Outil d’ingénierie Physical AI

Calculateur de couple et de rapport de réduction pour actionneurs d’articulation robotique

Vérifie si un ensemble moteur + réducteur (ou vis à rouleaux / à billes) peut tenir la charge d’une articulation d’humanoïde ou de bras robotique. Le calculateur convertit les couples moteur continu et crête, le rapport et le rendement en couple articulaire, puis le compare au couple exigé par la charge, la portée et le poids du segment.

1. Configuration de l’actionneur

Indiquez le couple nominal (continu) et le couple maximal de courte durée (crête) de la fiche technique du moteur. Les valeurs par défaut sont des hypothèses d’exemple.

On suppose que la couronne rigide a deux dents de plus que le flexspline : rapport = dents ÷ 2 (ex. 200 → 100:1).

Avec un planétaire, la valeur par défaut suit une perte d’environ 3 % par étage. Les 70 % des autres réducteurs sont une hypothèse : remplacez-les par le rendement de la fiche technique.

2. Charge

Valeurs publiées par les fabricants pour le robot entier. Pour un levage à deux bras, saisissez la part d’un seul bras.

Distance perpendiculaire à la gravité. Le bras tendu à l’horizontale est le cas le plus défavorable.

Masse des segments, moteurs et de la main au-delà de l’articulation, et distance horizontale jusqu’à leur centre de gravité. Inconnue ? Laissez 0 et gardez plus de marge.

Multiplicateur couvrant accélérations, chocs et frottements. La valeur 1,5 par défaut est une hypothèse.

3. Résultats

Couple articulaire (continu) -- N·m
Couple articulaire requis (statique × coefficient) -- N·m
Rapport de réduction --
Couple articulaire (crête) -- N·m
Vitesse de l’articulation --
Couple de charge m·g·r -- N·m
Couple dû au poids du segment -- N·m

4. Verdict

* Remarque : estimation statique pour l’avant-projet. Le couple d’accélération, le frottement articulaire et le déclassement thermique du couple continu ne sont pas inclus ; vérifiez les fiches techniques du moteur et du réducteur ainsi que des essais avant de choisir.

Comment calculer le couple articulaire et le rapport de réduction

Dimensionner un actionneur d’articulation revient à comparer deux valeurs : le couple que le moteur et le réducteur (ou la vis) délivrent à l’articulation, et le couple qu’exigent la charge et la posture du bras. Le calculateur exprime les deux en N·m et les compare en régime continu et en crête.

1. Formules

En rotatif, on multiplie le couple moteur par le rapport et le rendement. En linéaire, le pas donne la poussée, puis le bras de levier la convertit en couple articulaire.

T_out (N·m) = T_motor × i × η i (harmonic) = N_flexspline ÷ (N_circular − N_flexspline) = N_flexspline ÷ 2 i (planetary, ring fixed) = (1 + N_ring ÷ N_sun)^stages, η ≈ 0.97^stages F (N) = 2π × η × T_motor ÷ L (m), T_joint = F × moment_arm τ_required = (m_payload × g × r + m_link × g × r_cg) × safety_factor n_out (rpm) = n_motor ÷ i, v (mm/s) = n_motor × L (mm) ÷ 60

Le rapport du réducteur harmonique suit la page technique de Harmonic Drive (la couronne rigide a deux dents de plus que le flexspline) et la formule de différence de dents de Strain wave gearing. Le rapport planétaire et la perte d’environ 3 % par étage viennent de Epicyclic gearing ; la poussée réarrange la définition du rendement de Leadscrew (η = F·L ÷ 2πT). g = 9,80665 m/s².

2. Trois types de réducteurs comparés

La façon d’obtenir le rapport détermine le rendement, le jeu et la réversibilité. Les valeurs ci-dessous sont des plages publiées par les fabricants et des sources techniques ; les valeurs non publiées, comme le rendement, doivent venir de la fiche technique.

Critère Harmonique Cycloïdal (RV) Planétaire
Rapport 30:1 à 320:1 dans le même encombrement (source) Rapports fixes selon le modèle — voir le catalogue Environ 10:1 par étage dans le même encombrement ; davantage en empilant les étages (source)
Jeu Jeu nul selon le fabricant (Harmonic Drive) Série RV-N inférieur à 1 arcmin (Nabtesco) Selon la conception et la classe
Rendement Non indiqué sur la page publique — voir la fiche technique Non indiqué sur la page publique — voir la fiche technique Perte typique d’environ 3 % par étage (source)

3. Rotatif ou linéaire ?

Les actionneurs rotatifs conviennent aux articulations à grande amplitude comme l’épaule, le poignet et la rotation du tronc ; les linéaires sont souvent envisagés pour les articulations de flexion très sollicitées comme le coude, le genou et la cheville. Un actionneur linéaire produit une forte poussée avec le même moteur, mais son couple articulaire dépend du bras de levier et varie donc avec l’angle. Les vis à rouleaux surpassent les vis à billes en capacité de charge et en rigidité, mais coûtent plus cher.

4. Couple continu et couple crête

Tenir une charge dans une posture fixe relève du couple continu ; sauter, atterrir et accélérer vite relèvent du couple crête. Un verdict « crête seulement » signifie que le moteur risque de surchauffer si la posture est maintenue longtemps. À titre de repère, Unitree G1 annonce un couple maximal de genou de 90 N·m (120 N·m sur l’EDU), mesuré sur son plus gros moteur articulaire.

5. Questions fréquentes

Q1. Un rapport plus élevé est-il toujours préférable ?

Le couple de sortie augmente avec le rapport, mais la vitesse de sortie baisse d’autant et les efforts venant de la sortie remontent moins bien jusqu’au moteur, ce qui réduit la réversibilité. Les articulations de jambe qui doivent encaisser les atterrissages associent souvent un moteur à fort couple et un faible rapport.

Q2. D’où viennent les rendements par défaut ?

Le planétaire utilise 0,97 à la puissance du nombre d’étages, d’après la perte d’environ 3 % par étage de l’article Epicyclic gearing. Les 70 % des réducteurs harmonique et cycloïdal et les 80 % des vis sont des hypothèses d’exemple ; remplacez-les par les valeurs des fiches techniques réelles.

Q3. Puis-je utiliser les exemples de charge tels quels ?

Ce sont des valeurs publiées pour le robot entier. Unitree précise que la charge du bras du G1 varie beaucoup selon l’extension, et les données de Digit 5 sont des estimations préliminaires. Pour un levage à deux bras, saisissez la part d’un bras.

Q4. Comment choisir le bras de levier d’un actionneur linéaire ?

C’est la distance perpendiculaire entre l’axe de l’articulation et la ligne d’action de la poussée. Elle change quand l’articulation se plie : mesurez-la sur toute la plage de travail en CAO et saisissez la plus petite valeur pour un résultat prudent.

Q5. Pourquoi l’accélération et le frottement sont-ils exclus ?

Le calculateur ne couvre que le couple créé par la gravité dans une posture statique. Les couples d’inertie des mouvements rapides et le frottement interne du réducteur doivent être couverts par le coefficient de sécurité ou vérifiés par simulation dynamique et essais.

Articles liés sur Physical AI Portal (en anglais)

Sources primaires

Données et formules vérifiées le : 2026-10-23 · Exploitant : Huni ([email protected])