Disque d'encodeur magnétique

« Perception conjointe » dans les robots : dévoiler comment les disques d'encodeur magnétique confèrent aux robots des mouvements agiles

Dans les films de science-fiction, les robots peuvent effectuer des actions très difficiles comme la danse, la chirurgie ou même le parkour. Derrière cette capacité se cache un élément essentiel : l’ articulation . Pour les robots modernes, qu'il s'agisse de manipulateurs industriels ou de robots humanoïdes, chaque articulation nécessite non seulement des « muscles » (moteurs) puissants, mais également des « nerfs » aigus pour percevoir les angles et les positions. Le cœur de ces « nerfs » est le protagoniste de notre discussion d’aujourd’hui : le disque codeur magnétique.

Qu'est-ce qu'un encodeur ? La « proprioception » du robot

Imaginez pouvoir toucher votre nez avec précision les yeux fermés. Cela est possible parce que vos muscles et vos articulations renvoient des informations de position à votre cerveau. Dans le domaine de la robotique, un encodeur joue un rôle similaire. Il s'agit d'un capteur qui convertit les mouvements mécaniques (tels que l'angle de rotation et la vitesse) en signaux électriques, fournissant ainsi des données critiques de position, de vitesse et de direction au système de contrôle du robot, optimisant ainsi les performances globales du système.

Actuellement, il existe trois principaux types de technologies de codeurs : optique, magnétique et capacitif. Depuis longtemps, les codeurs optiques constituent un choix populaire sur le marché en raison de leur haute précision. Ils fonctionnent comme un lecteur de CD de précision, déterminant la position en lisant des lignes transparentes et opaques sur un disque codé.

Cependant, les codeurs optiques sont confrontés à plusieurs défis inhérents aux applications robotiques :

1. Susceptibilité à la contamination : La poussière et l'huile peuvent obstruer le chemin optique, entraînant une perte de signal.

2. Sensibilité aux vibrations : les disques de verre utilisés dans les codeurs optiques sont sujets à la rupture lors des mouvements ou des impacts du robot à grande vitesse.

3. Taille et consommation d'énergie : les codeurs optiques haute résolution ont généralement des facteurs de forme plus grands et une consommation d'énergie plus élevée.

Dans ce contexte, les codeurs magnétiques ont commencé à briller dans le domaine des articulations robotiques, tirant parti de leurs avantages uniques.

Disques d'encodeur magnétique : 'Cartographie' du mouvement avec des champs magnétiques

La structure d'un codeur magnétique est similaire à celle d'un codeur optique, mais il utilise des champs magnétiques au lieu de faisceaux lumineux. Son composant principal est un disque codeur magnétique . Ce petit disque comporte un ensemble de pôles magnétiques alternés (semblables à d’innombrables minuscules pôles nord et sud).

Lorsque le disque tourne avec l'arbre du moteur, ces champs magnétiques alternatifs sont détectés par des capteurs magnétorésistifs ou capteurs Hall à proximité . Les capteurs convertissent les variations du champ magnétique en signaux électriques, qui sont ensuite traités par des circuits pour calculer la position précise de l'arbre.

Si nous comparons un encodeur optique à « lire un réseau », alors un encodeur magnétique revient à « interpréter une carte de champ magnétique ».

Pourquoi les articulations robotiques favorisent-elles les encodeurs magnétiques ?

Ces dernières années, avec l’essor de l’intelligence embarquée et des robots humanoïdes, les encodeurs magnétiques sont devenus un choix privilégié dans la conception de modules communs pour plusieurs raisons :

1. Robustesse inhérente, insensible aux environnements difficiles
   Les joints robotisés sont souvent remplis de graisse lubrifiante et peuvent fonctionner dans des environnements poussiéreux. Les codeurs optiques peuvent voir leur « vision » floue dans de telles conditions. En revanche, les codeurs magnétiques, qui sont des capteurs de champ magnétique sans contact, sont « immunisés » contre la poussière, l'huile et l'humidité, offrant une grande fiabilité et une excellente résistance aux vibrations et aux chocs.

2. Taille compacte et structure plate

   Les articulations robotiques modernes recherchent des « modules de puissance intégrés », nécessitant une intégration élevée des moteurs, des réducteurs et des entraînements. Les encodeurs magnétiques éliminent le besoin de sources lumineuses et de systèmes de lentilles optiques encombrants ; les puces et les disques peuvent être très fins, ce qui facilite la conception de joints « miniaturisés, légers et plats ».

3. Percées en haute résolution pour le contrôle de force de précision

   On disait autrefois que les codeurs magnétiques étaient en retard par rapport aux codeurs optiques en termes de précision. Cependant, cela est en train de changer. Lors du China Hi-Tech Fair (CHTF) 2024, les fabricants nationaux ont présenté des disques d'encodeur magnétique de haute précision atteignant une résolution de 19 ou même de 20 bits . Par exemple, en disposant des paires de pôles magnétiques complexes, telles que « 126 pôles sur l'anneau intérieur et 128 pôles sur l'anneau extérieur », sur un très petit disque, les capteurs peuvent détecter des mouvements extrêmement infimes. Cela permet aux robots d'effectuer des opérations délicates, comme l'assemblage de pièces de précision.

4. Avantages en termes de coûts et de localisation

   Pendant longtemps, le marché des codeurs magnétiques haute résolution (par exemple 19 bits, 20 bits) a été dominé par des sociétés étrangères, ce qui les rendait chers et longs délais de livraison – un exemple classique de goulot d'étranglement technologique. Aujourd'hui, des entreprises nationales comme Yuzhi Power Technology ont réalisé des percées. Leur technologie a atteint des niveaux de classe mondiale, tandis que les coûts ont été réduits à la moitié ou aux deux tiers des produits importés, réduisant ainsi considérablement le coût de fabrication des robots domestiques.

Frontières technologiques : du « mono-tour » au « multi-tours », de la « détection » à l'« intelligent »

À mesure que les scénarios d’application robotiques se développent, la technologie des encodeurs magnétiques continue d’évoluer :

• Mémoire de position absolue : les encodeurs magnétiques haut de gamme prennent désormais en charge la fonctionnalité 'multi-tours'. Même si une articulation du robot est déplacée par une force externe après une coupure de courant, l'encodeur, alimenté par une batterie, peut enregistrer le nombre de tours et connaître immédiatement la position absolue au redémarrage, éliminant ainsi le besoin de relocalisation.

• Algorithmes anti-interférences : pour contrer les fortes interférences électromagnétiques générées par les moteurs en marche, les puces d'encodeur magnétiques modernes (par exemple, celles utilisant la technologie AMR) intègrent des algorithmes de compensation d'erreur d'angle dynamique, garantissant une sortie de signal stable même dans des environnements bruyants.

• Innovations dans la fabrication de disques : La magnétisation de précision constitue traditionnellement un défi majeur pour les disques magnétiques. Aujourd'hui, grâce à des techniques uniques telles que la « magnétisation unique », la précision des disques magnétiques produits dans le pays a été considérablement améliorée, jetant ainsi une base solide pour des articulations robotisées de haute précision.

Si le moteur est le cœur d'un robot, alors l'encodeur magnétique, intégrant un disque de haute précision, est le « nerf proprioceptif » du robot. Il permet non seulement au robot de percevoir sa propre posture, mais lui confère également la capacité de fonctionner de manière stable et précise dans des environnements complexes.