Optimisation de la mesure du couple dans les applications robotiques

Le marché mondial de la robotique mobile est en pleine expansion. Avec l'avènement de robots à moindre coût, plus faciles et moins chers à déployer, les robots collaboratifs ou cobots trouvent de nouvelles applications industrielles et grand public. Les cobots utilisent la détection de position et de couple intégrée dans leurs articulations pour permettre un contrôle automatisé et leur fonctionnement en toute sécurité. ISO 10218-1 est une norme internationale qui définit les exigences relatives aux directives de sécurité et de conception des robots industriels.

Cela nécessite généralement l'utilisation d'au moins un capteur de couple de force en plus de la surveillance des moteurs électriques dans les articulations. Certains cobots plus récents ont une détection de couple dans chaque articulation, comme les cobots fabriqués par Doosan et les dernières machines KUKA LBR iiwa.

En plus d'aider à répondre à la norme de sécurité ISO 10218-1, l'utilisation de plusieurs capteurs de couple permet également au fabricant de robots d'améliorer le contrôle du système avec une cinématique avancée utilisant les entrées des capteurs de couple pour compenser la masse des membres du robot et la charge utile à permettent des mouvements rapides, contrôlés et sûrs du robot.

Il existe également un marché pour les systèmes de capteurs en tant qu'accessoires ou intégrés dans des outils robotiques pour aider à contrôler le fonctionnement de l'outil. Il existe actuellement deux technologies clés pour la mesure du couple dans les applications robotiques : les capteurs à jauge de contrainte et les capteurs de déplacement.

Il s'agit de la méthode conventionnelle de mesure du couple de rotation à l'aide d'une jauge de contrainte fixée à une plaque flexible dans l'articulation du robot. Les changements de déformation, dus au couple, sont enregistrés comme des variations d'un signal électrique.

Les avantages des jauges de contrainte sont qu'elles sont relativement peu coûteuses et simples à appliquer en faible volume comme un laboratoire de test. Cependant, les jauges de contrainte dans les articulations robotiques présentent également des inconvénients, notamment :

Ils nécessitent l'utilisation de structures flexibles et quatre jauges disposées dans un circuit en pont de Wheatstone pour fournir une contrainte mesurable. Cela compromet l'intégrité mécanique du système, rendant le bras robotique moins rigide qu'il ne pourrait l'être sans les capteurs.

Les jauges de contrainte ne sont généralement pas robustes ou résistantes aux environnements difficiles et leur sortie est affectée par la température.

Ils sont sensibles aux interférences du rayonnement électromagnétique de fond et des champs magnétiques.

Cette méthode utilise généralement une paire de disques de mesure fixés aux extrémités opposées d'un arbre, «l'angle de torsion» de l'arbre est mesuré à partir de la différence de phase entre eux par une mesure optique ou magnétique. Cela permet de calculer le couple.

Le principal avantage est la possibilité de surcharger le capteur à la capacité de charge maximale de "l'arbre de torsion". Les inconvénients de cette méthode incluent:

Il nécessite une section de l'arbre de diamètre réduit appelée barre de torsion pour favoriser l'angle de torsion (plusieurs degrés au plus pour un rapport longueur sur diamètre L/D = 5) ce qui peut avoir un effet négatif sur la stabilité mécanique du système.

Il est sensible à la température.

La précision des mesures est limitée.

Il nécessite un volume d'emballage plus important en raison de la nécessité de mesurer la torsion de l'arbre le long de la barre de torsion.

Ces deux technologies existantes nécessitent un élément de torsion ou de flexion dans les articulations des robots, ce qui signifie que le bras robotique fléchira en fonctionnement. Cela peut être un facteur limitant les performances et la répétabilité du cobot.

La technologie de capteur à ondes acoustiques de surface (SAW) de Transense offre un moyen amélioré de mesurer le couple, la rotation et la température dans un système robotique, éliminant la flexion des articulations et créant un robot plus performant et plus reproductible avec des articulations plus compactes. La technologie SAW est un système de détection sans fil, passif et sans contact composé de deux composants principaux :

Le lecteur crée un signal d'interrogation qui est transmis à l'arbre rotatif via le coupleur RF. Les éléments de détection sur l'arbre ne nécessitent aucune autre source d'alimentation et fonctionnent comme un dispositif passif renvoyant un signal d'interrogation vers l'électronique du lecteur. La fréquence d'oscillation des signaux rétrodiffusés est affectée par une mesure physique telle que la déformation et la température.

Le lecteur analyse le signal rétrodiffusé reçu et calcule la valeur de la contrainte physique et de la température, la contrainte de surface de l'arbre donne une mesure précise du couple de l'arbre.

La plage de lecture des capteurs sans fil passifs est limitée par la puissance d'interrogation et dépend de la résolution requise du capteur et du taux de mise à jour. Pour une puissance d'interrogation de 10 mW et nécessitant une période de mise à jour de plusieurs dizaines de millisecondes, la plage de lecture typique du capteur n'a pas besoin de dépasser quelques mètres. Dans la plupart des applications de mesure de couple sans contact et rotatives, la distance entre l'antenne du capteur et l'antenne du lecteur n'a pas besoin d'être supérieure à 10 mm, et la période de mise à jour du couple peut être aussi courte que 100 microsecondes.

L'élément clé de l'élément de détection SAW est un petit dispositif SAW léger fabriqué sur un substrat piézoélectrique poli. L'onde acoustique de surface se propage sur sa surface libre après avoir été excitée par un Inter-Digital Transducer (IDT) miniature. L'IDT est une structure en aluminium à couche mince formée par un procédé photolithographique standard qui est utilisé pour la fabrication de circuits intégrés.

L'IDT convertit les impulsions RF électriques, avec une fréquence de centaines de MHz, en SAW et, en raison de l'effet piézoélectrique, les renvoie en un signal RF. Si l'IDT est entouré par les réseaux réfléchissants de Bragg, sous la forme de réseaux périodiques de fines bandes d'aluminium, alors l'énergie du SAW est piégée à l'intérieur de la cavité entre les réseaux et le dispositif SAW fonctionne comme un résonateur.

Lorsque la contrainte est appliquée ou que la température du substrat change, les dimensions physiques du substrat et la vitesse SAW changent également. Cela rend la fréquence de résonance sensible à la contrainte et à la température, et permet également au résonateur SAW d'être utilisé comme élément de détection de contrainte et de température.

La technologie a déjà fait ses preuves dans des applications difficiles. Par exemple, McLaren Applied fournit la technologie aux équipes et aux championnats de sport automobile à travers le monde, pour une utilisation dans les groupes motopropulseurs des voitures de course pour mesurer et gérer les performances du moteur. La technologie est utilisée par GE pour rendre son dernier moteur à turbine T901 pour les applications d'hélicoptères de défense plus efficace et réduire les coûts de maintenance.

Transense travaille également avec plusieurs fabricants de systèmes d'entraînement électrique sur le marché automobile où la technologie SAW peut être utilisée pour mesurer le couple de sortie du moteur électrique et la température du rotor afin d'améliorer le contrôle du moteur et la sécurité fonctionnelle. La capacité de la technologie SAW à mesurer des composants sans réduire leur rigidité mécanique et son haut niveau de précision et de robustesse ouvrent de nombreuses applications de détection.

Cet article a été rédigé par Ryan Maughan, directeur du développement commercial, Transense (Oxfordshire, Royaume-Uni). Pour plus d'informations, rendez-vous ici.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de juin 2023 de Tech Briefs Magazine.

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