Как полоса пропускания системы управления влияет на производительность двигателя шарнира робота?

Введение  

При оценке двигателя шарнира робота инженеры часто в первую очередь обращают внимание на номинальный крутящий момент, скорость, мощность и разрешение энкодера. Однако одних этих параметров недостаточно для полного определения того, насколько быстро и точно шарнир робота может реагировать на команды движения.

Для коллаборативных роботов, человекоподобных роботов, прецизионных роботизированных манипуляторов и других динамических роботизированных систем полоса пропускания управляющих сигналов является важным показателем способности сустава к динамическому отклику.

Современные шарниры роботов уже не представляют собой просто комбинацию двигателя и редуктора. Полный модуль шарнира робота может объединять серводвигатель, прецизионный редуктор, энкодер, сервопривод, подшипники, корпус и интерфейсы связи в одном компактном приводе. В результате достижимая полоса пропускания управления определяется взаимодействием всей системы шарнира, а не только двигателем.

Высокопроизводительный сервомотор может обладать превосходной электрической характеристикой, но если передача имеет чрезмерную гибкость, механическая конструкция обладает низкой жесткостью или система обратной связи вносит значительную задержку, полосу пропускания системы управления положением невозможно бесконечно увеличивать.

Вот почему при оценке модуля гармонического или планетарного шарнира полезнее задать следующий вопрос:

Какую эффективную полосу пропускания системы управления может обеспечить шарнир всего робота при реальных нагрузках и условиях эксплуатации?

В данной статье объясняется, как полоса пропускания управляющего сигнала влияет на производительность двигателя шарнира робота, и рассматривается, как двигатель, редуктор, энкодер, привод, механическая конструкция и система управления взаимодействуют, определяя динамические характеристики интегрированного шарнира робота.

Что такое полоса пропускания управления в шарнире робота?

Полоса пропускания системы управления определяется анализом частотной характеристики в теории управления. Для шарнира робота её можно понимать как диапазон частот, в пределах которого система управления с обратной связью может эффективно следовать изменяющимся командам движения, сохраняя при этом стабильную и предсказуемую работу.

В типичной системе с замкнутым контуром полоса пропускания управления часто оценивается с использованием точки -3 дБ на частотной характеристике.

Например, если полоса пропускания управления положением шарнира робота составляет 30 Гц, это не означает, что робот может двигаться только с частотой 30 Гц. Вместо этого это означает, что по мере увеличения частотных составляющих команды позиционирования способность шарнира отслеживать объект начинает значительно ухудшаться по мере приближения команды к этому частотному диапазону.

Таким образом, полоса пропускания управляющих сигналов дает представление о том, насколько быстро шарнир робота может реагировать на изменяющиеся команды.

Траектории движения робота, изменения ускорения, резкие развороты, контактные события и действия по управлению силой содержат различные частотные компоненты. Более низкая полоса пропускания, как правило, означает, что системе требуется больше времени для выполнения быстро меняющихся команд. Более высокая полоса пропускания позволяет быстрее реагировать на изменения движения и внешние возмущения.

Однако более высокая полоса пропускания управляющего сигнала не всегда означает лучшее качество.

Если полоса пропускания управляющего сигнала приближается к резонансным частотам механической конструкции, увеличение коэффициента усиления управления может усилить вибрацию, уменьшить запас устойчивости и даже вызвать нестабильность.

Таким образом, цель состоит не просто в максимизации полосы пропускания, а в достижении надлежащего баланса между скоростью отклика, механической жесткостью, уровнем шума, стабильностью и требованиями приложения.

Полоса пропускания управления определяется не только двигателем шарнира робота.

Это один из важнейших моментов при оценке производительности суставов робота.

В технических характеристиках изделия часто указываются скорость вращения двигателя, номинальный крутящий момент, мощность и разрешение энкодера. Однако эти характеристики не следует напрямую интерпретировать как полосу пропускания управления всего шарнира робота.

Типичный интегрированный шарнир робота можно рассматривать как систему, состоящую из:

Двигатель → Сервопривод → Редуктор → Энкодер → Подшипники и механическая конструкция → Контроллер робота

Каждый этап может влиять на достижимую полосу пропускания системы управления.

Двигатель определяет основные характеристики привода и электрическую реакцию. Сервопривод определяет работу контуров управления током, скоростью и положением. Редуктор изменяет соотношение между скоростью двигателя, выходным крутящим моментом и отраженной инерцией. Энкодер определяет качество и задержку обратной связи по положению. Подшипники, корпус и механические конструкции определяют жесткость, инерцию и механический резонанс.

Следовательно, высокоскоростной двигатель не приводит автоматически к созданию высокоскоростного шарнира робота.

Например, сервомотор может реагировать очень быстро, но если он подключен к механической конструкции с низкой жесткостью, увеличение коэффициента усиления контура позиционирования может вызвать механический резонанс.

В данном случае фактическое ограничение обусловлено всей механической системой, а не самим двигателем.

Это одна из причин, почему интегрированные модули шарниров роботов приобретают все большее значение.

Когда двигатель, редуктор, энкодер и привод проектируются и подбираются как единая система, инженеры могут оптимизировать согласование инерции, положение обратной связи, параметры управления, механическую жесткость и задержку связи одновременно, вместо того чтобы интегрировать независимые компоненты на более позднем этапе.

Как каскадная архитектура управления влияет на пропускную способность суставов робота?

В робототехнических двигателях шарниров обычно используется каскадная архитектура управления, а не единый контроллер положения, напрямую управляющий двигателем.

Типичная архитектура включает в себя контур регулирования тока, контур регулирования скорости и контур регулирования положения.

Токовый контур расположен ближе всего к двигателю и, следовательно, требует максимально быстрой реакции. Он управляет током двигателя и электромагнитным моментом и обычно работает на самой высокой частоте управления.

Контур регулирования скорости расположен между контуром регулирования тока и контуром регулирования положения и управляет скоростью двигателя. Его полоса пропускания обычно ниже, чем у контура регулирования тока.

Контур позиционирования является самым внешним контуром и напрямую определяет точность отслеживания положения шарнира робота. На него сильно влияют механическая инерция, жесткость конструкции, гибкость редуктора и механический резонанс.

Это означает:

Наличие высокоскоростной токовой петли не означает автоматически, что шарнир робота обладает высокой полосой пропускания управления положением.

Сервопривод может обладать чрезвычайно высокой скоростью управления током, но если шарнир робота обладает значительной механической гибкостью, полосу пропускания контура позиционирования все равно нельзя бесконечно увеличивать.

Поэтому при оценке двигателя шарнира робота или интегрированного исполнительного механизма инженерам следует выходить за рамки частоты управления привода или электрической реакции двигателя и изучать фактические характеристики контуров позиционирования, скорости и крутящего момента на выходе шарнира.

Почему редуктор влияет на полосу пропускания управления шарнирами робота?

В шарнирах роботов, использующих механический редуктор, редуктор является одним из ключевых компонентов, влияющих на динамические характеристики.

Основная функция редуктора заключается в снижении скорости вращения и увеличении крутящего момента, что позволяет относительно компактному двигателю приводить в движение более крупную роботизированную нагрузку.

Однако с точки зрения управления редуктор также изменяет механические характеристики всей системы.

Передаточное число влияет на соотношение инерции со стороны двигателя и со стороны нагрузки. Трение в передаче, жесткость на кручение, механическая податливость и люфт также могут влиять на частотную характеристику шарнира.

Если механическая система имеет значительные упругие колебания, увеличение коэффициента усиления контроллера может вызвать резонанс на определенных частотах.

Следовательно, более высокое соотношение уменьшения не означает автоматически лучшего качества.

При проектировании шарниров робота необходимо найти баланс между крутящим моментом, скоростью вращения, согласованием инерции, жесткостью, трением и полосой пропускания системы управления.

Именно поэтому разные оси роботов могут использовать разные передаточные числа или даже разные типы шарнирных модулей.

Как модуль гармонического шарнира влияет на динамический отклик шарниров робота?

Для шарнирных соединений роботов, требующих высокой плотности крутящего момента, компактных размеров и точного позиционирования, модуль гармонического шарнира является важной архитектурой привода.

Модуль гармонического шарнира позволяет объединить серводвигатель, гармонический редуктор, энкодер, сервопривод, подшипники и корпус в компактный привод шарнира робота. По сравнению с приобретением двигателя и редуктора по отдельности и их интеграцией на системном уровне, интегрированная архитектура позволяет уменьшить количество механических интерфейсов и упростить интеграцию системы, а также подобрать компоненты для создания единого шарнира.

С точки зрения полосы пропускания системы управления, важный вопрос заключается не просто в том, обладает ли гармонический редуктор определенной полосой пропускания. Вместо этого ключевой вопрос состоит в том, какую механическую основу обеспечивает передача гармоник для замкнутой системы управления.

Низкий люфт в трансмиссии может повысить предсказуемость управления положением. Высокая механическая жесткость может помочь уменьшить ошибки позиционирования на выходе, вызванные изменениями нагрузки. Соответствующее передаточное число также может позволить двигателю работать в подходящем диапазоне скоростей и крутящего момента.

В сочетании с высокоточным энкодером, в частности, энкодером на выходе, контроллер может получать более точную информацию о фактическом положении выходного сигнала шарнира робота.

В результате модуль гармонического шарнира может обеспечить полезный баланс плотности крутящего момента, точности, компактности и характеристик управления с обратной связью для шарниров роботов, таких как плечевые и локтевые оси, которые требуют относительно высокого выходного крутящего момента.

Однако окончательная полоса пропускания модуля гармонического шарнира по-прежнему зависит от общего согласования двигателя, передаточного отношения, энкодера, сервопривода, механической конструкции и параметров управления.

Как модуль планетарного шарнира влияет на полосу пропускания системы управления?

Модуль планетарного шарнира предоставляет еще один вариант конструкции роботизированного шарнира, особенно когда для конкретного применения требуется иное сочетание выходной скорости, непрерывной работы, крутящего момента и динамического отклика.

На полосу пропускания системы управления также влияют передаточное отношение, жесткость передачи, трение, инерция нагрузки и механический резонанс.

Следовательно, выбор модуля планетарного шарнира не приводит автоматически к увеличению полосы пропускания системы управления, так же как выбор модуля гармонического шарнира не гарантирует автоматически более высокую динамическую характеристику.

Более целесообразный подход заключается в том, чтобы согласовать архитектуру сустава с фактическими требованиями к движению.

Например, в некоторых роботизированных шарнирах приоритет отдается высокому крутящему моменту, компактным размерам, малому люфту и точному позиционированию. Другие шарниры могут уделять больше внимания скорости вращения, непрерывному вращению и динамическому отклику. В таких приложениях модуль планетарного шарнира может обеспечить альтернативную архитектуру трансмиссии.

Для производителей роботов использование различных архитектур шарниров для разных осей робота иногда может быть более практичным, чем использование абсолютно одинакового привода по всему роботу.

Какова взаимосвязь между коэффициентом уменьшения и полосой пропускания управления?

Коэффициент редукции — один из наиболее часто неправильно понимаемых параметров при проектировании шарниров роботов.

Увеличение передаточного отношения может значительно повысить выходной крутящий момент, но это не означает, что полоса пропускания управления шарнира робота увеличится пропорционально.

С точки зрения динамики системы, редуктор изменяет инерционное соотношение между двигателем и нагрузкой. Соответствующее передаточное число может улучшить согласование двигателя и нагрузки и позволить двигателю работать в более подходящем диапазоне скоростей и крутящего момента. Однако чрезмерно высокое передаточное число также может привести к снижению выходной скорости и изменению трения, податливости и динамических характеристик.

Таким образом, при проектировании шарнирных соединений роботов необходимо соблюдать баланс между:

Плотность крутящего момента, скорость вращения на выходе, механическая жесткость, согласование инерции и полоса пропускания управления.

Это особенно важно для человекоподобных роботов и коллаборативных роботов, поскольку им необходим не только высокий крутящий момент, но и частые изменения направления движения, а также стабильная динамическая производительность при различных положениях и нагрузках.

Почему конфигурация энкодера влияет на полосу пропускания управления суставами робота?

Энкодер является важнейшим компонентом обратной связи в шарнирном соединении робота с замкнутым контуром управления.

Контроллер не знает напрямую фактического положения шарнира робота. Он полагается на обратную связь от энкодера для определения состояния системы. Поэтому разрешение энкодера, частота дискретизации и задержка сигнала могут влиять на достижимую эффективность управления.

В традиционных системах управления двигателем энкодер со стороны двигателя в основном используется для коммутации, управления с ориентацией по полю, обратной связи по скорости и обратной связи по положению.

Однако в случае шарнира робота положение двигателя не обязательно совпадает с выходным положением.

Между двигателем и выходным валом шарнира робота могут находиться редуктор, подшипники и механические конструкции.

Таким образом, для высокопроизводительных шарниров роботов архитектура с двумя энкодерами может обеспечить дополнительную обратную связь.

Энкодер со стороны двигателя может использоваться для управления высокоскоростными двигателями, в то время как энкодер со стороны выхода непосредственно измеряет выходное положение шарнира. Это позволяет контроллеру понимать движение как со стороны двигателя, так и со стороны выхода.

Для роботизированных суставов с изменяющейся податливостью или нагрузкой такая архитектура обратной связи может быть особенно ценной.

В сочетании с датчиком крутящего момента на выходной стороне система может дополнительно создать более прямой контур управления крутящим моментом для регулирования импеданса, обеспечения гибкого движения и взаимодействия человека и робота.

С точки зрения полосы пропускания управления, энкодер не следует рассматривать просто как спецификацию разрешения. Он является частью всей динамической характеристики контура обратной связи.

Может ли время цикла связи ограничивать пропускную способность системы управления суставами робота?

Да.

Даже если шарнир робота оснащен энкодером высокого разрешения и высокопроизводительным сервоприводом, работа в замкнутом контуре может быть ограничена, если данные обратной связи не могут достаточно быстро поступать к контроллеру.

Типичная система управления роботом непрерывно выполняет следующие действия:

Сбор данных с датчиков → Передача данных → Расчет управляющего воздействия → Передача команды → Реакция исполнительного механизма

На каждом этапе возникает определенная задержка.

По мере увеличения частоты управления даже небольшие задержки связи и вычислений могут привести к значительному фазовому сдвигу и снижению запаса устойчивости.

Поэтому коммуникационные технологии, такие как EtherCAT и CAN, не следует оценивать исключительно по максимальной скорости передачи данных. Необходимо также учитывать время цикла управления, объем данных, синхронизацию, задержку и общую архитектуру управления роботом.

В случае интегрированных модулей шарниров роботов, интеграция сервопривода в шарнир может еще больше упростить архитектуру системы и уменьшить сложность внешней проводки и интеграции между двигателем и управляющей электроникой.

Как изменение нагрузки влияет на эффективную полосу пропускания управления суставами робота?

Диапазон регулировки параметров управления шарнирами робота невозможно оценить независимо от фактической нагрузки.

В условиях отсутствия нагрузки шарнир может демонстрировать отличную частотную характеристику, но как только робот начинает перемещать полезную нагрузку, концевой захват или инструмент, его эффективная инерция и механическая нагрузка изменяются.

Например, роботизированная рука с полностью выдвинутыми звеньями может создавать совершенно иные нагрузки на сустав по сравнению с той же рукой в сложенном положении.

В результате один и тот же модуль шарнира может демонстрировать различные динамические характеристики в разных условиях эксплуатации.

Именно поэтому при тестировании полосы пропускания шарниров робота не следует полагаться исключительно на измерения без нагрузки.

Более содержательная оценка учитывает инерцию холостого хода, номинальную нагрузку и репрезентативную рабочую и исследует устойчивость и резонанс системы в каждом из этих условий.

Поэтому для производителей роботов наиболее полезной характеристикой является не просто максимальная полоса пропускания, измеренная в лабораторных условиях, а следующее:

Какую эффективную полосу пропускания системы управления может поддерживать шарнир робота при фактической рабочей нагрузке?

Как проверяется полоса пропускания системы управления суставами робота?

Тест с использованием синусоидальной развертки — это распространенный инженерный метод измерения частотной характеристики шарнира робота.

Управление шарниром осуществляется с помощью синусоидальных сигналов положения, скорости или крутящего момента с постепенно возрастающей частотой. Затем регистрируются фактическая амплитуда выходного сигнала и фазовая характеристика.

По мере увеличения входной частоты на выходе обычно начинает наблюдаться затухание амплитуды и увеличение фазового сдвига. Частоту, соответствующую заданному затуханию амплитуды, можно использовать в качестве эталонной для полосы пропускания управления.

Диаграмма Боде может предоставить дополнительную информацию о коэффициенте усиления системы, фазовой характеристике и резонансных пиках.

Однако простого указания значения, например, «XX Гц», недостаточно для надлежащей оценки модуля шарнира робота.

В условиях испытаний также следует указать нагрузку, момент инерции выходного сигнала, амплитуду движения, режим управления, частоту дискретизации, механическую установку и другие соответствующие параметры.

В противном случае значения полосы пропускания различных двигателей шарниров робота или модулей приводов могут быть не напрямую сопоставимы.

Увеличение полосы пропускания управления суставами робота — это не просто увеличение мощности двигателя.

Если шарнир робота реагирует недостаточно быстро, замена двигателя на более мощный не обязательно решит проблему.

Полоса пропускания управляющего сигнала ограничена всей системой.

Если механическая конструкция имеет низкочастотный резонанс, увеличение мощности двигателя может фактически сделать вибрацию более заметной. Если обратная связь энкодера имеет значительную задержку, увеличение коэффициента усиления управления не устранит эту задержку. Если цикл связи слишком медленный, высокопроизводительный двигатель все еще не сможет реализовать свой полный динамический потенциал.

Таким образом, для увеличения полосы пропускания управления суставами робота необходима оптимизация на системном уровне.

Двигатель должен обладать достаточной электрической скоростью отклика. Редуктор должен быть правильно согласован с двигателем и нагрузкой. Механическая конструкция должна обеспечивать достаточную жесткость. Энкодер должен обеспечивать высококачественную обратную связь. Сервопривод должен поддерживать соответствующий цикл управления. Алгоритм управления должен обеспечивать баланс между скоростью отклика и стабильностью.

Это еще одно важное преимущество интегрированного модуля шарнирного соединения робота.

Вместо того чтобы самостоятельно выбирать двигатель, редуктор, энкодер и сервопривод, можно разработать интегрированный привод на основе всей системы шарнира. Это позволяет подобрать ключевые компоненты на этапе разработки изделия и уменьшить проблемы согласования параметров при интеграции системы.

Как следует согласовывать модули гармонических и планетарных шарниров для управления полосой пропускания?

Для производителей роботов ключевой вопрос заключается не просто в том, какой привод обладает наибольшей полосой пропускания управления. Более целесообразный подход состоит в выборе соответствующей архитектуры шарниров в зависимости от требований к перемещению каждой оси робота.

Для плечевого, тазобедренного, локтевого и других суставов, требующих относительно высокого крутящего момента при сохранении размеров и веса суставов, модуль гармонического шарнира может стать эффективным решением. Высокое передаточное число, низкий люфт и компактная конструкция позволяют достичь высокого крутящего момента и точности позиционирования в ограниченных механических условиях.

Для осей роботов, в которых приоритет отдается скорости вращения, непрерывной работе или иному сочетанию грузоподъемности и динамического отклика, модуль планетарного шарнира может стать альтернативным решением.

Различия между суставами роботов становятся еще более существенными в человекоподобных роботах.

Тазобедренные и коленные суставы могут испытывать высокие нагрузки и динамические удары. Плечевые суставы должны обеспечивать баланс между грузоподъемностью и диапазоном движений. В суставах запястья и кисти, как правило, большее значение имеют размер, вес, скорость и ловкость.

Следовательно, полоса пропускания управляющего сигнала не должна использоваться в качестве единственного критерия при выборе архитектуры шарнира робота. Ее следует оценивать как часть всей системы привода.

Как следует оценивать модуль шарнира робота с точки зрения полосы пропускания управления?

При оценке модуля шарнира робота недостаточно задавать вопросы только о мощности двигателя или передаточном числе.

Более содержательная оценка фокусируется на динамическом поведении всего исполнительного механизма в реалистичных условиях эксплуатации.

Инженерам следует учитывать отклик двигателя, характеристики редуктора, жесткость выходного вала, конфигурацию энкодера, время цикла сервопривода, задержку связи, инерцию нагрузки и механический резонанс.

Если в шарнирном модуле используется энкодер высокого разрешения, но он обладает недостаточной механической жесткостью, то разрешение энкодера не может быть в полной мере преобразовано в фактическую точность позиционирования.

Если используется высокое передаточное число, но результирующая скорость вращения недостаточна для выполнения требований робота к перемещению, то привод все равно не является оптимальным решением.

Аналогично, если двигатель и сервопривод реагируют быстро, но в шарнире наблюдается значительный механический резонанс, то одного лишь увеличения коэффициента усиления контроллера недостаточно для решения проблемы.

Таким образом, высокопроизводительный модуль шарнира робота является результатом согласования на системном уровне трансмиссии, сервомотора, датчиков, приводной электроники и механической конструкции.

Почему интегрированные модули суставов роботов приобретают все большее значение?

По мере того, как коллаборативные роботы, человекоподобные роботы и роботизированные системы следующего поколения становятся все более легкими, компактными и динамичными, традиционные комбинации отдельных двигателей, редукторов и сервоприводов сталкиваются с растущими проблемами системной интеграции.

Интегрированный модуль шарнира робота может объединять несколько важных компонентов в единый привод, что позволяет производителям роботов сократить трудозатраты на подбор двигателя, редуктора, энкодера и привода.

Что еще более важно, интеграция позволяет оптимизировать весь шарнир вокруг системы управления с самого начала процесса разработки продукта.

Для роботов, требующих высокой плотности крутящего момента и точности, модуль гармонического шарнира может обеспечить компактное решение для передачи крутящего момента. Для осей с различными требованиями к скорости, нагрузке и динамическим характеристикам в качестве альтернативы можно использовать модуль планетарного шарнира.

Таким образом, будущее производительности шарнирных соединений роботов будет определяться не просто сравнением характеристик отдельных двигателей или редукторов. Все чаще оно будет зависеть от динамических характеристик, возможностей датчиков, возможностей управления и уровня интеграции всего исполнительного механизма.

Вывод: полосу пропускания управления следует оценивать как показатель эффективности работы суставов робота на системном уровне.

Полоса пропускания управления — это не отдельная характеристика двигателя. Она является важным показателем общей динамической производительности шарнира робота.

Двигатель обеспечивает основную приводную способность. Редуктор определяет соотношение между крутящим моментом и скоростью. Энкодер обеспечивает обратную связь. Сервопривод выполняет контуры управления. Механическая конструкция определяет жесткость и резонансные характеристики, а контроллер и система связи определяют, насколько эффективно эти компоненты могут взаимодействовать друг с другом.

Поэтому при оценке характеристик двигателя шарнира робота целесообразнее выходить за рамки номинального крутящего момента, скорости вращения двигателя или частоты управления и оценивать динамическую реакцию замкнутой системы всего модуля шарнира робота в реальных условиях эксплуатации.

Для высокомоментных и компактных роботизированных шарниров модуль гармонического шарнира может обеспечить высокое передаточное отношение, низкий люфт, высокую плотность крутящего момента и точное позиционирование. Для осей роботов с различными требованиями к скорости, нагрузке и динамике модуль планетарного шарнира может предложить альтернативную архитектуру трансмиссии.

Благодаря интеграции двигателя, редуктора, энкодера, сервопривода и механической конструкции производители шарнирных соединений роботов могут оптимизировать динамический отклик и характеристики управления на системном уровне.

Поэтому для производителей роботов важнейший вопрос заключается не просто в следующем:

«Какой двигатель шарнира робота обладает наибольшей полосой пропускания управления?»

Более полезным инженерным вопросом будет:

«Какое комплексное решение для шарнирных соединений робота может обеспечить быструю, стабильную и воспроизводимую динамическую реакцию при фактических нагрузках, скорости, инерции и требованиях к управлению робота?»

Такой системный подход обеспечивает более осмысленный способ оценки модулей гармонических шарниров, модулей планетарных шарниров и интегрированных двигателей шарниров роботов для коллаборативных роботов, человекоподобных роботов, промышленных роботов и других высокопроизводительных роботизированных приложений.