Servomoteurs intégrés pour robots mobiles

Au cœur du développement des usines intelligentes

Les robots mobiles sont un élément de l’industrie 4.0 et de l’Internet des objets en constante évolution. Les robots mobiles, qui sont au cœur du développement des usines intelligentes, transportent les matériaux d’un endroit à un autre. Cela permet au personnel physique de se concentrer sur des tâches plus complexes et importantes. Des systèmes logiciels centraux connectent plusieurs robots mobiles entre eux. Grâce à une intelligence artificielle avancée soutenue par des logiciels et des composants de pointe, les robots mobiles peuvent également communiquer entre eux, percevoir les personnes et les objets qui les entourent et y réagir automatiquement.

Les principales classifications applicables aux robots mobiles sont les suivantes : robots mobiles autonomes (AMR) et véhicules à guidage automatique (VGA). Il existe de nombreux types de robots mobiles autonomes et semi-autonomes sur le marché. Quel que soit le niveau d’autonomie spécifique, les robots mobiles sont essentiellement destinés à transporter du matériel d’un endroit à un autre. Le mouvement du robot est initié par des moteurs électriques qui entraînent les moteurs d’entraînement principaux, afin d’obtenir un mouvement avant et arrière et de le commander. Des moteurs électriques sont également utilisés pour les arbres de manutention, afin de soulever, serrer et saisir la charge, tout en la déplaçant.

Les robots mobiles sont souvent équipés de moteurs à induction CC ou CA à balais, généralement en raison de leur faible coût. Cependant, en matière de couple, d’efficacité, de contrôle de la vitesse et de longévité, rien ne vaut un servomoteur sans balais. Les servomoteurs sans balais offrent naturellement un contrôle de la vitesse et un positionnement plus précis que les moteurs à induction CA. Sans balais exposés à l’usure, ils fonctionnent sans entretien pendant des années.

Les servomoteurs intégrés permettent de libérer de l’espace dans les boîtiers des robots compacts.

Le servomoteur intégré, une variante du servomoteur sans balais, gagne en popularité dans les applications de robotique mobile, car il prend moins de place et réduit les coûts de développement. Les servomoteurs intégrés combinent le servomoteur et le contrôleur électronique du moteur (entraînement ou amplificateur inclus) dans un seul boîtier, pour économiser de l’espace et éliminer le câblage. Un servomoteur intégré comprend généralement un dispositif électronique de commande, monté à l’arrière du moteur, à proximité du système de rétroaction et/ou le long d’un des côtés du moteur. Les connecteurs d’alimentation, de communication et des E/S sont également situés à l’arrière ou sur le côté du moteur. Ils sont généralement regroupés sur une même surface. Aucun autre dispositif électronique externe n’est requis pour actionner ou commander le moteur. Les signaux de commande de l’unité centrale de traitement du robot mobile peuvent être transmis directement au servomoteur intégré, par câble.

Fig. 1 : Un servomoteur intégré typique indique l’emplacement du contrôleur et des connecteurs par rapport au servomoteur.

Espace précieux

Le servomoteur et le contrôleur étant combinés dans un seul ensemble intégré, il n’est pas nécessaire de monter de contrôleur de moteur externe dans le boîtier du robot mobile. Cela permet d’économiser un espace précieux. Le robot peut ainsi être produit dans un format plus compact. L’intégration du contrôleur du moteur dans le boîtier du moteur permet également d’éliminer les câbles d’alimentation moteur et de rétroaction, habituellement nécessaires pour connecter un servomoteur séparé à son contrôleur externe. Selon la taille du servomoteur, la quantité de câbles nécessaires peut être importante. Éliminer ces câbles permet de libérer de l’espace dans le robot et d’y placer d’autres mécanismes de manutention, capteurs ou composants opérateur-interface. La figure 2 montre les économies d’espace sur un servomoteur intégré par rapport à un système d’asservissement traditionnel, avec moteur et contrôleur séparés.

Fig. 2 : L’utilisation d’un servomoteur intégré, au lieu d’un système d’asservissement traditionnel, permet d’éliminer le contrôleur du moteur externe et les câbles d’alimentation et de rétroaction.

Moins de pièces = coûts réduits

Le cycle de conception d’un robot nécessite que les différents moteurs électriques, actionneurs des fonctions de transport de matériel et autres composants du système soient placés dans un espace restreint. Le retrait du contrôleur du moteur externe de la nomenclature permet d’économiser de l’espace et de l’argent, l’électronique de commande intégrée étant généralement moins chère que les contrôleurs de moteurs externes. Le problème de l’emplacement et du câblage du contrôleur du moteur externe ne se posant plus, les itérations de conception sont plus rapides pendant le processus de développement. La commande du moteur n’est plus une préoccupation centrale pour les concepteurs, qui peuvent accorder davantage d’attention aux composants des systèmes hors moteur. Cette logique s’applique aux arbres d’entraînement et de levage, car les concepteurs peuvent choisir d’utiliser des moteurs intégrés sur l’ensemble du robot, ce qui permet d’économiser de l’espace et de l’argent sur tous les arbres du moteur.

Options d’interface multiples

Les interfaces électriques d’un servomoteur intégré sont simples et ne nécessitent que trois types de signaux :

Alimentation CC de la batterie.
Signaux de commande de l’unité centrale de traitement.
E/S numériques, si nécessaire.

Des points d’E/S locaux sur le moteur intégré sont disponibles, si l’utilisateur préfère que des signaux discrets soient envoyés directement au servomoteur intégré, plutôt qu’à l’unité centrale de traitement. Les circuits d’activation ou de désactivation d’urgence câblés peuvent être cités en exemple. Les sorties numériques du servomoteur intégré peuvent alimenter des voyants lumineux ou d’autres équipements d’interface de commande. L’E/S numérique sur l’arbre du moteur n’est pas indispensable pour chaque robot, mais est disponible si nécessaire.

Les contrôleurs embarqués des servomoteurs intégrés disposent des mêmes interfaces de commande que les contrôleurs de moteurs externes, y compris les connexions CANopen, RS-485, Modbus et Ethernet, ainsi que les interfaces E/S discrètes de type « impulsion/direction ». Quelle que soit l’interface de commande, le facteur de forme du servomoteur intégré demeure inchangé. La figure 3 offre une vue d’ensemble des différentes options de signaux de commande disponibles pour les servomoteurs intégrés.

Fig. 3 : Les différentes options pour les signaux de commande ne modifient pas la taille ou le poids du servomoteur intégré.