Một robot hình người có thể trông giống như một cỗ máy tích hợp, nhưng hầu hết các lỗi trong quá trình phát triển và triển khai ban đầu đều bắt nguồn từ một nơi duy nhất: mô-đun khớp nối. Khi robot giơ tay, gập eo hoặc bước đi, chuyển động nhìn thấy được thuộc về toàn bộ cỗ máy. Điều thực sự tạo ra nó là một mạng lưới các khớp nối riêng lẻ — vai, khuỷu tay, cổ tay, hông, đầu gối, mắt cá chân — mỗi khớp thực hiện công việc của riêng mình đồng thời.

Một video demo chứng minh nguyên mẫu hoạt động một lần. Sau vài giờ hoạt động liên tục, những câu hỏi khó hơn xuất hiện: sự gia tăng nhiệt độ có được kiểm soát không, chuyển động có còn mượt mà không, độ rơ có tăng lên không? Đó là lúc bạn phát hiện ra liệu các khớp nối có thực sự sẵn sàng hay không.

Gọi một mô-đun kết hợp là "động cơ" cũng giống như gọi động cơ ô tô là "chỉ là vài pít-tông". Động cơ chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động quay. Khớp nối robot cần đầu ra tốc độ thấp, mô-men xoắn cao, phản hồi nhanh — cộng với phản hồi liên tục, logic bảo vệ và khả năng duy trì hiệu suất qua hàng nghìn chu kỳ mà không bị sai lệch.

Mở một cái ra và sự phân chia công việc trông đại khái như thế này: động cơ cung cấp năng lượng, bộ giảm tốc làm chậm nó lại và nhân mô-men xoắn, bộ mã hóa cung cấp phản hồi vị trí và tốc độ, và bộ điều khiển quản lý dòng điện và trạng thái chuyển động. Phanh giữ tư thế khi mất điện. Vòng bi chịu tải. Vỏ máy xử lý cấu trúc và tản nhiệt. Dây điện và đầu nối kết nối mọi thứ lại với nhau.

Phần khó khăn là các vấn đề về khớp nối hầu như không bao giờ chỉ giới hạn ở một thành phần duy nhất. Nhiệt độ động cơ cao có thể liên quan đến hiệu suất bộ giảm tốc, tản nhiệt vỏ máy và chiến lược dòng điện của bộ truyền động cùng một lúc. Rung động có thể liên quan đến độ phân giải bộ mã hóa, điều chỉnh điều khiển, độ rơ của hộp số và độ cứng cấu trúc đồng thời. Một mô-đun khớp nối khó là vì tất cả các yếu tố này đều tác động lẫn nhau.

Động cơ quay nhanh. Bộ giảm tốc làm chậm vòng quay đó và nhân mô-men xoắn. Khớp nối robot không cần tốc độ — nó cần cung cấp lực ổn định ở tốc độ thấp, với các điểm dừng chính xác đúng nơi lệnh yêu cầu.

Động cơ mô-men xoắn không khung phổ biến trong các khớp nối của robot hình người. Loại bỏ vỏ bọc và nắp cuối thông thường, tích hợp các chức năng đó vào cụm lắp ráp xung quanh, và khớp nối sẽ trở nên nhỏ gọn hơn đáng kể. Cả Kollmorgen và maxon đều xuất bản các dòng động cơ không khung được định vị cho loại ứng dụng tích hợp chặt chẽ, mật độ mô-men xoắn cao này.

Việc lựa chọn bộ giảm tốc khác nhau tùy theo vị trí. Bộ giảm tốc Harmonic nhỏ gọn và có độ rơ thấp — tốt cho các khớp nối bị hạn chế về không gian. Bộ giảm tốc RV và cycloidal nghiêng về độ cứng và khả năng chịu tải, phổ biến hơn ở hông và đầu gối. Cổ tay và ngón tay lại cần một thứ khác. Robot hình người sẽ không sử dụng một loại bộ giảm tốc duy nhất cho toàn bộ cơ thể, và nó cũng không nên cố gắng làm như vậy.

Các kỹ sư đánh giá bộ giảm tốc không chỉ hỏi "mô-men xoắn cực đại là bao nhiêu?" Các câu hỏi thực tế là: mô-men xoắn liên tục có thể duy trì trong bao lâu, độ rơ phát triển như thế nào trong suốt vòng đời dịch vụ và độ chính xác có được duy trì sau khi chịu tải trọng đột ngột không? Một động cơ và bộ giảm tốc trông có vẻ phù hợp trên lý thuyết có thể trở thành nguồn nhiệt và lỗi điều khiển khi chúng thực sự hoạt động bên trong robot.

Nếu bộ điều khiển yêu cầu khuỷu tay xoay 30 độ, hệ thống cần phản hồi vị trí liên tục để biết liệu nó có thực sự đạt được điều đó hay không — và để sửa chữa nếu không. Nếu không có lớp phản hồi này, hệ thống điều khiển về cơ bản là đang đoán.

Bộ mã hóa xử lý vị trí và tốc độ. Cảm biến nhiệt độ, lấy mẫu dòng điện và giám sát rung động bổ sung cho bức tranh trạng thái còn lại. Một khớp nối được tích hợp tốt sẽ truyền tất cả những điều này trở lại bộ điều khiển và bộ điều khiển chính để điều khiển chuyển động, phát hiện lỗi và theo dõi tuổi thọ.

Dây cáp điện là bộ phận dễ bị bỏ qua, và đó thường là lúc chúng gây ra sự cố. Mỗi lần một khớp chuyển động, cáp bị uốn cong, xoắn và kéo căng. Một nguyên mẫu có thể hoàn thành chuyển động hàng chục lần mà không phát sinh vấn đề về dây điện. Sau nhiều tuần hoạt động liên tục, các đầu nối bị lỏng, lớp cách điện bị mài mòn và các tiếp điểm chập chờn có thể trở thành một số lỗi khó theo dõi nhất — vì chúng không hiển thị rõ ràng trong bất kỳ thành phần đơn lẻ nào.

Bộ điều khiển chuyển đổi các lệnh của hệ thống điều khiển thành dòng điện và điện áp mà động cơ có thể tác động. Nó cũng xử lý bảo vệ quá dòng, quá áp và quá nhiệt. Ngay cả với một động cơ có khả năng, hành vi kém của bộ điều khiển cũng gây ra rung động, phản ứng chậm, nhiệt và các kích hoạt bảo vệ thường xuyên.

Robot hình người khó điều khiển hơn hầu hết các thiết bị quay. Hàng chục khớp chuyển động đồng thời, tải trọng thay đổi nhanh chóng, tư thế được liên kết chặt chẽ và các nhiễu loạn bên ngoài xảy ra liên tục. Người điều khiển cần phản ứng nhanh mà không làm hệ thống bị giật cục, đồng thời cung cấp dòng điện mà không để nhiệt độ tăng cao.

Phanh giải quyết một vấn đề riêng biệt: khớp cần giữ cố định, không chỉ di chuyển. Trong trường hợp mất điện, cánh tay không thể bị rơi xuống. Dưới tải trọng, khớp không thể từ từ trôi đi. Đặc biệt đối với vai, hông và đầu gối, logic phanh và hành vi bảo vệ xác định xem robot có an toàn khi hoạt động gần con người hay không — điều này cuối cùng là mục đích chính.

Ổ bi, vỏ và các bộ phận kết cấu ít được chú ý trong các tài liệu báo chí. Kỹ sư không thể tránh khỏi chúng. Ổ bi cho phép quay trơn tru dưới tải trọng xuyên tâm, hướng trục và tải trọng va đập. Vỏ cố định mọi thứ vào vị trí, duy trì sự thẳng hàng và cung cấp đường dẫn nhiệt cho động cơ, bộ điều khiển và bộ giảm tốc. Các bộ phận này trực tiếp xác định độ cứng khớp, tuổi thọ và mức độ khó khăn khi sửa chữa một bộ phận tại hiện trường.

Độ nhạy trọng lượng làm cho điều này khó khăn hơn. Một khớp nặng hơn không chỉ làm tăng khối lượng — nó làm thay đổi quán tính của chi, làm phức tạp việc điều khiển, rút ngắn tuổi thọ pin và thay đổi tải trọng kết cấu trên toàn bộ bộ phận lắp ráp. Giảm trọng lượng không chỉ đơn giản là sử dụng vật liệu mỏng hơn. Cắt giảm độ cứng và bạn sẽ bị biến dạng. Cắt giảm tản nhiệt và bộ điều khiển sẽ bị giảm hiệu suất. Để dung sai lắp ráp bị trượt và tuổi thọ của bộ giảm tốc và ổ bi đều giảm.

Sản xuất hàng loạt là nơi tất cả những điều này được kiểm tra khắt khe nhất. Một nguyên mẫu trong phòng thí nghiệm có thể được lắp ráp và tinh chỉnh cẩn thận bằng tay. Việc giữ cho một lô sản xuất nhất quán đòi hỏi thiết kế kết cấu, dụng cụ, quy trình, kiểm tra và chất lượng nhà cung cấp phải đồng bộ cùng lúc.

Mô-men xoắn đỉnh chỉ là con số đầu tiên cần kiểm tra. Nó thể hiện khả năng bộc phát trong thời gian ngắn — hữu ích khi đứng dậy từ tư thế ngồi xổm hoặc hấp thụ va đập. Trong quá trình đi bộ liên tục, giữ tư thế và các tác vụ lặp đi lặp lại, mô-men xoắn liên tục và quản lý nhiệt có ý nghĩa quan trọng hơn nhiều.

Mật độ mô-men xoắn — đầu ra trên mỗi đơn vị trọng lượng — ảnh hưởng đến hành vi của toàn bộ máy. Ở phần cuối cánh tay, cẳng chân và mắt cá chân, trọng lượng được khuếch đại dọc theo chuỗi động học. Một cải tiến nhỏ về thông số kỹ thuật ở cổ tay có tác động lớn hơn đến động lực học tổng thể so với cùng một cải tiến ở hông.

Độ rơ và độ cứng biểu hiện trực tiếp trong chất lượng chuyển động. Một lỗi nhỏ bên trong khớp tích lũy qua cấu trúc chi và trở thành việc nắm bắt không chính xác, đứng không ổn định, hoặc chuyển động trôi dạt mà thuật toán phải liên tục sửa chữa. Hiệu quả và sinh nhiệt đặt ra giới hạn về thời gian robot có thể hoạt động liên tục. Khi hàng chục khớp hoạt động, ngay cả những tổn thất nhỏ trên mỗi khớp cũng tích lũy thành các ràng buộc thực tế về nhiệt và pin.

Tuổi thọ, độ tin cậy và chi phí đều quyết định liệu một nền tảng có thể thực sự mở rộng quy mô hay không. Mài mòn bộ giảm tốc, quá nhiệt động cơ, mỏi ổ trục, lỏng dây nịt, và hỏng bộ điều khiển đều có thể làm dừng toàn bộ robot. Nếu tỷ lệ lỗi của một mô-đun duy nhất tăng nhẹ, điều đó sẽ nhân lên trên toàn bộ đội xe.

Chuỗi cung ứng mô-đun khớp nối bao gồm bộ giảm tốc, động cơ, bộ truyền động, bộ mã hóa, cảm biến, vòng bi, các bộ phận kết cấu và tích hợp. Các công ty như Harmonic Drive, Nabtesco, Kollmorgen và maxon là những tên tuổi nổi tiếng toàn cầu. Tại Trung Quốc, Leaderdrive, Inovance, Leadshine và MOONS' đã có những động thái công khai trong lĩnh vực truyền động chính xác và điều khiển truyền động.

Nhưng đây không phải là cuộc cạnh tranh danh sách bộ phận. Một bộ giảm tốc có độ chính xác cao kết hợp với quản lý nhiệt kém, hệ thống dây điện không đáng tin cậy hoặc hành vi của bộ truyền động không nhất quán vẫn tạo ra một robot bị hạn chế. Một cấu trúc nhẹ với độ cứng không đủ sẽ đánh đổi sự hấp dẫn về thông số kỹ thuật ngắn hạn lấy sự bất ổn định dài hạn. Khớp nối hoạt động như một hệ thống hoặc nó sẽ không hoạt động tốt chút nào.

Các nhà sản xuất robot cũng quy định các khớp nối khác nhau tùy theo vị trí. Hông, đầu gối và mắt cá chân ưu tiên khả năng chịu tải, chống va đập và đầu ra liên tục. Vai và khuỷu tay cân bằng giữa sức mạnh, tính linh hoạt và kích thước. Cổ tay và bàn tay cần kích thước nhỏ hơn, trọng lượng nhẹ hơn, phản ứng nhanh hơn và kiểm soát chặt chẽ hơn. Một thông số kỹ thuật cho toàn bộ cơ thể là không thực tế.

Tích hợp cao hơn là hướng đi rõ ràng — động cơ, bộ giảm tốc, bộ mã hóa, trình điều khiển, cảm biến và phanh được đóng gói chặt chẽ hơn với nhau để giảm thiểu dây nối bên ngoài và các bước lắp ráp. Sự đánh đổi là có thật: tản nhiệt, cô lập lỗi và sửa chữa tại chỗ đều trở nên khó khăn hơn khi có nhiều thứ được đóng gói bên trong.

Mật độ mô-men xoắn và giảm trọng lượng sẽ vẫn là trọng tâm. Động cơ không khung, vật liệu từ tính tốt hơn, bộ giảm tốc nhẹ hơn, cấu trúc cường độ cao và thiết kế nhiệt chặt chẽ hơn sẽ được đưa vào sớm hơn trong quy trình kỹ thuật khi lĩnh vực này trưởng thành.

Việc giảm chi phí ảnh hưởng đến tốc độ mở rộng của các nền tảng, nhưng không chỉ đơn thuần là gây áp lực về giá cho nhà cung cấp. Thiết kế tiêu chuẩn hóa, sản xuất theo lô, tối ưu hóa quy trình, kiểm tra tự động và chiều sâu chuỗi cung ứng đều đóng góp vào điều đó. Một khớp nối không ổn định, giá cả phải chăng, dễ lắp ráp và bảo trì tại hiện trường thì chưa đáp ứng được yêu cầu thực tế của sản xuất hàng loạt.

Các khớp nối cũng sẽ mang nhiều cảm biến hơn theo thời gian. Dữ liệu về vị trí, tốc độ, dòng điện, nhiệt độ, mô-men xoắn, rung động và va đập sẽ cung cấp thông tin không chỉ cho điều khiển chuyển động mà còn cho dự đoán lỗi và quản lý tuổi thọ. Đối với các nhóm vận hành, việc biết trước khớp nối nào đang bắt đầu hoạt động bất thường sẽ hữu ích hơn nhiều so với việc chẩn đoán lỗi sau khi rô-bốt đã ngừng hoạt động.

Thị trường robot hình người đang phát triển nhanh chóng, và các thành phần thúc đẩy nó — mô-đun khớp nối, bộ giảm tốc chính xác, động cơ mô-men xoắn cao, hệ thống mã hóa — đều phụ thuộc vào gia công chất lượng cao để đạt được điều đó. Cho dù bạn đang sản xuất các thành phần robot ngày hôm nay hay đang lên kế hoạch năng lực sản xuất cho những gì sắp tới, thì máy công cụ đằng sau các bộ phận này cũng quan trọng như chính các bộ phận đó.

Tại Kazida Global, chúng tôi làm việc với các nhà sản xuất trong toàn bộ phổ gia công chính xác. Chúng tôi cung cấp máy công cụ CNC cho các nhà sản xuất sản xuất các thành phần chính xác cho robot và tự động hóa, bao gồm cả robot hình người.

mô-đun khớp robot, bộ giảm tốc và vỏ bộ truyền động. Nếu bạn đang sản xuất hoặc có kế hoạch sản xuất các bộ phận cho robot và tự động hóa — hoặc đơn giản là muốn thảo luận về thiết lập gia công phù hợp cho loại công việc này — chúng tôi rất sẵn lòng trò chuyện.