Ce qu’il faut examiner dans un moteur BLDC pour bras robotique collaboratif

Un bras robotique collaboratif partage son volume de travail avec des personnes, et cette seule contrainte modifie ce que le moteur placé dans chaque articulation doit accomplir. Un bras industriel peut être dimensionné autour de sa charge utile et de son temps de cycle, puis clôturé ; un bras collaboratif doit être dimensionné autour d’une charge utile, d’un temps de cycle et d’une personne, ce qui ajoute la limitation d’effort, le guidage à la main (hand guiding) et le service continu à une spécification qui devait déjà satisfaire le couple, la vitesse et l’encombrement. Les moteurs qui conviennent à ces articulations sont des kits frameless - un stator et un rotor sans carter, sans roulements et sans étage de réduction - parce que dans un bras collaboratif la géométrie de l’articulation, le cheminement des câbles et le réducteur sont tous des décisions prises par l’intégrateur plutôt que des propriétés du moteur. Choisir des moteurs BLDC pour un bras robotique collaboratif part donc de l’articulation et remonte à rebours : le cycle de service et l’étage de réduction sont nommés d’abord, et la référence du modèle est fixée en dernier.

Réponse rapide

Une articulation collaborative demande à son moteur trois choses qu’une articulation industrielle ne demande pas. L’articulation doit pouvoir être poussée à la main, ce qui valorise un couple d’encoche faible et une faible inertie du rotor. Elle doit fonctionner pendant un poste plutôt que pendant un cycle, ce qui fait du couple continu et du courant continu les valeurs de travail plutôt que la valeur de crête. Et sa masse repose sur un segment à côté duquel une personne peut se tenir, si bien que la masse à l’extrémité distale se paie dans chaque articulation située au-dessus. Là où le harnais doit traverser l’articulation, un alésage traversant l’axe retire entièrement la boucle de service de l’encombrement. Un actionneur de bras robotique collaboratif est donc jugé sur son comportement aux faibles couples et sur un service prolongé, et seulement ensuite sur la valeur de crête qu’il peut atteindre.

Sur ToBMS, l’application Bras cobot rassemble les kits CubeMars et les unités intégrées qui servent ces articulations. Ce guide lit sept des kits frameless - les familles RI et RO, d’une unité de 20 g à une unité de 710 g - comme un seul ensemble de spécifications, et présente l’étage de réduction, qu’aucune de ces fiches ne porte, comme le choix qui convertit un petit moteur en articulation collaborative.

Ce qu’une articulation collaborative demande à son moteur

Les exigences qui séparent un bras collaboratif d’un bras industriel ne sont pas des fonctions supplémentaires vissées sur la même spécification. Elles changent l’ordre dans lequel la spécification s’écrit, parce qu’elles déplacent la contrainte déterminante du temps de cycle vers le comportement à faible couple, le comportement en service prolongé et le comportement de la structure dans laquelle le moteur est intégré. Lues ensemble, elles sont ce qui distingue les moteurs BLDC destinés à un bras robotique collaboratif de la même classe de moteur spécifiée pour une cellule industrielle clôturée.

Le chemin d’effort passe à côté d’une personne, pas derrière une clôture

Un bras qui travaille à côté d’une personne doit pouvoir fonctionner dans un mode à effort limité, dans lequel le couple qu’il peut appliquer est borné et le couple atteignable doit être commandé avec précision aux petites valeurs. Pour le moteur, cela signifie deux propriétés : le couple produit pour un courant donné doit être prévisible jusqu’aux faibles courants, et le couple produit lorsqu’aucun courant n’est appliqué du tout - le couple d’encoche - doit être assez faible pour qu’une articulation entraînée à travers un réducteur ne saute pas et ne colle pas lorsqu’elle est déplacée lentement à la main. Un kit frameless sans carter et sans roulements ne peut pas dissimuler ces propriétés derrière un train d’engrenages, si bien qu’elles se lisent directement sur la fiche du moteur et sur le bobinage et le nombre de pôles.

Le guidage à la main exige un moteur honnête

L’apprentissage par démonstration, où une personne fait parcourir une trajectoire au bras et le contrôleur l’enregistre, est l’une des raisons pour lesquelles des bras collaboratifs sont achetés. La possibilité pour une articulation d’être rétro-entraînée (back-drive) est décidée surtout par le réducteur - un rapport élevé résiste à une poussée externe - mais le moteur apporte l’inertie du rotor que le réducteur ramène en sortie, divisée par le carré du rapport, ainsi que le couple d’encoche qu’une personne ressent à travers l’étage. Une faible inertie de rotor et un bobinage régulier rendent la traînée légère et uniforme ; un rotor volumineux la rend lourde et imprécise. Dans cet ensemble, les masses de rotor vont de 20 g à 710 g, et les unités du bas de la plage sont celles qu’une articulation guidée à la main peut porter comme contribution directe à la sensation.

Le service est continu, non épisodique

Une cellule de soudage exécute un cycle court et rapide, puis attend. Un bras collaboratif justifie sa place en travaillant aux côtés d’une personne pendant un poste, et une grande partie de ce temps se passe à tenir un outil en position ou à se déplacer lentement contre une charge. C’est un service thermique plutôt que dynamique, et il fait du couple continu la valeur qui dimensionne l’articulation, la valeur de crête étant réservée au transitoire du début d’un mouvement. Il fait aussi du courant continu une valeur système, parce qu’une articulation qui tient une posture sous la gravité appelle toujours du courant et le convertit toujours en chaleur dans le bobinage. Un moteur d’articulation de robot choisi sur le seul temps de cycle est dimensionné pour le mauvais service, et l’écart se manifeste par un bobinage qui sort de sa classe d’isolation pendant un maintien prolongé.

La masse du bras fait partie de la charge utile

Un bras collaboratif est généralement dimensionné pour quelques kilogrammes de charge utile, et la masse du bras lui-même vaut plusieurs fois cela. Chaque gramme de moteur et de structure est donc accéléré à chaque mouvement et est imputé à la charge utile, et un moteur placé au poignet est accéléré tour à tour par le poignet, le coude et l’épaule. Le couple par unité de masse est la valeur qui relie cette contrainte à la fiche du moteur, et elle doit se lire en gardant à l’esprit l’étage de réduction, parce qu’un moteur léger derrière un grand étage produit plus de couple d’articulation par gramme qu’un moteur lourd derrière un petit étage. C’est la raison pour laquelle la comparaison ci-dessous se fait par unité de masse plutôt que par unité de couple.

Comment un réducteur transforme un petit moteur en articulation de cobot

L’étage de réduction est l’interface entre la fiche du moteur et l’exigence de l’articulation, et il projette chaque grandeur côté moteur vers le côté articulation d’une manière déterminée. Lire la fiche du moteur sans cette correspondance, c’est ainsi qu’une spécification finit par concorder sur le papier et par se comporter de travers au niveau de l’articulation.

Le rapport appartient à l’intégrateur, et aucune de ces fiches n’en porte

Les sept fiches utilisées dans ce guide contiennent la tension nominale, la puissance nominale, le couple nominal et de crête, le courant nominal et de crête, la vitesse nominale et à vide, la masse, le diamètre extérieur, la longueur axiale, les paires de pôles et le KV ; certaines contiennent aussi une valeur de Ke et une méthode de commande. Aucune ne contient de rapport de réduction, de valeur de jeu ni de diamètre d’arbre. Ce n’est pas une lacune des fiches de la plateforme - ces grandeurs appartiennent à l’articulation dans laquelle le kit est monté, et c’est l’intégrateur qui les choisit. C’est aussi la raison pour laquelle un projet de bras collaboratif commence par l’articulation plutôt que par la référence du modèle : le même moteur peut servir un axe de poignet rapide et à faible couple et un axe d’épaule lent et à couple élevé, et seul l’étage situé entre lui et la charge diffère.

Le couple se multiplie par le rapport, et la vitesse s’y divise

Du côté articulation de l’étage, le couple vaut le couple moteur multiplié par le rapport et par le rendement de l’étage, et la vitesse vaut la vitesse moteur divisée par le rapport. Deux autres effets découlent du rapport. L’inertie ramenée du rotor vers la sortie diminue comme le carré du rapport, ce qui explique qu’un rapport élevé produise une articulation facile à commander et difficile à ressentir. Et chaque étage de réduction ajouté coûte quelques pour cent de la puissance qui le traverse tout en ajoutant sa propre contribution au jeu, si bien que la multiplication est réelle mais pas gratuite. Une spécification d’articulation doit donc énoncer le rapport qu’elle suppose, parce qu’une exigence de couple et une exigence de vitesse ne peuvent pas se lire sur une fiche de moteur indépendamment de lui.

Un même moteur référencé derrière deux étages différents

L’arithmétique se voit le plus facilement sur une seule unité référencée. Le RI80 V2.0 KV75 pèse 411 g et publie 1.45 Nm de couple nominal et 4.1 Nm de couple de crête, avec 1135 rpm en nominal et 1480 rpm à vide en sortie sous une alimentation de 24 V - soit 6810 et 8880 degrés par seconde avant tout montage d’un étage. Derrière un étage de 10:1, et en traitant l’arithmétique comme approximative, ces valeurs deviennent environ 41 Nm de couple de crête et 14.5 Nm de couple nominal avec jusqu’à 888 degrés par seconde de sortie à vide au niveau de l’articulation ; derrière un étage de 50:1, elles deviennent environ 205 Nm de crête et 72.5 Nm de couple nominal avec jusqu’à 178 degrés par seconde de sortie à vide. Le second arrangement correspond à un couple de crête côté articulation d’environ 205 Nm, calculé à partir du couple de crête publié et d’un rapport de réduction supposé, ce qui le place dans le même ordre que les 222 Nm publiés pour un actionneur intégré de 1396 g - les deux ne sont pas mesurés sur la même base, le premier étant une valeur côté moteur portée par un rapport et le second une valeur publiée pour une articulation assemblée, ils ne doivent donc pas être comparés directement. Le moteur pèse moins du tiers de cette masse, parce que le couple venait du rapport plutôt que du moteur. Ce que la comparaison ne porte pas, c’est le jeu, la raideur et le travail d’assemblage qu’un réducteur apporte avec lui, et ce sont là les raisons pour lesquelles une unité intégrée est achetée.

Sept caractéristiques qui décident du moteur d’une articulation de cobot

Sept valeurs de la fiche du moteur d’articulation de robot portent la décision, et elles se lisent dans cet ordre, parce que chacune restreint ce que la suivante doit fournir. Aucune des sept n’est un maximum ; chacune est un énoncé sur le comportement, et c’est précisément ce qu’achète une application collaborative.

Le couple continu, qui est un énoncé thermique

Le couple nominal est le couple que le moteur peut tenir indéfiniment en restant dans la classe d’isolation de son bobinage, il dépend donc de la façon dont la chaleur quitte le stator - vers la structure dans laquelle il est fretté ou collé, et à l’écart de l’articulation. Sur ces sept kits, le couple nominal publié va de 0.024 Nm sur l’unité de 20 g à 4 Nm sur l’unité de 710 g, une plage de plus de deux ordres de grandeur, et c’est la valeur à comparer à la charge moyenne de l’articulation sur un poste plutôt qu’au pire cas d’un mouvement. Pour un actionneur de bras robotique collaboratif, c’est la contrainte déterminante pendant la majeure partie de la journée de travail, et c’est la seule valeur de la fiche que la structure environnante peut modifier.

Le couple de crête, qui est une fenêtre

Le couple de crête décrit ce que le moteur peut produire pendant un court intervalle sans dépasser la limite de courant du variateur ni démagnétiser les aimants. Lu dans les deux colonnes publiées, dans cet ensemble le rapport crête/nominal est proche de trois pour chaque unité, entre environ 2.8 et environ 3.0, ce qui est une bande plus étroite que celle de la famille des actionneurs intégrés recensée sur ToBMS et signifie que deux kits de même couple nominal délivreront à peu près le même transitoire. La fenêtre doit encore être définie par le fabricant - combien de temps, à quelle fréquence et avec quel refroidissement - avant de pouvoir servir à dimensionner quoi que ce soit.

Le courant continu, qui est ce que coûte une posture maintenue

Une articulation à l’arrêt sous charge n’est pas inactive du point de vue du bobinage : le variateur maintient la position avec du courant dans les phases, et les pertes cuivre sont les mêmes qu’en déplacement lent. Le courant continu publié sur cet ensemble va de 1.47 A sur la plus petite unité à 20 A sur la plus grande, et sur un bras collaboratif cette consommation se paie sur le budget thermique du contrôleur et, sur une plateforme mobile, sur l’endurance. Sur une base alimentée par batterie, la même consommation est une valeur d’endurance autant que de thermique, parce que la posture que le bras tient le plus souvent est celle que le pack paie.

Le KV et la tension d’alimentation derrière la vitesse côté moteur

Le KV est la constante côté moteur : la vitesse que le rotor effectue par volt de tension de bus appliquée, avant toute réduction. Multiplié par la tension d’alimentation nominale, il donne la vitesse côté moteur - 600 multiplié par 16 V donne 9600 rpm pour le RI20 KV600, 260 multiplié par 24 V donne 6240 rpm pour le RI30 KV260, et 115 multiplié par 48 V donne 5520 rpm pour le RO60 KV115 Standard. La relation entre le KV et la vitesse à vide dépend aussi de la définition du bobinage et des conditions d’essai, les vitesses de sortie à vide et nominales publiées par le fabricant sont donc les valeurs à prendre comme base de conception, et la tension d’alimentation est une décision système qui doit être arrêtée avant d’établir la présélection, puisque l’unité de 20 g fonctionne en 16 V et que les plus grandes unités fonctionnent en 48 V.

Le diamètre extérieur, et l’alésage qui l’accompagne

Le diamètre extérieur détermine la quantité de matière de stator et d’aimants qui tient à l’intérieur de l’articulation, et sur ces sept unités il va de 25 mm à 113.5 mm. Sur un bras collaboratif, le diamètre est généralement la plus difficile des deux dimensions d’encombrement, parce que la section d’un segment est fixée par la structure qui doit porter la charge, alors que la longueur axiale peut souvent être absorbée dans le segment. Le diamètre est aussi l’endroit où se loge l’alésage. Le texte descriptif du fabricant mentionne un arbre creux avec une ouverture de Ø17 mm pour le RI30 KV260 et un grand arbre creux pour le RO50 KV108 Lite, le RO60 KV115 Standard et le RO100 KV55 Standard ; les trois autres kits de cet ensemble ne portent pas cette caractéristique dans leur description publiée. Là où une articulation doit faire passer l’alimentation et le câblage des capteurs à travers son propre axe, l’alésage est ce qui retire le câble des pièces susceptibles de défaillir, et sur les moteurs BLDC destinés à un bras robotique collaboratif, le diamètre et l’alésage se lisent ensemble pour cette raison.

La longueur de paquet et le budget axial

La longueur axiale de ces kits va de 14 mm à 36.2 mm, et elle est en concurrence pour l’espace avec l’étage de réduction qui sera boulonné sur le même axe. Un ensemble long et mince se loge à l’intérieur d’un segment ; un ensemble court et large se place mieux à l’extérieur d’un support. Comme le réducteur, la disposition des roulements et le codeur doivent tous tenir sur la même ligne d’axe, le budget axial est généralement consommé plus vite que le premier croquis ne le suggère, et un kit de 14 mm de long en laisse davantage qu’un kit de 36 mm de long.

La masse au segment distal

La masse est la dernière valeur lue et celle qui doit être lue en position. Un moteur au poignet est transporté à chaque mouvement du bras, son coût se paie donc à chaque articulation située entre lui et la base, alors que la même masse à l’épaule ne se paie qu’une fois. Le couple de crête publié par unité de masse sur ces sept kits passe d’environ 3.6 Nm/kg sur l’unité de 20 g à environ 16.9 Nm/kg sur l’unité de 710 g, et le couple nominal par unité de masse d’environ 1.2 Nm/kg à environ 5.6 Nm/kg - les deux étant de l’arithmétique issue des colonnes enregistrées, et les deux nettement plus faibles que dans la famille des actionneurs intégrés recensée sur ToBMS, parce qu’aucun étage de réduction n’a encore été compté.

Sept moteurs CubeMars RI et RO comme un seul ensemble de spécifications

Le tableau ci-dessous lit sept kits frameless CubeMars comme un ensemble de spécifications unique, classés par masse, parce que la masse est l’axe selon lequel un bras collaboratif se conçoit : l’échelle va d’une unité de 20 g pour un axe de main ou de poignet à une unité de 710 g pour un axe d’épaule ou proche de la base. Chaque valeur est celle publiée par le fabricant, et chaque valeur dérivée dans le texte environnant est signalée comme arithmétique.

Couple nominal et couple de crête, tension d’alimentation, masse et encombrement tels que publiés par le fabricant. Le couple nominal est la valeur continue dans les limites thermiques du moteur ; le couple de crête est une valeur de courte fenêtre. Les fiches de ces kits ne portent ni rapport de réduction, ni valeur de jeu, ni diamètre d’arbre, parce que ces grandeurs appartiennent à l’articulation dans laquelle le kit est monté.

Lus comme un seul ensemble, les sept kits décrivent une échelle de couple allant de 0.072 Nm à 12 Nm de couple de crête publié sur une plage de masse de 20 g à 710 g, et - contrairement à la famille des actionneurs intégrés recensée sur ToBMS, où l’ordre des masses cesse de suivre le couple au-delà du milieu de gamme - l’ordre tient ici jusqu’en haut. Le couple de crête par unité de masse augmente régulièrement d’environ 3.6 Nm/kg sur l’unité de 20 g à environ 16.9 Nm/kg sur l’unité de 710 g. Cette forme monotone est une conséquence du réducteur absent : sans étage dans les valeurs, ce qui sépare ces moteurs est la quantité de matière de stator et d’aimants que chacun porte, et cela suit l’encombrement.

La deuxième chose que montre le tableau est l’écart entre la densité de couple d’un kit nu et ce dont une articulation a besoin. Chaque valeur qu’il contient est une valeur côté moteur, et chaque exigence d’articulation est une exigence côté sortie, le rapport entre les deux est donc l’étage que l’intégrateur n’a pas encore choisi. C’est la raison pour laquelle une unité de 20 g peut entraîner un axe de poignet et une unité de 710 g un axe d’épaule : non parce que le moteur plus grand est fondamentalement meilleur, mais parce que l’étage situé derrière chacun est dimensionné pour l’articulation. Une présélection tirée de ce tableau est donc une présélection de moteurs capables de supporter l’exigence de couple, de vitesse et de thermique d’une articulation une fois un étage supposé, et l’étage doit être supposé avant d’établir la présélection. Une comparaison de moteurs BLDC pour un bras robotique collaboratif qui saute cette étape compare des valeurs côté moteur à une exigence côté articulation.

La troisième chose que montre le tableau est la façon dont la tension d’alimentation évolue avec la taille. La plus petite unité fonctionne en 16 V et la plus grande en 48 V, et le RI50 KV100 et le RI80 V2.0 KV75 publient une vitesse nominale et une vitesse à vide pour chacune des tensions 24 V, 36 V et 48 V - 1090, 1860 et 2600 rpm en nominal pour le RI50, et 2004, 3006 et 4008 rpm à vide pour la même unité. Ces fiches à trois points rendent l’effet du bus visible sur une seule ligne, et c’est la raison pour laquelle une décision de tension système se prend avant la comparaison des moteurs plutôt qu’après. Une architecture 48 V et une architecture 24 V ne sélectionnent pas de la même manière à partir du même tableau.

Lire les sept du poignet vers la base

Un bras collaboratif est une chaîne qui va des axes distaux de la main et du poignet jusqu’à l’épaule et à la base, et l’exigence évolue le long de cette chaîne : le couple augmente, le budget de masse augmente, et la vitesse nécessaire à l’articulation diminue. Les sept kits ci-dessous divisent cette chaîne en trois groupes, et la division suit la masse publiée.

L’extrémité 20 g et 40 g : axes de main et de poignet

Les deux plus petits kits portent les services à faible couple et à grande vitesse. Le RI20 KV600 pèse 20 g dans un encombrement de 25 mm de diamètre et 14.5 mm de long, tourne sous une alimentation de 16 V pour 0.024 Nm de couple nominal et 0.072 Nm de couple de crête, et publie 1.47 A de courant continu avec 7452 rpm en nominal et 9600 rpm à vide sur 7 paires de pôles. Son KV élevé et son petit encombrement conviennent à un axe qui doit se déplacer vite et porter très peu, ce qui dans un bras collaboratif signifie une main ou une rotation de poignet entraînée par un grand étage. Le RI30 KV260 est la même idée avec plus de matière et un bobinage plus lent : 40 g dans un encombrement de 38 mm de diamètre et 14 mm de long, 0.076 Nm en nominal et 0.23 Nm en crête sous 24 V, 1.98 A de courant continu, 4110 rpm en nominal et 6240 rpm à vide, et la description du fabricant mentionne un arbre creux de Ø17 mm pour le cheminement des câbles. Cet alésage est ce qui le rend utilisable au poignet, là où le harnais doit traverser l’axe, et c’est l’unique caractéristique qui le sépare du RI20.

Le milieu 105 g à 248 g : axes d’avant-bras et de coude

Le milieu de l’ensemble est l’endroit où se situent les articulations de l’avant-bras et du coude, et c’est la partie d’un bras collaboratif où la charge utile et la masse du bras lui-même sont les plus proches en grandeur. Le RO50 KV108 Lite est l’option utile la plus légère, à 105 g dans un encombrement de 61.7 mm de diamètre et 14.5 mm de long, et il produit 0.3 Nm en nominal et 0.9 Nm en crête sous 24 V avec 2100 rpm en nominal et 2600 rpm à vide en sortie, 3.4 A de courant continu et 14 paires de pôles ; son texte descriptif mentionne un grand arbre creux et sa fiche nomme le FOC comme méthode de commande. Le RI50 KV100 pèse 180.8 g dans un encombrement de 54 mm de diamètre et 27 mm de long et accepte 24 V, 36 V ou 48 V, produisant 0.58 Nm en nominal et 1.67 Nm en crête à 4.8 A de courant continu ; sa fiche de vitesse à trois points est la ligne la plus utile du tableau pour planifier une tension de bus. Le RO60 KV115 Standard passe à 248 g dans un encombrement de 73.8 mm de diamètre et 23 mm de long pour 0.8 Nm en nominal et 2.4 Nm en crête sous 48 V, avec 4200 rpm en nominal, 5520 rpm à vide, 8.5 A de courant continu, 14 paires de pôles et un grand arbre creux nommé dans son texte descriptif. Ce que ces trois partagent, c’est un alésage traversant l’axe et assez de couple continu pour tenir un avant-bras plus une charge utile contre la gravité sans dépenser la réserve de transitoire - le service qu’un coude collaboratif assure pendant la majeure partie d’un poste.

L’extrémité 411 g et 710 g : axes d’épaule et proches de la base

Le haut du tableau concerne les articulations qui portent le bras. Le RI80 V2.0 KV75 pèse 411 g dans un encombrement de 85 mm de diamètre et 27 mm de long et accepte 24 V, 36 V ou 48 V, produisant 1.45 Nm en nominal et 4.1 Nm en crête avec 9.4 A de courant continu, 1135, 1785 et 2430 rpm en nominal et 1480, 2220 et 2960 rpm à vide sur les trois tensions, sur 8 paires de pôles, avec le FOC nommé dans la fiche. Le RO100 KV55 Standard est le plus grand kit de cet ensemble, à 710 g dans un encombrement de 113.5 mm de diamètre et 36.2 mm de long, et il produit 4 Nm en nominal et 12 Nm en crête sous 48 V avec 2000 rpm en nominal et 2550 rpm à vide en sortie, 20 A de courant continu, 21 paires de pôles et un grand arbre creux nommé dans son texte descriptif. Son faible KV de 55 est ce qu’une articulation d’épaule souhaite : à tension de bus donnée, le rotor tourne lentement avec plus de couple par ampère, ce qui est l’arrangement qui maintient le courant continu, et donc les pertes cuivre, bas sur un axe qui passe sa vie à soutenir le bras. Le RI80 V2.0 KV75 a un couple de crête d’environ 2.8 fois son couple nominal, et son courant de crête de 27.6 A vaut environ 2.9 fois son courant nominal de 9.4 A ; le RI20 KV600 porte son entrée Ke aux côtés de son KV et de sa tension d’alimentation dans la même fiche. Les conditions d’essai derrière ces valeurs ne sont pas indiquées dans la fiche, il vaut donc la peine d’en confirmer les définitions et les fenêtres de service avec le fabricant lors de la revue de spécification.

Bras fabriqués, manipulateurs mobiles et cellules de laboratoire

Chaque kit de ce tableau est associé sur ToBMS à la même application, ce qui reflète l’étroitesse du service : l’application Bras cobot couvre les machines dont les articulations sont construites autour d’un volume de travail partagé plutôt qu’autour d’une cellule clôturée. Les trois contextes ci-dessous sont ceux où cet ensemble est le plus souvent mobilisé, et où un actionneur de bras robotique collaboratif doit justifier sa masse.

Bras collaboratifs fabriqués et assemblés

Là où le bras est construit à partir de segments, de roulements et d’un réducteur plutôt qu’acheté comme module articulaire, le moteur est choisi en dernier et l’étage est choisi en premier, et les sept fiches ci-dessus sont l’entrée de ce choix. Le schéma qui revient le plus souvent est un petit kit au poignet pour la vitesse et la légèreté, un kit de milieu de gamme au coude pour le couple de maintien et le cheminement des câbles, et un kit à faible KV à l’épaule pour le couple continu à faible courant. Un Bras cobot construit ainsi voit son jeu, sa raideur et son travail d’assemblage répartis sur trois réducteurs ou plus, ce qui est le compromis qu’un fabricant accepte en échange de la maîtrise de la géométrie de l’articulation.

Manipulateurs mobiles et plateformes d’inspection

Monter un bras sur une base mobile change le budget de masse plus que toute autre décision. La base doit porter le bras, le bras doit porter la charge utile, et toute la chaîne fonctionne sur batterie, si bien que le courant continu devient une valeur d’endurance autant que de thermique. Un kit à faible KV à l’épaule appelle moins de courant par unité de couple de maintien qu’un kit à KV élevé à qui l’on demande le même travail à travers un étage différent, et un kit doté d’un alésage garde le harnais hors des pièces qui bougent. Le même raisonnement s’applique à un Bras cobot monté sur une plateforme d’inspection, où le bras est un accessoire d’une machine qui a déjà son propre problème de masse.

Cellules de laboratoire, bancs d’enseignement et matériel de recherche

Le matériel de recherche et d’enseignement est conçu pour être instrumenté et reconstruit, il privilégie donc les kits dont le comportement peut être prédit à partir de la fiche sans campagne d’essais : un bobinage régulier, un courant continu publié et une masse assez faible pour que le bras puisse être déplacé à la main afin de vérifier un contrôleur. Les systèmes enseignés par démonstration ont aussi besoin que la traînée de l’articulation soit faible et uniforme, ce qui est la contrainte qui fait du couple d’encoche et de l’inertie du rotor les valeurs à lire en premier lorsqu’un bras est assemblé pour un laboratoire plutôt que pour une cellule de production.

Une séquence de dimensionnement pour une articulation de cobot

Trois étapes, dans cet ordre, et l’ordre compte plus que le détail de chacune d’elles, parce que chaque étape restreint ce que la suivante doit prendre en compte.

Fixer d’abord le couple continu et le service

Établir le couple que l’articulation tient dans la posture où le bras passe la majeure partie de son temps, ajouter le couple nécessaire pour accélérer le segment et la charge utile pendant un mouvement, et estimer la fraction d’un poste passée dans chacune. La première valeur dimensionne le cas thermique et donc le couple nominal ; la seconde dimensionne la revendication de crête ; et le rapport entre les deux décide de la part de la réserve de crête dépensée contre la gravité et de celle qui reste pour le transitoire. Rien du modèle ne peut être décidé avant cela, parce qu’un même couple d’articulation peut être obtenu par un petit kit derrière un grand étage ou par un grand kit derrière un petit étage, et les deux arrangements se comportent différemment lorsqu’une personne pousse le bras.

Fixer ensuite l’alimentation, l’alésage et l’encombrement de montage

La tension de bus suit l’architecture de puissance de la machine plutôt que le moteur, elle doit donc être traitée comme une contrainte fixe : dans cet ensemble, l’alimentation va de 16 V sur le plus petit kit à 48 V sur le plus grand, et un kit prévu pour 48 V ne peut pas être utilisé sur une plateforme 16 V, quelle que soit la qualité de sa correspondance en couple. L’encombrement suit le segment - diamètre extérieur d’abord, puis longueur axiale - et là où le harnais doit traverser l’articulation, l’alésage fait partie de la même décision. Une présélection qui survit à ces deux filtres est généralement assez courte pour être comparée correctement.

Demander au fabricant les valeurs que la fiche omet

Les fiches publiées pour cette classe de kit sont solides sur le couple, la vitesse, la masse et l’encombrement, et plus maigres sur les valeurs qui décident du comportement d’une articulation plutôt que de la performance d’un moteur. La liste des questions à poser au fabricant est courte et précise.

• Le rapport de réduction et le jeu que l’articulation portera réellement, et à qui appartient cette spécification - c’est une décision d’intégration plutôt qu’une valeur de moteur.
• La fenêtre de service attachée à la valeur de couple de crête : combien de temps, à quelle fréquence et avec quel refroidissement.
• Si le courant continu est donné pour la disposition de montage qu’utilise l’articulation, puisque le chemin thermique est la structure.
• Pour le RI80 V2.0 KV75, les conditions d’essai et la fenêtre de service derrière la valeur de courant de crête - la fiche porte un courant de crête de 27.6 A, soit environ 2.9 fois le courant nominal de 9.4 A.
• Pour le RI20 KV600, les conditions de mesure derrière l’entrée Ke - la fiche donne une puissance nominale de 18 W, et le Ke, le KV et la tension d’alimentation figurent tous dans le tableau des spécifications.
• Une méthode de commande nommée et un diamètre d’arbre pour les unités dont la fiche ne les indique pas.

Lorsqu’une valeur est absente de la fiche, elle relève de la marge de conception plutôt que d’une hypothèse, et l’évaluation doit être consignée par écrit avant que l’articulation soit commandée.

Questions fréquentes

Ressources officielles

CubeMars publie une documentation produit pour les kits frameless rassemblée dans la section Ressources de la plateforme, et chaque modèle dispose d’une page officielle portant sa spécification complète, sa courbe de performance et son plan de montage - la gamme de produits du fabricant en est le point d’entrée, et les sept kits de ce guide sont documentés individuellement, y compris le RI80 V2.0 KV75 et le RO100 KV55 Standard. Le fabricant reste la source de vérité pour les courbes de couple, les valeurs thermiques, la base de jeu et la configuration du variateur ; ToBMS maintient la couche de découverte interrogeable et comparable, et les valeurs utilisées dans ce guide sont les valeurs publiées conservées dans les fiches produit de la plateforme.

Pour aller plus loin

L’équivalent au niveau de la catégorie de ce guide est Moteurs couple frameless : choisir un kit stator-rotor pour articulations, qui lit les familles RI et RO comme des composants et en compare douze, et Choisir un module articulaire : cinq actionneurs CubeMars de 190 g à 1.4 kg, qui prend l’articulation assemblée comme unité de conception. Ce guide part au contraire du volume de travail partagé : il parvient à la même classe de moteur par la limitation d’effort, le guidage à la main et le service continu, ce qui est la voie à suivre lorsque la question est ce dont un Bras cobot a besoin plutôt que quel kit est le plus grand. Restreindre le choix de moteurs BLDC pour un bras robotique collaboratif sur un nouveau projet suit le même ordre.

Deux voies voisines méritent d’être suivies lorsque l’architecture change. Lorsque le choix se fait entre un kit nu et un module scellé, Moteurs BLDC pour exosquelette : moteur couple frameless ou actionneur intégré expose directement cette comparaison face à la gamme Actionneurs robotisés. Lorsque l’articulation appartient à une plateforme à pattes ou humanoïde plutôt qu’à un bras, Moteurs BLDC pour robot humanoïde : accorder couple, vitesse et encombrement déroule le même compromis le long d’une chaîne d’articulations qui doit aussi s’équilibrer.

Pour le contexte plus large des relations entre classes de moteurs, Moteurs BLDC : guide des types, spécifications et choix des moteurs brushless situe le kit frameless parmi les autres catégories. Pour présélectionner plutôt que pour documenter, filtrer les candidats par couple, tension, masse et encombrement dans Sélection, puis les confronter les uns aux autres dans Comparaison ; les classes d’articulations apparentées sont regroupées dans les applications Module articulaire, Robot humanoïde, Exosquelette, Robot quadrupède et Robot de rééducation de la plateforme. La catégorie Moteurs couple frameless contient les sept kits comparés ici, et la page CubeMars rassemble le reste de la gamme.