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Articulation « brushless »


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140 réponses à ce sujet

#1 pat92fr

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Posté 25 janvier 2021 - 11:58

Bonjour,

 
L’objectif est de concevoir et mettre au point un servo commande brushless, permettant d’actionner une articulation de bi/quadripède, de taille raisonnable. Une telle solution doit permettre de dépasser les limitations des servos commandes (R/C ou Intelligent), et de gagner en vitesse de rotation, de couple et/ou d’élasticité (compliance). 
 
J’initialise ce fil au moment où je commence à m’intéresser sérieusement au sujet des actionneurs brushless. Mes connaissances théoriques sont très limitées dans ce domaine. Je suis juste impressionné par certaines réalisations publiées par des Makers et Youtubers. Mon objectif perso est avant tout de comprendre le fonctionnement.
 
Je souhaite que ce fil soit ouvert à la discussion, pour permettre aux membres du forum de partager leur expérience, quelle que soit leur solution et leur degré d’avancement. Ce n’est donc pas un fil dédié seulement à ma propre réalisation.
 

Note : Je crée ce fil dans cette section du forum car la solution est très fortement liée au robot à pattes.

 



#2 pat92fr

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Posté 25 janvier 2021 - 11:59

Au commencement, je percevais différentes approches :

 

1) Exploiter une solution d’actionneur « tout-en-un » existante :

 

Début 2020, j’ai vu quelques vidéos présentant un « MIT Cheetah Actuator », notamment celle du youtuber Skyentific

 

Quelques exemples de produits finis :

Le prix reste raisonnable pour le modèle distribué via Ali (300€). Il faut 8 ou 12 servos pour un quadripède, le budget servo grimpe à 4k€ environ. Le projet final doit en valoir le cout !

 

 

2) Assembler des composants existants pour fabriquer un actionneur adapté à mon robot :

 

Il s’agit d’assembler des éléments déjà testés et distribués, avec ou sans éléments à fabriquer soi-même (kit électronique / mécanique, impression 3D, usinage). Le servo se décompose le plus généralement en :

  • Un réducteur de faible ratio, ou pas

  • Un moteur brushless du commerce doté d’un KV assez faible (100-300)

  • Un contrôleur de puissance

Quelques exemples d’éléments à assembler :

En termes de moteurs et de cartes de contrôle, le choix est assez riche !

Coté mécanique, on trouve beaucoup de réalisations individuelles chez les makers et les pro, mais peu de composants prêts à être assemblés pour fabriquer son propre robot. Vous en connaissez ?

On notera que la partie mécanique du servo peut être complètement intégrée à la conception des articulations et des pattes du robot, et il devient difficile de différencier le servo de la mécanique du robot.

 

 

3) Apprendre et concevoir un actionneur de A à Z :

 

Là, c’est la feuille blanche ou presque !

 

De manière générale, il faut définir les principales caractéristiques suivantes avant de commencer :

  • Global :
    • Masse
    • Dimensions
    • Couple
    • Vitesse angulaire
    • Tension d’alimentation
    • Courant maximum
    • Architecture
      • Intégrée (ex. carte de contrôle couplée au moteur : MIT actuator)

      • Répartie (ex. : une carte de contrôle séparée du moteur)

      • Centralisée (ex. : une carte de contrôle raccordée à plusieurs moteurs et capteurs)

  • Réducteur (sinon prise direct)
    • Facteur de démultiplication (à priori réduit)
    • Type :
      • Câbles
      • Courroie
      • Planétaire
      • Cycloïdale
      • Harmonique
      • Vis sans fin (mais attention, ce n’est pas réversible)
    • Matériaux :
      • Plastique (à acheter, à usiner ou à imprimer)
      • Métallique (à acheter, à usiner)
    • Roulements
    • Avec capteur de position (sortie réducteur)
    • Avec capteur de force ($$$)
  • Moteur
    • Type (à priori outrunner)
    • KV
    • Puissance
    • Tension nominale
    • Couple nominal
    • Nombre de pairs de pôles
    • Diamètre
    • Arbre (sans, simple, double …)
    • Avec capteur de position absolu et/ou relatif (ex. : Hall, Encodeur)
  • Contrôleur
    • Tension d’alimentation
    • Courant
    • Type de bus de communication : PWM, TTL serie, RS485, CAN..

Dans cette solution, le prototypage peut etre mené de manière séparée pour chaque composant, avec des caractéristiques différentes de l’objectif final, selon une démarche incrémentale de développement et de mise au point.

 

 

Bien sûr, ces trois orientations ne sont pas complètement indépendantes les unes par rapport aux autres, notamment les deux dernières. En effet, on peut bricoler la mécanique et le réducteur et l’assembler avec un module « brushless + carte de contrôle » existant. On peut aussi concevoir sa propre carte de contrôle en réutilisant un « moteur avec ou sans réducteur » existant…

 

La solution n°1 est probablement la plus rationnelle, si l’objectif est un robot opérationnel et fiable. La solution n°2 est le bon compromis dans une optique de DIY. La solution n°3 est un long chemin avec un résultat incertain. Le coté positif est qu’on apprend plus de ses échecs que de ses succès.

 

 

 



#3 pat92fr

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Posté 25 janvier 2021 - 11:59

Le sujet est en lien avec les discussions en cours sur les moteurs brushless, et je pense qu’on pourrait renvoyer vers des fils existants de ce forum, par exemple :

https://www.robot-ma...eurs-brushless/

https://www.robot-ma...avec-brushless/

https://www.robot-ma...teur-cycloidal/

 

A compléter & A suivre…                                                  



#4 Oracid

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Posté 25 janvier 2021 - 03:16

Je me permets d'ajouter dans ce fil quelques éléments d'actualité.

 

Skientific a fait une vidéo sur le dernier controleur de MJBots. Il le compare avantageusement à la carte précédente du Cheetah.

 

Sur cette autre vidéo, Tinymovr s'intéresse au moteurs Brushless utilisés sur les Gimbal.

En effet, un nombre très important de moteurs Brushless sont étudiés pour être utilisés sur les drones, ce qui nécessite une grande vitesse, alors que au contraire, les moteurs Brushless spécifiques aux Gimbal sont étudiés pour leur faible vitesse. De plus, ces moteurs sont parfaitement cylindriques, avec des vis sur la face avant et un arbre creux traversant de grand diamètre, ce qui est toujoujours intéressant.

Tout est expliqué dans la vidéo, mais également dans sa description.



#5 pat92fr

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Posté 25 janvier 2021 - 04:52

Intéressantes ces deux vidéos !

 

Pour ma première expérimentation, je démarre avec un petit moteur brushless pour nacelle (HT4310), caractérisé par un faible KV de 32 (rpm/V) et un nombre assez élevé de paires de pôles, rapporté à la taille. Il intègre un encodeur donnant une position absolue avec une résolution de 0.1° environ. Malgré sa petite taille, il s'alimente en 24V. Si je devais le réutiliser pour un robot, il faudrait prévoir une batterie Lipo 6S pour un fonctionnement optimal. Un petit moteur pour commencer, c'est plus sécurisant, surtout pour la mise au point d'une carte de contrôle ! La plage de vitesse étant faible, on peut 'voir' les problèmes de rotation.

 

CaptureHT4310b.PNG CaptureHT4310.PNG

 

 



#6 pat92fr

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Posté 25 janvier 2021 - 05:13

Fixer la carte de contrôle au dos du moteur permet d'offrir une solution toute intégrée. Quoi que cela fait un actionneur volumineux alors que la carte de contrôle pourrait etre déportée dans le corps du robot.

 

Il me semble qu'il y a un inconvénient à cette solution tout intégrée dans un contexte de forte puissance. La longueur des fils entre le moteur et le contrôleur peut être importante et la gauge doit être suffisante sans etre excessive (les moteurs ont déjà une certaine inductance). En revanche, il faut minimiser la longueur des fils entre le contrôleur et la batterie et maximiser leur gauge (minimiser l'inductance pour tenir les appels de courants). Cela peut jouer sur la fiabilité du contrôleur, notamment des FET et des condos de filtrage. On constate sur les ESC modélisme, c'est souvent les condos qui explosent, et qui sont le point faible de ces dispositifs. Vous avez un retour d'expérience à ce sujet ?

 

Si je devais faire ma propre carte de contrôleur, je prendrai le risque d'allonger les fils du moteur et de l'encodeur, en blindant ces derniers si besoin, pour avoir la batterie au plus près. C'est le choix fait par ODrive il me semble. Un avis ?

 

Patrick.



#7 Oracid

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Posté 25 janvier 2021 - 07:03

Il n'est pas si petit que ça ton moteur. Il fait quand même 43mm de diamètre et 10mm d'épaisseur. En raison de l'encodeur intégré, le prix  s'en ressent.

 

Concernant les ESC, pour le premier prototype, peut-être qu'un ESC simple pourrait te convenir. Pour un projet de robot, une carte ESC pour drone, comme celle-ci,  https://fr.aliexpres...008044225_1&s=p, voir un controleur de vol avec un STM32 et ESC intégrés pourrait t'intéresser, JHEMCU GHF420AIO F4 OSD FPV contrôleur de vol de course avec intégré 35A BL_S 4In1 ESC sans brosse pour pièces de rechange de quadrirotor de Drone RC | AliExpress

 

Evidemment, cela nécessite d'acquérir quelques connaissances en drones. Une formalité, pour toi.



#8 pat92fr

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Posté 25 janvier 2021 - 07:40

C'est pas faux ! On n'est plus dans le domaine du micro !  :whistle2: De gauche à droite : micro servo MG92b, l'Odrive D6374 sans encodeur, et le 'petit' HT4310 avec encodeur.

 

IMG20210125191427.jpg

 

 

Tu as tout à fait raison pour le premier prototype ! Un ESC peut convenir du moment qu'on puisse lui raccorder un encodeur. Pour le contrôle, je vais donc démarrer avec la carte d'évaluation ESC de ST vendue 18USD. Elle peut sortir 40A avec de la convection forcée et s'alimente jusqu'en 6S. En supposant qu'elle sorte 10A sans ventilation, cela reste largement suffisant pour des premiers essais de servo brushless. En outre, elle intègre le même µC que ma petite carte pour micro servo (STM32G431 @ 170MHz). Ce µC est doté d'une FPU et d'un CORDIC (un accélérateur pour les calculs de sinus et cosinus). Parfait pour une algorithme de type FOC. Le programmateur est intégré à la carte. Il suffit de la brancher au port USB du PC et on peut démarrer le développement.

 

IMG20210125191057.jpg

 

Par chance, la carte prévoit le raccordement à un capteur de position pour justement mettre en place un algorithme FOC, mais c'est seulement une interface encodeur ABI (signaux en quadrature A/B + index de position I). Pas de bol ! ce n'est pas ce type d'encodeur dont je dispose. Les bus I2C et SPI du µC ne sont pas accessibles. Ultime solution : brancher la sortie PWM de l'encodeur AMS 5048A à l'une des entrées disponibles sur la carte (A ou B ). C'est tombé sur A. Les pads ne sont pas très larges et l'opération de soudure demande un peu d'adresse et surtout un bon microscope !

 

IMG20210125193337.jpg

 

Enfin, je prévois d'alimenter le tout avec une alimentation de labo limitée en courant pour prévenir les catastrophes en cas de bug !

 

A suivre...



#9 pat92fr

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Posté 26 janvier 2021 - 09:19

A ce stade, c'est la partie mécanique qui me semble la plus difficile et notamment le réducteur et le couplage avec l'articulation et la patte.

 

Ce fil est très intéressant. Quelqu'un a t il expérimenté la réalisation d'un réducteur de ce type ?

https://www.robot-ma...teur-cycloidal/

 

Pour un faible ratio de réduction, j'ai l'impression que les deux solutions les plus simples sont les poulies/courroie et le réducteur cycloïdale.

Le réducteur planétaire est un peu plus compliqué à cause de la fabrication des engrenages.

 

Au hasard de mes recherches, j'ai trouvé cette réalisation particulièrement bien pensée :

https://hackaday.io/...uator-module-v2

 

CaptureCyclo.PNG

 

En outre, j'ai trouvé un tuto pour la conception du rotor (PJ).

Fichier(s) joint(s)



#10 Forthman

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Posté 26 janvier 2021 - 10:01

Pour ma part je verrais plutôt un train épicycloïdal (avec planétaires) car niveau solidité et réversibilité c'est le top.

Pour les pignons c'est clair qu'il vaut mieux éviter de vouloir les imprimer, mais on trouve des kits de réparations de perceuses pour 10 balles,

voire même des petites perceuses/visseuses en grande surface pour 15/20€ (même si c'est un peu bof de tout éclater pour récupérer 3 pignons)



#11 pat92fr

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Posté 26 janvier 2021 - 10:44

Ok. Pour les engrenages les plus critiques à fabriquer, j'ai noté que Igus pouvait produire sur mesure en utilisant leur CAO et leur service d'impression en ligne. Le choix de matériaux semble intéressant. Mais je n'ai pas d'éléments de comparaison avec l'impression 3D ordinaire dans les matériaux adaptés à la mécanique (ABS, Nylon, etc).

 

https://www.igus-cad.com/Default.aspx

 

CapturePignon.PNG

 

Vous connaissez ?

 

 



#12 Forthman

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Posté 26 janvier 2021 - 11:58

à mon avis il vaudrait mieux faire des essais avec une imprimante FDM, la résistance de la résine n'est pas extraordinaire.

 

vite fait sur ebay j'ai vu ça : (on ne peut pas choisir le  rapport de réduction mais ça donne une idée)

https://www.ebay.fr/...i-/352471932661



#13 pat92fr

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Posté 26 janvier 2021 - 12:06

J'ai regardé sur Ali, et on troute toute sorte de pignons/engrenages en métal et en plastique aussi.

 

La masse de l'ensemble me préoccupe un peu avec un réducteur tout en métal, bien que ce soit parfait du point de vue mécanique.

 

Pour les essais FDM ou SLA, bien sur. Je teste en droit et hélicoïdale, avec un petit module en ce moment.

 

Et pour le final, je pensais à un service de type igus ou autre avec une plastique adapté.



#14 pat92fr

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Posté 26 janvier 2021 - 02:32

à mon avis il vaudrait mieux faire des essais avec une imprimante FDM, la résistance de la résine n'est pas extraordinaire.

 

vite fait sur ebay j'ai vu ça : (on ne peut pas choisir le  rapport de réduction mais ça donne une idée)

https://www.ebay.fr/...i-/352471932661

 

Est-ce qu'il existe une formule simple pour déterminer les caractéristiques des pignons du planétaire en fonction du ratio, du module, etc ?

 

Nombre de dents du pignon d'entrée, des planétaires et de la couronne ?



#15 Forthman

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Posté 26 janvier 2021 - 02:50

Dans mes archives j'ai ce document qui peut servir :

Fichier joint  engrenages epicycloidaux.pdf   109,23 Ko   29 téléchargement(s)

 

Sinon vite fait il y a ce site "calculatrice" qui peut te donner des résultats :

https://www.toutcalc...picycloidal.php



#16 pat92fr

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Posté 26 janvier 2021 - 03:02

Merci Forthman ! Si la calculette fonctionne bien, c'est parfait. Pour un ratio de 4 en module 1, il me conseille 4 satellites (20d) et un planétaire (20d) et une couronne de 60 dents. Ca doit rentrer dans un diamètre total de 64mm environ.



#17 Oracid

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Posté 26 janvier 2021 - 03:30

J'ai fait quelques roues dentées en PLA, et bien, j'ai été surpris. Je pense que pour un prototype, c'est pas si mal.

De plus, c'est très facile à faire, et même, facilement compatible Lego.

 

Perso, j'opterais pour des courroies, comme sur le Doggo. Cela permet une grande liberté de positionnement.

 

A mon avis, tu as 2 projets. Un projet électronique, et un projet robotique.



#18 pat92fr

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Posté 26 janvier 2021 - 03:37

Pareil, je viens de faire un essai, avec un ender 5 vite fait (couche de 0.2, vitesse max) (Z pas très bien réglé visiblement) :

 

Module 1.5 droit : Ca passe en PLA pour les premiers tests. Il faudra refaire en ABS ou Nylon pour un proto.

IMG20210126152259.jpg

 

Module 1 hélicoïdale : Ca passe aussi même si le résultat n'a pas l'air top visuellement.

IMG20210126152434.jpg

 

Si je pouvais faire la couronne 60 dents en hélicoïdale, ce serait mieux que les dents droites, mais ce n'est pas disponible de base dans ma CAO.

Il existe peut etre un bibliothèque paramétrique disponible sur Internet...

 

Tu as raison, c'est deux projets en un. Les deux sont fortement liés aussi. Pour moi, le plus dur est la partie mécanique. Si je rate l'électronique, je peux me rabattre sur un contrôleur existant.



#19 pat92fr

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Posté 26 janvier 2021 - 03:40

Perso, j'opterais pour des courroies, comme sur le Doggo. Cela permet une grande liberté de positionnement.

 

J'ai imprimé une patte complète de type doggo (axes coaxiaux sur roulements) et j'ai testé l'impression 3D des poulies, et ca passe ! C'est ma solution de repli, si ca ne marche pas avec un réducteur intégré à la patte.



#20 Mike118

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Posté 26 janvier 2021 - 05:09

Pareil, je viens de faire un essai, avec un ender 5 vite fait (couche de 0.2, vitesse max) (Z pas très bien réglé visiblement) :

 

Module 1.5 droit : Ca passe en PLA pour les premiers tests. Il faudra refaire en ABS ou Nylon pour un proto.

attachicon.gifIMG20210126152259.jpg

 

Module 1 hélicoïdale : Ca passe aussi même si le résultat n'a pas l'air top visuellement.

attachicon.gifIMG20210126152434.jpg

 

 

Juste un petit détail avec tes impression 3D, si tu es obligé d'avoir une première couche si écrasé pour que ton filament accroche bien au plateau, et si tu as pas une option pour corriger l'effet ' patte d'éléphant sur ton imprimante ", alors tu peux mettre un petit chanfrein sur tes pièces en contact avec le plateau pour éviter le défaut qu'on peut voir sur tes photo ( "bas des pignons qui déborde du volume qu'il devrait prendre " )

Sinon pour le reste je suis 100% d'accord avec oracid, pour les tests de validation de principe, l'impression 3D c'est très bien.


Si mon commentaire vous a plus laissez nous un avis  !  :thank_you:

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