L’Anatomie du Mouvement : À l’intérieur de l’actionneur moderne

Dans l’anatomie humaine, chaque tendon représente un compromis entre force, amplitude et sensibilité.
En robotique, ce compromis vit dans l’actionneur — le mécanisme qui transforme le courant en mouvement, l’intention en interaction.

Au fond, chaque actionneur cache le même marché : échanger la vitesse contre le couple.
Un moteur rapide et léger devient un membre lent mais puissant grâce à la réduction.
Plus le mouvement est pur, plus la force est faible ; plus le rapport de réduction est élevé, plus le toucher devient insensible.
Toute la robotique, des bras industriels aux humanoïdes, consiste à choisir sur quelle partie de ce spectre on veut exister.

Aujourd’hui, environ 30 à 50 % des robots utilisent des réducteurs harmoniques, prisés pour leur précision et leur compacité. 20 à 35 % reposent sur des systèmes planétaires, discrets piliers de l’automatisation industrielle. Les réducteurs cycloïdaux représentent 10 à 25 %, privilégiés pour les machines tolérantes aux chocs, tandis que les architectures quasi-directes (QDD) — moteurs à fort couple et faible réduction — montent rapidement, occupant 5 à 15 % du marché, surtout dans les humanoïdes récents et les prototypes de recherche.

Chacune incarne une vision du mouvement : multiplier la puissance, la ressentir, ou la partager.

Voici un exemple visuel de la répartition des actionneurs dans un humanoïde :

Réducteurs harmoniques : la précision par la flexibilité

Inventé par C. W. Musser en 1957 et perfectionné par Harmonic Drive Systems au Japon, ce mécanisme tord le métal avec grâce.
Un flexspline — fine coupelle d’acier déformable — est mis en vibration elliptique par un générateur d’onde, engageant la couronne dent par dent.

Chaque dent s’engrène de façon progressive et élastique, offrant des rapports de 30:1 à 160:1 dans des boîtiers très compacts et avec un jeu inférieur à la minute d’arc.

Avantages : compacité, densité de couple élevée, répétabilité angulaire exceptionnelle, silence de fonctionnement.
Inconvénients : faible réversibilité, hystérésis élastique, usure du flexspline à long terme.

Fabricants principaux : Harmonic Drive Systems (Japon), Leaderdrive (Chine), Nabtesco (Japon), ZF (Germany).
Utilisé dans Franka Emika Panda, Kinova Gen3, Figure 02, Tesla Optimus, Dobot, UR Robots et divers exosquelettes.

Les réducteurs harmoniques sont la poésie de la précision — de l’acier souple transformant le couple en élégance.

Réducteurs planétaires : les plus anciens, toujours essentiels

Le train planétaire — soleil, planètes, couronne — précède la robotique de plusieurs siècles.
Il offre une symétrie compacte et une efficacité élevée (90–95 %) pour des rapports modérés (3:1 à 10:1 par étage).

En empilant plusieurs étages, on atteint des rapports plus élevés, au prix d’un léger jeu et d’une rigidité limitée.
C’est la solution standard dans les bras industriels, les robots collaboratifs et les systèmes linéaires.

Fabricants principaux : Maxon, Neugart, Apex Dynamics, Micromotors, Kollmorgen.
Utilisé par ABB, KUKA, Fanuc et les premières générations d’Universal Robots.

Les réducteurs planétaires sont la prose industrielle — efficaces, fiables, sans emphase.

Réducteurs cycloïdaux : le secret favori des ingénieurs

Les réducteurs cycloïdaux sont les bêtes de somme de la robotique lourde : robustes, tolérants aux chocs, indulgents.
Un disque excentré, le cycloïde, roule à l’intérieur d’une couronne de goupilles, transformant une rotation rapide en mouvement lent et puissant, par contact roulant plutôt que par flexion des dents.

Contrairement aux harmoniques, les cycloïdaux répartissent les efforts sur plusieurs lobes et survivent à des impacts répétés qui détruiraient un flexspline.

Caractéristiques : rapports de 10:1 à 100:1, rendement de 85 à 90 %, réversibilité modérée, durabilité exceptionnelle.
Les conceptions à double disque réduisent les ondulations de couple.

Fabricants principaux : Sumitomo Drive Technologies, Nidec-Shimpo, TwinSpin, ONRobot, Spinea, Neugart.
Employés par Agility Robotics, Apptronik, Tesla Robotics et Boston Dynamics.

Les cycloïdaux représentent l’élégance pragmatique — plus solides que les harmoniques, plus rugueux que les QDD, le réducteur du réalisme.

Actionnement quasi-direct (QDD) : la révolution du couple doux

Le concept QDD vient du laboratoire de robotique biomimétique du MIT, où Sangbae Kim fit courir et sauter ses Cheetah.
L’idée est simple : un moteur BLDC à faible KV (souvent de type outrunner) associé à un rapport minimal (6:1 à 15:1).

Plutôt que de dépendre du réducteur, le moteur fournit lui-même le couple grâce à sa taille, sa masse de cuivre et la surface de ses aimants.
Résultat : forte densité de couple, excellente réversibilité, friction minimale et une bande passante pouvant atteindre 1 kHz.

Architecture : grands moteurs plats T-Motor AK80-9, MAD M60 ou Kollmorgen RBE, faible réduction planétaire ou courroie, doubles codeurs, contrôle vectoriel FOC sur cartes mjbots.

Performances : densité de couple ≈ 10–20 Nm/kg, bande passante > 500 Hz, réversibilité totale, mais échauffement et encombrement accrus.
Utilisateurs : MIT Cheetah, Unitree Go1 / H1, Agility Digit, Apptronik Apollo, Boston Dynamics Spot.
Fabricants : mjbots, T-Motor, Kollmorgen, RoboDrive, Cubemars.

Le QDD est l’actionnement de l’empathie — la machine qui cède avant de pousser.

Tableau comparatif

Les moteurs derrière le mouvement

Les moteurs BLDC sans cadre (Kollmorgen TBM, RoboDrive, TQ-Robotics) alimentent les bras de précision.
Les outrunners (T-Motor AK80/100, Cubemars, MAD Components) animent les jambes QDD.
Les moteurs à flux axial (Emrax, Magnax, YASA) propulsent les hanches humanoïdes.
Et pour le domaine microscopique, les actionneurs piézoélectriques de PI ou Cedrat déplacent des micromètres plutôt que des mètres.

Autres considérations : couple, freinage et câblage

Au-delà des réducteurs, trois détails déterminent si un actionneur paraît raffiné ou brutal.

Mesure du couple :
Les systèmes haut de gamme intègrent des jauges de contrainte ou des capteurs de flexion entre le réducteur et l’axe de sortie.
Ils permettent un contrôle d’impédance précis, la détection de contact et la compensation de gravité — donnant au robot une forme de proprioception.
Les meilleures réalisations atteignent une résolution inférieure à 0,5 Nm.

Freinage :
Un humanoïde doit pouvoir tenir sa position hors tension.
Freins à ressort enclenchés, électromagnétiques libérés, ou verrous mécaniques à came.
Certains systèmes chirurgicaux utilisent des freins piézoélectriques, rapides et silencieux ; les robots plus lourds préfèrent les disques électromécaniques.

Passage de câbles et fluides :
Les « artères » invisibles d’un robot — puissance, signaux, refroidissement — traversent les articulations via des axes creux ou des bagues collectrices.
Les bras haut de gamme, comme Kinova Gen3 ou Universal Robots, font passer les câbles dans l’axe même, réduisant la torsion.
Ces choix déterminent la fiabilité autant que la beauté du mouvement.

Vers la prochaine génération

L’avenir de l’actionnement ne se mesure plus seulement en densité de couple, mais en adaptativité.
Des équipes explorent des systèmes capables de modifier leur rapport de réduction dynamiquement, de régler leur raideur, ou de transmettre le couple par champ magnétique sans contact.

Les réducteurs à rapport variable ajustent la transmission en temps réel selon la charge.
Les engrenages magnétiques et les transmissions électromagnétiques remplacent les dents d’acier par des champs, promettant silence et longévité.
Les actionneurs élastiques hybrides associent raideur variable et modules planétaires reconfigurables.
Ces technologies définiront les actionneurs des années 2030 : silencieux, adaptatifs, auto-protecteurs — capables de changer de personnalité mécanique en plein mouvement.

Conclusion

Construire un actionneur, c’est choisir une philosophie du mouvement.
Certains privilégient la force au détriment du ressenti ; d’autres préfèrent la sensibilité, quitte à perdre en efficacité.
Les robots les plus avancés cherchent désormais les deux : le couple lorsqu’ils soulèvent, la douceur lorsqu’ils touchent.

L’évolution des réducteurs harmoniques et planétaires vers les systèmes cycloïdaux et quasi-directs révèle une vérité plus large : nous apprenons non seulement à bouger puissamment, mais à bouger intelligemment.
L’avenir appartiendra aux machines capables de sentir leurs propres efforts, d’ajuster leur raideur comme un muscle, et de partager leur énergie avec le monde.

Citations vérifiées

• Girard & Asada, Leveraging Natural Load Dynamics with Variable Gear-Ratio Actuators, MIT (2024). arxiv.org/abs/2405.14441

• Harmonic Drive Systems Technical Information (2023). harmonicdrive.net

• Fast and Strong Lightweight Robots Based on Variable Gear Ratio, MIT Thesis (2017). dspace.mit.edu