Principes de contrôle moteur (robots)

L'utilisation des robots se généralise et joue un rôle important dans la production industrielle et l'amélioration de l'efficacité. Les robots industriels utilisent principalement des servomoteurs pour contrôler le mouvement des outils. Cet article détaille les caractéristiques des servomoteurs et les principes de contrôle correspondants pour différents types de servomoteurs.

Principe de contrôle de mouvement

Le contrôle des mouvements est étroitement lié à la robotique. Dans les applications industrielles, les robots doivent utiliser des actionneurs composés de divers moteurs pour se déplacer de manière autonome afin d'effectuer des tâches ou de saisir des outils grâce à leurs bras.

Le système de contrôle des mouvements d'un robot se compose généralement d'un contrôleur de moteur, d'un pilote de moteur et d'un corps de moteur (généralement des servomoteurs). Le contrôleur de moteur est doté de fonctions de calcul intelligentes et peut envoyer des instructions pour piloter le moteur. Le pilote peut fournir un courant de suralimentation pour piloter le moteur selon les instructions du contrôleur. Le moteur peut déplacer le robot directement, ou via un système de transmission ou un système de chaîne.

Type de sortie

Les robots mobiles sont souvent utilisés pour explorer de vastes étendues terrestres et peuvent se déplacer à l'aide de diverses hélices, pieds robotisés, roues, chenilles ou bras robotisés. Par exemple, les plateformes d'affichage NI incluent VINI, VolksBot et Isadora. Ces robots utilisent respectivement des roues Mecanum, des roues générales et des bras robotisés. Pour le contrôle embarqué, des contrôleurs temps réel et des FPGA peuvent être intégrés via des plateformes embarquées telles que NI CompactRIO. CompactRIO comprend également un châssis reconfigurable permettant diverses configurations d'E/S, notamment l'entrée de capteurs et le contrôle de moteurs.

VINI est une plateforme robotisée équipée de roues omnidirectionnelles et capable de se déplacer dans plusieurs directions. Outre les mouvements avant et arrière d'une roue traditionnelle, la roue omnidirectionnelle peut également faire pivoter l'essieu dans le sens inverse pour se déplacer dans n'importe quelle direction. Ce type de roue est déjà couramment utilisé dans des applications telles que les chariots élévateurs automatiques, qui doivent pouvoir se déplacer dans des espaces restreints.

VINI est également un robot de dessin de cartes qui effectue la planification de trajectoires et le traitement des données grâce aux contrôleurs industriels NI et au CompactRIO. Un contrôleur industriel embarqué fournit la carte à balayage laser et effectue le traitement de vision industrielle pour que le CompactRIO puisse recevoir les données des capteurs et contrôler les servomoteurs du système de caméra.

Les roues du VolksBot ont été développées par l'Institut Fraunhofer en Allemagne.

Isadora est un robot humanoïde danseur qui reçoit des données d'entrée d'humains manipulant une version réduite du robot. Il commence ensuite à bouger ses bras et son torse robotisés pour imiter les mouvements d'un robot miniature. Isadora utilise deux jeux de CompactRIO : l'un simule le mouvement enregistré, l'autre reproduit la trajectoire du robot.

Principe de contrôle du servomoteur et ses types

Les servomoteurs sont un type de moteur courant dans les applications robotiques. Le principe de base du contrôle repose sur l'utilisation d'une boucle de régulation, combinée au retour d'information moteur nécessaire, pour aider le moteur à atteindre l'état souhaité, comme la position et la vitesse. Comme le servomoteur doit connaître son état actuel via la boucle de régulation, sa stabilité est supérieure à celle du moteur pas à pas.

Il existe différents types de servomoteurs : avec et sans balais. La différence entre les servomoteurs avec et sans balais réside dans leur mécanisme de communication. Les servomoteurs fonctionnent en se déplaçant ou en créant un couple grâce à des forces magnétiques opposées. Les exemples les plus simples sont les champs magnétiques stationnaires et rotatifs. En changeant simplement le sens du courant traversant le champ magnétique, les pôles magnétiques peuvent être inversés et les pôles magnétiques (rotor) se mettent en rotation. Le changement du sens du courant dans la bobine est appelé « commutation ».

Servomoteur à balais

Le principe de commande d'un moteur à balais consiste à modifier le courant dans la bobine du moteur via le balai mécanique. Comme les moteurs à balais peuvent modifier le sens du courant entrant, ils peuvent être alimentés en courant continu (CC). Les servomoteurs à balais se divisent en deux groupes :

Le boîtier du moteur possède un aimant de champ (aimant de champ), c'est-à-dire le stator (Stator)
Le rotor est constitué de bobines avec un noyau de fer au milieu et est connecté à un transformateur de courant

Les balais entrent ensuite en contact avec le transformateur de courant, dirigeant le courant vers la bobine. Après un certain temps d'utilisation, les balais peuvent s'user et créer des frottements sur le système ; ce phénomène n'est toutefois pas observé avec les servomoteurs sans balais.

Servomoteur sans balais

La plupart des servomoteurs sans balais fonctionnent en courant alternatif (CA). Le principe de commande d'un servomoteur sans balais consiste à placer le noyau de fer à l'extérieur. Tandis que le rotor devient un aimant temporaire, le stator devient une bobine de fer. Le courant dans le circuit externe s'inverse à la position donnée du rotor. Ce servomoteur est donc entraîné en courant alternatif. Il existe également des servomoteurs CC sans balais. Ces moteurs sont généralement équipés d'un circuit de commutation électronique pour transformer le courant continu entrant. Les servomoteurs sans balais sont plus chers, mais moins sujets à l'usure.

moteur pas à pas

Dans les applications de mouvement robotique, les moteurs pas à pas ne sont pas aussi populaires que les servomoteurs, mais ils restent un type de moteur important et plus simple d'utilisation. Comparés aux servomoteurs, les moteurs pas à pas sont plus lents et plus précis. Ils intègrent une série de dents sans balais. Après le passage du courant, qui modifie la charge électromagnétique, le rotor est entraîné par la série de dents de balais suivante, et la série précédente pousse le rotor, ce qui augmente la puissance du moteur pas à pas.

Comparés aux servomoteurs, les moteurs pas à pas peuvent être contrôlés avec précision par le nombre de dents de la brosse (c'est-à-dire égal à la distance parcourue). Un retour d'information n'est donc généralement pas nécessaire. Cependant, des obstacles peuvent empêcher la brosse de fonctionner ; un codeur peut alors servir de retour d'information.

Contrôleur de mouvement et architecture logicielle

De nombreux fabricants ont développé leurs propres systèmes d'entraînement pour contrôler leurs robots. Pour envisager des systèmes de contrôle de mouvement dans des applications robotiques, il est essentiel de comprendre le cycle de maillage rudimentaire, comme illustré dans la figure ci-dessous.

Quant à la fonction de planification de mission du robot, elle consiste à faire en sorte que ses actions atteignent leur objectif final. Elle peut inclure plusieurs objectifs dans une seule commande, ou diriger le robot vers un emplacement précis. Si le robot adopte une architecture téléopérée, ces instructions sont très probablement transmises via un ordinateur externe, et les actions ou comportements ultérieurs du robot peuvent être sélectionnés manuellement. Dans un robot entièrement automatisé, la planification des tâches peut également être effectuée directement sur la carte, selon l'algorithme de prise de décision.

Lors de la planification d'un trajet, des questions telles que « Comment atteindre la destination pour accomplir cette tâche ? » ou « Comment déplacer le bras du robot jusqu'à cet endroit ? » se posent souvent. Ce type de problème peut être résolu par le contrôleur de mouvement du robot.

Une fois la destination et la vitesse de déplacement connues, le contrôleur du servomoteur envoie un signal de commande (PWM, courant, etc.) au moteur lui-même afin qu'il atteigne sa destination. Généralement, le PID est utilisé pour construire la fonction de contrôle. Il est également important d'intégrer des fonctions de sécurité à ce stade. Par exemple, si un robot se déplaçant à grande vitesse détecte un humain sur sa trajectoire, il doit envoyer un signal d'urgence pour arrêter le moteur ou freiner immédiatement.