Двигатель прямого привода (DD) и гармонический редуктор для шарниров коллаборативных роботов: что лучше?

Введение

Коллаборативные роботы предназначены для работы в условиях, когда люди и роботы делят одно рабочее пространство. Это предъявляет иные требования к конструкции шарниров роботов по сравнению с обычными промышленными роботами.

Шарнирное соединение для коллаборативного робота должно обеспечивать достаточный крутящий момент и точность позиционирования, сохраняя при этом компактные размеры, малый вес, плавность движения, быстрое управление и соответствующее силовое взаимодействие.

В связи с этим выбор способа передачи энергии в шарнирах робота приобретает особое значение.

Для шарниров коллаборативных роботов можно рассмотреть две технологии: двигатель прямого привода (DD-двигатель) и гармонический редуктор . Двигатель прямого привода приводит шарнир в движение напрямую, без механического редуктора, в то время как гармонический редуктор сочетает в себе высокоскоростной серводвигатель и высокоточную трансмиссию с высоким передаточным отношением.

Ни одна из технологий не является универсально лучшей. Более практичный вопрос заключается в том, какое решение обеспечивает оптимальный баланс плотности крутящего момента, возможности обратного хода, динамического отклика, размера шарниров, жесткости, тепловых характеристик и требований к управлению для конкретного коллаборативного робота.

В этой статье сравниваются двигатели прямого привода и редукторы крутильных колебаний для шарниров коллаборативных роботов и объясняется, когда каждая из этих технологий может быть лучшим выбором.

Что необходимо для работы шарнирного соединения в коллаборативном роботе?

Прежде чем сравнивать двигатели прямого привода и редукторы крутильных колебаний, важно понимать требования к шарниру коллаборативного робота.

В отличие от простого вращательного механизма, шарнир робота должен многократно ускоряться, замедляться, менять направление движения и поддерживать точное положение, одновременно перемещая звено и полезную нагрузку.

Таким образом, соединению необходимо одновременно выполнять несколько задач.

Плотность крутящего момента важна, поскольку привод должен создавать достаточный крутящий момент, не делая при этом манипулятор робота чрезмерно тяжелым.

Низкий люфт важен для поддержания точности позиционирования и предсказуемого движения.

Возможность обратного хода становится важной, когда роботу необходимо естественным образом реагировать на внешние воздействия.

Динамический отклик влияет на скорость ускорения, замедления и реакции робота на изменения в движении.

Жесткость влияет на способность робота удерживать заданное положение под нагрузкой.

Тепловые характеристики также имеют значение, поскольку коллаборативные роботы часто работают в течение длительного времени в компактных корпусах шарниров.

Эти требования могут привести к различным вариантам трансмиссии в зависимости от архитектуры робота.

Как работает гармонический редуктор в шарнире коллаборативного робота?

Обычно редуктор в сочетании с серводвигателем образует высокопроизводительный привод шарнира робота.

Двигатель работает на относительно высокой скорости, а гармоническая передача обеспечивает высокое передаточное число и преобразует выходную мощность двигателя в движение с более низкой скоростью и большим крутящим моментом, необходимое для шарнира робота.

Компактная конструкция трансмиссии позволяет относительно небольшому двигателю создавать гораздо больший крутящий момент в шарнире.

Это одна из главных причин, по которой редукторы крутильных колебаний широко рассматриваются для использования в роботизированных суставах.

Также редуктор может обеспечить очень малый люфт, что ценно для применений, требующих точного позиционирования и скоординированного многоосевого перемещения.

Для коллаборативных роботов такое сочетание высокого передаточного отношения, компактных размеров, низкого люфта и высокой плотности крутящего момента может быть особенно полезно для плечевых, локтевых и других несущих нагрузку суставов.

Однако, редуктор крутильных колебаний по-прежнему является механической трансмиссией.

Его динамические характеристики, эффективность, крутильные свойства и способность к обратному вращению зависят от конкретной конструкции редуктора, передаточного отношения, нагрузки и условий эксплуатации.

Следовательно, инженерам следует оценивать соединение в целом, а не предполагать, что каждый редуктор гармоник обеспечивает одинаковые характеристики.

Как работает двигатель прямого привода в шарнире коллаборативного робота?

В двигателе с прямым приводом используется другой подход.

Вместо того чтобы устанавливать редуктор между двигателем и шарниром робота, двигатель напрямую передает крутящий момент на выход.

Поскольку в системе отсутствует традиционный механический редуктор, она может содержать меньше компонентов трансмиссии.

Это может принести ряд преимуществ.

Отсутствие механического редуктора исключает люфт в зубчатой передаче и позволяет установить прямую зависимость между крутящим моментом двигателя и движением шарниров.

Двигатели с прямым приводом также могут обеспечивать превосходную динамическую реакцию.

Когда шарниру требуется быстрое ускорение, замедление или частые изменения направления движения, прямой привод может быть привлекательным вариантом, поскольку между двигателем и нагрузкой находится меньше элементов механической передачи.

Ещё одной важной характеристикой является возможность движения задним ходом.

Как правило, шарнир с прямым приводом легче подвергается обратному вращению, чем шарнир с большим передаточным отношением, что делает двигатели с прямым приводом интересными для применений, где важны силовое взаимодействие и податливое движение.

Ограничением является крутящий момент.

Поскольку отсутствует редуктор, увеличивающий крутящий момент двигателя, сам двигатель прямого привода должен создавать необходимый крутящий момент в шарнире.

Для шарнира коллаборативного робота с высоким крутящим моментом может потребоваться двигатель большей мощности с большим активным диаметром и большей теплоемкостью.

Гармонический редуктор против двигателя прямого привода для регулировки крутящего момента в шарнирах коллаборативного робота.

Плотность крутящего момента — одно из важнейших различий между двумя подходами.

Благодаря использованию гармонического редуктора двигателю не нужно напрямую создавать конечный крутящий момент в шарнире. Механизм редуктора увеличивает выходной крутящий момент, одновременно снижая частоту вращения.

Это упрощает создание компактного соединения с высоким крутящим моментом.

Двигатель с прямым приводом должен напрямую создавать требуемый выходной крутящий момент.

Для соединений с низким крутящим моментом это может не являться существенным ограничением.

Однако, по мере увеличения требуемого крутящего момента в шарнирах, размеры двигателя, токовые и тепловые характеристики могут значительно возрастать.

По этой причине гармоническая передача может быть привлекательной для шарниров коллаборативных роботов, которым требуется высокий крутящий момент в ограниченных механических условиях.

Двигатели с прямым приводом становятся более интересными, когда требуемый крутящий момент умеренный, а в конструкции больше внимания уделяется прямому приводу, высокой динамической характеристике и возможности обратного привода.

Что обеспечивает лучшую обратную передачу: двигатель с прямым приводом или гармонический редуктор?

Возможность обратного хода особенно важна в коллаборативной робототехнике.

Роботу может потребоваться обнаруживать внешние воздействия, реагировать на контакт и безопасно работать вблизи людей.

Высокоскоростная трансмиссия способна противостоять внешним перемещениям, поскольку нагрузка должна приводить в движение двигатель через трансмиссию.

Двигатель с прямым приводом не имеет такого же механизма понижения скорости.

Нагрузка напрямую соединена с двигателем, что позволяет шарниру естественным образом реагировать на внешние воздействия.

Это один из самых веских аргументов в пользу использования двигателей прямого привода в робототехнических системах, чувствительных к силе.

Однако это не означает, что шарниры роботов с гармоническим изгибом не могут обеспечивать управление силой.

В шарнирном соединении для управления силой и крутящим моментом могут использоваться высокоточные данные энкодера, информация о токе двигателя или встроенный датчик крутящего момента.

Таким образом, фактическая производительность зависит от всей архитектуры суставов.

Для применений, требующих высокочувствительного взаимодействия сил, инженерам следует оценивать не только тип трансмиссии, но и конфигурацию энкодера, датчик крутящего момента, алгоритм управления и механическое трение.

Какой из вариантов более компактен для шарнирных соединений коллаборативных роботов?

Компактность — еще одна область, где гармонические понижающие устройства могут иметь преимущество.

Понижающий редуктор может обеспечить высокое передаточное отношение при относительно небольших размерах.

Это позволяет интегрировать двигатель и трансмиссию в компактный корпус.

Для шестиосевого коллаборативного робота это может быть важно, поскольку каждый сустав вносит свой вклад в общие размеры и вес робота.

Уменьшение массы шарниров, расположенных выше по потоку, также может снизить крутящий момент, требуемый от шарниров, расположенных дальше по роботизированной руке.

Двигатель с прямым приводом позволяет обойтись без редуктора, но это не обязательно означает, что весь шарнир станет меньше по размеру.

Двигатель должен напрямую создавать необходимый крутящий момент, поэтому высокомоментный двигатель прямого привода может потребовать относительно большого диаметра.

Следовательно, удаление редуктора не приводит автоматически к уменьшению размеров шарнира робота.

Для корректного сравнения следует учитывать все конструктивные особенности исполнительного механизма, включая двигатель, подшипники, корпус, энкодер и систему охлаждения.

Гармонический редуктор против двигателя прямого привода для повышения точности работы шарниров робота

Обе технологии позволяют создавать высокоточные шарниры для роботов, но достигают этой цели по-разному.

Гармонические редукторы привлекательны тем, что обеспечивают чрезвычайно малый люфт и высокое передаточное отношение.

Это делает их подходящими для применений, где важна точная угловая ориентация.

Двигатели с прямым приводом полностью исключают люфт механического редуктора.

Однако отсутствие люфта в редукторе не гарантирует более высокой точности системы.

На точность выполнения манипуляций роботом в конечном итоге также влияют следующие факторы:

• Разрешение кодировщика

• Точность подшипников

• Управление двигателем

• Структурная деформация

• Тепловое расширение

• Механическая жесткость

Для коллаборативного робота эти факторы необходимо оценивать в совокупности.

Двигатель прямого привода с отличной обратной связью от энкодера, но недостаточной жесткостью конструкции, может не превзойти по характеристикам хорошо спроектированный шарнир гармонических колебаний.

Аналогично, гармонический редуктор с малым люфтом не может компенсировать плохую обратную связь энкодера или чрезмерную структурную деформацию.

Что лучше подходит для высокоскоростного движения роботов в режиме совместной работы?

Двигатели с прямым приводом обладают естественным преимуществом, когда важны высокоскоростное непрерывное вращательное движение и быстрая динамическая реакция.

Поскольку двигатель напрямую приводит нагрузку в движение, отсутствует редуктор, который должен передавать движение.

Это может быть полезно в приложениях, требующих частого ускорения и замедления.

Гармонические редукторы также могут обеспечивать быстрое перемещение робота, но максимальная выходная скорость ограничена трансмиссией и выбранным передаточным отношением.

Поэтому для шарниров коллаборативных роботов, требующих высокой скорости вращения, но относительно низкого крутящего момента, двигатели прямого привода могут быть привлекательным вариантом.

Для соединений, требующих высокого крутящего момента при относительно низкой скорости вращения, более практичным решением может стать передача крутящего момента.

Гармонический редуктор против двигателя прямого привода для управления силой в совместной работе роботов.

Управление силой приобретает все большее значение в коллаборативной робототехнике.

В таких областях применения, как сборка, полировка, установка, контроль качества и взаимодействие человека с роботом, робот должен реагировать на контактные силы, а не просто следовать заданной траектории положения.

Двигатели прямого привода (DD) привлекательны для таких применений, поскольку двигатель напрямую соединен с выходным валом.

Механическая взаимосвязь между крутящим моментом двигателя и крутящим моментом в суставе является относительно прямой.

Однако шарнирное соединение с гармоническими колебаниями может быть разработано и для применений с регулированием усилия.

Например, в интегрированном шарнире робота можно использовать энкодер на выходной стороне или датчик крутящего момента для получения более непосредственной информации о движении или крутящем моменте в шарнире.

Это может значительно улучшить способность системы управления различать движение со стороны двигателя и фактическое движение на выходе.

Поэтому в случае высокопроизводительных шарнирных соединений для коллаборативных роботов вопрос не должен сводиться к простому следующему:

Двигатель прямого привода или редуктор крутильных колебаний?

Более уместный вопрос:

Насколько точно может весь шарнир измерять и контролировать выходной крутящий момент?

Модули гармонических соединений могут включать в себя больше компонентов, чем просто редуктор.

Современный модуль шарнира робота — это не просто гармонический редуктор.

В состав полного модульного соединения могут входить:

• Сервомотор

• Понижающий преобразователь гармоник

• Кодировщик

• Водитель

• Тормоз

• Датчик крутящего момента

• Жилье

• Подшипники

Такой уровень интеграции может сократить объем инженерных работ, необходимых для создания роботизированного сустава.

Для производителей коллаборативных роботов интегрированный модуль гармонического шарнира также может обеспечить более стандартизированный механический и электрический интерфейс.

Это может быть полезно при разработке нескольких моделей роботов с различной грузоподъемностью.

Главное преимущество заключается не только в самом редукторе крутильных колебаний, но и в возможности интеграции трансмиссии, двигателя, датчиков и элементов управления в компактный исполнительный механизм.

В каких случаях следует выбирать гармонический редуктор для коллаборативного робота?

Использование редуктора крутильных колебаний целесообразно в тех случаях, когда шарниру коллаборативного робота требуется сочетание высокого крутящего момента, компактных размеров и малого люфта.

Он особенно подходит для соединений, где привод должен выдерживать значительную нагрузку, оставаясь при этом относительно легким.

Типичные области применения могут включать:

• Совместные роботизированные манипуляторы

• Шестиосевые коллаборативные роботы

• суставы человекоподобных роботов

• Мобильные манипуляторы

• Высокоточные роботизированные манипуляторы

Для таких применений гармоническая передача может обеспечить практичный баланс между плотностью крутящего момента, точностью и габаритами устройства.

Однако редуктор следует выбирать в соответствии с фактическим крутящим моментом, скоростью вращения, инерцией нагрузки, рабочим циклом и тепловыми условиями, а не просто выбирая максимально возможное передаточное число.

В каких случаях следует выбирать двигатель прямого привода для коллаборативного робота?

Двигатель с прямым приводом может быть более подходящим вариантом, если основными требованиями к конструкции являются прямой привод и высокая динамическая характеристика.

К типичным соображениям относятся:

• Высокая проходимость в обратном направлении

• Быстрое ускорение и замедление

• Непрерывное вращение

• Прямое управление крутящим моментом

• Низкая сложность механической передачи

Двигатели прямого привода могут быть особенно привлекательны для некоторых типов запястных суставов, механизмов, чувствительных к силе, и специализированных архитектур для коллаборативных роботов.

Они могут оказаться менее привлекательными, когда для соединения требуется очень высокий крутящий момент в чрезвычайно компактном корпусе.

В таких случаях необходимость увеличения габаритов двигателя для непосредственного создания крутящего момента может стать существенным конструктивным ограничением.

Двигатель прямого привода или гармонический редуктор: что лучше для разных типов шарниров робота?

Наилучшая технология может различаться и для разных осей одного и того же робота.

Для плечевого или опорного шарнира обычно требуется высокий крутящий момент, поскольку он поддерживает значительную часть конструкции робота и полезную нагрузку.

Таким образом, модуль гармонического шарнира может быть привлекательным вариантом для этих позиций.

Для локтевого сустава также необходимы значительный крутящий момент и компактность, поэтому передача крутильных колебаний является практичным вариантом во многих конструкциях.

К суставам запястья часто предъявляются разные требования.

Меньший вес, высокая скорость и динамический отклик могут стать более важными, поэтому в зависимости от архитектуры робота стоит рассмотреть возможность использования двигателя прямого привода.

Это означает, что производителю роботов не обязательно использовать абсолютно одинаковую архитектуру приводов для каждого сустава.

Различные положения суставов могут предъявлять разные требования к крутящему моменту, скорости, инерции и управлению усилием.

Как выбрать между двигателем прямого привода и редуктором для коллаборативного робота

Выбор можно упростить, оценив фактические приоритеты проектирования.

Если для соединения требуются высокая плотность крутящего момента, компактные размеры, высокое передаточное отношение и очень малый люфт, то гармонический редуктор часто является подходящим вариантом.

Если в конструкции соединения приоритет отдается прямому приводу, возможности обратного привода, высокой динамической отзывчивости и низкой сложности механической трансмиссии, то двигатель с прямым приводом может оказаться более привлекательным.

Если для приложения требуется высокоточное управление силой, следует рассмотреть обе технологии в сочетании с архитектурой датчиков.

Датчик крутящего момента, конфигурация с двумя энкодерами и соответствующее сервоуправление могут оказать существенное влияние на конечные характеристики шарнира робота.

Вывод: двигатель прямого привода или гармонический редуктор для коллаборативных роботов?

Единого победителя среди двигателей с прямым приводом и редукторов крутильных колебаний не существует.

Как правило, редуктор с гармоническими колебаниями более привлекателен в тех случаях, когда для шарнира коллаборативного робота требуется высокая плотность крутящего момента, компактные размеры, низкий люфт и высокое передаточное отношение.

Двигатель с прямым приводом становится более привлекательным, когда основными требованиями являются прямой привод, возможность обратного привода, высокая динамическая характеристика и непрерывное вращательное движение.

Для многих компактных роботизированных манипуляторов модули с гармоническими шарнирами обеспечивают практичное сочетание крутящего момента, точности и интеграции. Для специализированных шарниров, в которых акцент делается на прямое силовое взаимодействие и динамический отклик, двигатели прямого привода могут обеспечить важные преимущества.

Самое важное — оценить весь шарнир робота целиком, а не только двигатель или редуктор.

Крутящий момент двигателя, передаточное число, обратная связь энкодера, несущая способность, жесткость конструкции, тепловые характеристики, датчик силы и архитектура управления — все эти факторы влияют на конечные характеристики.

Поэтому для производителей роботов, разрабатывающих коллаборативные роботы, оптимальным решением может стать модуль гармонических шарниров для осей с высоким крутящим моментом и архитектура прямого привода для отдельных высокоскоростных или чувствительных к усилию шарниров, в зависимости от механических и управляющих требований робота.

Компания HONPINE предлагает редукторы, поворотные приводы, модули шарниров роботов и решения на основе двигателей прямого привода для различных задач робототехники, позволяя инженерам выбирать подходящую архитектуру трансмиссии в зависимости от конкретного применения.