Actionneurs robotiques 48 V : modèles, bénéfices et contraintes

Un bus 48 V ne rend pas un actionneur robotique plus puissant. Parmi les modules CubeMars référencés sur cette plateforme, chaque fiche qui publie à la fois une valeur nominale en 24 V et en 48 V indique le même couple nominal et le même courant nominal pour les deux, et ne diverge que dans la colonne de vitesse, où la valeur en 48 V est à peu près le double de celle en 24 V. Ce seul schéma réorganise tout le sujet. Un bus 48 V est une décision électrique au niveau de la machine : ce qu'il apporte, ce sont de la vitesse et une marge de courant de bus plutôt que du couple, et les contraintes qui décident s'il peut être utilisé se situent à l'extérieur de l'actionneur, dans le variateur, le pack de batteries et le faisceau. Seize des vingt-et-un actionneurs intégrés actuellement référencés dans les catégories Actionneurs robotisés et Actionneurs QDD acceptent un bus 48 V, et les cinq fiches qui ne le font pas sont limitées au 24 V. Ce guide traite des modèles compatibles, de ce que le bus plus élevé change dans une articulation, de l'endroit où le bénéfice s'arrête et de la manière dont le système environnant doit être conçu autour de lui.

Réponse rapide

Seize des vingt-et-un actionneurs intégrés actuellement référencés sur cette plateforme acceptent un bus 48 V, répartis sur deux catégories de produits. Dans les fiches CubeMars, faire fonctionner un module à double tension en 48 V relève le plafond de vitesse à environ le double de la valeur en 24 V et laisse le couple nominal, le couple de crête et le courant nominal inchangés, car le couple est fixé par le courant dans le bobinage et le bobinage appelle le même courant pour un couple donné dans les deux cas. Un bus plus élevé apporte aussi de la marge en haut de la plage de vitesse, là où la force contre-électromotrice limiterait sinon le courant que le variateur peut délivrer. Ce qu'il n'apporte pas, c'est du couple continu, cette valeur étant bornée par le chemin thermique du bobinage et par le cycle de service. Les contraintes relèvent du système plutôt que du module : la fenêtre d'entrée propre au variateur, la manière dont l'énergie renvoyée est absorbée pendant la décélération, les pratiques d'isolation et de connectique, et l'agencement du pack, du chargeur et du système de gestion de batterie qui alimente le bus. Les sections qui suivent respectent cet ordre : ce qui change dans l'actionneur, ce que vaut ce changement, ce qu'il coûte à intégrer, quels modèles sont concernés et comment en accorder un à une articulation.

Ce que le 48 V change réellement dans un actionneur robotique

Le bus n'est pas une propriété de l'actionneur. C'est une propriété de la machine, et le module n'en est qu'une charge parmi d'autres. Lire correctement la fiche d'un actionneur robotique 48 V suppose de séparer les deux colonnes qu'un fabricant publie lorsqu'un modèle prend en charge plus d'un bus, et d'être précis sur les valeurs qui bougent lorsque le bus change. Pour un module intégré qui réunit moteur, étage de réduction, variateur et retour d'information, l'écart est plus étroit qu'il n'y paraît de prime abord.

Le bus se choisit à l'extérieur du module

Un actionneur robotique voit un bus continu et une interface de commande. Rien dans le rapport de réduction, la disposition des roulements, l'encombrement ou le schéma de fixation ne dépend du fait que ce bus se situe à 48 V ou à un niveau plus bas. Ce que le bus fixe, c'est la tension disponible pour le variateur, et à travers le variateur la vitesse à laquelle un courant donné peut encore être injecté dans le bobinage. Le choix revient donc à l'architecte de la machine, aux côtés de la topologie du pack, du choix du chargeur et du budget thermique du carter dans lequel le module prendra place. Une fiche technique d'actionneur qui publie deux tensions de bus ne propose pas deux produits : elle décrit un seul produit à deux points de fonctionnement.

Un bus, deux valeurs publiées : ce que signifie une fiche 24/48 V

Cinq des actionneurs intégrés actuellement référencés ici portent une double tension de bus plutôt qu'une seule : AK10-9 V2.0 KV60, AK60-6 V3.0 KV80, AK70-10 KV100, AK80-64 KV80 et AKA60-6 KV80. Leurs fiches publient deux vitesses nominales et deux vitesses à vide, séparées par une barre oblique, et dans chaque cas la paire correspond à la valeur en 24 V suivie de la valeur en 48 V. Les mêmes fiches publient un seul couple nominal, un seul courant nominal et un seul couple de crête. Cette asymétrie résume tout en une ligne de tableau de spécifications : le travail électrique que fournit le module est fonction du courant, et le courant nécessaire pour un couple donné ne change pas avec le bus.

La double tension n'est pas simplement une question d'ancienneté ou de version. AK10-9 V3.0 KV60, la révision ultérieure, publie une seule tension de 48 V, tandis que l'AK10-9 V2.0 KV60, plus ancien, porte les deux. La révision ultérieure publie aussi un couple de crête plus élevé, 53 Nm contre 48 Nm, pour une masse légèrement inférieure. La prise en charge du bus et la révision mécanique doivent se lire dans la fiche plutôt que se déduire du numéro de modèle.

Le couple et le courant ne bougent pas, la colonne de vitesse se dédouble

Les paires publiées sont assez cohérentes pour énoncer l'effet comme une règle plutôt qu'une impression. L'AK10-9 V2.0 KV60 est donné pour 109 rpm en 24 V et 228 rpm en 48 V, avec des vitesses à vide de 160 rpm et 320 rpm. L'AK70-10 KV100 passe de 148 rpm à 310 rpm en nominal, et de 240 rpm à 480 rpm à vide. L'AK80-64 KV80, l'unité 64:1, passe de 23 rpm à 48 rpm en nominal et de 37 rpm à 75 rpm à vide. L'AKA60-6 KV80 double de 200 rpm à 400 rpm en nominal et de 320 rpm à 640 rpm à vide, et l'AK60-6 V3.0 KV80 de 233 rpm à 490 rpm et de 320 rpm à 640 rpm. Sur les cinq, la valeur en 48 V se situe entre environ deux fois et environ 2.1 fois la valeur en 24 V, aussi bien au point nominal qu'au point à vide.

En regard, aucune des cinq ne change son couple nominal, son couple de crête ni son courant nominal entre les deux colonnes. L'AK60-6 V3.0 KV80 est donné pour 3 Nm et 3.8 A sur les deux bus et culmine à 9 Nm sur les deux ; la paire de courants de crête est de 10.3 A et 11.2 A, assez proche pour que le petit écart relève plus probablement d'une convention de mesure ou d'arrondi que d'une limite de bobinage différente. La conséquence pratique est que le bobinage dissipe la même chaleur pour un couple donné sur l'un ou l'autre bus, que la perte cuivre par newton-mètre est inchangée et que la limite thermique du couple continu est donc identique. Qui attend d'un bus 48 V qu'il libère plus de couple continu du même module lit la mauvaise colonne.

Ce qui ne bouge pas : le rapport de réduction et l'encombrement

La tension de bus laisse également la fiche mécanique intacte. Un actionneur robotique 48 V a le même rapport de réduction, la même classe de jeu, le même diamètre extérieur, la même longueur de paquet et la même masse que le même module alimenté à un bus plus bas, car aucune de ces grandeurs n'est référencée électriquement. L'AK80-8 KV60 reste à 8:1 et 98 mm par 43.9 mm de part et d'autre de la décision de bus. L'AKH70-48 V1.0 KV41 reste à 48:1 dans un corps de 90 mm de diamètre et 81.5 mm de long. Cela compte pour l'ordre de conception : l'encombrement et le rapport peuvent être figés avant que la topologie du pack ne soit arrêtée, et un passage ultérieur de 24 V à 48 V ne rouvre pas la conception mécanique.

Bénéfices de performance d'un actionneur robotique sur un bus 48 V

Le bénéfice d'un bus plus élevé est souvent décrit comme un gain de rendement, et ce cadrage masque l'endroit où le gain apparaît réellement. Dans un module intégré, le courant du bobinage est fixé par le couple que l'articulation doit produire, et l'étage de réduction comme le variateur se situent entre ce bobinage et le bus. Ce que le bus commande, c'est la vitesse à laquelle le courant requis peut encore être poussé, et la quantité de courant qui doit traverser le câblage de la machine pour fournir une puissance mécanique donnée.

Le plafond de vitesse suit le bus à KV constant

La vitesse au moteur est fixée par la constante de vitesse du bobinage et par la tension disponible pour y injecter du courant. Doubler le bus en conservant le même bobinage relève le plafond à vide, et l'étage de réduction divise ce plafond jusqu'à l'articulation. Cela se voit directement dans les paires publiées, sans aucun calcul : l'AK10-9 V2.0 KV60 passe de 160 rpm à 320 rpm à vide, l'AK70-10 KV100 de 240 rpm à 480 rpm, l'AKA60-6 KV80 de 320 rpm à 640 rpm. À l'articulation, un module à rapport fixe voit donc sa vitesse disponible doubler. Pour une articulation dont le cycle est dominé par la vitesse de suivi plutôt que par le couple de maintien, c'est la différence entre un module qui répond au cahier des charges et un autre qui n'y répond pas. C'est aussi la raison pour laquelle un module à double tension peut être spécifié pour une plateforme censée passer d'un pack prototype à tension plus basse à un pack 48 V de production sans changer l'actionnement.

Le même courant transporte plus de puissance

La puissance mécanique est le produit du couple et de la vitesse. Si un module maintient un courant donné, donc un couple donné, jusqu'à une vitesse plus élevée, la puissance mécanique disponible à partir de ce même courant augmente proportionnellement. C'est la forme honnête de l'argument de rendement : non pas que le bobinage devienne plus efficace en 48 V, mais que le même budget thermique, exprimé en courant dans le bobinage, se convertit en davantage de puissance de sortie parce que le point de fonctionnement peut être poussé plus haut sur l'axe des vitesses avant que le variateur ne manque de tension. Là où une articulation a besoin à la fois de couple et de vitesse, et non de l'un ou de l'autre, le bus plus élevé relève le plafond du produit des deux.

Où apparaît l'économie de courant : le faisceau et le pack

L'économie est réelle, mais elle apparaît au niveau de la machine plutôt qu'à l'intérieur du module. Pour une puissance mécanique donnée, un bus à tension double appelle environ la moitié du courant, et c'est le courant de bus qui dimensionne les câbles, les connecteurs et la protection qui les entoure. Sur une machine dont plusieurs actionneurs sont alimentés par un bus commun, cette réduction se propage dans le faisceau partagé, la carte de distribution et le chemin de décharge propre au pack. Elle compte le plus là où les liaisons sont longues ou là où de nombreuses articulations sont alimentées par un seul bus, et le moins sur un montage court à articulation unique de type banc d'essai. Elle change aussi la forme du pack : la même énergie est fournie avec moins de courant par groupe de cellules, ce qui répartit la charge sur une chaîne en série au lieu de la concentrer.

De la marge pour la fenêtre de crête en haut de la plage de vitesse

Le couple de crête est une valeur de courte fenêtre, et l'atteindre en vitesse exige que le variateur surmonte la force contre-électromotrice générée par le moteur en rotation avant que le moindre courant puisse circuler. Un bus plus élevé laisse plus de tension pour cela, si bien que la fenêtre de couple de crête reste accessible plus haut dans la plage de vitesse. C'est un bénéfice distinct du plafond de vitesse à vide, et c'est souvent la raison pratique pour laquelle une machine passe à un bus plus élevé : l'articulation n'a pas besoin de tourner plus vite en régime établi, mais elle doit délivrer une courte pointe de couple alors qu'elle se déplace déjà rapidement. Un module à double tension annonce le même couple de crête sur les deux bus, et c'est le bus plus élevé qui rend cette valeur atteignable à l'extrémité haute de la plage de vitesse plutôt qu'à proximité du décrochage uniquement.

Ce que le bus plus élevé n'apporte pas

Un bus 48 V n'augmente pas le couple nominal, ne change pas le rapport de réduction, ne réduit pas la chaleur générée pour un couple de sortie donné et ne modifie ni la classe de jeu ni la tenue des roulements. Il ne change pas non plus la plage de température ambiante de fonctionnement publiée pour le module, qui est la même affirmation pour toute la famille. Sur un cycle dominé par le couple de maintien contre la gravité à basse vitesse, le module ne tire aucun bénéfice du bus plus élevé, et le travail supplémentaire de régulation de tension, de protection et d'isolation est un coût sans contrepartie. La décision de bus doit se prendre sur la forme du cycle vitesse-couple, et non sur l'hypothèse que plus de volts constitue une amélioration générale.

Contraintes système qui décident si le 48 V est utilisable

Le bus appartenant à la machine, les contraintes liées à son usage sont pour l'essentiel des contraintes de machine. Certaines sont publiées dans les fiches produit et peuvent se lire directement ; d'autres dépendent de la documentation propre au variateur et de la conception du pack, et doivent être confirmées au niveau du système. La liste ci-dessous sépare les deux.

La fenêtre de tension d'entrée du variateur

Le variateur du module est le composant qui voit le bus, sa fenêtre d'entrée admissible constitue donc le premier verrou. Les fiches produit indiquent que les modules disposent de protections intégrées contre les surintensités, les surtensions et les sous-tensions, ainsi que contre les surtempératures, ce qui signifie que le variateur surveille le bus sur lequel il se trouve plutôt que d'accepter n'importe quelle tension dans une plage large. La valeur de tension nominale de la spécification est un point de fonctionnement, et non un maximum admissible. Lorsque l'intention de conception est de faire fonctionner un module en haut d'un cycle de charge, ou lorsque le pack peut être chargé alors que la machine est sous tension, la fenêtre d'entrée admissible et les seuils de protection propres à ce module et à ce micrologiciel doivent être confirmés auprès de la documentation à jour du fabricant avant de spécifier le pack.

Régénération, transitoires de bus et destination de l'énergie renvoyée

Toute articulation qui décélère une charge rétro-entraîne son moteur, et un moteur rétro-entraîné devient un générateur qui renvoie de l'énergie vers le bus au lieu d'en prélever. Sur un bus alimenté uniquement par une batterie, cette énergie a où aller. Sur une alimentation de laboratoire, ou sur un bus à longue ligne de câble et à capacité limitée, l'énergie renvoyée peut porter le bus au-dessus de son niveau en régime établi pendant la durée de la décélération, et le transitoire devient un problème de conception système plutôt qu'un problème de module : dimensionnement de la capacité, dispositifs de freinage et réponse de l'alimentation entrent tous dans le calcul. La grandeur pertinente n'est pas la tension de bus nominale mais l'énergie que renvoie un profil de décélération donné, laquelle dépend de l'inertie de la charge, de la vitesse de l'articulation et du cycle de service. Ce profil doit être déduit de la machine, et non lu dans la fiche de l'actionneur.

Isolation, connecteurs et la limite des 60 V DC

Les cadres de sécurité électrique considèrent couramment un bus continu 48 V nominal comme relevant de la plage traitée en très basse tension de sécurité, sous le seuil de 60 V DC qui apparaît dans un certain nombre de normes nationales et internationales, ce qui explique en partie la popularité de cette tension pour les machines mobiles. La norme applicable et sa mise en œuvre locale restent les documents de référence, et le seuil s'applique à la tension de bus maximale réelle plutôt qu'à la valeur nominale. Les caractéristiques thermiques et de courant aux interfaces propres au module sont des questions distinctes, et la pratique de connectique et de câblage retenue pour une machine doit suivre ce que le fabricant du module publie pour cette interface plutôt qu'une hypothèse générale sur la classe de tension.

Conséquences sur le pack, le chargeur et le BMS

Un bus 48 V nominal est normalement constitué d'une chaîne en série de cellules lithium-ion, et la tension de pleine charge de cette chaîne se situe au-dessus de la valeur nominale, ce qui est une propriété de la chimie des cellules plutôt qu'une spécification d'un actionneur. Deux conséquences en découlent. Premièrement, tout ce qui se trouve en aval doit tolérer le haut de la plage de charge, et pas seulement le niveau nominal. Deuxièmement, le système de gestion de batterie du pack, son profil de charge et sa coupure de décharge définissent ce que l'actionneur voit réellement, y compris pendant les brèves excursions que produit une articulation en décélération. Lorsque la fenêtre admissible d'un actionneur et la plage de fonctionnement d'un pack sont publiées dans des documents différents, leur intersection constitue la fenêtre de conception, et il vaut la peine de consigner cette intersection par écrit plutôt que de supposer que les valeurs nominales coïncident.

Comportement thermique et cycle de service

La limite thermique du couple continu appartient au bobinage et au chemin par lequel la chaleur s'en échappe, et elle ne bouge pas avec le bus. Une articulation thermiquement limite sur le bus plus bas le reste en 48 V, car le courant, et donc la perte cuivre pour un couple donné, sont inchangés. Ce que le bus plus élevé modifie, c'est la répartition entre la perte cuivre et la puissance mécanique disponible à partir de celle-ci. Sur un cycle comportant de longues phases de maintien à basse vitesse, ou une forte proportion de temps proche du couple nominal, la conception thermique est la contrainte déterminante et la décision de bus est secondaire. Sur un cycle dominé par un mouvement rapide et peu chargé, c'est le plafond de vitesse qui est déterminant, et la décision de bus devient primordiale.

Les questions que la documentation publiée laisse ouvertes

Tous les chiffres nécessaires pour boucler une conception système n'apparaissent pas sur une page produit. La fenêtre d'entrée admissible et les seuils de protection du variateur, le comportement du module sous un profil de décélération donné, l'abattement de couple applicable lorsque le module tourne en haut de sa plage de vitesse pendant une période prolongée, et le couple continu propre au cycle sont autant de questions système plutôt que de valeurs publiées sur une page produit. Elles ont une réponse, et la documentation de commande et le support applicatif du fabricant en sont la bonne source, mais elles doivent être confirmées avant que le pack et le faisceau ne soient figés. Traiter la valeur de tension nominale comme le bus admissible et la valeur de couple de crête comme un couple disponible est la manière la plus courante de mal dimensionner une conception 48 V.

Actionneurs robotiques 48 V : matrice comparative des spécifications

Le tableau ci-dessous lit chaque actionneur robotique 48 V actuellement référencé dans la catégorie Actionneurs robotisés comme un seul jeu de spécifications, classé par couple nominal publié afin que le passage des articulations légères aux articulations porteuses soit visible dans la colonne elle-même. Chaque valeur est celle que le fabricant publie pour ce modèle et que cette plateforme conserve dans ses fiches produit. La tension nominale est indiquée telle que publiée : une fiche à double tension apparaît donc avec les deux niveaux.

Tension nominale, couple nominal, couple de crête, rapport de réduction, masse et encombrement tels que publiés par le fabricant, pour les modèles actuellement référencés dans la catégorie Actionneurs robotisés qui acceptent un bus 48 V, classés par couple nominal. Le couple nominal est la valeur continue dans les limites thermiques du bobinage ; le couple de crête est une valeur de courte fenêtre. Une tension unique signifie un module à bus unique ; une double valeur signifie que le module est publié aux deux niveaux, les valeurs de vitesse et de puissance correspondantes étant également publiées séparément pour chacun. L'encombrement est donné en diamètre extérieur par longueur de corps et exclut le porte-à-faux de l'arbre, du câble et du connecteur.

Deux choses ressortent lorsque la matrice se lit dans la colonne du couple plutôt que dans celle de la tension. La première est que les modules atteignant le 48 V ne forment pas une famille de produits distincte : ils vont d'une unité de 3 Nm dans un corps de 79 mm à une unité de 74 Nm pesant 1396 g, et les deux modules 6:1 occupent le bas du tableau tandis qu'un écart de couple de 24:1 apparaît entre la fiche à 24 Nm et celle à 48 Nm. La seconde est que la prise en charge du bus est quasi universelle dans cette catégorie. Sur les dix-huit fiches actuellement référencées, quatorze acceptent le 48 V ; les quatre qui ne le font pas se situent toutes à l'extrémité légère de la gamme, et chacune est publiée avec une seule tension de 24 V. Une machine construite autour du 48 V dispose donc d'un large choix de tailles d'articulation chez un même fabricant plutôt que d'une courte liste.

Lire le tableau comme une présélection montre aussi pourquoi la tension seule est un mauvais filtre. L'AK60-6 V3.0 KV80 et l'AKA60-6 KV80 publient le même couple nominal et le même couple de crête, le même rapport et la même prise en charge du bus, et ne diffèrent principalement que par le conditionnement : l'unité AKA est plus lourde de 80 g et plus longue de 8.2 mm, pour un diamètre légèrement inférieur. L'AK10-9 V3.0 KV60 et l'AKA10-9 KV60 publient eux aussi des valeurs de couple et de rapport identiques, et diffèrent de 120 g de masse. Ces choix relèvent de la structure et de l'intégration, non du bus, et doivent se faire sur le cahier des charges mécanique.

Lire les seize par cycle, non par tension

La prise en charge du bus étant quasi universelle dans la catégorie, le moyen utile de réduire la liste est le cycle auquel chaque module convient. Les groupes ci-dessous suivent le couple et le rapport publiés plutôt que la tension, puisque ce sont ces deux valeurs sur lesquelles s'écrit une exigence d'articulation.

La paire 6:1 : AKA60-6 KV80 et AK60-6 V3.0 KV80

Les deux modules publient 3 Nm en nominal et 9 Nm en crête à un rapport 6:1, et tous deux acceptent le 48 V. Le faible rapport en fait les articulations les plus rapides du groupe 48 V rapporté à leur couple de sortie : l'AK60-6 V3.0 KV80 publie 320 rpm à vide en 24 V et 640 rpm en 48 V, et l'AKA60-6 KV80 publie la même paire. Sur un bus 48 V, l'une ou l'autre unité atteint une vitesse côté articulation qu'aucun module à rapport plus élevé du tableau n'approche. La différence entre elles tient au conditionnement et à la masse : l'AK60-6 V3.0 KV80 est la plus légère des deux à 380 g dans un corps de 79 mm par 43 mm, tandis que l'AKA60-6 KV80 pèse 460 g dans un corps de 80 mm par 51.2 mm. Toutes deux conviennent à un axe distal qui doit se déplacer vite sous faible charge, et aucune ne convient à un axe qui doit maintenir un couple statique important.

Le milieu de gamme 8:1, 9:1 et 10:1

Quatre modules occupent cette bande en 48 V, et l'étalement est plus large que ne le suggèrent les chiffres de rapport. L'AK80-9 V3.0 KV100 publie 9 Nm en nominal et 22 Nm en crête à 9:1 dans un corps de 490 g et 98 mm par 38.5 mm. L'AK80-8 KV60 publie 10 Nm et 25 Nm à 8:1 pour 570 g dans un corps de 98 mm par 43.9 mm. L'AK70-10 KV100 publie 8.3 Nm et 24.8 Nm à 10:1 dans un corps de 621 g et 89 mm par 50.25 mm, et l'AK70-9 V3.0 KV60 publie 8.5 Nm et 29.2 Nm à 9:1 pour 540 g. Des rapports aussi proches relèvent d'une plage de réglage fin plutôt que d'un ensemble de régimes de fonctionnement distincts, et le choix dans cette bande dépend généralement de l'encombrement, de la masse et de la vitesse dont l'articulation a besoin en haut de sa plage. L'AK70-9 V3.0 KV60 est celui à surveiller là où le couple de crête importe plus que le couple continu, puisque ses 29.2 Nm de crête constituent la valeur la plus élevée de la bande pour la masse la plus faible des quatre.

Les articulations lourdes : AK60-39 V3.0 KV80, AK80-64 KV80, AKA10-9 KV60 et AK10-9 V3.0 KV60

Au-dessus de 18 Nm en nominal, le tableau se scinde en deux approches. L'AK10-9 V3.0 KV60 et l'AKA10-9 KV60 prennent tous deux la voie du rapport élevé à 9:1 et publient 18 Nm en nominal avec un pic de 53 Nm, en 940 g et 1060 g respectivement ; c'est le bus plus élevé qui rend le rapport 9:1 exploitable à une vitesse côté articulation, puisque la valeur à vide de 320 rpm en 48 V est ce qu'un module 9:1 peut offrir. L'AK60-39 V3.0 KV80 et l'AK80-64 KV80 prennent l'autre voie, en échangeant de la vitesse contre du couple par l'étage de réduction : 39:1 donne 24 Nm en nominal et 72 Nm en crête pour 750 g, et 64:1 donne 48 Nm en nominal et 120 Nm en crête pour 850 g, avec une vitesse à vide de 37 rpm en 24 V et 75 rpm en 48 V. Là où une articulation doit maintenir une charge contre la gravité pendant de longues périodes, ce couple par unité de courant, acheté par le rapport plutôt que par le bus, est le mécanisme à l'œuvre.

Arbre creux : AKH70-16 V1.0 KV41 et AKH70-48 V1.0 KV41

Les deux modules à arbre creux se distinguent par leur rapport de réduction plutôt que par leur bus, et leurs numéros de modèle invitent à une lecture erronée qu'il vaut la peine de dissiper. Le « 48 » de l'AKH70-48 V1.0 KV41 est un rapport de réduction de 48:1, et non une tension de 48 V ; le module est publié en 48 V, et l'AKH70-16 V1.0 KV41 l'est aussi, à 16:1. Tous deux fonctionnent sur le même bobinage KV41. L'AKH70-16 V1.0 KV41 publie 26 Nm en nominal et 78 Nm en crête pour 879 g, et l'AKH70-48 V1.0 KV41 publie 74 Nm et 222 Nm pour 1396 g, avec 81.5 mm de longueur de corps. Ce qui distingue la paire, c'est l'alésage : l'arbre creux fait passer les câbles au travers de l'articulation, ce qui change l'architecture du faisceau d'un membre multi-articulé plutôt que le couple de l'articulation. L'unité 48:1 est le module 48 V au couple le plus élevé actuellement référencé ici, et l'unité 16:1 constitue le palier intermédiaire pour une articulation qui a besoin de l'alésage sans la vitesse de sortie très basse qu'entraîne un rapport 48:1.

Les deux modules à entraînement quasi direct : AKE80-8 KV30 et AKE90-8 KV35

L'autre catégorie qui apporte des modules 48 V à cette comparaison est celle des Actionneurs QDD, et ses deux membres 48 V se comportent différemment de la série AK, d'une manière qui compte pour la conception système. L'AKE80-8 KV30 publie 12 Nm en nominal et 30 Nm en crête à 8:1 pour 570 g dans un corps de 87 mm par 32 mm, et l'AKE90-8 KV35 publie 55 Nm en nominal et 170 Nm en crête à 8:1 pour 1400 g dans un corps de 107.5 mm par 43.5 mm. Tous deux sont construits autour d'un rapport 8:1, qui est la caractéristique déterminante de la famille et la raison pour laquelle le groupe est traité séparément : le faible rapport garde l'articulation réactive et rétro-entraînable, et le couple provient du moteur plutôt que d'un étage de réduction profond. Le troisième membre de la famille, l'AKE60-8 KV80, n'est publié qu'en 24 V, ce qui explique son absence de la comparaison 48 V bien qu'il appartienne à la même catégorie.

Le point de conception système est que le tableau comparatif du fabricant liste les modules AKE sans carte de variateur, tandis que les modules AK et AKH sont listés avec une carte, et que le pack d'accessoires de l'AKE80-8 KV30 contient un aimant de détection séparé plutôt qu'une électronique de commande. C'est une différence au niveau du système et non une différence de capacité : le module publie toujours une méthode de commande FOC et la même intégration par boulonnage, mais la commande et sa fenêtre de tension se situent à l'extérieur du module, dans l'électronique propre à la machine, si bien que la fenêtre d'entrée, la disposition de protection et le faisceau doivent tous être spécifiés par l'intégrateur. Là où la série AK arrive avec son variateur à l'intérieur de l'encombrement, la série AKE déplace cette décision dans la machine. La configuration d'un module donné, y compris l'électronique de retour d'information qu'il attend, doit être confirmée auprès de la documentation à jour du fabricant avant que l'architecture électrique ne soit figée.

Concevoir une articulation pour le 24 V et le 48 V

Les cinq modules à double tension ouvrent une option d'ingénierie précise, qu'il vaut la peine d'énoncer clairement. Une machine peut être spécifiée autour d'un module dont le bobinage est publié aux deux niveaux, puis fonctionner sur le bus plus bas pendant le prototypage et sur le bus plus élevé en production, avec le même rapport de réduction, le même encombrement, la même masse et le même couple nominal tout du long. Seuls le plafond de vitesse et la puissance disponible pour un courant donné changent. Le tableau ci-dessous expose les paires de vitesse publiées pour ces cinq modules, ce qui constitue le changement dans son intégralité.

Vitesse nominale, vitesse à vide et rapport de réduction tels que publiés par le fabricant pour les modules à double tension actuellement référencés dans la catégorie Actionneurs robotisés, les valeurs en 24 V et en 48 V étant présentées dans des colonnes distinctes. La vitesse nominale est la valeur côté sortie au couple nominal ; la vitesse à vide est le plafond côté sortie. Dans chaque fiche, les deux colonnes partagent un seul couple nominal, un seul couple de crête et un seul courant nominal, ce qui rend la paire exploitable comme une spécification mécanique unique à deux points de fonctionnement électriques.

Accorder un actionneur robotique 48 V à l'articulation

La séquence qui évite les reprises est courte, et elle commence avant qu'un numéro de modèle n'apparaisse. Le bus fait partie des dernières décisions plutôt que des premières, car il ne change que le point de fonctionnement électrique d'un module dont le rôle mécanique est déjà fixé.

Fixer le cycle avant le bus

L'exigence d'une articulation, c'est une vitesse et un couple, chacune assortie d'une durée. Le couple continu contre la gravité, une courte fenêtre pour une réception ou un atterrissage, et la vitesse d'articulation dont le profil de mouvement a besoin en haut de sa plage sont trois nombres distincts, et un module se choisit sur les trois. Ce n'est qu'une fois ces nombres consignés que la décision de bus devient tranchable : si c'est le couple continu qui guide le choix, le rapport et le chemin thermique font le travail et le bus est secondaire ; si c'est la vitesse en haut de plage qui serre le cahier des charges, le bus devient le levier et un module à double tension garde l'option ouverte. Consigner la valeur de couple de crête sans sa durée est la manière la plus courante de surspécifier une articulation, car le couple de crête est une valeur de courte fenêtre et non un couple disponible.

Fixer ensuite l'alésage et l'encombrement de montage

Une fois le cycle fixé, le cahier des charges mécanique tranche entre des candidats qui publient un couple similaire. Deux modules aux valeurs de couple nominal et de crête identiques peuvent différer de plus d'une centaine de grammes et de plusieurs millimètres de longueur de corps, et dans un membre multi-articulé cet écart se paie de nouveau à chaque articulation plus proche de la base. Lorsque les câbles doivent passer au travers de l'articulation plutôt qu'autour d'elle, l'option à arbre creux change l'architecture du faisceau de tout le membre, et l'alésage de 7 mm des modules AKH est la dimension pertinente plutôt que leur couple. La masse, l'encombrement et l'alésage se décident à partir du cahier des charges mécanique et ne dépendent pas du bus, ce qui explique que les fixer d'abord laisse libre la décision de tension.

Confirmer les valeurs absentes de la documentation publiée

Une courte liste de questions subsiste lorsque la présélection se réduit à un ou deux candidats, et elles s'adressent au fabricant plutôt qu'à un tableau de spécifications. La fenêtre de tension d'entrée admissible du variateur et ses seuils de protection, le couple qui peut être maintenu en haut de la plage de vitesse pendant la durée dont le cycle a réellement besoin, le comportement du module sous le profil de décélération que produira la machine, et la configuration de retour d'information qu'attend un module sans variateur intégré. Les fiches de cette plateforme portent les valeurs publiées, et le fabricant reste la source de vérité pour tout ce qui les dépasse.

Où sont utilisés les actionneurs robotiques 48 V

Un bus 48 V tend à apparaître partout où la machine fonctionne sur batterie et où plus d'une articulation est alimentée par une source commune. Ce schéma mérite d'être lu comme une architecture électrique plutôt que comme une catégorie de produits, car le même module apparaît dans plusieurs types de machines.

Plateformes à pattes et à roues alimentées par batterie

Les plateformes à pattes et les bases mobiles à roues transportent leur propre énergie et la distribuent à plusieurs articulations. L'économie de courant dans un faisceau partagé comme la vitesse que le bus plus élevé rend disponible à l'articulation valent la peine d'être obtenues, et une jambe en décélération renvoie de l'énergie vers le même bus qui alimente les autres, ce qui explique que le pack et la disposition de protection qui l'entoure fassent partie de la conception plutôt que d'être une réflexion après coup. Les modules 48 V des bandes moyenne et lourde de la matrice sont ceux normalement présélectionnés pour les axes de hanche et de genou, la paire 6:1 servant les articulations plus rapides et plus légères.

Bras collaboratifs et manipulateurs

Un bras collaboratif concentre plusieurs modules dans une chaîne cinématique courte, où la masse à l'extrémité distale est facturée de nouveau à chaque articulation située au-dessus. L'économie de courant compte moins ici que le plafond de vitesse, car le cycle d'un bras est dominé par le suivi et l'atteinte plutôt que par de longues phases de maintien à couple élevé. Les modules à arbre creux changent l'architecture du faisceau de cette chaîne en faisant passer les câbles au travers des articulations plutôt qu'autour d'elles. La comparaison pertinente pour cette classe de machine est Ce qu’il faut examiner dans un moteur BLDC pour bras robotique collaboratif.

Exosquelettes et matériel de rééducation

Le matériel portable ajoute une exigence qui n'apparaît pas dans la fiche de l'actionneur : l'articulation doit se comporter de manière acceptable lorsqu'elle est rétro-entraînée par une personne plutôt que commandée. Cela place le rapport et le comportement de rétro-entraînement du module au centre, ce qui explique que la famille à entraînement quasi direct 8:1 soit présélectionnée pour cette classe aux côtés de l'extrémité à faible rapport de la gamme AK, et que la décision de bus suive le comportement face au porteur plutôt que de le précéder. Le choix plus large est exposé dans Moteurs BLDC pour exosquelette : moteur couple frameless ou actionneur intégré.

Manipulation mobile et matériel de terrain

Lorsqu'une machine combine une base mobile et un bras, le bus doit desservir des articulations de tailles et de cycles très différents depuis une seule source, et le courant appelé par la plus grande articulation fixe le dimensionnement du chemin partagé. C'est la situation où l'économie de courant d'un bus plus élevé vaut le plus, et où l'ensemble des contraintes de la section précédente, de la fenêtre d'entrée du variateur au pack et au chargeur jusqu'à la disposition de protection, doit être arrêté à l'échelle de toute la machine plutôt qu'à l'intérieur d'un seul module.

Questions fréquentes

Ressources officielles

CubeMars publie une page produit officielle pour chaque actionneur, avec sa spécification complète, son plan et sa documentation de commande, et ces pages restent la source de vérité pour chaque valeur citée ici - par exemple la page produit AK70-10 KV100, la page produit AK80-64 KV80 et la page produit AKH70-48 V1.0 KV41. Les détails qu'une page produit ne porte pas, notamment la fenêtre d'entrée admissible du variateur, ses seuils de protection et l'abattement applicable dans un cycle donné, doivent être confirmés auprès de la documentation à jour du fabricant avant de spécifier un pack. Cette plateforme conserve les valeurs publiées dans ses fiches produit et les garde découvrables et comparables ; le fabricant reste la source de vérité pour la conception.

Pour aller plus loin

Pour présélectionner plutôt que pour lire, trois outils de la plateforme interviennent successivement. Parcourir toute la catégorie Actionneurs robotisés pour voir chaque modèle et sa spécification côte à côte, utiliser Sélection pour filtrer par couple, tension et masse, puis placer les candidats dans Comparaison. Là où l'articulation doit rester conforme par conception plutôt que rigide, la catégorie Actionneurs QDD est l'étape suivante naturelle, et l'argument de rapport qui sous-tend cette famille est exposé dans Actionneurs à entraînement quasi direct : ce qu'un rapport 8:1 apporte.

Deux autres articles couvrent les volets de ce sujet qu'une décision de bus ne tranche pas. Actionneurs robotisés : choisir un actionneur intégré pour les articulations détaille la structure interne d'un module intégré et les axes de spécification qui décident d'un choix. Choisir un module articulaire : cinq actionneurs CubeMars de 190 g à 1.4 kg suit les mêmes modules par position d'articulation, du poignet jusqu'à la hanche lourde, et constitue le bon complément lorsque le cahier des charges mécanique est arrêté mais que la taille de l'articulation ne l'est pas.

En version courte : fixer d'abord le cycle de l'articulation, fixer ensuite l'alésage et l'encombrement, puis décider du bus à partir de la grandeur qui manque réellement au cycle. Le bus 48 V apporte de la vitesse et de la marge de courant et laisse le couple là où il était, et tout le reste, de la fenêtre du variateur au pack, relève d'une décision système qu'il convient de consigner par écrit avant de commander le matériel.