Pourquoi les vis à rouleaux offrent des performances maximales en robotique

Vous ne connaissez peut-être pas les vis à rouleaux, mais ces entraînements à vis compacts et très efficaces sont une technologie importante dans la fabrication d'appareils et de produits du quotidien. En effet, la production et l'assemblage de votre voiture mobilisent probablement plus de 20 vis à rouleaux, qui assurent des fonctions telles que l'emboutissage, le cintrage de tubes et le rivetage.

Mais les vis à rouleaux ne sont pas réservées à l'automobile et aux industries lourdes, comme le moulage par injection et l'usinage. Au contraire, les vis à rouleaux peuvent produire les plus petits déplacements (mouvements) de toutes les technologies de vis, tout en fonctionnant de manière extrêmement silencieuse et fluide, ce qui les rend idéales pour de nombreuses applications en robotique.

Ce dont les robots ont besoin : un rendement élevé et un encombrement réduit

Lorsqu'il s'agit de technologies de vis de précision, il existe trois options principales : les vis trapézoïdales, les vis à billes et les vis à rouleaux. Les vis trapézoïdales sont polyvalentes par leur conception et leurs matériaux, mais leur rendement et leur capacité de charge sont relativement faibles. Les vis à billes ont un bon rendement, mais lorsque l'application exige un petit diamètre de vis et un pas réduit, la capacité de charge diminue, car les billes porteuses doivent également être très petites. 

Les vis à rouleaux, en revanche, offrent une bonne force de poussée dans un encombrement compact, ainsi qu'un rendement supérieur, le meilleur de toutes les options. À titre d'exemple, en comparant la capacité de charge et le rendement de différentes technologies de vis de même diamètre (toutes avec un pas de 1 mm), la transmission à vis à rouleaux présente une capacité de charge quatre fois supérieure à celle de la transmission à vis à billes, et un rendement deux fois plus élevé que celui d'une vis trapézoïdale. 

Cette combinaison de caractéristiques de fonctionnement et de conception fait des vis à rouleaux une solution idéale pour de nombreuses applications robotiques et connexes. Par exemple, les robots qui utilisent l'activation linéaire pour relier les articulations (un peu comme le biceps commande le mouvement de votre avant-bras) bénéficient d'une capacité de charge plus élevée et d'un poids moindre des entraînements à vis à rouleaux.

Dans les applications de préhension robotique, les vis à rouleaux peuvent fournir des niveaux de force de maintien extrêmement élevés, nécessaires pour un serrage fiable, et ce avec un couple d'entrée minimal. La clé de cette combinaison d'effort élevé et de faible couple d'entrée réside dans l'utilisation d'une vis à pas très petit.

Les vis à rouleaux peuvent aussi être utilisées dans les outils robotisés en bout de bras. Dans ces applications, la capacité de la transmission à vis à rouleaux à générer un effort important dans un boîtier compact constitue un avantage par rapport aux autres solutions. En effet, maintenir un poids (une masse) faible est essentiel pour les composants situés en bout de bras robotique. 

Les charges lourdes placées en bout de bras robotique génèrent une inertie importante, ce qui complique le contrôle précis du mouvement du robot et, dans certains cas, nécessite des moteurs et d'autres composants de transmission plus volumineux. Ce rapport puissance/poids exceptionnel est la principale raison pour laquelle la grande majorité des robots de soudage par points et des riveuses automatiques utilisent des vis à rouleaux comme entraînement.

Tendances en robotique

Le calcul moderne, les méthodes de production et les technologies de batteries ont entraîné des progrès rapides dans l'automatisation et l'électrification, créant de nombreuses applications robotiques et mobiles impossibles il y a encore quelques années. Un exemple est le développement de prothèses actives (prothèses actionnées par des moteurs), qui améliorent considérablement le fonctionnement et la mobilité des personnes amputées.

Contrairement aux grands robots industriels, où chaque articulation utilise son propre moteur et réducteur, de nombreuses prothèses actives utilisent un actionneur linéaire à vis, ce qui permet de concevoir des structures plus petites, plus légères et plus robustes. Bien que différents types de vis puissent être utilisés dans les prothèses actives, les vis à rouleaux présentent un avantage important par rapport aux autres technologies : un rapport performance/taille inégalé. 

Par exemple, une vis à rouleaux de seulement 3,5 mm de diamètre, assez petite pour tenir dans la paume de la main, peut pousser des charges allant jusqu'à 227 kg et effectuer des mouvements dans la plage du micron et du submicron, afin de mieux imiter les articulations et les doigts humains.

Les exosquelettes électromécaniques sont une autre technologie robotique en pleine expansion. Selon les prévisions, le marché des exosquelettes devrait croître de plus de 46 % entre 2021 et 2026, la majeure partie de cette croissance revenant aux exosquelettes actifs (par rapport aux exosquelettes passifs).

Même si nous aimerions pouvoir programmer des robots pour effectuer n'importe quelle tâche manuelle trop lourde ou dangereuse pour les humains, il existe trop de variables pour que cela soit praticable dans de nombreuses tâches, comme l'élagage de branches d'arbres dans des jardins résidentiels. La solution consiste en un exosquelette contrôlé par l'humain ou en un robot à commande active. 

Cela combine la prise de décision humaine avec moins de risques, moins de blessures et une capacité de charge accrue. Comme les prothèses, les exosquelettes se heurtent à des contraintes de conception liées au poids, à la taille et à la complexité. Là encore, le rapport effort/taille et effort/poids extrêmement élevé fait des vis à rouleaux une solution idéale.

Plus une application robotique devient petite et mobile, plus des contraintes telles que la consommation d'énergie, la taille et le poids deviennent déterminantes. Qu'il s'agisse de drones, de véhicules sous-marins autonomes (AUV) ou de rovers spatiaux, les exigences sont les mêmes : un rendement élevé, de la robustesse et de la fiabilité sur un encombrement minimal.