L'application principale des moteurs pas à pas hybrides dans les bras robotiques

1. Entraînement articulaire du bras robotique

Dans les bras robotiques multi-articulés, les moteurs pas à pas hybrides constituent la principale source d'énergie pour la rotation de chaque articulation. Le moteur pas à pas hybride rotatif de la série MDS/MMD-20, commercialisé par MTL au Japon, est spécialement conçu pour les extrémités des bras robotiques. Sa structure à axe traversant facilite le passage des câbles pour des outils tels que des pinces, des pistolets de soudage et des caméras, améliorant ainsi la flexibilité de mouvement et la résistance aux interférences. Il convient à l'assemblage de précision de composants électroniques 3C, à la micro-opération d'équipements médicaux et à d'autres applications. Sa structure creuse ultra-compacte permet le passage direct des tubes d'air, des câbles et des fibres optiques à travers l'axe du moteur, simplifiant la conception des articulations du bras robotique et réduisant les interférences du câblage externe. Associé à l'encodeur MTL, il atteint une précision système de ± 60″, répondant aux exigences strictes de précision de positionnement répétitif des robots à plusieurs degrés de liberté.

Pour les entraînements articulaires compacts des robots humanoïdes, des fabricants tels que Vic Tech motor ont lancé des unités fonctionnelles intégrées qui combinent des moteurs, des réducteurs pas à pas intégrés et des codeurs haute résolution pour libérer un potentiel de performance maximal avec un encombrement minimal.

2. Contrôle précis de l'effecteur terminal (pince mécanique)

En tant que « main » d'un bras robotisé, la performance d'une pince mécanique détermine directement la précision et l'efficacité de l'automatisation industrielle. La pince électrique, actionnée par un servomoteur ou un moteur pas à pas, offre un avantage majeur : une contrôlabilité extrêmement précise. La course d'ouverture et de fermeture, la force de serrage et la vitesse de fonctionnement sont réglables avec exactitude, répondant ainsi aux exigences de sécurité des robots collaboratifs. Elle permet de réaliser des opérations de précision telles que l'assemblage électronique 3C, le tri stérile pharmaceutique et la manipulation d'objets fragiles, et représente le segment de marché à la croissance la plus rapide ces dernières années.

Dotée d'un système de commande par servomoteur/moteur pas à pas, d'une régulation en boucle fermée et d'une force/position ajustable, la pince hybride à moteur pas à pas remplace la pince pneumatique, offrant précision, flexibilité et préhension programmable. Sa précision de positionnement répétée atteint ± 0,01 mm et elle peut saisir des pièces allant de 0,1 g (copeaux) à plus de 10 kg. Grâce à la technologie de contrôle du couple du moteur pas à pas, la force de serrage maximale peut être ajustée en fonction des besoins réels afin de garantir l'intégrité de l'objet saisi.

3. Contrôle des mouvements des robots humanoïdes

Dans le domaine de la robotique humanoïde, les moteurs pas à pas hybrides trouvent une place de plus en plus importante dans le contrôle des mouvements. Avec retour d'information de position, ils présentent des avantages indéniables pour l'actionnement des doigts, les mouvements de la tête et du cou, ainsi que l'ajustement du torse, permettant un contrôle précis au degré près et une grande finesse dans l'expression des mouvements des doigts et des mains. Comparés à d'autres solutions de motorisation, les moteurs pas à pas hybrides offrent un compromis idéal entre coût, performance et complexité, ce qui les rend particulièrement adaptés aux robots humanoïdes nécessitant des mouvements proches de ceux de l'humain, mais dont le coût élevé ne permet pas l'utilisation de servomoteurs haut de gamme.

4. Bras robotisé pour l'automatisation de laboratoire et les opérations de précision

Dans les domaines de la recherche scientifique et de l'automatisation de laboratoire, les bras robotisés actionnés par des moteurs pas à pas hybrides sont largement utilisés pour des tâches telles que le mélange chimique, la préparation d'échantillons, les tests de puces et le pipetage de précision. Ils sont également performants dans des applications de haute précision comme les micropompes, le dosage de fluides et le contrôle de capteurs optiques.

5. Usinage de précision et fabrication additive

Des recherches de pointe démontrent que la technologie d'entraînement hybride peut également être appliquée à l'usinage de précision pour robots. Le concept d'entraînement hybride, développé conjointement par Siemens et l'Institut Fraunhofer IFAM, combine intelligemment deux types de systèmes d'entraînement différents au sein d'une seule unité de transmission. Il permet ainsi aux robots à six axes de maintenir une stabilité et des vibrations minimales à des vitesses d'avance élevées, atteignant une précision d'usinage comparable à celle des machines-outils traditionnelles. Cette technologie permet aux robots de réaliser simultanément la fabrication additive (impression 3D) et la fabrication soustractive (fraisage), assurant ainsi le dépôt de matière et la finition au sein d'un même système.

Points clés de sélection

Lors du choix d'un moteur pas à pas hybride pour un bras robotique, les développeurs doivent se concentrer sur les aspects suivants :

Taille de la base :Les tailles de châssis courantes pour les moteurs pas à pas hybrides comprennent NEMA 8 (20 mm), NEMA 11 (28 mm), NEMA 14 (35 mm), NEMA 17 (42 mm), etc. Choisissez la taille de châssis appropriée en fonction des limitations d'espace des articulations ou des doigts du bras robotique.

Maintenir le couple :La commande des articulations requiert un couple de 0,1 à 0,5 N·m, celle des pinces d'extrémité de 0,0058 à 0,3 N·m, et les bras robotisés de manutention peuvent nécessiter un couple plus élevé. Lors du choix du couple, un coefficient de sécurité de 30 % à 50 % doit être ajouté au calcul de la charge.

Angle de pas et précision :Le moteur standard de 1,8° effectue 200 pas par tour, et celui de 0,9°, 400 pas par tour. Grâce à la subdivision de la vitesse, une précision micrométrique accrue est possible. Il convient toutefois de vérifier que la précision d'arrêt est conforme à l'exigence de ± 3 minutes d'arc.

Encodeur et commande en boucle fermée :Solution de moteur pas à pas hybride en boucle fermée avec codeur intégré, qui résout fondamentalement le problème de la perte de pas grâce à un retour d'information de position en temps réel. Le pilote doit prendre en charge les protocoles de bus de terrain industriels courants (tels que Profinet, EtherCAT, EtherNet/IP) afin de faciliter l'intégration aux architectures d'automatisation existantes.

Conception à arbre creux :Pour les effecteurs terminaux nécessitant l'installation de canalisations sous vide, de câbles ou de fibres optiques, un moteur pas à pas hybride à arbre creux peut être utilisé pour simplifier la conception structurelle et améliorer la flexibilité de mouvement.

Adaptabilité environnementale :En fonction de l'environnement de travail du bras robotisé, évaluez le niveau de protection et la plage de résistance à la température du moteur afin de garantir qu'il réponde aux conditions de travail réelles.

Tendances de développement futures

À l'avenir, l'application des moteurs pas à pas hybrides dans les bras robotiques s'orientera principalement vers les axes suivants :

Intégration en boucle fermée :La solution intégrant de manière poussée codeurs, variateurs et moteurs va se généraliser. Ce produit assure une régulation en boucle fermée sans batterie ni maintenance grâce à un codeur absolu mécanique intégré, sans réglage de gain, et est compatible avec divers réseaux industriels tels qu'EtherCAT et Profinet.

Ultra-miniaturisation :Face à la demande croissante de conception compacte pour les mains agiles et les robots collaboratifs, des moteurs pas à pas hybrides plus petits continueront d'apparaître, augmentant encore les degrés de liberté des bras robotiques.

Fusion et intelligence artificielle :L'intégration poussée de moteurs pas à pas hybrides avec la vision par IA et la perception des forces permet un ajustement autonome et l'évitement d'obstacles par les bras robotisés grâce à un retour d'information en temps réel, renforçant ainsi la sécurité de la collaboration homme-machine. Le moteur hybride à commande en boucle fermée peut identifier les résistances anormales et ajuster sa puissance en conséquence, éliminant ainsi le risque de dommages mécaniques lié à l'incapacité des moteurs pas à pas traditionnels à détecter les interférences externes.

Conclusion

Bien que compact, le moteur pas à pas hybride joue un rôle essentiel et irremplaçable dans les bras robotiques modernes grâce à ses nombreux avantages : positionnement de haute précision, structure compacte, fiabilité en boucle fermée, économies d’énergie et respect de l’environnement. Des systèmes multi-articulations aux pinces terminales, en passant par les robots humanoïdes et les machines-outils de précision, le moteur pas à pas hybride a posé les bases de la précision, de l’agilité et de l’intelligence des bras robotiques en matière de contrôle de mouvement. Selon les études de marché, le chiffre d’affaires du marché mondial des moteurs pas à pas hybrides devrait atteindre environ 126,5 millions de dollars en 2025 et connaître une croissance stable jusqu’en 2032. Avec l’expansion continue de l’industrie robotique mondiale, la demande de moteurs pas à pas hybrides va encore augmenter, offrant ainsi de nouvelles perspectives d’innovation au secteur du contrôle de mouvement.

Pour les ingénieurs engagés dans la recherche et le développement de robots, l'intégration de systèmes d'automatisation ou la conception de dispositifs intelligents, une compréhension approfondie des caractéristiques techniques et des méthodes de sélection des moteurs pas à pas hybrides contribuera à créer des bras robotiques plus précis, plus compacts et plus intelligents, et à saisir l'opportunité dans un marché concurrentiel féroce.