Les ingénieurs spécialisés dans les robots marcheurs sont confrontés à de gros problèmes lorsqu'ils conçoivent des systèmes de moteurs à engrenages pour des robots dotés de jambes. La plupart des nouveaux robots bipèdes, comme le robot LEO, utilisent des entraînements électriques avec des engrenages proches du corps. Cette configuration allège les jambes et permet au robot de se déplacer avec plus de contrôle et de vitesse. Les robots bipèdes et autres robots à jambes doivent résoudre de nombreux problèmes pour se déplacer correctement :

• Le contrôle des mouvements est difficile en raison de la dynamique délicate et des nombreuses façons dont le robot peut se déplacer.

• Garder l'équilibre en utilisant le contrôle moteur stratifié et les idées basées sur les réflexes.

• Veiller à ce que le robot économise de l'énergie et reste stable, en particulier lorsqu'il se déplace sur un terrain accidenté.

• Utilisation du retour d'information sensoriel pour aider le robot à marcher de manière stable.

Des pièces bioinspirées, des plans de contrôle intelligents et une bonne utilisation de l'énergie sont très importants pour améliorer les mouvements bipèdes. Les ingénieurs et les amateurs peuvent utiliser ces idées pour faire marcher les robots de manière stable, sûre et intelligente.

Principaux enseignements

• Les robots marcheurs doivent garder un bon équilibre et utiliser des commandes intelligentes pour marcher en toute sécurité sur de nombreuses surfaces. Le choix des meilleurs moteurs et rapports de transmission permet aux robots de se déplacer rapidement et de transporter des objets lourds. L'utilisation de capteurs tels que les capteurs de force et les accéléromètres aide les robots à modifier leurs pas et à ne pas tomber. Une bonne conception mécanique et des pièces économes en énergie permettent aux robots de durer plus longtemps et de mieux fonctionner. Les robots bipèdes sont plus légers et plus rapides, mais nécessitent un contrôle minutieux. Les robots quadrupèdes sont plus stables et se comportent mieux sur les terrains accidentés.

Besoins en locomotion des robots marcheurs

Stabilité et équilibre

La stabilité est très importante pour les robots dotés de jambes. Les ingénieurs doivent fabriquer des robots capables de rester en équilibre sur un sol plat ou cahoteux. Les robots doivent modifier la largeur et la longueur de leurs pas pour éviter de tomber. Cela est d'autant plus important lorsque le sol change. Le maintien de l'équilibre latéral est plus important que le mouvement avant-arrière. Les endroits réels peuvent être délicats, les robots doivent donc réagir rapidement pour rester stables. L'entraînement cinématique des jambes et les actionneurs bioinspirés aident les robots à gérer les bosses et les différentes surfaces. Ces idées aident les robots à rester en équilibre et à ne pas tomber, même lorsqu'ils se heurtent à des objets.

Conseil : essayez d'utiliser le contrôle d'impédance de l'espace de travail et le contrôle d'admittance hybride. Elles permettent aux robots de rester en équilibre s'ils se heurtent à quelque chose en marchant.

Puissance et couple

Puissance et couple sont nécessaires pour que les robots marchent bien. Le robot a besoin d'une force suffisante pour soulever et déplacer son corps. Les actionneurs et les réducteurs travaillent ensemble pour donner à chaque articulation le couple adéquat. Dans les robots bipèdes et quadrupèdes, le système d'alimentation fournit de l'énergie aux moteurs. Les ingénieurs choisissent des rapports d'engrenage qui équilibrent la vitesse et la force. Cela permet aux robots de bien se déplacer sur tous les types de terrain. Les actionneurs bioinspirés dotés d'une élasticité en série permettent d'absorber les chocs et de réduire les erreurs. Ils permettent également d'économiser de l'énergie. Les robots se déplacent ainsi mieux et restent stables dans la vie réelle.

Précision et efficacité

La précision et l'efficacité permettent aux robots de mieux marcher. De bons réducteurs et boîtes de vitesses permettent aux ingénieurs de bien contrôler le couple et la vitesse. Les robots marchent ainsi plus en douceur et commettent moins d'erreurs. Les systèmes de moteurs à engrenages efficaces consomment moins d'énergie et durent plus longtemps. Ils nécessitent également moins de réparations. Les moteurs sans noyau, les moteurs à courant continu sans balais et les servomoteurs présentent tous des avantages pour les robots dotés de jambes. Le choix des bonnes pièces permet aux robots de se déplacer correctement et de ne pas gaspiller d'énergie. Les conceptions économes en énergie permettent aux robots de travailler plus longtemps et d'accomplir plus de tâches chaque jour.

Locomotion bipède Moteurs à engrenages

Types de moteurs

Les ingénieurs doivent choisir les bons motoréducteurs pour les robots bipèdes. Les types de moteurs les plus utilisés pour ces robots sont les suivants :

• Moteurs à courant continu: Ces moteurs déplacent les jambes ou les articulations du robot. Ils fournissent une force importante et peuvent être bien contrôlés à l'aide de capteurs. Les moteurs à courant continu permettent au robot de marcher en douceur et de réagir rapidement.

• Servomoteurs : De nombreux robots utilisent des servomoteurs pour déplacer leurs articulations. Les servomoteurs sont petits et simples à utiliser. Ils permettent au robot de bouger ses jambes selon des angles précis, ce qui est important pour la marche.

• Moteurs pas à pas : Les moteurs pas à pas aident le robot à déplacer ses jambes au bon endroit. Ils peuvent rester en place sans force supplémentaire. Cela permet au robot de s'arrêter ou de s'équilibrer lorsqu'il marche.

• Actionneurs linéaires : Ils permettent aux pièces de se déplacer en ligne droite. Les ingénieurs les utilisent avec d'autres moteurs pour étirer ou reculer les jambes. Cela permet au robot de marcher de plusieurs façons.

• Actionneurs pneumatiques ou hydrauliques : Les gros robots les utilisent parfois. Ils exercent une grande force, ce qui aide le robot à soulever des objets lourds ou à marcher sur des terrains accidentés.

Conseil : Pensez au poids du robot, au nombre d'articulations qu'il possède et à la vitesse à laquelle vous voulez qu'il marche. Essayez différents moteurs pour déterminer celui qui convient le mieux à votre robot.

Couple et vitesse

Le couple et la vitesse sont très importants pour la marche des robots bipèdes. Les rapports de démultiplication modifient la vitesse et la force de déplacement des jambes du robot. Les ingénieurs doivent trouver la bonne combinaison pour que le robot marche bien.

• Les petits rapports de vitesse permettent aux pattes de se déplacer plus rapidement. Ils utilisent le poids du robot pour faciliter le déplacement, ce qui facilite le mouvement de va-et-vient des pattes. C'est une bonne chose pour les pas rapides et légers.

• Les rapports de démultiplication importants permettent au robot de supporter un poids plus important. Ils donnent plus de force mais ralentissent le mouvement des jambes. C'est mieux pour les mouvements lents et forts, comme le maintien du corps du robot.

• Les actionneurs à rapport d'engrenage variable (VGA) peuvent passer d'un réglage rapide à un réglage fort. Cela permet au robot de choisir la meilleure vitesse ou la meilleure force pour chaque partie de la marche. Par exemple, il peut bouger la jambe rapidement lorsqu'il se balance et utiliser plus de force lorsqu'il se tient debout.

• Les algorithmes de contrôle peuvent choisir eux-mêmes le meilleur rapport de vitesse. Cela permet au robot de consommer moins d'énergie et de mieux fonctionner en marchant.

• Le changement de rapport de vitesse pendant la marche permet au robot de se déplacer rapidement et de porter de lourdes charges. Le robot peut ainsi mieux gérer les bosses et les changements de terrain.

Remarque : Essayez toujours les rapports de vitesse avec le contrôleur de votre robot. Modifiez les rapports en fonction de la façon dont votre robot marche et du terrain sur lequel il marchera.

Contrôle et capteurs

Un bon contrôle et de bons capteurs sont nécessaires pour assurer la sécurité de la marche bipède. Les ingénieurs utilisent le retour d'information en temps réel pour que le robot reste stable et rapide.

Les études montrent que les accéléromètres et les capteurs de force sont les plus efficaces pour le retour d'information des robots bipèdes. Ces capteurs mesurent des éléments tels que l'angle des articulations, la vitesse, la position des jambes et les mouvements du poids du robot. Ces données aident le contrôleur du robot à vérifier si chaque pas est sûr et à effectuer des changements rapides. Grâce à ces capteurs, le robot peut deviner si un pas sera stable avant de le faire. Cela permet d'éviter les chutes et de maintenir l'équilibre du robot.

Les robots modernes utilisent des algorithmes intelligents de contrôle de la marche pour mieux marcher. Le tableau ci-dessous présente les nouvelles tendances et méthodes de contrôle de la marche bipède :

Les ingénieurs peuvent utiliser ces idées de contrôle pour aider le robot à marcher dans de nouveaux endroits et à effectuer de nouvelles tâches. Par exemple, la génération de motifs centraux (CPG) permet aux jambes du robot de bouger en rythme comme les animaux. Les réseaux neuronaux (NN) aident le robot à apprendre des mouvements difficiles et à changer lorsque les choses sont différentes. L'apprentissage par renforcement (RL) permet au robot d'améliorer sa marche en tirant des leçons de ce qui se passe.

Conseil : utilisez le retour d'information des capteurs avec des algorithmes de contrôle intelligents pour obtenir la meilleure marche bipède possible. Testez le contrôleur de votre robot sur de nombreuses surfaces pour vous assurer qu'il marche bien.

Systèmes de moteurs à engrenages pour quadrupèdes

Mécanismes des jambes

Les robots quadrupèdes ont besoin de jambes solides et flexibles. Cela leur permet de se déplacer sur de nombreux types de terrains. Les ingénieurs choisissent souvent des modèles de jambes en série ou en parallèle. La jambe en série en deux parties est la plus utilisée. Elle est simple et convient à de nombreuses tâches. Certains robots quadrupèdes utilisent l'actionnement hydraulique pour plus de force. Cela leur permet de marcher sur des terrains accidentés et de porter des objets lourds. Les conceptions bio-inspirées ajoutent des colonnes vertébrales flexibles et des moyens de stocker de l'énergie. Ces caractéristiques permettent aux robots d'économiser de l'énergie lorsqu'ils trottent ou galopent. Si le tronc du robot peut se plier et emmagasiner de l'énergie, il se déplace davantage comme les animaux et consomme moins d'énergie.

Pour fabriquer de bons robots à jambes, les ingénieurs utilisent des méthodes de conception spéciales. Ils essaient d'équilibrer la force, la vitesse et la résistance. Des algorithmes évolutifs aident à trouver les meilleures formes et structures de jambes. Les jambes hydrauliques peuvent envoyer jusqu'à 94% de force, mais les ingénieurs doivent veiller à la perte d'énergie dans les pompes et les valves. L'ajout de pièces flexibles et élastiques permet aux robots de mieux se déplacer. Mais cela rend aussi le contrôle plus difficile. Les ingénieurs doivent tester différentes conceptions de jambes pour déterminer celle qui convient le mieux à leur robot et au sol.

Conseil : utilisez des pièces élastiques dans les jambes pour stocker et libérer de l'énergie. Cela permet au robot de se déplacer plus rapidement et d'utiliser moins d'énergie sur un terrain cahoteux.

Synchronisation

La synchronisation permet de s'assurer que les quatre pattes se déplacent de la bonne manière. Dans les robots quadrupèdes, les ingénieurs utilisent des plans de contrôle tels que les générateurs de motifs centraux (CPG). Les CPG utilisent des oscillateurs spéciaux pour synchroniser le mouvement de chaque jambe. Cela permet au robot de garder une démarche régulière, en particulier sur un sol lisse.

Parfois, le robot rencontre des bosses ou le sol change rapidement. La synchronisation peut alors se rompre. Les ingénieurs utilisent l'algorithme de gestion du moment cinétique (KMMA) pour remédier à ce problème. L'algorithme KMMA permet à chaque jambe de conserver sa propre foulée et sa propre taille de pas. Cela fonctionne même si le robot est confronté à de grosses bosses. Ainsi, le robot n'a pas besoin de systèmes de contrôle supplémentaires. Il reste stable lorsqu'il court ou tourne.

Les plans de synchronisation aident les robots à contrôler la vitesse, la direction et l'équilibre. En gardant des pas réguliers, le robot peut se déplacer sur un nouveau terrain et rester en sécurité. Les ingénieurs doivent essayer différents plans de synchronisation pour trouver celui qui convient le mieux à leur robot.

Remarque : vérifiez toujours la façon dont le robot marche sur des sols différents. Modifiez les paramètres de synchronisation pour maintenir le robot stable et économiser de l'énergie.

Contrôle distribué

Le contrôle distribué permet aux robots quadrupèdes de réagir rapidement aux changements de terrain. Chaque jambe dispose de son propre contrôleur et de ses propres capteurs. Cette configuration permet au robot de faire des choix au niveau de chaque jambe. Le robot n'a pas besoin d'envoyer chaque signal à un ordinateur principal. Cela réduit les délais et aide le robot à rester stable.

Le contrôle distribué rend les robots plus forts et plus efficaces, en particulier sur les terrains accidentés. Les boucles de contrôle local utilisent les données des capteurs de force et de couple situés au niveau des pieds. Cela permet au robot de modifier immédiatement le mouvement de ses jambes. Si une jambe touche le sol plus tôt que prévu, le contrôleur local peut modifier rapidement sa trajectoire. Le robot n'a pas besoin d'attendre des commandes de haut niveau. Cela le rend plus indépendant et lui permet de mieux gérer les surprises.

Les ingénieurs utilisent le contrôle distribué pour connecter de nombreux capteurs et pièces mobiles, comme de fausses épines. Cela permet au robot de changer de forme et de garder l'équilibre. Le robot peut adopter une démarche stable et déplacer son centre de gravité pour rester debout. Les pieds à contact multiple, dotés de capteurs, aident le robot à s'agripper et à se déplacer sur des sols durs.

Les systèmes de motorisation à engrenages sont importants pour la manipulation de différents sols. Les actionneurs à couple élevé dotés de réducteurs planétaires à faible rapport offrent robustesse et flexibilité. Ces motoréducteurs permettent au robot de reculer si nécessaire. Le robot peut réagir aux forces extérieures et modifier ses mouvements. Les plans de contrôle utilisent les données des capteurs des IMU et des encodeurs des articulations pour deviner la pente et la surface d'appui. Le robot modifie alors son corps et ses jambes pour obtenir la meilleure adhérence et rester stable.

Certains robots quadrupèdes utilisent systèmes intelligents comme l'adaptation rapide du moteur (RMA). Ces systèmes apprennent à partir des mouvements du robot et des données des capteurs. Le robot peut modifier sa marche et sa force en temps réel, même sur un sol nouveau ou glissant. Cette combinaison de conception et de contrôle intelligents aide les robots à se déplacer dans des endroits difficiles et changeants.

Conseil : utilisez le contrôle distribué pour traiter les données des capteurs à chaque jambe. Cela permet au robot de réagir plus rapidement et de rester stable sur un terrain accidenté.

En utilisant des jambes intelligentes, une bonne synchronisation et un contrôle distribué, les ingénieurs peuvent fabriquer des robots quadrupèdes qui se déplacent bien, se déplacent sur n'importe quel terrain et restent stables. Ces solutions aident les équipes à construire des robots prêts à occuper des emplois dans le monde réel.

Ingénierie de la locomotion des robots

Conception mécanique

La conception mécanique influe sur la qualité des mouvements des robots. Les ingénieurs travaillent sur intégration des motoréducteursIls utilisent des ressorts parallèles pour réduire le travail des moteurs. Ils utilisent des ressorts parallèles pour réduire le travail des moteurs. Cela permet d'économiser de l'énergie et de prolonger la durée de vie des batteries. Les petits moteurs dégagent moins de chaleur. Le tableau ci-dessous énumère les points de conception importants et la manière dont ils aident les robots à pattes :

Les ingénieurs doivent trouver un équilibre entre le couple et la vitesse. Un couple plus élevé permet aux robots de marcher plus vite, mais consomme plus d'énergie. Le graphique ci-dessous montre comment le coût mécanique évolue en fonction du couple :

Les structures reconfigurables aident les robots à accomplir de nouvelles tâches. Ils permettent aux robots de modifier leur mode de déplacement en fonction du terrain. Les pièces modulaires et les roues réglables rendent les robots plus souples et plus robustes.

Intégration des capteurs

L'intégration des capteurs permet aux robots de marcher avec plus de précision. Les ingénieurs utilisent de nombreux capteurs tels que des scanners laser, des gyroscopes, des accéléromètres, des capteurs de force-couple et des capteurs de pression. Ils combinent ces capteurs à l'aide de la fusion de capteurs. Les données cinématiques, inertielles, visuelles et LIDAR sont ainsi combinées pour une meilleure estimation de l'état du robot.

Les stratégies basées sur l'apprentissage utilisent des modèles du monde pour nettoyer les données des capteurs. Ces modèles aident les robots à gérer le bruit des capteurs et les changements dans le monde réel. Les ingénieurs utilisent des générateurs de trajectoires avec retour d'information sensoriel. Cela permet aux robots de marcher sur des terrains accidentés. Les capteurs de pression dans les pieds des robots fournissent des données de contact. Ces données facilitent l'adhérence et la marche en douceur.

Conseil : essayez les algorithmes de cartographie et la suppression des artefacts. Ils permettent aux robots de mieux voir le sol avec des capteurs bon marché.

Algorithmes de contrôle

Les algorithmes de contrôle indiquent aux robots comment se déplacer. Les ingénieurs utilisent plusieurs méthodes de contrôle principales :

Les ingénieurs mélangent souvent ces algorithmes pour obtenir un contrôle hybride. Par exemple, ils utilisent les CPG pour la marche de base et les MPC pour l'équilibre. Cela permet aux robots dotés de jambes de rester stables et efficaces dans la vie réelle.

Gestion de l'énergie

La gestion de l'énergie permet aux robots de fonctionner plus longtemps. Les ingénieurs choisissent des moteurs, des entraînements et des contrôleurs qui consomment moins d'énergie. Ils écrivent des programmes pour arrêter le gaspillage d'énergie. Des contrôles réguliers permettent d'assurer le bon fonctionnement de toutes les pièces et d'économiser de l'énergie. Le freinage par récupération permet aux robots de récupérer de l'énergie lorsqu'ils se déplacent.

• Choisissez des pièces efficaces pour économiser de l'énergie.

• Programmer les robots pour qu'ils ne gaspillent pas d'énergie.

• Maintenez les robots en bon état pour économiser de l'énergie.

• Utiliser le freinage régénératif pour récupérer de l'énergie.

Ces mesures permettent aux robots dotés de jambes de durer plus longtemps et de mieux fonctionner. Une bonne gestion de l'énergie signifie que les robots sont plus efficaces, plus fiables et moins coûteux à faire fonctionner.

Locomotion bipède et quadrupède

Forces et faiblesses

Les ingénieurs étudient les robots bipèdes et quadrupèdes pour voir lequel fonctionne le mieux. Chaque type de robot présente des avantages et des inconvénients pour se déplacer dans le monde réel. Le tableau ci-dessous montre les différences entre ces deux types de robots en termes de besoins en moteurs à engrenages, d'équilibre et de contrôle :

Les robots bipèdes se déplacent avec vivacité et sont plus légers. Mais ils ont besoin d'un contrôle intelligent pour ne pas tomber. Les robots quadrupèdes sont plus stables et peuvent marcher sur des terrains accidentés. Mais ils sont plus lourds et moins rapides.

Scénarios d'application

Les robots bipèdes et quadrupèdes sont utilisés pour des tâches différentes. Le tableau ci-dessous indique les domaines dans lesquels chaque type de robot est le plus efficace :

Les robots bipèdes s'adaptent aux endroits conçus pour les humains. Les robots quadrupèdes sont meilleurs à l'extérieur et dans les endroits difficiles.

Conseils de conception

Les ingénieurs peuvent améliorer la marche des robots en utilisant ces conseils :

• L'utilisation de pièces liées, telles que les quatre barres ou les pantographes, permet aux robots bipèdes de se déplacer avec moins de moteurs.

• Choisissez des matériaux solides qui correspondent à l'endroit où le robot ira.

• Choisissez le système d'alimentation à l'avance pour qu'il fonctionne avec les moteurs.

• Ajoutez des capteurs qui aident le robot dans son travail, comme ceux qui permettent de voir les obstacles ou de sentir le sol.

• Faites en sorte que le corps du robot soit facile à ouvrir pour vérifier la batterie et les capteurs.

• Testez les pièces mobiles avant de construire l'ensemble du robot pour vérifier l'équilibre.

• Utilisez l'impression 3D ou le fraisage CNC pour fabriquer des pièces solides et précises.

• La simplicité de la conception, la facilité de contrôle et l'économie d'énergie sont les meilleurs atouts de la marche.

Remarque : n'utilisez pas de ressorts inadaptés, de moteurs lourds ou de mauvaises boîtes de vitesses. Attention aux problèmes de commande et aux conceptions difficiles à utiliser. Ils peuvent rendre le robot moins stable et moins confortable pour les personnes.

Un robot marcheur a besoin d'un système de motoréducteur et d'un plan de contrôle adaptés. Cela permet au robot de se déplacer avec force et de rester stable. Les ingénieurs doivent choisir des stratégies de contrôle pour chaque robot et chaque tâche. La locomotion bipède fonctionne mieux avec un contrôle adaptatif. Ce type de commande modifie la synchronisation, la rigidité et la force à chaque pas. Les robots quadrupèdes utilisent des contrôleurs rythmiques pour maintenir leur marche stable. Les idées bioinspirées, comme l'apprentissage à double curriculum et les générateurs de motifs centraux, aident les robots bipèdes à apprendre de nouvelles façons de marcher et de gérer les changements. Les ingénieurs peuvent améliorer la marche des robots en testant et en mettant au point de nouvelles méthodes adaptatives. Ne commettez pas les erreurs les plus courantes. Continuez à vous informer sur la locomotion bipède pour obtenir de meilleurs résultats.

FAQ

Comment choisir le bon motoréducteur pour un robot marcheur ?

Tout d'abord, observez le poids du robot. Comptez le nombre d'articulations du robot. Réfléchissez à la vitesse à laquelle vous voulez qu'il se déplace. Essayez différents moteurs et rapports de transmission pour voir ce qui fonctionne. Faites un tableau pour comparer le couple, la vitesse et l'efficacité. Cela vous aidera à choisir le meilleur moteur pour votre robot.

Quels sont les capteurs qui permettent d'améliorer la stabilité de la marche des robots ?

Les capteurs de force, les accéléromètres et les gyroscopes fournissent un retour d'information immédiat. Ces capteurs aident le robot à modifier ses pas pour rester en équilibre. Les ingénieurs mélangent souvent les données de tous les capteurs pour obtenir de meilleurs résultats. C'est ce qu'on appelle la fusion des capteurs.

Comment réduire la consommation d'énergie des robots marcheurs ?

Choisissez des moteurs et des réducteurs qui ne gaspillent pas d'énergie. Ajoutez des ressorts pour soutenir les articulations du robot. Utilisez le freinage par récupération pour économiser de l'énergie lorsque le robot ralentit. Des algorithmes de contrôle intelligents permettent également de réduire la consommation d'énergie. Maintenez le robot en bon état grâce à des contrôles réguliers.

Quelle est la meilleure façon de tester la conception d'un nouveau robot marcheur ?

Commencez par tester le robot sur un terrain plat. Ajoutez progressivement des obstacles et des aspérités. Notez ce que les capteurs indiquent lors de chaque essai. Modifiez les paramètres de contrôle si nécessaire. Testez chaque pièce avant d'assembler le robot. Cela permet de détecter rapidement les problèmes.