Русский
Модули поворотных суставов гуманоидных роботов: как различные типы приводов влияют на производительность
Создано 06.23
Резюме
Модуль вращательного шарнира гуманоидного робота объединяет двигатель, редуктор, энкодер, опорный подшипник, корпус, тормоз и приводную электронику для обеспечения контролируемого вращения шарнира. Основные типы приводов включают жесткие приводы, квазипрямые приводы и последовательные упругие приводы. Редукторы Harmonic Drive обеспечивают компактность и точность, планетарные редукторы поддерживают эффективные и реверсивные конструкции QDD, а редукторы RV обеспечивают высокую жесткость для применений с большими нагрузками. Лучший выбор зависит от крутящего момента, размера, точности, ударной нагрузки, рабочего цикла, теплового режима и стоимости производства.
Гуманоидный робот движется не так, как промышленный манипулятор.
Промышленный робот обычно работает в структурированной среде. Задача повторяется, траектория известна, а нагрузка предсказуема. Гуманоидный робот должен справляться с лестницами, неровной поверхностью, взаимодействием с людьми, внезапными ударами, восстановлением равновесия и объектами, которые не всегда ведут себя так, как ожидается.
Вот почему модуль сочленения так важен.
Внутри гуманоидного робота аппаратное обеспечение для движения можно условно разделить на три группы: вращающиеся сочленения, линейные приводы и ловкие руки. Вращающиеся сочленения отвечают за движения плеч, бедер, запястий, талии, головы и многих конечностей. Линейные приводы обеспечивают поступательное движение и удлинение. Ловкие руки отвечают за захват и точную манипуляцию.
Эта статья посвящена модулям вращающихся сочленений, поскольку они являются одним из наиболее важных мест, где определяется производительность робота.
Хорошее роторное соединение должно обеспечивать достаточный крутящий момент для поддержки собственного веса робота и полезной нагрузки. Оно должно быстро реагировать при нарушении равновесия тела. Также требуется точный контроль силы, поскольку ожидается, что гуманоидный робот будет безопасно работать рядом с людьми и физическими объектами.
Сложность заключается в том, что эти требования часто противоречат друг другу. Больший крутящий момент может означать больший вес. Большая жесткость может снизить податливость. Большая точность может увеличить стоимость. Лучшая ударопрочность может потребовать совершенно другого пути привода.
Во многих конструкциях центр дискуссии сводится к одному вопросу: сколько редукции должно находиться между двигателем и выходным валом соединения?
Отправная точка: Высокопроизводительные синхронные двигатели с постоянными магнитами
Большинство высокопроизводительных электрических гуманоидных роботов используют синхронные двигатели с постоянными магнитами в качестве основного источника питания своих суставных модулей.
Ротор использует высокопроизводительные постоянные магниты, часто на основе редкоземельных магнитных материалов. Статор генерирует вращающееся магнитное поле посредством управляемого трехфазного тока. При векторном управлении током двигателя можно разделить на составляющие магнитного потока и крутящего момента, что обеспечивает точное управление крутящим моментом.
Это физическая основа быстрой реакции и точного управления силой.
Для суставов роботов особенно важны три характеристики двигателя:
- Высокая удельная мощность, чтобы сустав мог выдавать значительную мощность в компактном объеме
- Быстрая динамическая реакция, чтобы крутящий момент мог быстро изменяться во время ходьбы, балансировки или восстановления после удара
- Высокая точность управления, обычно поддерживаемая энкодерами с высоким разрешением
Проблема в том, что высокопроизводительные двигатели естественно предпочитают высокую скорость и относительно низкий крутящий момент. Гуманоидному суставу требуется противоположное: более низкая скорость и гораздо более высокий крутящий момент. Редуктор существует для преодоления этого разрыва.
Различные варианты редукторов создают разные характеристики шарниров.
Путь 1: Жесткие приводы
Жесткие приводы — это традиционный путь из промышленной автоматизации. Они используют высокоскоростной двигатель вместе с редуктором с высоким передаточным числом для снижения скорости и увеличения крутящего момента.
Типичные передаточные числа могут составлять от 50:1 до 120:1. Результатом является высокая плотность крутящего момента и хорошая точность позиционирования, но также более жесткое, менее обратимое соединение.
Типичный жесткий вращательный привод может включать:
- Безкаркасный моментный двигатель или серводвигатель
- Гармонический редуктор или циклоидальный редуктор
- Энкодеры со стороны двигателя и выходной стороны
- Тормоз
- В некоторых конструкциях внешний датчик крутящего момента
Ключевым компонентом здесь часто является гармонический редуктор.
Гармонические редукторы могут обеспечивать большое передаточное число в компактном корпусе. Они также предлагают очень малый люфт, что ценно для точного позиционирования. Именно поэтому они широко обсуждаются в контексте плечевых, локтевых, запястных, тазовых суставов и других компактных вращательных суставов гуманоидных роботов.
Компромисс заключается в чувствительности к ударам. Жесткая трансмиссия с высоким передаточным отношением может сделать соединение точным, но внешний удар не поглощается легко. Если робот во что-то врезается, нагрузка может вернуться в конструкцию редуктора. Стоимость также является важным фактором, особенно когда используется много соединений по всему корпусу.
Жесткие приводы привлекательны, когда приоритетом при проектировании являются компактность, высокая плотность крутящего момента и отработанный контроль. Они менее привлекательны, когда роботу требуется сильная физическая податливость и частая устойчивость к ударам.
Маршрут 2: Квазипрямые приводы
Квазипрямой привод, часто сокращаемый до QDD, стал одним из наиболее важных направлений в разработке шагающих и гуманоидных роботов.
Вместо использования высокого передаточного отношения, QDD использует гораздо более низкое отношение, часто ниже 10:1. В некоторых конструкциях двигатель почти напрямую соединен с выходом через планетарный редуктор с низким передаточным отношением.
Идея проста: уменьшить механическую фильтрацию и позволить приводу «чувствовать» внешний мир более непосредственно.
Привод QDD обычно включает в себя:
- Безкаркасный двигатель с высокой плотностью крутящего момента
- Планетарный редуктор с низким передаточным отношением или гармонический редуктор с низким передаточным отношением
- Энкодер высокого разрешения
- Интегрированный привод
- В некоторых конструкциях — усовершенствованное охлаждение для непрерывной работы
Ключевым компонентом часто является планетарный редуктор.
В отличие от гармонических редукторов, планетарные редукторы используют жесткое зацепление шестерен. Несколько сателлитов вращаются вокруг центральной солнечной шестерни и входят в зацепление с внутренним кольцевым колесом. Одна ступень обычно обеспечивает более низкое передаточное отношение, чем гармонический редуктор, но может предложить более высокую эффективность, лучшую обратную управляемость и более высокую устойчивость к ударам.
Вот почему QDD популярен в суставах, требующих динамического движения: бедра, колени, лодыжки и другие несущие нагрузки положения.
Преимущества очевидны. Сочленение может быстро реагировать, более естественно поглощать удары и управлять силой через ток двигателя, не полагаясь постоянно на дорогой внешний датчик крутящего момента.
Недостатки — это тепло и размер. Для создания высокого крутящего момента при низком передаточном отношении сам двигатель должен быть мощнее. Это может увеличить диаметр двигателя, объем сочленения и потребность в охлаждении. При непрерывной работе с высокой нагрузкой управление тепловым режимом становится реальной инженерной проблемой.
QDD — это не просто «лучше», чем жесткий привод. Он лучше подходит для другого типа роботизированного поведения: динамичного, с возможностью обратного привода и устойчивого к ударам движения.
Маршрут 3: Последовательные упругие приводы
Последовательные упругие приводы располагаются между жестким приводом и QDD.
Основная идея заключается в размещении упругого элемента, такого как пружина или упругая структура, между системой привода и выходом. Упругий элемент поглощает удары и может быть измерен для оценки выходной силы.
Серийный упругий привод обычно включает:
- Двигатель и редуктор
- Упругий элемент
- Датчики для измерения упругой деформации
- Энкодеры со стороны двигателя и выходного вала
Преимущество заключается в безопасности и амортизации. Когда сустав получает внешний удар, упругий элемент может защитить редуктор и сделать физическое взаимодействие более мягким.
Недостатком является полоса пропускания управления. Пружина может накапливать энергию, но также добавляет задержку и сложность моделирования. Точное управление силой становится труднее, а механическая структура усложняется.
Для гуманоидных роботов SEA обычно не является самым простым путем для массового производства. Но он по-прежнему имеет ценность в приложениях, где амортизация и безопасное физическое взаимодействие важнее, чем отклик с высокой полосой пропускания.
Редукторы: Гармонические, Планетарные и RV
Редуктор — это не просто множитель крутящего момента. Он изменяет весь механический характер сустава.
Три типа редукторов особенно важны в данном обсуждении.
Гармонические редукторы
Гармонические редукторы компактны, точны и способны обеспечивать высокие передаточные числа. Они хорошо подходят для шарниров, где важны низкий люфт и компактность.
Их основные преимущества — высокое передаточное число, высокая точность и малый размер. Основные недостатки — стоимость, чувствительность к ударам и ограничения по жесткости/сроку службы при определенных условиях нагрузки.
В гуманоидных роботах гармонические редукторы часто используются для поворотных суставов верхней части тела или компактных суставов, требующих высокой точности позиционирования.
Планетарные редукторы
Планетарные редукторы эффективны, надежны и относительно легко вращаются в обратном направлении при использовании с низкими передаточными числами.
Их основные преимущества — ударопрочность, хорошая эффективность, отработанная технология производства и пригодность для конструкций QDD. Их ограничение заключается в том, что одна ступень не обеспечивает очень высокого передаточного числа, поэтому двигатель должен нести большую часть нагрузки по крутящему моменту.
В гуманоидных роботах планетарные редукторы часто обсуждаются для суставов нижней части тела или динамических суставов, где важны устойчивость к ударам и прозрачность силы.
RV-редукторы
RV-редукторы широко используются в промышленных роботах благодаря своей высокой жесткости, высокой крутящей способности, длительному сроку службы и высокой устойчивости к ударам.
Они используют более сложную двухступенчатую структуру, обычно сочетающую планетарное понижение с циклоидальной зубчатой передачей. Это обеспечивает им превосходную жесткость и грузоподъемность, но также делает их тяжелее и больше.
Для гуманоидных роботов RV-редукторы обычно не являются первым выбором для легких суставов всего тела. Они больше подходят для оснований промышленных роботов, рук с большой нагрузкой или специфических применений, требующих высокой жесткости.
Нет универсального решения
Одна из самых больших ошибок при анализе гуманоидных роботов — попытка назвать один «лучший» тип привода.
Универсального ответа не существует.
Сустав плеча, коленный сустав, лучезапястный сустав, тазобедренный сустав и сустав пальца не требуют одного и того же. Некоторые положения требуют компактной точности. Некоторые требуют устойчивости к ударам. Некоторые требуют высокого непрерывного крутящего момента. Некоторые требуют низкой инерции. Некоторые должны быть достаточно доступными для массового производства.
Вот почему многие робототехнические компании не используют одну и ту же конструкцию привода во всем корпусе.
Общие стратегии включают:
- Гетерогенная интеграция: различные структуры приводов для разных частей тела
- Единая модульная конструкция: одно семейство приводов, масштабированное для различных уровней крутящего момента
- Гибридный привод: индивидуальные высокопроизводительные узлы для ключевых мест и стандартизированные модули для остальных
Гетерогенная интеграция обеспечивает более оптимальный баланс силы-скорости-размера для каждого узла, но увеличивает сложность проектирования и цепочки поставок.
Унифицированные модули упрощают проектирование, производство, тестирование и контроль затрат, но могут потребовать компромиссов в определенных соединениях.
Гибридный привод часто является практичным промежуточным решением. Наиболее требовательные соединения получают специальную обработку, в то время как другие позиции используют стандартизированные модули для снижения сложности.
Именно поэтому в отрасли часто обсуждаются комбинации, такие как гармонические редукторы для компактных прецизионных соединений и планетарные редукторы для нагруженных соединений с высокой динамикой.
Что это значит для цепочки поставок
Модули поворотных соединений — это не просто моторные изделия. Они находятся на стыке прецизионной обработки, редукторов, двигателей, энкодеров, тормозов, подшипников, корпусов, теплового проектирования, процесса сборки и управляющей электроники.
Для покупателей и производителей рискованно оценивать модуль шарнира только по пиковому крутящему моменту.
Серьезный обзор должен включать:
- Непрерывный крутящий момент, а не только пиковый крутящий момент
- Передаточное число и обратная приводимость
- Люфт и жесткость
- Ударопрочность
- Тепловыделение и метод охлаждения
- Разрешение и расположение энкодера
- Поддержка подшипниками и жесткость корпуса
- Вес и внешний диаметр
- Согласованность сборки
- Тестирование поставщиков и данные о долгосрочной надежности
Самое впечатляющее число в спецификации не всегда самое полезное число в производстве.
Например, сустав с высоким пиковым крутящим моментом может выйти из строя, если он перегреется во время непрерывной ходьбы. Точный гармонический сустав может не подходить для повторяющихся ударных нагрузок. Сустав QDD с высокой возможностью обратного привода может потребовать тщательного подбора размера двигателя и охлаждения для непрерывного удержания нагрузки.
Правильный вопрос не в том, «какая технология более продвинутая?» Правильный вопрос в том, «какой путь подходит для этого соединения, этого робота, этого рабочего цикла и этого производственного плана?»
Как Kazida подходит к выбору модулей поворотных соединений
В Kazida Global мы рассматриваем компоненты робототехнических соединений с тем же подходом, который мы используем для станков и точного производства: деталь должна соответствовать реальным условиям работы.
Для модулей поворотных соединений это означает выход за рамки названия привода. Гармонический редуктор, планетарный редуктор, RV-редуктор, бескорпусной двигатель, энкодер, тормоз или обработанный корпус должны оцениваться вместе с требуемым крутящим моментом, ограничением по размеру, целевой точностью, рабочим циклом и бюджетными ограничениями.
Kazida может помочь производителям и дилерам сравнить больше вариантов станков, прецизионных компонентов, ресурсов для механической обработки, металлорежущих материалов и координации поставщиков. Что еще более важно, мы можем предложить практические рекомендации, основанные на реальном применении, чтобы решение принималось не только на основе каталога, одного предложения или показателя пикового крутящего момента.
Если ваш проект включает в себя поворотные приводы, прецизионные детали трансмиссии, корпуса с ЧПУ-обработкой, редукторы, валы или связанные с ними компоненты металлообработки, мы можем помочь проанализировать требования и обсудить подходящие варианты.
Заключительные мысли
Поворотные соединения гуманоидных роботов — это место встречи механического дизайна и стратегии управления.
Жесткие приводы обеспечивают компактную плотность крутящего момента и точность. Приводы QDD обеспечивают устойчивость к ударам, обратную управляемость и динамическое управление силой. Серийные упругие приводы добавляют физическую податливость и амортизацию. Гармонические, планетарные и RV редукторы каждый привносит свой баланс размера, жесткости, эффективности, стоимости и надежности.
Будущее гуманоидных роботов будет определяться не одним компонентом. Оно будет определяться тем, насколько хорошо двигатели, редукторы, датчики, тепловой дизайн, качество обработки, процесс сборки и алгоритмы управления будут работать вместе.
Для всех, кто занимается поиском или разработкой таких систем, урок прост: не выбирайте путь с приводом. Сначала поймите задачу, затем выберите подходящий путь.
Часто задаваемые вопросы
Что такое модуль вращательного шарнира в гуманоидном роботе?
Модуль вращательного шарнира — это интегрированный привод, который позволяет шарниру робота вращаться. Обычно он объединяет в себе двигатель, редуктор, энкодер, опорный подшипник, корпус, тормоз и управляющую электронику. Он используется в таких местах, как плечо, локоть, запястье, талия, бедро, колено и лодыжка.
В чем разница между жестким приводом и квазипрямым приводом?
Жесткий привод использует более высокое передаточное число для увеличения крутящего момента и точности позиционирования, но он менее подвержен обратному приводу и более чувствителен к ударам. Квазипрямой привод использует более низкое передаточное число, обычно с более мощным двигателем и планетарным редуктором, что обеспечивает лучшую прозрачность силы, устойчивость к ударам и динамический отклик.
Какой редуктор лучше для шарниров гуманоидного робота: гармонический, планетарный или RV?
Нет единого лучшего редуктора. Гармонические редукторы компактны и точны, планетарные редукторы эффективны и более обратимы, а редукторы RV обеспечивают высокую жесткость и грузоподъемность. Правильный выбор зависит от расположения шарнира, требуемого крутящего момента, ударной нагрузки, ограничений по размеру, целевой точности и стоимости.
Как Kazida Global может помочь с поиском модулей поворотных шарниров или прецизионных компонентов?
Kazida Global может предоставить практические рекомендации по станкам, прецизионным компонентам трансмиссии, деталям, обработанным на станках с ЧПУ, редукторам, валам, корпусам и связанным с ними ресурсам металлообработки. Если вы сравниваете варианты или планируете приобрести компоненты для проектов приводов или робототехники, вы можете связаться с нами для дальнейшего обсуждения.
Контакт
Оставьте свои контактные данные, и мы свяжемся с вами.
Телефон
WhatsApp
Wechat