approche contrôlée de la fin de course et la détection de défauts lorsqu’une articulation ne parvient pas à atteindre un point commandé sous charge.
Les potentiomètres de précision fournissent ce retour d’information sous forme de signal analogique continu qui mappe l’angle de l’arbre ou de l’articulation directement à une tension que le contrôleur lit avec peu de conditionnement supplémentaire. Ils offrent une haute résolution, une longue durée de vie mécanique et une position absolue à la mise sous tension, ce qui convient aux axes robotiques et de contrôle de mouvement qui nécessitent un retour d’information fiable et économique. L’obtention de lectures propres à partir de ce signal dépend en partie de la valeur de l’élément, car la résistance détermine la manière dont la sortie se divise sur la plage d’entrée du contrôleur, de sorte que comment choisir la résistance du potentiomètre devient l’un des détails de spécification qui permet de maintenir le retour d’information facile à lire et exempt d’effets de charge. La même logique s’étend aux systèmes téléopérés, où un joystick ou une commande au pied de l’opérateur transmet des commandes de position et de vitesse aux actionneurs, et la qualité de ce dispositif d’entrée détermine la facilité avec laquelle l’opérateur peut piloter la machine.
Sélection des actionneurs pour un système robotique
Une sélection d’actionneurs défendable résulte de l’adéquation du composant à la tâche de son articulation spécifique, en répondant à un ensemble cohérent de questions :
- Couple et force à l’articulation, avec une marge pour l’accélération et la charge portée au-delà.
- Vitesse et temps de cycle requis par l’application.
- Précision, répétabilité et jeu acceptable pour la tâche.
- Type de retour d’information et résolution requis par l’architecture de contrôle.
- Poids, car les actionneurs distaux augmentent la taille de tout ce qui les supporte.
- Réversibilité et souplesse, déterminées par le fait que l’articulation partage l’espace avec des personnes.
- Source d’alimentation et cycle de service, qui déterminent les limites thermiques pendant un mouvement soutenu.
Répondre à ces questions pour chaque articulation, puis confirmer que le retour d’information et le schéma de contrôle sont liés, produit un robot qui fonctionne comme prévu et maintient cette performance tout au long de sa durée de vie.
ETI Systems : Retour de précision pour le mouvement robotique
Un mouvement robotique fiable commence par un retour d’information auquel le contrôleur peut faire confiance, et c’est sur cette partie du problème qu’ETI Systems s’est concentrée pendant des décennies. Les potentiomètres rotatifs et linéaires de l’entreprise signalent la position de l’articulation et de l’axe sous forme de signal analogique propre, proposés en versions monotour, multitours et sans contact afin que l’élément de retour d’information puisse être adapté à la course et à la durée de vie requises par une articulation particulière. Lorsqu’un robot est piloté par un opérateur, les joysticks et les pédales résistifs et à effet Hall d’ETI transforment les entrées manuelles et pédestres en commandes proportionnelles que les actionneurs en aval peuvent suivre.
Fabricant américain depuis 1958 et certifié ISO 9001:2015, ETI maintient des tolérances strictes sur la résistance, la linéarité et la durée de vie en rotation, et son groupe d’ingénierie développe des configurations personnalisées lorsque l’encombrement ou l’environnement d’exploitation d’un robot exclut une pièce de catalogue. Les équipes de conception et d’approvisionnement peuvent spécifier et commander via une distribution autorisée, y compris DigiKey, en maintenant les choix de composants alignés sur la construction.
Questions fréquemment posées
Un actionneur est la partie qui transforme la commande du contrôleur en mouvement ou en force réelle. Il se situe entre la prise de décision du robot et son action physique, de sorte que chaque articulation, roue et pince en possède un. Le nombre et la capacité des actionneurs d’un robot déterminent ce qu’il peut déplacer, à quelle vitesse et avec quelle précision.
Un moteur est un type d’actionneur. Le mot actionneur couvre tout dispositif qui convertit l’énergie en mouvement ou en force, tandis qu’un moteur produit spécifiquement une rotation à partir de l’énergie électrique. En robotique, un actionneur est généralement une unité complète qui comprend le moteur plus un réducteur, un capteur de retour d’information et un pilote, de sorte que le moteur est une partie à l’intérieur de l’assemblage plus grand.
Quatre familles couvrent la plupart des robots. Les actionneurs électriques, y compris les servomoteurs, les moteurs à courant continu sans balais et les moteurs pas à pas, gèrent les mouvements précis et sont les plus courants. Les actionneurs hydrauliques fournissent une force élevée pour les robots lourds et à pattes. Les actionneurs pneumatiques offrent un mouvement rapide et souple pour les pinces. Les actionneurs à élasticité série ajoutent une souplesse contrôlée pour un fonctionnement sûr à proximité des personnes.
Le retour d’information signale la position réelle de l’actionneur au contrôleur. Sans cela, le robot fonctionne en boucle ouverte et ne peut pas confirmer où une articulation s’est arrêtée, corriger une erreur ou détecter un défaut. Les encodeurs, les résolveurs et les potentiomètres de précision fournissent cette lecture de position, ce qui maintient le mouvement précis et répétable.
Un actionneur à élasticité série place un ressort entre le moteur et la charge. Ce ressort permet au système de mesurer et de contrôler la force avec précision tout en absorbant les chocs soudains. Il convient aux robots collaboratifs qui travaillent à proximité des personnes et aux robots marcheurs qui bénéficient d’un contact contrôlé et tolérant.
Un robot a besoin d’un actionneur pour chaque mouvement indépendant qu’il contrôle. Un bras industriel à six axes en utilise six pour ses articulations, plus des actionneurs supplémentaires pour la pince ou tout outil qu’il transporte. Plus il y a de degrés de liberté, plus il y a d’actionneurs.
Le contrôleur envoie un signal électrique de faible puissance à un pilote, et le pilote alimente l’actionneur pour produire la position, la vitesse ou la force commandée. Dans les systèmes pilotés par un opérateur, ces commandes commencent par un joystick ou une commande au pied, que le contrôleur convertit en mouvement d’actionneur.