Inception Drive : une transmission compacte à variation continue pour la robotique

L'année dernière, Alexander Kernbaum de SRI nous a présenté Abacus Drive, un nouveau type de transmission rotative basée sur un mouvement de roulement pur qui promet d'être beaucoup moins cher et beaucoup plus économe en énergie que les engrenages harmoniques, qui sont la norme actuelle (et assez chère). Maintenant, Kernbaum est de retour avec une autre conception de transmission ingénieuse et intelligemment nommée. Il s'appelle Inception Drive, et il le décrit comme "une transmission ultra-compacte et infiniment variable basée sur une nouvelle configuration de poulies imbriquées" qui est conçue pour rendre les robots - et toutes sortes d'autres choses - plus sûrs, plus abordables et beaucoup plus efficaces. .

Dans une transmission à variation continue (IVT), qui est un type spécifique de transmission à variation continue, le rapport de transmission comprend un point zéro qui peut être approché d'un côté positif ou d'un côté négatif. En d'autres termes, une entrée constante, comme un moteur électrique tournant dans le même sens à la même vitesse, peut être convertie en une sortie qui tourne plus vite, tourne plus lentement, tourne dans le sens opposé ou ne tourne pas du tout (dans ce "réducteur neutre", vous auriez besoin de révolutions d'entrée infinies pour provoquer une révolution de sortie, d'où le nom "transmission infiniment variable").

Les IVT existent déjà : le concept n'est pas nouveau. Ce qui est nouveau chez SRI, c'est l'ingénierie intelligente qui fait d'Inception Drive un ordre de grandeur plus petit et plus léger que les IVT existants. C'est un gros problème car cela signifie que les IVT peuvent être intégrés dans des applications robotiques d'une manière qui était physiquement impossible auparavant.

La raison pour laquelle une transmission comme celle-ci est importante pour la robotique est principalement due à l'efficacité qu'elle permet, comme l'explique Kernbaum dans un article présenté à l'ICRA plus tôt cette année :

Il n'est pas rare qu'une transmission robotique soit efficace à moins de 50 %…. Lorsque la vitesse de sortie change fréquemment, il est impossible d'optimiser un moteur et un système de transmission à rapport fixe pour la taille, les performances et l'efficacité en même temps : le rapport fixe de la transmission entraîne des pertes substantielles dans le moteur. Par exemple, un moteur électrique de haute qualité peut être efficace à 90 % lorsqu'il fonctionne à haute vitesse et à faible couple, mais dans les applications robotiques, le système doit plutôt être conçu pour atteindre les couples et les vitesses de pointe nécessaires dans le plus petit boîtier possible, ce qui entraîne un système qui ne fonctionne presque jamais près de son efficacité maximale.

Une transmission à rapport variable peut aider à aligner la vitesse du moteur avec son efficacité maximale ou sa puissance maximale, mais leur taille, leur poids et leur complexité ont historiquement empêché leur utilisation dans la plupart des applications robotiques et industrielles. C'est là que la transmission à variation continue (IVT) ultra-compacte de SRI peut jouer un rôle clé. Sa petite taille, sa simplicité et sa sortie réversible permettent plusieurs nouvelles applications pour les transmissions à vitesse variable. Il est suffisamment petit pour remplacer les transmissions à rapport fixe dans les robots, où nous pensons qu'il peut réduire de moitié la consommation d'énergie de nombreuses plates-formes robotiques, doublant ainsi la durée de vie de la batterie des plates-formes mobiles.

Si vous ne comprenez pas très bien comment cela fonctionne à partir de la vidéo (et même Kernbaum admet que c'est difficile à visualiser), lisez l'explication que nous avons proposée ci-dessous, puis regardez à nouveau la vidéo et voyez si cela vous aide.

Il y a quelques choses très importantes qui se passent ici qui sont très difficiles à voir, car elles se produisent à l'intérieur du lecteur lui-même. La première chose est de savoir comment les deux poulies interagissent l'une avec l'autre. Cela passe par la courroie trapézoïdale, bien sûr, mais ce n'est pas comme si une poulie tournait, ce qui faisait tourner la courroie, ce qui faisait tourner l'autre poulie, comme dans une transmission conventionnelle. Au contraire, la poulie extérieure est fixe et ne tourne pas du tout, tandis que la poulie intérieure, qui est imbriquée à l'intérieur de l'entraînement, a une oscillation, car elle est montée décentrée par rapport à l'arbre d'entrée. (Le nom de l'appareil fait référence au film Inception, mais avec des poulies imbriquées au lieu de rêves.)

Lorsque l'arbre d'entrée fait osciller la poulie intérieure dans un mouvement circulaire, il soulève continuellement la courroie trapézoïdale de la poulie extérieure sur son oscillation vers l'extérieur, et remet la courroie trapézoïdale vers le bas lorsque l'oscillation est vers l'intérieur. Si les diamètres effectifs des poulies intérieure et extérieure sont les mêmes, la courroie trapézoïdale sera simplement transférée d'avant en arrière entre les deux poulies et il ne se passera pas grand-chose. Mais si les diamètres effectifs des poulies intérieure et extérieure sont différents, la courroie trapézoïdale sera tirée dans un sens ou dans l'autre en essayant de maintenir les deux poulies connectées. Étant donné que la poulie extérieure ne tourne pas, la force exercée par la courroie trapézoïdale fait tourner la poulie intérieure à la place, et c'est la sortie de la transmission.

Une vue schématique en coupe du Inception Drive de SRI. Lorsque l'arbre d'entrée (vert) fait osciller les poulies intérieures (violet) dans un mouvement circulaire, elles soulèvent continuellement la courroie trapézoïdale (rouge) de la poulie extérieure (orange). Parce que la poulie extérieure est fixe et ne tourne pas, la force exercée par la courroie trapézoïdale fait tourner la poulie intérieure à la place, et c'est la sortie de la transmission (bleu).Image : SRI

La deuxième chose est de savoir comment le rapport de transmission change. N'oubliez pas que chaque poulie est divisée en "paires de poulies", la courroie trapézoïdale passant entre elles. Pour modifier le rapport de transmission, une paire de poulies s'éloigne, ce qui fait que la courroie trapézoïdale tombe plus profondément dans la rainure entre les moitiés de poulie, tandis que l'autre paire de poulies se rapproche, ce qui fait monter la courroie trapézoïdale plus haut dans la rainure. entre les moitiés de poulie.

Cela modifie le diamètre effectif des poulies - en ce qui concerne la courroie trapézoïdale, la première poulie vient de devenir plus petite, tandis que la deuxième poulie vient de grossir, ce qui modifie le rapport de transmission. Rendre une poulie effectivement plus grande que l'autre entraînera la sortie dans un sens, tandis que la commutation du rapport entraînera la sortie dans l'autre sens, et vous pouvez faire varier le rapport en douceur jusqu'à zéro, où les poulies ont la même efficacité diamètre et la sortie ne bouge pas du tout (elle est en mode neutre à engrenage).

Cette animation montre comment l'Inception Drive passe de l'entraînement avant à l'entraînement neutre à engrenages à l'entraînement inverse en éloignant les deux poulies intérieures (violettes). Image : SRI

Étant donné que SRI vient d'inventer Inception Drive, ils sont les premiers à admettre qu '«il y a beaucoup à apprendre sur cette transmission». Par exemple, bien que le rapport de démultiplication ne puisse pas être modifié instantanément, ils sont à peu près sûrs qu'il peut être modifié assez rapidement pour la plupart des applications robotiques. Il y a aussi beaucoup de travail à faire pour étudier l'efficacité totale du système ainsi que sa durabilité, et la prochaine génération de prototypes aidera à quantifier plus complètement les caractéristiques du disque. Mais pendant qu'ils découvrent des choses, voici quelques stratégies de contrôle qui, selon les auteurs, pourraient intéresser les roboticiens :