Проектирование суставов робота представляет собой задачу многокритериального компромисса. В ограниченном пространстве необходимо одновременно удовлетворять требованиям по крутящему моменту, точности, скорости, надежности и контролю затрат. Зрелый модуль сустава роботапредставляет собой интегрированную электромеханическую систему, в которой уже учтены высокая плотность крутящего момента, высокая степень интеграции, облегченная конструкция и управление тепловыделением.

Источник мощности модуля сустава

Для достижения максимального выходного крутящего момента и эффективного рассеивания тепла в компактном объеме современные суставы роботов обычно не используют традиционные корпусные двигатели. Вместо этого широко применяются бескорпусные моментные двигатели.

Бескорпусный двигатель состоит только из статора и ротора, которые непосредственно интегрируются в механический корпус сустава. Причина выбора такой конструкции заключается в том, что она обеспечивает чрезвычайно высокую удельную мощность и отличную динамическую реакцию.

Система передачи модуля сустава

Двигатель обычно работает на высокой скорости, но создает недостаточный крутящий момент, поэтому для его увеличения требуется редуктор. Выбор редуктора напрямую определяет ударостойкость сустава и характеристики люфта.

Распространенные типы включают:

(1) Гармонический редуктор

Гармонические редукторы характеризуются нулевым люфтом, компактными размерами и высокими передаточными отношениями (обычно 50:1 to 160:1). В настоящее время они являются стандартным решением для высокоточных роботизированных суставов. Однако их ударостойкость относительно ограничена.

(2) Планетарный редуктор / циклоидальный редуктор

В таких конструкциях, как квазипрямоприводные роботы, вдохновленные гепардом, часто используются планетарные редукторы с низким передаточным отношением. Они обеспечивают отличную ударостойкость и высокую прозрачность крутящего момента.

Энкодеры и датчики в модулях суставов

Высококачественное управление суставом зависит от точной обратной связи по замкнутому контуру. В большинстве основных конструкций используется архитектура с двумя энкодерами:

(1) Энкодер на стороне двигателя

Устанавливается со стороны ротора двигателя, обычно это оптический или магнитный энкодер высокого разрешения. Используется для коммутации двигателя и управления контуром скорости.

(2) Абсолютный энкодер на выходной стороне

Устанавливается на выходе редуктора и напрямую измеряет истинное физическое положение сустава, устраняя ошибки позиционирования, вызванные гибкостью передачи.

(3) Датчик крутящего момента сустава

Обычно интегрируется между выходом редуктора и звеном робота. Он необходим для импедансного управления, гибридного управления силой и положением, а также для обеспечения безопасности при взаимодействии человека и робота.

Система привода и управления модуля сустава

Чтобы уменьшить сложность проводки в роботе, в большинстве современных конструкций драйвер двигателя интегрируется непосредственно в сустав.

(1) Высокоинтегрированный привод / плата управления двигателем

Эта плата обрабатывает сигналы датчиков и выполняет алгоритмы управления, такие как управление контуром тока, контуром скорости и контуром положения. Она часто реализуется в виде кольцевой печатной платы, установленной вокруг вала двигателя или заднего корпуса.

(2) Интерфейс коммуникационной шины

Такие протоколы, как EtherCAT или CANopen, используются для высокоскоростного обмена данными с центральным контроллером робота.

Механизмы безопасности и вспомогательные механизмы

Ключевым компонентом безопасности, который обычно используется, является тормоз (удерживающий тормоз при отключении питания). Когда робот теряет питание или возникает неисправность, тормоз немедленно блокирует вал двигателя, чтобы предотвратить падение робота под собственным весом.

Механическая структура и управление тепловыделением модуля сустава

(1) Перекрестно-роликовый подшипник

Этот компонент обеспечивает поддержку и защиту и обычно используется как основной выходной подшипник сустава. Он способен одновременно выдерживать радиальные нагрузки, осевые нагрузки и опрокидывающие моменты, что делает его идеальным для сложных нагрузок в роботизированных суставах.

(2) Облегченный корпус и тепловая конструкция

Корпуса гуманоидных роботов обычно изготавливаются из алюминиевых сплавов авиационного класса (such as 7075 aluminum). Поскольку бескорпусный двигатель напрямую соединен с корпусом, сама конструкция действует как основной теплоотвод. Поэтому требуется хорошо продуманная структурная топология для эффективного отвода тепла.