Je souhaite construire un bras robotisé qui peut soulever une quantité utile de poids (comme 3-6 kg sur un bras qui peut s'étendre à environ 1,25 mètre). Quels sont les actionneurs disponibles pour accomplir cela. Les principaux facteurs et points de conception sont les suivants:

• Pas cher
• 5 à 6 ddl
• à monter sur une plateforme mobile encore à concevoir
• alimenté par batterie
• plus fort que les servos de loisir (au moins pour les articulations «épaule» et «coude»)
• pas lent à actionner

Les actionneurs adaptés à votre application dépendent en grande partie du type de bras de robot que vous souhaitez construire. Une fois que vous avez décidé du type de bras que vous souhaitez, vous pouvez choisir un actionneur approprié pour chaque axe .

Le bras

En supposant à partir de votre description qu'un robot à portique ne serait pas viable, alors selon votre application spécifique, vous voudrez peut-être envisager un bras SCARA par- dessus un bras articulé , ce à quoi la plupart des gens pensent lorsqu'ils pensent à un bras de robot .

Le gros avantage d'un bras SCARA est que la plus grande partie de sa force de levage réside dans ses roulements. Les articulations principales de l'épaule, du coude et du poignet (lacet) sont dans un plan plat, ce qui signifie que les moteurs n'ont besoin que d'être assez forts pour produire les forces latérales requises, ils n'ont pas besoin de supporter le poids des axes restants.

L'axe Z, le tangage et le roulis (et l'adhérence évidemment) doivent tous travailler contre la gravité, mais l'axe Z est facile à engrener suffisamment pour pouvoir supporter beaucoup de poids, et les axes de tangage, de roulis et d'adhérence doivent uniquement supporter le poids de la charge utile, pas le poids des autres axes.

Comparez cela à un bras articulé, où de nombreux axes doivent supporter le poids de tous les axes plus bas dans la chaîne cinématique .

Les actionneurs

Robots à portique

Généralement, un robot à portique utilisera des actionneurs linéaires pour les principaux axes X, Y et Z. Ceux-ci peuvent être des actionneurs de faible performance, de faible précision et de force élevée tels qu'une vis sans fin avec un servomoteur ou un entraînement pas à pas (la force et les performances peuvent être échangées mais la précision sera toujours limitée par le jeu), jusqu'à des performances élevées et une haute précision moteurs linéaires à entraînement direct avec codeurs de précision.

Le manipulateur 3DOF restant nécessitera généralement un mouvement de rotation de précision pour le tangage, le roulis et le lacet, donc généralement un moteur électrique (pas à pas ou servo), sera le plus approprié. Même un petit moteur avec un engrenage raisonnablement élevé peut résister à la gravité contre des charges assez élevées.

Un côté sur les servomoteurs contre les moteurs pas à pas

La différence entre le servo ⁽¹⁾ et le moteur pas à pas est un compromis entre la complexité et la certitude du contrôle.

Un servomoteur nécessite un codeur pour le retour de position, contrairement à un moteur pas à pas. Cela signifie qu'un stepper est électriquement beaucoup plus simple , et d'un point de vue de contrôle plus simple si vous voulez de faibles performances.

Si vous voulez tirer le meilleur parti de votre moteur (en le poussant près de sa limite), les steppers deviennent beaucoup plus difficiles à contrôler de manière prévisible. Avec le retour de position sur un servo, vous pouvez régler les performances de manière beaucoup plus agressive et puisque vous savez que s'il n'atteint pas sa position ou sa vitesse cible, votre boucle de servo pourra le découvrir et le corriger.

Avec un moteur pas à pas, vous devez régler le système afin de pouvoir garantir qu'il peut toujours faire le pas, quelle que soit la vitesse de déplacement ou le poids de la charge utile. Notez que certaines personnes suggéreront d'ajouter un encodeur pour détecter les étapes manquées sur un moteur pas à pas, mais si vous allez le faire, vous pourriez tout aussi bien avoir utilisé un servomoteur en premier lieu!

Bras SCARA

Avec un bras SCARA, l'axe Z est probablement le seul axe linéaire, tandis que les axes restants peuvent tous être réalisés avec un moteur rotatif, donc pas à pas ou un servomoteur. Le dimensionnement de ces moteurs est relativement aisé car le poids transporté est moins important pour beaucoup d'entre eux. Le moteur nécessaire pour surmonter l'inertie d'une charge est plutôt inférieur au dimensionnement pour surmonter la gravité.

Bras articulé

Avec un bras articulé, les calculs sont plus délicats, car la plupart des axes nécessiteront des actionneurs dimensionnés en fonction du déplacement et de la levée de la charge, mais encore une fois, un moteur électrique est le plus facile à contrôler et à utiliser.

La pince

Enfin, il y a la pince. C'est là que j'ai vu la plus grande variété d'actionneurs. En fonction de vos applications, vous pouvez facilement utiliser n'importe quel nombre d'actionneurs différents.

J'ai utilisé des systèmes avec des pinces motorisées traditionnelles, des pinces à actionnement linéaire, des pinces à flexion piézoélectriques , des pinces à actionnement pneumatique , des capteurs à vide et des fentes ou crochets simples, entre autres, dont beaucoup étaient spécifiques à l'application. Quelle est votre charge utile typique pourrait changer considérablement l'actionneur qui vous convient le mieux. ⁽²⁾

Faire vos calculs

Comme le suggère Rocketmagnet, vous devrez finalement sortir votre calculatrice.

Vous devrez tenir compte de la cinématique de votre système, de la charge maximale sur chaque moteur (en tenant compte du pire des cas avec le bras complètement étendu si vous utilisez une conception à bras articulé), de la vitesse (un moteur plus petit avec un engrenage plus élevé pourrait donner la force dont vous avez besoin sans la vitesse, mais un moteur plus puissant pourrait vous donner un couple plus élevé avec un engrenage inférieur et une vitesse plus élevée, etc.) et la précision de position dont vous avez besoin.

En général, plus vous investissez dans le problème, meilleures sont les performances (vitesse, précision, consommation d'énergie). Mais l'analyse des spécifications et la prise de décisions d'achat intelligentes peuvent aider à optimiser le prix / les performances de votre robot.

^{(1) Notez que mon expérience concerne les servos industriels , généralement des moteurs CC à balais ou sans balais avec un encodeur rotatif, donc cela peut s'appliquer ou non aux servos RC amateurs .}

^{(2) Je suggère de poster une autre question à ce sujet.}

Lorsque vous choisissez des actionneurs, il est instructif de commencer par calculer la puissance dont vous avez besoin au niveau de l'effecteur final. Lorsque vous dites «pas trop lent», vous devriez avoir une idée de ce que cela signifie, en particulier dans différentes conditions de charge.

Par exemple, vous pourriez dire: 6 kg à 0,2 m / s et 0 kg à 0,5 m / s

Ajoutez maintenant le poids estimé du bras: 10 kg à 0,2 m / s et 4 kg à 0,5 m / s

Calculez maintenant la puissance: 100 N * 0,2 m / s = 20 W et 40 N * 0,5 m / s = 20 W

Ainsi , la puissance de sortie maximale à l'effecteur terminal est 20W . Vous allez avoir besoin d'un actionneur qui peut produire confortablement plus de 20W.

Je vais supposer que vous finissez par décider d'utiliser un moteur électrique comme actionneur. Ce sont toujours les actionneurs de choix pour les systèmes de robots électriques puissants. (Si vous réussissez à faire fonctionner ce robot avec du fil musculaire sans brûler votre atelier, je mangerai ma souris).

Puisque vous utilisez un moteur électrique, vous utiliserez presque certainement une sorte d'engrenage. Supposons que le train d'engrenages du moteur est efficace à environ 50%. Cela signifie que vous aurez besoin d'un moteur électrique d'une puissance d'au moins 40 W. Si vous voulez que ce soit un bras fiable, je spécifierais un moteur évalué pour au moins 60W.

Ensuite, vous devez spécifier le train d'engrenages. Quel est le couple nécessaire? 100 N * 1,25 m = 125 Nm. Mais comme d'habitude, vous devez spécifier plus de couple que cela pour le train d'engrenages, notamment parce que vous aurez besoin d'un couple de rechange pour pouvoir accélérer la charge vers le haut. Sélectionnez un train d'engrenages qui peut supporter plus que la charge nominale.

Enfin, assurez-vous que le couple du moteur multiplié par le rapport d'engrenage multiplié par l'efficacité dépasse votre couple requis, mais pas la charge d'engrenage maximale.

Plate-forme mobile: Un actionneur linéaire électromécanique peut être un bon choix pour un actionneur léger qui peut être monté sur une plate-forme mobile.

Alimenté par batterie: Un actionneur linéaire électromécanique est un bon choix par rapport aux servomoteurs, car les actionneurs linéaires ne tirent de l'énergie que lorsqu'ils se déplacent, et ils n'ont pas besoin d'énergie pour maintenir leur position.

5-6 DoF: Il peut être difficile d'y parvenir en utilisant un actionneur linéaire électromécanique, car ils sont complexes et ont une amplitude de mouvement limitée

Vous pouvez essayer des actionneurs linéaires sur www.firgelli.com. Ils ont également des actionneurs linéaires miniatures, qui sont bons pour une application à petite échelle.

Concept de conception mécanique pour bras utilisant un actionneur linéaire: La plupart des équipements de terrassement ont un actionneur hydraulique linéaire. Certains des joints pour actionneur linéaire peuvent être mis en œuvre dans cette ligne.

Il y a deux autres facteurs à considérer: la complexité et le coût.

Bras robotique industriel comme ça

bras robotique industriel http://halcyondrives.com/images/robotic_arm.png
^{Image de http://halcyondrives.com}

utiliser normalement le couple de la boîte de vitesses pour entraîner directement le joint, pensez maintenant au couple que la réduction de vitesse devrait supporter et à la taille / au poids? C'est simple, énorme et cher, leurs matériaux doivent supporter un couple énorme.

$600Kgf/cm$

Certaines solutions utilisées par l'industrie

Engrenage à ondes de contrainte ou entraînement harmonique

^{Image de http://commons.wikipedia.org}

$200:1$$~ 10:1$

Mais ce type d'engrenage est très coûteux et complexe.

Ressorts et contrepoids

^{Image de http://www.globalrobots.ae}

Une autre solution, même simple, consiste à ajouter des contrepoids comme vous le voyez sur l'image. Cela a un lien pour agir à la fois sur l'avant-bras (j'oublie le nom) et dans le bras. Les ressorts aideront également, et s'ils sont montés sur le même axe de l'articulation mais un peu décalés, ils mettront plus de force à mesure que le bras s'allonge.

Solutions économiques et moins complexes pour le système d'entraînement mécanique

Maintenant, pour des solutions moins coûteuses et moins complexes, ce que je devrais penser est de supprimer le couple élevé au niveau de la transmission par engrenages, afin que vous puissiez utiliser des matériaux moins chers. Pour un entraînement électronique pur, ce serait un actionneur linéaire .

Il existe une variété d'actionneurs linéaires. Mais l'idée est qu'il faudra moins de force (selon les points du bras auquel il est attaché).

• Type "écrou" et à vis-mère

Ce type d'actionneur comporte de nombreux sous-types, ce qui affecte l'efficacité, l'usure, la force et bien plus encore. Mais en général, ils ont une force élevée et une vitesse relative lente à moyenne (cela dépendra à nouveau du type, il peut varier rapidement, comme ceux utilisés sur certains simulateurs de plate-forme de mouvement).

Plateforme de mouvement 6 dof avec actionneurs linéaires électriques http://cfile29.uf.tistory.com/T250x250/195BAD4B4FDB0AF104C30F .

Les actionneurs linéaires électriques remplacent les actionneurs linéaires hydrauliques dans cette application, et ils doivent être rapides et solides, certains simulateurs pèsent facilement plus de 2 tonnes.

• Entraînement par courroie ou chaîne

Pour plus de vitesse et d'autres méthodes simples, l'entraînement par courroie ou par chaîne est comme ça

^{Image de http://images.pacific-bearing.com}

C'est bien sûr un modèle industriel, c'est un bricolage, et il en a plus pour l'application: (oui, il a de la place pour beaucoup d'amélioration, mais c'est une bonne forme pour montrer à quel point il peut être rapide et solide même dans cette conception. ). http://bffsimulation.com/linear-act.php

$50Kgf/cm$$50Kgf$

De plus, les roulements de cet actionneur devront supporter la plupart des forces radiales, alors que dans une "vis et un écrou", le roulement aura la plus grande force axiale. Donc, selon la force, vous devez utiliser un roulement à billes de poussée .

Je pense que votre meilleur pari serait des servos de loisir réguliers, s'ils n'ont pas assez de couple, utilisez plusieurs servos en parallèle sur le même joint. Une bonne option serait les servos Dynamixel de Robotis, mais ils sont plus chers que les servos hobby, et vous devrez pirater le protocole de communication car ils sont contrôlés par ttl / rs232 / rs485, ou utiliser un convertisseur usb2dynamixel (ou usb2ax). Les avantages sont leur couple, leur vitesse et leur précision.