Moteurs BLDC pour robot humanoïde : accorder couple, vitesse et encombrement

Un robot humanoïde est un problème de couple réparti sur chaque articulation motrice du corps, et les trois nombres qui décrivent chacune de ces articulations — le couple qu'elle doit tenir, la vitesse à laquelle elle doit se déplacer et la masse que le segment peut porter — ne sont pas indépendants les uns des autres. Modifier l'un et les deux autres suivent. Choisir un moteur brushless pour un robot humanoïde consiste donc à trouver le point où les trois courbes se croisent, articulation par articulation, puis à vérifier que les données publiées étayent réellement le point retenu. Se tromper sur l'ordre et la machine ne peut plus se lever, ou ne peut plus décoller ses propres pieds.

Réponse rapide

Les trois grandeurs sont liées par deux variables : le rapport de réduction entre le moteur et l'articulation, et la tension de bus sur laquelle le moteur fonctionne. Un faible rapport, comme 6:1, garde l'articulation rapide et rétroentraînable mais exige un moteur volumineux pour produire un couple utile ; un rapport élevé, comme 64:1, produit un couple important à partir d'un petit moteur mais consomme de la vitesse et une grande part de l'aptitude de l'articulation à être déplacée par une charge extérieure. Le rapport se choisit d'après le cycle de service de l'articulation, la masse découle du rapport et du couple, et le couple de crête publié est une valeur de courte fenêtre qu'il ne faut pas utiliser comme chiffre de travail.

Sur ToBMS, l'application Robot humanoïde rassemble les actionneurs intégrés CubeMars qui équipent les articulations humanoïdes, d'une unité de 262 g à étage 10:1 à une unité à arbre creux de 1396 g et 222 Nm de couple de crête publié. Ce guide expose comment couple, vitesse et encombrement s'accordent articulation par articulation, et lit huit de ces unités comme un seul jeu de spécifications.

Pourquoi une articulation humanoïde est un compromis entre couple, vitesse et encombrement

Une plateforme humanoïde diffère des autres machines en ce que sa structure et sa charge utile sont un seul et même objet. Un bras industriel est ancré, ses segments n'ont à porter que leur propre inertie et l'outil, et la base peut être aussi lourde que le client l'accepte. Un robot humanoïde doit porter ses actionneurs, sa batterie et son électronique sur les mêmes membres qui travaillent, et ces membres doivent en outre être déplacés avec assez de précision pour assurer l'équilibre. Chaque gramme ajouté au genou est un gramme que la hanche doit faire balancer, et chaque gramme ajouté à la hanche est un gramme que la cheville doit corriger.

Le cycle de service arrive avant tout numéro de modèle

Le premier nombre d'une spécification d'articulation n'est pas un couple. C'est la description de ce que l'articulation fait sur un cycle : combien de temps elle tient une charge statique, combien de temps elle se déplace contre la gravité, à quelle fréquence elle accélère, et quelle part de ce temps elle passe à faible vitesse sous charge. Une hanche en station debout tient une part de la masse corporelle pendant des minutes d'affilée avec presque aucun mouvement. Un genou en marche absorbe un impact en quelques dizaines de millisecondes puis se balance librement. Un coude en tâche de manipulation peut passer l'essentiel d'un poste à tenir un outil sous un angle quasi constant. Ce sont trois problèmes thermiques et électromagnétiques différents, et ils se résolvent par des points différents du plan couple-vitesse.

Phase d'appui et phase de balancement demandent deux extrémités opposées de la courbe

Une articulation de jambe alterne entre deux régimes. En phase d'appui, l'articulation est presque immobile sous une charge qui peut dépasser le poids du corps, ce qui est une exigence de couple avec une composante de vitesse quasi nulle. En phase de balancement, la même articulation doit parcourir un grand angle rapidement avec presque aucune charge, ce qui est une exigence de vitesse avec une composante de couple quasi nulle. Un même moteur doit satisfaire les deux, et c'est le rapport de réduction qui décide comment le compromis est réparti. Un rapport élevé sert la phase d'appui et pénalise la phase de balancement ; un faible rapport fait l'inverse. C'est cette alternance, plutôt qu'un chiffre isolé, qui rend les articulations de jambe d'une machine bipède plus difficiles à spécifier qu'un axe comparable dans un bras industriel fixe, et c'est la première chose à examiner lorsque les articulations de robot humanoïde d'une nouvelle plateforme sont réparties entre classes d'actionneurs.

L'inertie ramenée est ce contre quoi la boucle de commande lutte réellement

Entre le moteur et la sortie de l'articulation se trouve le réducteur, et le réducteur divise l'inertie du rotor par le carré du rapport en allant vers la sortie. Un rapport élevé présente donc au contrôleur une inertie apparente très faible au niveau de l'articulation, ce qui rend la commande en position facile et la commande en effort difficile, parce que l'articulation ne peut plus savoir contre quoi elle pousse. Un faible rapport ramène davantage d'inertie de rotor vers la sortie, ce qui fait que l'articulation ressent le monde et se rétroentraîne de façon prévisible, et c'est pourquoi les articulations quasi directes à étages 8:1 ou 9:1 servent là où un robot doit entrer en contact avec des objets inconnus ou avec une personne. Le même rapport qui fixe le couple et la vitesse fixe aussi ce comportement, ce n'est donc pas un détail mécanique que l'on peut corriger plus tard dans le logiciel.

Le rattrapage d'équilibre est un transitoire que la fenêtre de dimensionnement doit couvrir

L'équilibre bipède se maintient par des couples correctifs appliqués dans une fraction de seconde après une perturbation, et l'amplitude de ces corrections peut valoir plusieurs fois le couple nécessaire pour rester immobile. C'est ce transitoire que le couple de crête publié d'une articulation doit couvrir, et c'est la raison pour laquelle dans le jeu d'actionneurs ToBMS actuel les rapports crête/valeur nominale atteignent environ trois fois sur certains modèles. Une articulation spécifiée uniquement par rapport à sa charge statique tiendra une pose debout puis échouera à se rétablir après une poussée, ce qui, sur une plateforme humanoïde, signifie une chute plutôt qu'un cycle manqué.

Comment le rapport de réduction convertit la vitesse en couple

Le rapport de réduction est le chiffre le plus utile d'une spécification d'articulation humanoïde, parce qu'il projette chaque grandeur du côté moteur vers le côté articulation de façon fixe. Une fois le rapport connu, la vitesse de l'articulation est la vitesse du moteur divisée par ce rapport, son couple est le couple du moteur multiplié par ce rapport, et les valeurs publiées pour les deux peuvent être recoupées l'une avec l'autre.

La vitesse d'articulation est la vitesse moteur divisée par le rapport

Toute vitesse annoncée pour un actionneur intégré est une vitesse de sortie, c'est-à-dire le nombre que voit l'articulation. L'AK80-6 KV100 de 485 g, avec son étage 6:1, annonce 800 rpm à vide, tandis que l'AK80-64 de 850 g, avec son étage 64:1, annonce 37 rpm sur un bus 24 V — un facteur d'environ vingt-deux en vitesse de sortie produit par une différence de rapport, et non par une différence de qualité de moteur. Pour une articulation, le tour par minute est une unité peu commode ; il vaut donc la peine de convertir : 1 rpm vaut 6 degrés par seconde, ce qui fait de l'unité de 800 rpm une articulation à 4800 degrés par seconde à vide et de l'unité 64:1 une articulation à 222 degrés par seconde au même point. Une hanche qui doit balayer 60 degrés en 300 ms demande 200 degrés par seconde de sortie soutenue, et cette exigence suffit à éliminer une grande partie du haut de la plage de rapports de toute gamme d'actionneurs.

Le couple se multiplie par le même rapport, moins ce que la réduction prélève

La multiplication est réelle mais pas gratuite. Un étage 6:1 transforme 6 Nm au moteur en environ 36 Nm à l'articulation, moins les frottements et les pertes de l'engrènement, et un étage 64:1 transforme 0.75 Nm en environ 48 Nm par la même arithmétique. C'est pourquoi les unités les plus lourdes d'une gamme ne sont pas automatiquement les plus fortes : l'AK60-39 V3.0 de 750 g annonce 72 Nm de couple de crête à travers un étage 39:1, tandis que l'AK80-64 de 850 g annonce 120 Nm à travers un étage 64:1, si bien qu'une différence de masse de 100 g achète un avantage de couple de 67 pour cent parce que c'est le rapport qui fait le travail. Le rapport fixe aussi la pénalité de rendement, car chaque étage de réduction supplémentaire coûte un petit pourcentage de la puissance qui le traverse et ajoute sa propre contribution au jeu.

Le KV multiplié par la tension de bus fixe la vitesse côté moteur

Le KV est la constante côté moteur : c'est la vitesse du rotor par volt de tension de bus appliquée, avant le réducteur. Multiplier le KV par la tension de bus et diviser par le rapport donne une estimation de la vitesse de sortie à vide, et cette estimation peut être recoupée avec la valeur publiée comme contrôle arithmétique du relevé. Pour l'AK45-10 V3.0 KV75 sous 24 V à travers 10:1, 75 multiplié par 24 et divisé par 10 donne 180 rpm face à 180 rpm publiés. Pour l'AK60-6 V1.1 KV140 sous 24 V à travers 6:1, l'estimation vaut 560 rpm face à 560 rpm publiés ; pour l'AK80-6 KV100 sous 48 V à travers 6:1, elle vaut 800 rpm face à 800 rpm ; et pour l'AK70-9 V3.0 KV60 comme pour l'AK10-9 V3.0 KV60, tous deux sous 48 V à travers 9:1, elle vaut 320 rpm face à 320 rpm dans les deux cas. La correspondance n'est pas universelle — l'AKH70-48 V1.0 KV41 sous 48 V à travers 48:1 s'estime à 41 rpm face à 35 rpm publiés —, et c'est précisément pourquoi la vitesse de sortie publiée, et non une valeur dérivée du KV, est le chiffre sur lequel concevoir.

Un rapport élevé achète du couple et dépense la rétroentraînabilité

Deux effets jouent contre une articulation à mesure que son rapport augmente. Le premier est que l'inertie ramenée à la sortie diminue comme le carré du rapport, si bien que l'articulation devient plus facile à commander et plus difficile à ressentir. Le second est le frottement : un réducteur multi-étages résiste au couple appliqué depuis la sortie, et à rapport élevé cette résistance peut devenir assez grande pour que l'articulation ne bouge plus lorsqu'une personne ou une surface la pousse. Dans cet ensemble, les unités à faible rapport affichent des rapports de 6:1, 9:1 et 10:1, tandis que les unités porteuses tournent à 39:1, 48:1 et 64:1, et la séparation entre ces deux groupes suit la question de savoir si l'articulation doit établir un contact souple ou tenir une charge importante en silence. Le jeu est la spécification compagne et évolue en sens inverse : les unités de ce jeu affichent des valeurs comprises entre 0.18 et 0.55°, et un faible rapport associé à un jeu serré est la combinaison qui donne à une articulation sa caractéristique de paraître rigide sous la pression de la main tout en restant déplaçable.

Accorder le couple : nominal, de crête et la fenêtre derrière chacun

Le couple est l'axe sur lequel la plupart des décisions d'articulation humanoïde sont prises d'abord, et sur lequel la plupart sont prises d'abord à tort. Trois nombres distincts apparaissent dans le relevé d'un fabricant, et ils répondent à trois questions différentes.

Le couple de crête est une fenêtre, non une capacité

Le couple de crête décrit ce que l'actionneur peut produire pendant un court intervalle — typiquement le temps d'accélérer un segment ou d'arrêter une perturbation — sans dépasser la limite de courant du variateur ni démagnétiser quoi que ce soit. C'est le bon chiffre pour un événement de rattrapage d'équilibre ou pour le premier instant d'un lever, et c'est le mauvais chiffre pour tout ce qui doit se répéter. Dans ce jeu, le rapport crête/nominal va de 2.0 sur l'AK80-6 à 3.4 sur l'AK70-9 V3.0, si bien que deux actionneurs de même couple nominal peuvent différer de plus de moitié par le transitoire qu'ils délivreront. Lire la seule colonne de crête écrase cette différence et produit une présélection qui surchauffera en service continu.

Le couple nominal est borné par le chemin thermique du bobinage

Le couple nominal est un énoncé thermique. C'est le couple que l'actionneur peut tenir indéfiniment en gardant le bobinage dans sa classe d'isolation, et il dépend donc de la façon dont la chaleur quitte le stator — à travers le carter, dans la structure de montage, et hors du carter propre de l'articulation. C'est pourquoi la valeur nominale est plus basse dans un petit carter scellé que dans un grand pour le même moteur, et pourquoi le couple nominal d'une articulation à l'extrémité d'un bras est une autre affaire que celui de la même articulation boulonnée sur une bride de hanche avec une grande masse thermique derrière elle. Les valeurs nominales de ce jeu vont de 2.5 Nm à l'extrémité 262 g à 74 Nm à l'extrémité 1396 g, et le chiffre nominal est celui qu'il faut comparer à la charge moyenne de l'articulation plutôt qu'à son pire cas. Un contrôle arithmétique qui boucle souvent ici consiste à comparer le couple nominal multiplié par la vitesse nominale en radians par seconde à la puissance nominale publiée : l'AK60-6 V1.1 donne 3 Nm à 420 rpm pour 132 W face à 130 W publiés, l'AK70-9 V3.0 donne 231 W face à 231 W, l'AK60-39 V3.0 donne 176 W face à 176 W, et l'AK10-9 V3.0 donne 443 W face à 442 W. Là où les deux ne bouclent pas, l'écart se rattache généralement à la tension de bus à laquelle la vitesse a été annoncée.

Le couple de maintien à l'arrêt est une question de courant

Une articulation immobile sous charge ne fournit pas un travail nul du point de vue du bobinage. Le variateur doit injecter du courant dans les phases pour tenir la position, et la perte cuivre qui en résulte est la même que si l'articulation se déplaçait lentement. Un humanoïde en station debout a donc une consommation permanente qui évolue avec le couple de maintien de chaque articulation chargée dans la posture, et le courant au point de fonctionnement nominal est le chiffre qui compte : dans ce jeu, le courant nominal va de 1.9 A sur l'AK45-10 V3.0 sous 24 V à 10.7 A sur l'AK10-9 V3.0 sous 48 V. Sur une plateforme alimentée par batterie, cette consommation se paie en autonomie, et c'est la raison pour laquelle une posture qui peut être tenue par une butée mécanique mérite d'être conçue.

La densité de couple lue face à la masse que l'articulation doit porter

La densité de couple est le chiffre qui relie l'axe du couple à l'axe de l'encombrement, et elle n'a de sens que si elle précise à la fois la masse et le couple utilisé. Sur les huit unités ci-dessous, le couple de crête publié par kilogramme va d'environ 24.5 Nm/kg sur l'AK60-6 V1.1 de 368 g à environ 159 Nm/kg sur l'AKH70-48 V1.0 de 1396 g, tandis que le couple nominal par kilogramme va d'environ 8.2 Nm/kg à environ 53 Nm/kg sur ces deux mêmes unités. Les deux sont de l'arithmétique à partir des valeurs relevées. Ce large écart n'est pas un accident de qualité de fabrication : c'est ce que fait le rapport, parce que les unités à rapport élevé produisent leur couple à partir d'un moteur plus petit tournant plus vite, et la masse supplémentaire du réducteur est faible devant la masse que le plus petit moteur économise.

Accorder la vitesse à l'articulation, pas au rotor

Dans un robot humanoïde, les exigences de vitesse s'expriment habituellement comme un angle à parcourir en un temps donné, et rarement de façon correcte du premier coup. La conversion d'une exigence d'articulation en spécification d'actionneur passe par le rapport, et le rapport se choisit pour des raisons de couple : les deux contraintes doivent donc être résolues ensemble plutôt qu'en séquence.

La phase de balancement fixe l'exigence de vitesse de la jambe

Une jambe en marche doit amener le pied vers l'avant sur une amplitude de genou d'environ 60 à 90 degrés en 300 à 400 ms, ce qui demande 150 à 300 degrés par seconde de vitesse d'articulation soutenue pendant le balancement et plutôt moins sur l'ensemble du cycle de marche. Dans les huit unités ci-dessous, cette bande est servie par la classe de 485 g et 540 g à 6:1 et 9:1, dont les vitesses nominales publiées de 603 rpm et 260 rpm correspondent à environ 3618 et 1560 degrés par seconde respectivement — une marge importante, qui permet à la boucle de vitesse de l'articulation d'accélérer et de décélérer pendant le balancement plutôt que de tourner à régime constant. Les unités à rapport élevé ne sont pas exclues des jambes, mais elles servent là où l'articulation est proche du sol et où le chemin de charge est dominé par l'appui plutôt que par le balancement.

Le suivi et l'atteinte fixent celle du bras

L'exigence de vitesse d'un bras est fixée par la trajectoire qu'il doit suivre, et non par un mouvement unique. Les tâches de manipulation — atteindre un point, suivre une surface, rattraper un objet lancé — demandent un suivi continu de position et de vitesse, et le chiffre pertinent est la capacité d'accélération de l'articulation au milieu de sa plage plutôt que sa vitesse à vide en bout de course. Les bras sont aussi plus indulgents que les jambes vis-à-vis de la masse, parce que l'épaule porte le coude et le poignet mais que toute la chaîne n'a pas à être accélérée contre la gravité à chaque pas. Cette combinaison fait du milieu d'une gamme un point de départ raisonnable pour spécifier un bras : dans ce jeu, l'AK70-9 V3.0 de 540 g à 9:1 offre 260 rpm nominaux et 29.2 Nm de couple de crête, ce qui couvre un coude ou une flexion d'épaule dans un encombrement compact.

La vitesse à vide est un plafond que la boucle atteint rarement

La vitesse à vide publiée est la vitesse de sortie à la tension de bus, sans charge et sans intervention du contrôleur. Une articulation réelle n'atteint pas ce point, parce qu'à partir du moment où elle doit tenir ou accélérer quoi que ce soit, le point de fonctionnement recule le long de la droite couple-vitesse, et parce que la boucle de vitesse limite la consigne. L'usage pratique de la valeur à vide est celui d'une borne supérieure lorsque la vitesse requise est vérifiée en faisabilité : une exigence d'articulation de 200 degrés par seconde est confortablement à l'intérieur d'un plafond de 4800 degrés par seconde et inconfortablement proche d'un plafond de 222 degrés par seconde. Là où l'exigence se situe près du plafond, l'articulation passera sa vie à courant élevé, et la conséquence thermique appartient au calcul de cycle de service plutôt qu'à une note de bas de page.

Accorder la taille : encombrement, alésage et le coût de la masse distale

L'encombrement est l'axe que fixe la cinématique d'une plateforme robot humanoïde, et c'est l'axe sur lequel le moins de compromis est possible. Un actionneur qui n'entre pas dans l'espace entre deux segments ne peut être rendu compatible par aucun réglage, et un actionneur trop lourd au mauvais endroit de la chaîne modifie la dynamique de la machine, et pas seulement son budget de masse.

La masse distale est facturée à nouveau à chaque articulation au-dessus d'elle

Un gramme dans le pied est accéléré par la cheville, le genou et la hanche à chaque balancement, son coût est donc payé trois fois par pas. Le même gramme à la hanche n'est payé qu'une fois. C'est l'argument pour placer l'unité la plus petite et la plus légère capable de faire le travail à l'extrémité distale, et pour réserver la masse aux articulations qui doivent produire les couples les plus élevés, et cela se voit dans l'agencement de ce jeu : les unités de 262 g et 368 g portent des couples nominaux de 2.5 Nm et 3 Nm pour le poignet, la main et la cheville, tandis que les unités de 940 g et 1396 g portent 18 Nm et 74 Nm nominaux pour les hanches et les genoux. Inverser cet agencement — placer un gros actionneur sur une articulation distale pour se donner de la marge — fait travailler plus dur les articulations proximales pendant toute la vie de la machine.

Alésages de câblage et durée de vie du faisceau dans un segment

Une articulation humanoïde tourne, et tout ce qui doit franchir cette rotation — l'alimentation, le câblage des capteurs, parfois un fluide ou de l'air — passe soit par une bague tournante, soit par une boucle de service qui doit survivre à des millions de cycles de flexion, soit par l'actionneur lui-même. L'AKH70-48 V1.0 KV41 de 1396 g est un actionneur planétaire à arbre creux, ce qui signifie que le chemin des câbles passe par le centre de l'articulation plutôt qu'autour d'elle, supprimant entièrement la boucle de service de l'encombrement de l'articulation. Là où aucun alésage n'est disponible, la boucle doit être conçue pour un rayon de courbure et une durée de vie en cycles qui valent la peine d'être vérifiés par rapport au service prévu de la machine. La colonne d'encombrement du tableau ci-dessous n'est donc pas seulement un diamètre à loger ; les 90 mm de diamètre et 81.5 mm de longueur de l'unité à arbre creux n'ont de sens qu'avec l'alésage qui la traverse.

Classes de diamètre, longueur de paquet et la forme qu'un châssis peut prendre

Les actionneurs intégrés se regroupent en classes de diamètre parce que le réducteur et le moteur partagent le même axe. Dans ce jeu, les diamètres sont 53 mm, 79 mm, 89 mm, 90 mm et 98 mm, et les longueurs vont de 38.5 mm à 81.5 mm. Le diamètre est généralement la contrainte la plus dure, parce que la section d'un segment est fixée par la structure qui doit porter la charge, tandis que la longueur peut souvent être absorbée dans la longueur du segment lui-même. Une articulation qui doit tenir à l'intérieur d'une cuisse demande un ensemble mince et large ; une articulation placée à l'extérieur d'une bride de hanche peut accepter un ensemble plus long. L'interface de montage compte autant que l'encombrement : un actionneur boulonné sur une platine à une extrémité et entraînant un segment à l'autre impose un chemin de charge à travers son propre carter, et la raideur du carter devient alors une partie de la raideur de l'articulation, ce qui fixe à son tour le comportement de la machine sous les impacts de la marche.

Huit actionneurs CubeMars pour articulations humanoïdes, comme un seul jeu de spécifications

Le tableau ci-dessous lit huit actionneurs robotisés CubeMars comme un seul jeu de spécifications, classés par masse publiée, parce que la masse est l'axe selon lequel une plateforme humanoïde est conçue et parce que l'éventail de rapports couvert par ces huit unités embrasse tout le compromis couple-vitesse, d'un module distal de 262 g à une articulation à arbre creux de 1396 g. Chaque valeur est celle publiée par le fabricant ; chaque valeur dérivée dans le texte est signalée comme arithmétique.

Couple nominal et couple de crête, tension d'alimentation, rapport de réduction, masse et encombrement tels que publiés par le fabricant. Le couple nominal est la valeur continue dans les limites thermiques de l'actionneur ; le couple de crête est une valeur de courte fenêtre. L'AKH70-48 V1.0 étant une unité à arbre creux, son encombrement est annoncé avec un alésage de câblage traversant l'axe.

Lus comme un seul ensemble, les huit modules décrivent une échelle de couple de 7 Nm à 222 Nm de couple de crête publié sur une plage de masse de 262 g à 1396 g, et cette échelle n'a pas la même forme que l'ordre des masses. Au-dessus du point de 540 g, l'ordre des masses ne suit plus l'ordre des couples : les 72 Nm de l'AK60-39 V3.0 de 750 g laissent la place aux 120 Nm de l'AK80-64 de 850 g, et l'AK10-9 V3.0 de 940 g, bien plus lourd, n'annonce que 53 Nm et se laisse donc dépasser en couple par l'unité de 850 g, dont l'étage 64:1 échange de la vitesse contre du couple, alors que l'unité de 940 g n'a qu'un étage 9:1. Une lecture du tableau par la masse seule conduit à la mauvaise unité ; la colonne du rapport doit être lue avec les colonnes de couple.

La densité de couple dit la même chose en un seul nombre. Le couple de crête publié par kilogramme, qui est de l'arithmétique à partir des deux colonnes relevées, va d'environ 24.5 Nm/kg sur l'unité de 368 g et d'environ 24.7 Nm/kg sur celle de 485 g à environ 141 Nm/kg sur l'unité de 850 g et environ 159 Nm/kg sur celle de 1396 g. L'écart, d'environ six fois, est le fait du rapport : les unités à rapport élevé produisent leur couple à partir d'un petit moteur rapide et le paient en vitesse de sortie, tandis que les unités à faible rapport le produisent directement et conservent leur vitesse. Le couple nominal par kilogramme raconte la même histoire sur une plage plus étroite, d'environ 8.2 Nm/kg à l'extrémité 368 g à environ 53 Nm/kg à l'extrémité à arbre creux, et c'est le plus utile des deux chiffres lorsque l'articulation doit tenir une charge pendant des minutes plutôt que des millisecondes.

La vitesse baisse à mesure que le rapport augmente, et elle baisse d'une façon qui mérite d'être exprimée en degrés plutôt qu'en tours. En convertissant les vitesses de sortie publiées à vide et nominales à raison de 6 degrés par seconde par rpm, les huit unités couvrent environ 4800 degrés par seconde de vitesse de sortie à vide à l'extrémité 6:1 jusqu'à 222 degrés par seconde à l'extrémité 64:1, avec des vitesses nominales allant d'environ 3618 degrés par seconde à environ 138 degrés par seconde sur les mêmes unités. Une hanche qui doit balayer 60 degrés en 300 ms demande 200 degrés par seconde, ce qui est à l'intérieur de la moitié basse du tableau et proche du plafond de la moitié haute. Cette comparaison, faite avant le choix du modèle, évite à une conception d'avoir à expliquer une jambe lente.

Lire les huit unités de la cheville à la hanche

Les articulations d'une plateforme humanoïde forment une chaîne, des axes distaux des poignets et des chevilles jusqu'à la hanche et au genou, et l'exigence évolue de façon monotone le long de cette chaîne : le couple monte, la vitesse baisse, et la masse acceptable monte avec la distance de l'articulation au sol. Les huit unités ci-dessous se répartissent sur cette chaîne en quatre groupes.

L'extrémité 262 g et 368 g : axes de poignet, de main et de cheville

Les plus petites unités de ce jeu portent les tâches à faible couple et à vitesse modérée. L'AK45-10 V3.0 KV75 pèse 262 g dans un carter de 53 mm de diamètre et 45.2 mm de long, entraîne un étage 10:1 pour 2.5 Nm nominaux et 7 Nm de couple de crête sur un bus 24 V, et annonce 120 rpm nominaux et 180 rpm de vitesse de sortie à vide avec 0.3° de jeu. Sa puissance nominale publiée est de 39 W et son courant nominal de 1.9 A, ce qui simplifie le câblage dans un petit segment distal. L'AK60-6 V1.1 KV140 passe à un diamètre de 79 mm et 368 g pour 3 Nm nominaux et 9 Nm de crête à travers un étage 6:1, et son moteur KV140 sous 24 V produit 420 rpm nominaux et 560 rpm à vide, soit la sortie la plus rapide de ce groupe à environ 3360 degrés par seconde à vide. Cette combinaison — faible rapport, couple modéré, vitesse de sortie élevée — est celle qui convient à une cheville devant se repositionner rapidement sous un pied, ou à un poignet devant faire de petites corrections rapides. La valeur de jeu de 0.55° est la plus lâche publiée dans ce groupe, ce qui est la conséquence attendue d'un faible rapport associé à un moteur rapide.

Le milieu de 485 g et 540 g : suivi de coude et genoux rapides

Le milieu du jeu est là où se situent le bras et les articulations de jambe les plus rapides. L'AK80-6 KV100 est une unité de 485 g, de 98 mm de diamètre et 38.5 mm de longueur, qui produit 6 Nm nominaux et 12 Nm de couple de crête à un rapport 6:1 sur un bus 48 V, avec 603 rpm nominaux et 800 rpm à vide et une puissance nominale publiée de 340 W. Son rapport crête/nominal de 2.0 est le plus serré du jeu, ce qui en fait l'unité à choisir quand le service est plus proche du continu que du transitoire. L'AK70-9 V3.0 KV60 est la même idée un cran plus haut en rapport : 540 g dans un carter de 89 mm de diamètre et 49 mm de long, un étage 9:1, 8.5 Nm nominaux et 29.2 Nm de couple de crête sous 48 V, 260 rpm nominaux et 320 rpm à vide, 231 W de puissance nominale et 0.3° de jeu. Son multiple crête/nominal de 3.4 est le plus large du jeu, c'est donc l'unité la plus appropriée là où le transitoire est le cas de dimensionnement et où la charge continue est modeste. Les deux unités ont des déploiements documentés : le fabricant a publié une étude de cas de l'AK80-6 dans une plateforme de recherche, intégrée ci-dessous.

La classe de 750 g et 940 g : hanches, genoux et charge sur un seul appui

C'est la classe qui porte la machine. L'AK60-39 V3.0 KV80 est une unité de 750 g dans un carter de 79 mm de diamètre et 67 mm de long, qui transforme son étage 39:1 en 24 Nm nominaux et 72 Nm de couple de crête sous 48 V, avec 70 rpm nominaux et 98 rpm à vide, 176 W de puissance nominale et 0.25° de jeu. L'AK10-9 V3.0 KV60 pèse 940 g dans un carter de 98 mm de diamètre et 61.7 mm de long, et associe un étage 9:1 à un montage à double codeur pour 18 Nm nominaux et 53 Nm de couple de crête sous 48 V, avec 235 rpm nominaux et 320 rpm à vide et une puissance nominale publiée de 442 W à 10.7 A de courant nominal. Les deux unités défendent le même argument par des chemins opposés : l'unité 39:1 achète son couple par le rapport et renonce à la vitesse de sortie, tandis que l'unité 9:1 conserve sa vitesse et a besoin d'un moteur plus gros pour produire le couple. Une hanche qui doit tenir une charge sur un seul appui puis s'étendre rapidement favorise le second agencement ; un genou proche du sol et rarement amené à se déplacer vite favorise le premier. Le jeu est publié pour l'unité 39:1 à 0.25° ; le relevé de l'unité 9:1 dans ce jeu ne porte pas de valeur de jeu, et cet écart appartient à la liste des questions à poser au fabricant plutôt qu'à une hypothèse.

L'extrémité lourde à 48:1 et 64:1 : là où la vitesse est dépensée à dessein

Le haut du tableau est destiné aux articulations où la vitesse de sortie est un terme que le concepteur accepte de sacrifier. L'AK80-64 KV80 pèse 850 g dans un carter de 98 mm de diamètre et 61.9 mm de long et produit 48 Nm nominaux et 120 Nm de couple de crête à travers un étage 64:1, en acceptant 24 V ou 48 V ; sa vitesse de sortie publiée est de 23 rpm nominaux et 37 rpm à vide sous 24 V, ou 48 rpm nominaux et 75 rpm à vide sous 48 V, avec 0.18° de jeu, le plus serré de ce jeu. L'AKH70-48 V1.0 KV41 est l'unité la plus lourde à 1396 g dans un carter de 90 mm de diamètre et 81.5 mm de long, et elle produit 74 Nm nominaux et 222 Nm de couple de crête à travers un étage 48:1 sur un bus 48 V, avec 28 rpm nominaux et 35 rpm à vide et 0.2° de jeu. Son arbre creux est la caractéristique qui la sépare du reste : le chemin des câbles passe par l'axe, ce qui permet de construire une hanche ou un genou lourd sans boucle de service autour de l'articulation. Les deux unités retombent dans les centaines basses de degrés par seconde en sortie, ce qui convient à un genou porteur ou à une hanche en appui, et les exclut de toute articulation devant accomplir un balancement en quelques centaines de millisecondes. Le fabricant a publié un essai de charge de l'unité à arbre creux, intégré ci-dessous ; sa fiche complète se trouve sur la page produit du fabricant.

Les plateformes humanoïdes auxquelles ces moteurs d'articulation conviennent

Chaque unité de ce tableau est associée sur ToBMS à la même application, ce qui traduit l'étroitesse du service : l'application Robot humanoïde couvre les machines dont les articulations sont la contrainte de conception principale plutôt qu'un accessoire d'une structure fixe.

Recherche bipède et plateformes corps entier

Les plateformes de recherche sont construites pour être instrumentées et reconstruites, la spécification des articulations s'écrit donc autour de la contrôlabilité et de la répétabilité plutôt qu'autour de la durée de vie. Les rapports faibles et moyens dominent ici, parce qu'une articulation rétroentraînable est une articulation qui peut être étudiée à la main et dont le couple peut être estimé à partir du courant moteur sans capteur supplémentaire. Les rapports crête/nominal publiés au milieu de ce tableau conviennent exactement à ce mode d'usage : un prototype passe l'essentiel de sa vie à une fraction du couple nominal et parfois à un multiple de celui-ci.

Machines marcheuses et machines à roues sur pattes

Les machines qui marchent, et celles qui roulent sur des roues montées sur des pattes articulées, soumettent l'articulation à la plus large gamme de conditions de charge de cette application : vitesse quasi nulle à couple élevé pendant l'appui, vitesse élevée à faible couple pendant le balancement, et charges d'impact aux deux extrémités. La question pertinente est de savoir si le relevé publié couvre le cas d'impact, ce qui, dans ce jeu, est vrai pour le couple de crête et ne l'est pas pour la charge de choc qui arrive par la structure. Cet écart se comble auprès du fabricant plutôt qu'avec une fiche technique.

Matériel d'assistance et de rééducation

Là où une machine déplace un membre qui appartient à une personne, l'articulation doit tenir une charge et suivre un mouvement en même temps, et les études de cas publiées pour deux unités de ce tableau viennent exactement de ce contexte. Les unités à rapport élevé assurent le maintien, et les unités à faible rapport ou à faible jeu assurent le suivi, ce qui explique pourquoi les dispositifs d'assistance mélangent souvent deux classes de rapport sur le même membre plutôt que de spécifier une même unité pour toute la chaîne.

Manipulation, téléopération et plateformes de dextérité

Les bras d'une plateforme humanoïde héritent des contraintes du corps auquel ils sont attachés : masse modérée au poignet, besoin de travailler dans des espaces non structurés, et une boucle de commande qui doit tolérer le contact. Le milieu de ce tableau — les unités de 485 g et 540 g à 6:1 et 9:1 sur un bus 48 V — est le groupe qui satisfait ces contraintes sans la masse de l'extrémité porteuse, et c'est le groupe où un même modèle peut servir plus d'une articulation du bras.

Une séquence de sélection pour une articulation humanoïde

L'ordre de ces trois étapes compte plus que le détail de chacune, parce que chaque étape resserre l'ensemble que la suivante doit examiner.

Fixer d'abord le cycle de service et la charge la plus défavorable

Établir le couple de maintien dans la posture où la machine passe l'essentiel de son temps, le couple requis pendant le transitoire qu'exigent le rattrapage d'équilibre ou un lever, et la fraction de temps passée dans chacun. Le premier nombre dimensionne le cas thermique et donc le couple nominal ; le second dimensionne la valeur de crête ; et le rapport entre les deux décide si l'articulation appartient au bas du tableau ou à son haut. Rien du modèle ne peut être décidé avant cela, parce qu'une même exigence de couple est satisfaite par un petit moteur à rapport élevé et par un gros moteur à faible rapport, et que ces deux réponses se comportent différemment au niveau de l'articulation.

Fixer ensuite le bus, l'alésage et l'encombrement de montage

La tension de bus découle de l'architecture d'alimentation de la machine et non de l'actionneur : elle doit donc être traitée comme une contrainte fixe. Les unités de ce jeu fonctionnent en 24 V, en 48 V ou sur les deux, et une unité prévue pour le seul 48 V ne peut pas être utilisée sur une plateforme 24 V, quelle que soit la qualité de sa correspondance en couple. L'encombrement découle du segment : diamètre d'abord, longueur ensuite, et — lorsque l'articulation est une hanche ou un genou traversé par un câble — l'alésage dans l'axe en même temps. Une présélection qui survit à ces deux filtres est généralement assez courte pour être comparée correctement.

Interroger les chiffres que le relevé laisse ouverts

Le relevé publié pour cette classe d'actionneur est bon sur le couple, la vitesse, le rapport et la masse, et il est plus mince sur les chiffres qui décident du comportement d'une articulation plutôt que de sa performance. La liste des questions à poser au fabricant est courte.

• Jeu mesuré à la sortie pour l'unité et la version précises, et indication de savoir si la valeur est un maximum ou une valeur typique.
• La fenêtre de service attachée au couple de crête : combien de temps, à quelle fréquence, et avec quel refroidissement.
• Le rendement à travers l'étage de réduction complet, et le point où il chute à faible vitesse de sortie sous couple élevé.
• Le courant continu et l'élévation de température du carter qui l'accompagne dans l'agencement de montage propre à la machine.
• Toute tenue aux chocs ou aux impacts, qui est le chiffre dont cette application a besoin et le plus souvent absent.

Là où une valeur est absente du relevé, elle appartient à la marge de conception plutôt qu'à 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 gammes d'actionneurs rassemblées dans la section Ressources de la plateforme, et chaque modèle dispose d'une page produit officielle portant sa spécification complète, sa courbe de performance et son plan de montage — la gamme produit du fabricant en est le point d'entrée. Le fabricant reste la source de vérité pour les courbes de couple, les valeurs thermiques, la base du jeu et la configuration du variateur ; ToBMS garde 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

Le pendant de ce guide au niveau de la catégorie est Actionneurs robotisés : choisir un actionneur intégré pour les articulations, qui lit cinq de ces unités intégrées les unes face aux autres en tant que composants, et Choisir un module articulaire : cinq actionneurs CubeMars de 190 g à 1.4 kg, qui prend le module articulaire comme unité de conception. Ce guide part du robot : il arrive à la même classe d'actionneur par la chaîne d'articulations, le cycle de service et le budget de masse, ce qui est la voie à suivre lorsque la question est de savoir ce dont un robot humanoïde a besoin plutôt que quel modèle est le plus gros.

Deux voies adjacentes méritent d'être suivies lorsque la classe d'articulation change. Là où une articulation doit être guidée à la main, ou là où la frontière entre un kit frameless et un module scellé doit être tranchée, Moteurs BLDC pour exosquelette : moteur couple frameless ou actionneur intégré pose la comparaison directement, et la catégorie Moteurs couple frameless couvre les kits stator-rotor avec lesquels les axes de mains dextres sont habituellement construits. Là où un faible rapport est choisi pour la souplesse plutôt que pour la vitesse, Actionneurs à entraînement quasi direct : ce qu'un rapport 8:1 apporte couvre la gamme Actionneurs QDD sur cette base.

Pour le contexte plus large des relations entre classes de moteurs, Moteurs BLDC : guide des types, spécifications et choix des moteurs brushless situe l'actionneur intégré parmi les autres catégories. Pour présélectionner plutôt que pour étudier, filtrer les candidats par couple, rapport, 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, Exosquelette, Robot quadrupède et Robot de rééducation de la plateforme. La catégorie Actionneurs robotisés regroupe les huit unités comparées ici.