Types d'articulations de robots et degrés de liberté : Guide complet d'ingénierie

Grâce aux progrès de la fabrication et de l'automatisation, les robots sont devenus courants dans les systèmes de précision. On utilise désormais des robots humanoïdes capables de percevoir et d'interagir dans des environnements similaires à ceux des humains. Les articulations et les degrés de liberté de ces robots sont des éléments fondamentaux. Ce guide présente des informations complètes sur les articulations et les degrés de liberté des robots et explique comment elles sont fabriquées par usinage CNC.

Que sont les articulations robotiques ?

Les articulations d'un robot sont des liaisons mécaniques entre des éléments rigides qui permettent un mouvement relatif. Les éléments rigides et les articulations sont les composants de base d'un robot. Les éléments rigides sont les liaisons qui permettent le mouvement entre ces éléments. Ainsi, une articulation de robot est un composant qui permet le mouvement entre les éléments rigides.

Quels types de robots utilisent des articulations ?

Les articulations ne sont pas utilisées dans tous les robots car elles constituent le lieu du mouvement. Elles servent uniquement à obtenir des mouvements contrôlés et prévisibles. Les robots suivants utilisent des articulations :

• Robot humanoïde
• Robots industriels
• Robots de service
• Cobots

L'usinage CNC est-il adapté aux articulations de robots ?

Les articulations robotiques sont importantes car elles garantissent un mouvement précis et isolé, un nombre de degrés de liberté limité et maîtrisable, ainsi qu'une fabrication et un assemblage aisés. Ces pièces exigent donc une grande précision et des tolérances serrées, ce qui explique pourquoi la quasi-totalité d'entre elles sont fabriquées par usinage CNC.

Composants des articulations de robot

Les articulations robotiques comprennent de nombreux composants. Nous allons ici explorer ces composants clés et leurs fonctions. Dotés de caractéristiques différentes, ils sont généralement fabriqués par diverses techniques d'usinage CNC telles que le tournage, le fraisage ou le perçage.

Interface de liaison

Il s'agit d'une zone de contact conçue à cet effet entre deux éléments robotiques au niveau d'une articulation. Elle est conçue pour assurer un mouvement contrôlé, transmettre des charges et garantir l'alignement.

Interface de liaison pour le tournage et le fraisage CNC

Les tours CNC offrent des fonctionnalités d'interface rotative grâce à des opérations de dressage, d'ébauche et de rainurage, etc. Ces fonctionnalités incluent :

Arbre

• bossages cylindriques
• Sièges de roulement
• Fraisage CNC

Cette opération CNC sert à fabriquer la géométrie de l'interface. Ces éléments axisymétriques comprennent :

• face de montage plate
• Agencement des trous de boulons
• Fentes, rainures de clavette
• Boîtiers de roulements

Le fraisage en bout, le fraisage de poches et le perçage, etc., sont utilisés dans les opérations de fraisage.

Roulement

Un composant intermédiaire entre deux liaisons, chargé de supporter le mouvement jusqu'au degré de liberté souhaité et de supporter la charge tout en assurant un minimum de frottement et d'usure.

Roulement de rectification CNC

La rectification CNC est un procédé de finition utilisé dans la fabrication des roulements. Elle permet d'atteindre une tolérance serrée de +/- 10 µm et un état de surface Ra de 1.6 à 3.2 µm.

Actuateur

Cette partie d'une articulation de robot est responsable de la conversion de l'énergie électrique ou hydraulique en mouvement mécanique au niveau de l'articulation. Elle génère un couple dans les articulations de robots, comme dans les articulations rotatives ou prismatiques.

Mécanisme de transmission

Il s'agit d'un système d'articulations robotiques qui transfère et modifie le mouvement de l'actionneur à la sortie de l'articulation.

Usinage CNC pour mécanisme de transmission

L'usinage CNC pour ce système désigne la fabrication de ses pièces, telles que les engrenages, les arbres, etc. Par exemple :

• Tournage CNC pour ébauches d'engrenages, arbres
• Fraisage CNC pour dents d'engrenage, carters
• Rectification CNC pour surfaces de roulement

Housing

Le carter est un élément structurel qui maintient l'ensemble des composants internes, notamment le mécanisme de transmission et les articulations. La plupart des carters sont fabriqués par usinage CNC.

Sensor

Il mesure des paramètres spécifiques, comme la position, la vitesse, le couple, etc. Il transmet ces informations au système de contrôle du robot, qui produit un mouvement articulaire précis et sûr.

Fonctions des articulations robotiques

Les articulations d'un robot remplissent les fonctions suivantes :

Activer le mouvement

Dans un robot, les articulations sont reliées à un système d'actionnement, qui peut être un actionneur hydraulique ou un vérin pneumatique. Lorsqu'il envoie une commande, l'actionneur génère un couple, ce qui provoque le mouvement de l'articulation. Les articulations reliant deux segments, le mouvement est transmis au segment suivant de la chaîne.

Position de contrôle

Les articulations robotisées combinent actionneurs, capteurs et systèmes de contrôle qui fonctionnent en étroite boucle pour permettre un mouvement précis et répétable, et un arrêt précis à cet endroit.

• Les actionneurs déplacent les articulations
• Les capteurs fournissent un retour d'information en temps réel
• Les contrôleurs ajustent le mouvement pour minimiser l'erreur et atteindre un positionnement précis.

Charges de support

Les articulations des robots ne se contentent pas de supporter le poids des pièces, elles équilibrent également les mouvements continus, le couple et la force. Ceci est réalisé par :

Équipement:  transmettre et multiplier le couple

Palier : porter la charge physique

Structure: Répartissez la contrainte

Moteur: actionner le mouvement

Activer la flexibilité

En robotique, la flexibilité désigne la capacité d'une articulation à permettre des mouvements précis et multidirectionnels. Cette flexibilité est assurée par les degrés de liberté (DDL), chaque articulation possédant ses propres DDL. Le support est ensuite fourni par des engrenages et des roulements.

Que sont les degrés de liberté en robotique ?

En robotique, les degrés de liberté désignent le nombre de directions dans lesquelles un robot peut se déplacer indépendamment, sans aucune restriction. Par exemple, un robot possédant 1 degré de liberté ne peut se déplacer que dans une seule direction, à savoir la rotation.

Comment le degré de liberté détermine les capacités du robot

Les capacités désignent les types de fonctions qu'un robot peut exécuter. Le nombre de degrés de liberté (DOF) détermine directement l'espace de travail du robot. Plus le nombre de DOF est élevé, plus le robot est performant. Par exemple, un robot à 6 DOF peut se déplacer indépendamment dans 6 directions différentes : rotation, montée, descente, droite, gauche, etc.

Nombre typique de degrés de liberté dans les robots (4, 5, 6, 7 degrés de liberté)

Les robots possèdent généralement 3, 4, 6 ou plus de 7 degrés de liberté (DOF). Leurs domaines d'application varient en fonction de ce nombre. Par exemple, un robot à 4 DOF est utilisé dans des systèmes simples, comme la palettisation, tandis qu'un robot à 7 DOF ou plus est utilisé dans des applications complexes, comme les robots humanoïdes. Robots humanoïdes dotés de degrés de liberté plus élevés S'appuyer sur l'usinage CNC pour produire des composants d'assemblage précis et complexes.

Pourquoi 6 degrés de liberté est la norme industrielle

La norme 6 DOF est devenue la norme industrielle pour les robots grâce à la maturité de ses logiciels, de ses outils, de ses dispositifs de fixation et à sa facilité d'intégration dans les lignes de production. Elle assure la compatibilité avec diverses tâches telles que le soudage, l'usinage et l'assemblage.

Types d'articulations robotiques

Il existe plusieurs types d'articulations robotiques, classées selon leur degré de liberté. Par exemple, les articulations à un seul degré de liberté sont différentes de celles à deux degrés de liberté.

Un seul degré de liberté

Un seul degré de liberté signifie qu'une articulation ne peut se déplacer indépendamment que dans une seule direction. Autrement dit, elle ne peut que pivoter ou se déplacer horizontalement ou verticalement. Ce type d'articulation est utilisé dans des applications simples.

Joint tournant

Cette articulation permet la rotation d'un robot autour d'un axe fixe. Il peut s'agir, par exemple, d'une charnière. Elle possède un seul degré de liberté. On la retrouve fréquemment dans les bras robotisés, notamment pour les opérations de prélèvement et de placement ou de soudage.

Joint prismatique

Cette articulation permet un mouvement rectiligne autour d'un axe fixe. Elle possède un degré de liberté. Elle est utilisée dans les robots cartésiens pour des applications telles que les machines CNC, les imprimantes 3D, etc.

Deux degrés de liberté

Deux degrés de liberté signifient qu'une articulation ne peut se déplacer indépendamment que dans deux directions. Autrement dit, elle peut pivoter et se déplacer en translation. Ce type d'articulation est utilisé dans les applications multifonctionnelles.

Joint cylindrique

Il s'agit d'une paire cinématique utilisée en robotique, offrant un degré de liberté en rotation et un degré de liberté en translation. Elle s'apparente à un axe inséré dans un cylindre creux, pouvant coulisser et pivoter simultanément. En d'autres termes, c'est une combinaison d'articulations rotatives et prismatiques.

Joint universel

On l'appelle aussi articulation en U et elle offre deux degrés de liberté, mais elle est complètement différente d'une articulation cylindrique. Elle permet deux mouvements angulaires indépendants : l'inclinaison avant/arrière et l'inclinaison gauche/droite. Le poignet humain, qui se plie vers le haut/bas et vers la gauche/droite, en est un exemple classique.

Joint planaire

Une articulation plane permet à un robot de se déplacer selon deux degrés de liberté : la translation le long de l’axe X et la translation le long de l’axe Y. Le mouvement est limité aux surfaces planes.

Trois degrés de liberté

Trois degrés de liberté signifient un mouvement indépendant dans trois directions différentes, par exemple selon les axes X, Y et Z.

Joint sphérique

Une articulation sphérique est constituée d'un élément sphérique (la bille), permettant une rotation multidirectionnelle. Cette articulation assure une rotation indépendante selon les axes X, Y et Z, ce qui en fait une articulation sphéroïde dans le corps humain, comme l'épaule ou la hanche.

Articulations composées

Comme son nom l'indique, il s'agit d'une combinaison de deux ou plusieurs articulations simples, telles que des articulations rotatives, prismatiques, sphériques, etc. Elle peut réaliser des trajectoires complexes dans un petit volume.

Systèmes robotiques à plus de 3 degrés de liberté

Il existe une différence entre les degrés de liberté (DDL) d'une articulation robotique et ceux d'un système robotique. Une articulation robotique possède au maximum 3 DDL, tandis qu'un système robotique peut en avoir davantage. Plus de 3 DDL permettent le contrôle de la position et de l'orientation. Un bras robotique industriel à 6 DDL est un exemple courant de ce type de système.

Comparaison des articulations robotiques

Matériaux courants pour les articulations de robots

Les articulations robotiques sont des éléments essentiels au bon fonctionnement des robots ; les matériaux sélectionnés doivent donc présenter de bonnes propriétés mécaniques et une bonne usinabilité. Les matériaux suivants offrent une bonne combinaison de propriétés mécaniques et d’usinabilité :

Alliages d'aluminium

Les alliages d'aluminium les plus couramment utilisés dans le domaine des articulations robotiques sont le 6061-T6, le 7075-T6 et le 2024-T3/T4 (utilisé pour le boîtier et la structure). Ces alliages sont particulièrement performants lorsqu'un bon rapport résistance/poids est requis. Grâce à leur couche passive naturelle, ils sont adaptés aux environnements corrosifs. Ils offrent une bonne conductivité thermique et une bonne usinabilité.

Alliages de titane

L'utilisation des alliages de titane est limitée dans l'industrie robotique en raison de la difficulté d'usinage et du coût élevé. Ils sont employés uniquement dans les robots aérospatiaux et pour la fabrication d'articulations robotiques critiques de haute performance. L'alliage de titane le plus couramment utilisé dans ces articulations est le Ti-6Al-4V, qui offre un bon compromis entre résistance mécanique, résistance à la fatigue et résistance à la corrosion.

Articulations de robot en acier inoxydable

Alliages d'acier inoxydable courants Les aciers inoxydables 304, 316/316L et 17-4 PH sont utilisés dans la fabrication de revêtements, de pièces externes, de robots alimentaires et pour les environnements marins. Bien que présentant une bonne usinabilité, leur écrouissage peut parfois s'avérer complexe.

Plastiques techniques

Les plastiques techniques comprennent le Téflon, le Nylon (PA6), etc. Ces plastiques présentent des propriétés mécaniques supérieures aux plastiques simples et sont particulièrement adaptés à l'amortissement des vibrations. On les utilise notamment pour la fabrication de patins de glissement, de revêtements et de bagues.

Comment fabriquer des articulations de robot

Les articulations des robots sont des éléments essentiels qui assurent la production efficace du couple et la transmission du mouvement à l'ensemble du corps. De ce fait, leur usinage exige une grande précision et des tolérances très serrées. L'usinage CNC est couramment utilisé pour atteindre ce niveau de précision dimensionnelle.

Techniques courantes d'usinage CNC pour les articulations de robots

Les procédés d'usinage CNC courants utilisés pour le fabrication d'articulations robotiques y compris le fraisage, le perçage, le tournage et l'usinage hybride.

• Le fraisage est utile pour les formes simples comme les supports, les brides et les logements de joints. C'est une méthode standard pour la fabrication de pièces prismatiques et planes.
• Le perçage est utilisé pour les trous taraudés et les emplacements de fixation dans les composants d'assemblage.
• Le tournage est utilisé pour fabriquer des composants cylindriques, tels que des arbres, des axes et des bagues.
• Usinage 5 axes : Opération CNC avancée utilisée pour la fabrication de pièces complexes. Elle permet un déplacement selon les axes X, Y et Z, ainsi qu’une rotation autour des axes X et Y. Un logement de joint universel avec alésages internes surfacés et brides de fixation nécessite un usinage 5 axes pour atteindre toutes les surfaces avec précision en une seule opération.

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Conception des articulations robotisées pour l'usinage CNC

Pour obtenir une plus grande précision dans l'usinage CNC, la conception des articulations du robot peut être optimisée de deux manières :

Optimisation de la géométrie des articulations du robot

La géométrie de l'articulation du robot peut être optimisée par :

• Concevoir la pièce en tenant compte des exigences fonctionnelles
• Réduisez la complexité d'usinage en évitant les cavités, les contre-dépouilles, etc.
• Veillez à conserver une épaisseur de paroi suffisante pour éviter toute déformation lors de l'usinage CNC.

Choisir la tolérance appropriée

• Il faut d'abord comprendre la différence entre la tolérance dimensionnelle et la tolérance géométrique.
• Sélectionnez la tolérance en fonction des exigences fonctionnelles ; une tolérance plus élevée est recommandée pour une application critique.
• Sélectionner la tolérance en fonction des capacités de fabrication
• Utilisez toujours les tolérances standard.

Traitement de surface pour articulations de robots

Après usinage, le traitement de surface des robots est essentiel pour garantir leur résistance à la corrosion et à la fatigue. Les procédés suivants sont couramment utilisés pour le traitement de surface :

Anodisation des articulations de robots en aluminium

L'anodisation est un procédé électrochimique où les joints en aluminium du robot servent d'anode. L'aluminium réagit avec l'oxygène.₂ et forme une couche d'Al plus dure et passive₂O₃Cette couche assure une résistance à la corrosion et à l'usure, ainsi qu'une isolation électrique et une excellente finition de surface.

Joints de robots en acier nickelé

Ce procédé électrochimique consiste à déposer du nickel sur les articulations en acier des robots. Le nickelage offre un revêtement uniforme et est couramment utilisé pour les articulations robotiques complexes. Il constitue une barrière contre le grippage et le blocage, et assure une résistance à la corrosion et à l'usure.

Articulations de robot en acier à oxyde noir

Ce traitement chimique est réalisé dans un bain de sel alcalin à 140 °C - 150 °C, formant une couche de magnétite (Fe3O4) en surface. Celle-ci protège contre la fragilisation par l'hydrogène et réduit le frottement.

Conclusion

Les articulations robotiques sont des éléments essentiels d'un robot, assurant diverses opérations telles que la transmission d'informations au système, la production de mouvements, etc. Dotées de différents degrés de liberté, elles peuvent se déplacer indépendamment dans des directions spécifiques. Usinées par commande numérique (CNC), ces pièces garantissent un ajustement précis et une efficacité optimale pour des fonctions sûres et précises. La plupart des articulations robotiques sont fabriquées en alliage d'aluminium, notamment alliage 6061 et 7075.

QFP

Quels sont les deux types d'articulations qui permettent la rotation ?

Les articulations rotatives et sphériques sont deux types d'articulations permettant la rotation.

Quelle est la différence entre un maillon et une articulation en robotique ?

Un maillon relie deux ou plusieurs articulations, tandis qu'une articulation est une connexion mobile entre deux maillons qui permet un mouvement relatif.

Comment fonctionnent les articulations des robots ?

Elles permettent aux segments du robot de se déplacer les uns par rapport aux autres, ce qui lui permet d'effectuer des tâches. Elles fonctionnent en :

• Transmission du mouvement
• Offrir des degrés de liberté
• Contrôle de la pose du robot