Как привод Harmonic Drive достигает высокой плотности крутящего момента?

Введение

Для роботизированного сустава одного лишь высокого крутящего момента недостаточно.

Исполнительный механизм может создавать большой крутящий момент, но если он слишком тяжелый или слишком большой, робот может потерять значительную часть производительности, на которую он был рассчитан. Это особенно важно для человекоподобных роботов, коллаборативных роботов, легких роботизированных манипуляторов и других систем, где важен каждый килограмм и каждый миллиметр монтажного пространства.

Именно поэтому плотность крутящего момента стала важным параметром при оценке современных приводов роботов.

Привод с гармоническим приводом может обеспечить высокое отношение крутящего момента к габаритам или крутящего момента к весу за счет объединения нескольких элементов, а не только за счет гармонической передачи. Конечный результат зависит от взаимодействия между двигателем, передаточным отношением, геометрией трансмиссии, подшипниками, корпусом, расположением энкодера, тепловой конструкцией и стратегией управления.

Другими словами:

Высокая плотность крутящего момента достигается за счет работы исполнительного механизма, а не просто благодаря техническим характеристикам коробки передач.

В случае с шарнирным соединением робота более полезным вопросом, следовательно, является не следующее:

Какой крутящий момент может создать редуктор крутильных колебаний?

Это:

Какой полезный крутящий момент может обеспечить полный привод гармонического привода в заданных параметрах массы, объема, скорости и температуры?

Это различие становится особенно важным при проектировании суставов человекоподобных роботов, где привод должен одновременно обеспечивать баланс крутящего момента, веса, скорости, эффективности, жесткости, чувствительности и возможности непрерывной работы.

Что определяет плотность крутящего момента приводного механизма с гармоническим крутящим моментом?

Плотность крутящего момента обычно рассматривается как соотношение между выходным крутящим моментом и размером или массой исполнительного механизма.

В зависимости от области применения инженеры могут оценивать его с помощью различных метрик, таких как:

• Крутящий момент на килограмм

• Крутящий момент на единицу объема

• Номинальный крутящий момент в зависимости от массы исполнительного механизма

• Пиковый крутящий момент в зависимости от массы привода

• Зависимость крутящего момента от объема привода

• Эти показатели не взаимозаменяемы.

Например, исполнительный механизм может иметь очень высокий пиковый крутящий момент, но гораздо более низкий постоянный крутящий момент из-за нагрева двигателя. Другой исполнительный механизм может быть немного тяжелее, но обеспечивать существенно больший постоянный крутящий момент при многократной работе.

В контексте робототехники поэтому полезно различать:

Пиковая плотность крутящего момента и непрерывная плотность крутящего момента

Гуманоидному роботу может потребоваться высокий пиковый крутящий момент во время ускорения, прыжков или резких изменений движения, в то время как тому же суставу также необходим достаточный постоянный крутящий момент для стояния, ходьбы или повторяющихся движений.

Архитектура исполнительного механизма должна поддерживать оба варианта.

Двигатель задает начальную точку для плотности крутящего момента.

Регулятор крутящего момента сам по себе не создает крутящего момента.

Двигатель обеспечивает начальный крутящий момент, а трансмиссия преобразует скорость вращения двигателя и крутящий момент в требуемую выходную мощность шарнира.

Упрощенное соотношение выглядит так:

Крутящий момент двигателя → Редуктор → Выходной крутящий момент шарнира

Для идеальной трансмиссии:

Выходной крутящий момент ≈ Крутящий момент двигателя × Передаточное число

В реальном исполнительном механизме необходимо также учитывать потери при передаче.

Это означает, что выбор двигателя с высокой удельной крутящей способностью является первым шагом к созданию исполнительного механизма с высокой удельной крутящей способностью.

Однако простая установка более мощного двигателя не всегда является лучшим решением.

Более мощный двигатель может обеспечить следующие преимущества:

• масса привода

• Размер корпуса

• Тепловая нагрузка

• инерция ротора

• Потребление электроэнергии

Вместо этого разработчикам приводов необходимо найти подходящую рабочую точку, в которой двигатель сможет обеспечить необходимый крутящий момент, не занимая при этом чрезмерного пространства и не добавляя лишнего веса.

Это одна из причин, почему важна интегрированная конструкция исполнительного механизма.

Двигатель и гармонический преобразователь следует рассматривать как единую систему, а не как полностью независимые компоненты.

Высокое передаточное число способствует увеличению крутящего момента на выходе.

Одним из наиболее важных факторов, влияющих на плотность крутящего момента гармонического привода, является передаточное отношение.

Высокое передаточное число позволяет относительно небольшому высокоскоростному двигателю развивать гораздо больший крутящий момент.

Например, рассмотрим упрощенную трансмиссию:

Двигатель → Понижение гармоник → Выходной сигнал шарнира

Если двигатель развивает определенный входной крутящий момент, редуктор может увеличить доступный выходной крутящий момент в соответствии со своим передаточным отношением и эффективностью передачи.

Это позволяет двигателю работать в диапазоне скоростей, где он может эффективно передавать мощность, в то время как редуктор преобразует эту скорость в более низкую скорость с более высоким крутящим моментом, необходимым для шарнира робота.

Однако более высокое соотношение уменьшения не означает автоматически лучшего качества.

Увеличение коэффициента снижения может повлиять на:

Выходная скорость

• Эффективность

• Возможность движения задним ходом

• Динамический отклик

• точка управления двигателем

• Тепловые характеристики

Следовательно, передаточное число следует выбирать в соответствии с фактическими требованиями к крутящему моменту и скорости вращения шарнира.

Почему высокое передаточное число не означает автоматически высокую плотность крутящего момента?

Это важный момент, который часто упускается из виду.

Предположим, что два исполнительных механизма используют разные передаточные числа.

Исполнительный механизм с более высоким передаточным отношением может обеспечить больший выходной крутящий момент при том же крутящем моменте двигателя.

Но если для достижения этого соотношения требуется:

• Дополнительные ступени передачи

• Более крупные компоненты

• Более тяжелые подшипники

• Более крупный корпус

• Увеличение холодопроизводительности

В целом, исполнительный механизм может не обладать лучшей плотностью крутящего момента.

Релевантным показателем является производительность всего исполнительного механизма, а не только коэффициент редукции.

Вот почему качественный актуатор с гармоническим приводом должен быть сбалансирован:

Крутящий момент двигателя + Передаточное число + КПД + Масса + Объём

вместо того, чтобы максимизировать какой-либо отдельный параметр.

Гармоничная геометрия трансмиссии способствует компактной способности выдерживать крутящий момент.

Механическая конструкция гармонической трансмиссии — еще одна причина, по которой она может развивать значительный крутящий момент в относительно компактном корпусе.

В отличие от традиционной зубчатой передачи, где крутящий момент передается через относительно простую пару шестерен, в гармонической передаче используется многократное зацепление зубьев между гибким шлицем и круговым шлицем.

Это позволяет распределять передаваемую нагрузку между несколькими точками приложения.

В результате получилась архитектура трансмиссии, способная передавать значительный крутящий момент при компактном диаметре.

Для шарнирного соединения робота это важно, поскольку привод часто должен помещаться в ограниченные механические рамки.

Имеющееся пространство может быть уже занято:

• Конструктивные компоненты

• Подшипники

• Проводка

• Датчики

• Компоненты двигателя

• Пути охлаждения

Таким образом, трансмиссия, способная обеспечивать необходимый крутящий момент без существенного увеличения диаметра шарнира, может напрямую способствовать увеличению плотности крутящего момента на уровне исполнительного механизма.

Выходной подшипник является частью уравнения плотности крутящего момента.

Распространенная ошибка при сравнении приводов роботов заключается в том, что внимание уделяется только двигателю и редуктору.

Выходной подшипник также может оказывать существенное влияние на конечные размеры и массу исполнительного механизма.

Шарнир робота передает не только вращательный момент.

Также возможны следующие последствия:

• Радиальные нагрузки

• Осевые нагрузки

• Переломные моменты

• Внешние силы

• Динамические воздействия

Следовательно, приводу необходима соответствующая конструкция выходного подшипника.

Если подшипник имеет больший размер, привод становится тяжелее.

Если привод имеет недостаточные размеры, он может не обеспечить достаточную механическую прочность или жесткость.

Грамотно спроектированный привод с гармоническим приводом объединяет конструкцию трансмиссии и подшипников таким образом, чтобы шарнир мог выдерживать ожидаемые внешние нагрузки без излишнего увеличения общей массы конструкции.

Это особенно важно для суставов человекоподобных роботов.

Например, в коленном или голеностопном суставе могут возникать значительные внешние моменты, которые не могут быть объяснены только крутящим моментом двигателя.

Конструкция корпуса может как увеличить, так и уменьшить плотность крутящего момента.

Корпус привода — это еще одна составляющая уравнения плотности крутящего момента.

Жилье должно обеспечивать:

• Структурная жесткость

• Опора подшипника

• выравнивание шестерен

• Рассеивание тепла

• Защита внутренних компонентов

Но избыток строительных материалов увеличивает вес.

Таким образом, задача состоит в достижении достаточной жесткости при минимальной избыточной массе.

Это особенно актуально для человекоподобных роботов.

Тяжелый привод, установленный вблизи тазобедренного или коленного сустава, не только увеличивает общую массу робота, но и может увеличить нагрузку, которую должны перемещать расположенные ниже по течению суставы.

Это создает каскадный эффект:

Более тяжелый привод → Большая нагрузка на шарнир → Больший требуемый крутящий момент → Больший привод → Большая общая масса

Разрыв этого порочного круга — одна из причин, почему легкие приводы с высокой удельной крутящей способностью важны для человекоподобной робототехники.

Плотность крутящего момента зависит от непрерывного крутящего момента, а не только от пикового.

При сравнении актуаторов с гармоническим приводом пиковый крутящий момент может выглядеть впечатляюще в технических характеристиках.

Однако пиковый крутящий момент обычно достигается при кратковременной работе.

Для многих роботов постоянный крутящий момент имеет одинаково важное значение.

Рассмотрим человекоподобного робота, стоящего прямо.

Суставам ног, возможно, потребуется создавать крутящий момент непрерывно, а не только в течение нескольких секунд.

Аналогичным образом, роботизированная рука, выполняющая повторяющиеся сборочные операции, может работать в течение нескольких часов.

В таких ситуациях полезным показателем будет следующее:

Крутящий момент непрерывного действия / Масса привода

скорее, чем:

Максимальный выходной крутящий момент / Масса привода

Таким образом, хорошо спроектированный исполнительный механизм должен обеспечивать:

• медные потери в двигателе

• Потери железа

• Потери подшипников

• Потери при передаче

• Теплопередача

• Температура окружающей среды

• Рабочий цикл

Высокий пиковый крутящий момент полезен, но высокая плотность непрерывного крутящего момента зачастую более актуальна для реальной работы робота.

Система терморегулирования устанавливает практический предел плотности крутящего момента.

Крутящий момент генерирует тепло.

Это создает важную взаимосвязь между плотностью крутящего момента и тепловым расчетом.

По мере уменьшения размеров актуатора доступная площадь поверхности для рассеивания тепла также может уменьшаться.

В то же время, компактный привод может иметь меньше внутреннего пространства для:

• Радиаторы охлаждения

• Каналы охлаждения

• Фанаты

• Тепловые интерфейсы

Таким образом, исполнительный механизм должен отводить тепло в пределах меньших физических габаритов.

По этой причине бесконечное увеличение плотности крутящего момента нереалистично.

Разработчику исполнительного механизма необходимо найти баланс между:

Крутящий момент → Ток → Тепло → Температура → Возможность непрерывной работы

Исполнительный механизм, обеспечивающий чрезвычайно высокий крутящий момент в течение нескольких секунд, но перегревающийся во время нормальной работы, может быть непригоден для производственного робота.

Именно поэтому тепловые характеристики следует оценивать вместе с параметрами крутящего момента.

Эффективность напрямую влияет на плотность полезного крутящего момента.

КПД гармонического привода — еще один фактор, влияющий на производительность исполнительного механизма.

Не вся затраченная механическая мощность преобразуется в полезную выходную мощность.

Часть энергии теряется в результате:

• Деформация шестерни

• Трение

• Потери подшипников

• Смазка

• Герметизация

• Другие механические эффекты

• Эти потери преобразуются в тепло.

Взаимосвязь можно упростить следующим образом:

Входная мощность → Полезная выходная мощность + Потери

Более высокие потери при передаче означают, что от привода необходимо отводить больше тепла.

Это может снизить величину крутящего момента, который исполнительный механизм может непрерывно передавать.

Поэтому при сравнении двух актуаторов с гармоническим приводом, имеющих схожий пиковый крутящий момент, целесообразно рассмотреть следующие аспекты:

• Номинальный крутящий момент

• Постоянный крутящий момент

• Эффективность

• Входная скорость

• Рабочий цикл

• Тепловой рейтинг

• вместо того, чтобы полагаться только на максимальный крутящий момент.

Почему вес привода важнее веса редуктора?

Для стационарной промышленной машины добавление нескольких сотен граммов может оказать незначительное влияние на производительность системы.

В случае с человекоподобным роботом ситуация иная.

Каждый исполнительный механизм вносит свой вклад в общую подвижную массу робота.

Если, например, привод установлен на верхней части ноги, его масса становится частью нагрузки, которую необходимо перемещать другим суставам.

Это означает, что масса исполнительного механизма может влиять на:

• Ускорение

• Потребление энергии

• эффективность ходьбы

• Динамическое равновесие

• Полезная нагрузка

• Требования к моменту затяжки в шарнире

Следовательно, облегченный привод с несколько меньшим абсолютным крутящим моментом иногда может быть более полезен, чем более тяжелый привод с большим пиковым крутящим моментом.

Именно поэтому соотношение крутящего момента к весу приобретает все большее значение при проектировании приводов для человекоподобных роботов.

Размеры двигателя и передаточное число должны соответствовать друг другу.

Оптимизировать работу привода с гармоническим крутильным колебанием невозможно, выбирая редуктор независимо от двигателя.

Двигатель и трансмиссия должны работать как согласованная пара.

Например, у дизайнера может быть два возможных подхода:

Вариант А

Большой двигатель + пониженное передаточное число

Вариант Б

Меньший по размеру двигатель + более высокое передаточное число

Оба подхода могут обеспечить схожий выходной крутящий момент.

Однако они могут быть совершенно разными:

• Масса

• Объем

• Эффективность

• Скорость

• Тепловое поведение

• Динамический отклик

• Расходы

Наилучшее решение зависит от целевого сустава.

Для компактного человекоподобного запястья минимизация массы и диаметра может иметь решающее значение.

Для промышленных соединений с высокими нагрузками постоянный крутящий момент и жесткость могут иметь большее значение.

Именно поэтому оптимизацию привода следует начинать с анализа фактического профиля работы шарнира, а не с выбора заранее определенного размера редуктора.

Максимальный крутящий момент, номинальный крутящий момент и постоянный крутящий момент следует оценивать отдельно.

При оценке исполнительного механизма с гармоническим приводом три значения крутящего момента не следует рассматривать как взаимозаменяемые.

Максимальный крутящий момент

Пиковый крутящий момент представляет собой максимальный крутящий момент, который исполнительный механизм может обеспечить в заданных условиях в течение ограниченного времени.

Это важно для:

Ускорение

Краткосрочное динамическое движение

Реагирование на воздействие

Быстрые изменения направления

Номинальный или непрерывный крутящий момент

Номинальный крутящий момент представляет собой крутящий момент, который исполнительный механизм может развивать в заданных условиях эксплуатации при длительной работе.

Это более актуально для:

• Ходьба

• Повторяющиеся движения

• Непрерывная промышленная деятельность

• Постоянная нагрузка

Перегрузочная способность

Некоторые приложения также требуют возможности кратковременной перегрузки.

Это может быть важно, когда робот сталкивается со следующими ситуациями:

• Внезапное ускорение

• Внешнее воздействие

• Экстренное торможение

• Непредвиденные изменения нагрузки

Взаимосвязь между этими значениями дает гораздо более четкое представление о фактических возможностях исполнительного механизма, чем одно значение крутящего момента.

Почему плотность крутящего момента особенно важна для суставов человекоподобных роботов?

Гуманоидные роботы накладывают необычайно строгие ограничения на конструкцию приводов.

Гуманоидный сустав часто должен помещаться внутри конструкции тела, разработанной приблизительно с учетом человеческих размеров.

В то же время, он должен обеспечивать достаточный крутящий момент для перемещения массы робота.

Это создает противоречивые требования:

Маленький размер

↓

Низкий вес

↓

Высокий крутящий момент

↓

Высокоскоростной

↓

Высокая эффективность

↓

Термостойкость

Исполнительный механизм должен сбалансировать их все.

Это особенно сложно в следующих случаях:

• Тазобедренные суставы

• Коленные суставы

• голеностопные суставы

• Плечевые суставы

• Локтевые суставы

Таким образом, оптимальный исполнительный механизм для каждого сустава может быть разным.

В высокомоментном шарнире ноги приоритет может отдаваться непрерывному крутящему моменту и тепловым характеристикам, тогда как в приводе запястья приоритет может отдаваться малой массе, компактным размерам и низкой инерции.

Плотность крутящего момента — это не то же самое, что плотность мощности.

Эти два термина иногда путают.

Плотность крутящего момента описывает, какой крутящий момент может обеспечить исполнительный механизм относительно своей массы или объема.

При расчете удельной мощности также учитывается скорость вращения.

Упрощенное соотношение выглядит так:

Мощность = Крутящий момент × Угловая скорость

Это означает, что исполнительный механизм с чрезвычайно высоким крутящим моментом, но относительно низкой скоростью, может не обладать такой же удельной мощностью, как более быстрый исполнительный механизм.

Для динамических роботов важны оба показателя.

Например:

Для привода коленного сустава может потребоваться высокий крутящий момент при умеренной скорости.

Для привода запястья может потребоваться меньший крутящий момент, но высокая скорость.

Для привода колес мобильного робота может потребоваться постоянный крутящий момент и относительно высокая частота вращения.

Следовательно, при выборе исполнительного механизма следует учитывать весь диапазон рабочих параметров крутящего момента и скорости, а не только один показатель плотности крутящего момента.

Как интеграция энкодера влияет на архитектуру исполнительного механизма?

Датчики сами по себе не создают крутящий момент, но влияют на то, насколько эффективно исполнительный механизм может использовать имеющийся у него крутящий момент.

Исполнительный механизм с гармоническим приводом может включать в себя:

• Энкодер со стороны двигателя

• выходной энкодер

• Двойные энкодеры

• датчик крутящего момента

• Датчик температуры

Энкодер со стороны двигателя может обеспечивать обратную связь для управления двигателем.

Энкодер на выходной стороне может измерять фактическое положение выходного звена после редукционного механизма.

В приложениях, требующих высокоточной регулировки шарниров, измерение выходного вала может предоставить информацию, которую невозможно получить только с помощью энкодера двигателя.

Это особенно актуально, когда исполнительному механизму необходимо компенсировать:

• Ошибки передачи

• Упругая деформация

• Внешние нагрузки

• Отклонения положения

Следовательно, интеграцию датчиков следует рассматривать как часть полной архитектуры исполнительного механизма.

Улучшает ли датчик крутящего момента эффективность работы привода с высокой плотностью крутящего момента?

Датчик крутящего момента не увеличивает механическую способность исполнительного механизма к созданию крутящего момента.

Его ценность иная.

Это позволяет контроллеру получать информацию о крутящем моменте, передаваемом через шарнир.

Это может поддерживать:

• контроль крутящего момента

• Силовой контроль

• Обнаружение столкновений

• Контроль за соблюдением нормативных требований

• Обнаружение контактов

Для человекоподобных роботов эта информация может быть особенно полезна в следующих случаях:

• Ходьба

• манипулирование объектами

• Физическое взаимодействие

• Контроль баланса

• Задачи с большим количеством контактов

Однако добавление датчика крутящего момента также влечет за собой следующие дополнительные расходы:

• Масса

• Объем

• Расходы

• Требования к механической интеграции

Таким образом, выбор датчика становится еще одной частью задачи оптимизации плотности крутящего момента.

Цель состоит не просто в том, чтобы интегрировать как можно больше датчиков.

Цель состоит в достижении требуемых возможностей считывания без излишнего увеличения массы и объема исполнительного механизма.

Плотность крутящего момента приводного механизма с гармоническими колебаниями — это оптимизация на системном уровне.

Приведенные выше факторы показывают, почему плотность крутящего момента нельзя объяснить только работой гармонического редуктора.

Полный исполнительный механизм включает в себя множество элементов:

• Мотор

• Гармоническая передача

• Подшипники

• Жилье

• Кодировщик

• Водитель

• Датчики

• Тепловая структура

Итоговая плотность крутящего момента определяется всей системой в целом.

Например, исполнительный механизм может использовать высокоэффективный редуктор крутильных колебаний, но при этом иметь низкое соотношение крутящего момента к весу, если:

• Двигатель имеет избыточную мощность.

• Корпус неоправданно тяжелый.

• Подшипниковая система неэффективна.

• Система охлаждения вносит избыточный вклад в массу.

• Водитель физически отделен от исполнительного механизма.

• Архитектура датчика плохо интегрирована.

Именно поэтому интегрированная конструкция привода может обеспечить преимущество по сравнению с простой сборкой отдельных компонентов.

Как интегрированный дизайн может улучшить соотношение крутящего момента к весу?

Интеграция позволяет разработчикам оптимизировать компоненты, используя единый механический корпус.

Вместо того чтобы заниматься проектированием:

Двигатель → Отдельный редуктор → Отдельный энкодер → Отдельный корпус → Отдельный драйвер

Система может быть спроектирована следующим образом:

Интегрированный двигатель + гармонический редуктор + энкодер + электроника + выходной шарнир

Это может уменьшить количество дубликатов:

• Жилье

• Монтажные конструкции

• Разъемы

• Валы

• Соединительные муфты

• Механические интерфейсы

В результате можно получить более компактный исполнительный механизм с меньшей общей массой системы.

Поэтому для робототехнических приложений важным является не следующее:

Какой редуктор легче?

но:

Какой из комплектных приводов обеспечивает требуемую производительность шарнира при наименьшей практически возможной массе и объеме?

Почему механическая интеграция важна в шарнирах роботов с высоким крутящим моментом?

Высокий крутящий момент создает механические нагрузки по всему приводу.

Двигатель, редуктор, подшипники, корпус, вал и монтажная конструкция — все они должны выдерживать эти нагрузки.

Если исполнительный механизм спроектирован как совокупность несвязанных компонентов, то механические интерфейсы могут стать излишне большими.

Интегрированная архитектура позволяет проектировщику оптимизировать:

• размещение подшипника

• Загрузить пути

• Толщина корпуса

• Геометрия вала

• положение двигателя

• Положение энкодера

• Пути теплопередачи

Это может улучшить соотношение между массой конструкции и полезным крутящим моментом на выходе.

Для шарнирного соединения робота это важно, поскольку привод — это не просто компонент передачи.

Это часть конструктивной системы робота.

Что ограничивает плотность крутящего момента приводного механизма с гармоническим крутящим моментом?

Существует ряд практических ограничений.

Тепловые пределы двигателя

Двигатель не может непрерывно развивать неограниченный крутящий момент, поскольку ток выделяет тепло.

Предельные значения нагрузки в трансмиссии

Для гармонической передачи установлены определенные пределы крутящего момента и срока службы.

Несущая способность

Выходной подшипник должен выдерживать как нагрузки, связанные с крутящим моментом, так и внешние усилия в шарнире.

Жесткость корпуса

Корпус должен сохранять достаточную жесткость под нагрузкой.

Теплоотвод

Тепло, выделяемое внутри исполнительного механизма, должно передаваться окружающей конструкции.

Требования к скорости

Высокий крутящий момент на высоких оборотах приводит к значительному увеличению мощности и тепловой нагрузки.

Ограничения по весу

Добавление конструкционного материала может увеличить несущую способность, но избыточная масса снижает плотность крутящего момента на уровне исполнительного механизма.

Эти ограничения взаимодействуют друг с другом.

Улучшение одного параметра может негативно повлиять на другой.

Именно поэтому проектирование исполнительных механизмов по своей сути является задачей оптимизации.

Как сравнить плотность крутящего момента двух актуаторов с гармоническим приводом?

При сравнении двух исполнительных механизмов избегайте сравнения только их максимального крутящего момента.

Более корректное сравнение должно включать:

1. Непрерывный выходной крутящий момент

Какой крутящий момент может развивать исполнительный механизм при длительной работе?

2. Максимальный выходной крутящий момент

Какой крутящий момент он может обеспечить во время коротких динамических событий?

3. Масса привода

Включает ли указанный крутящий момент весь исполнительный механизм в сборе?

4. Габаритные размеры

Каковы диаметр, длина и объем установки?

5. Выходная скорость

Может ли исполнительный механизм обеспечить требуемый крутящий момент при требуемой скорости?

6. Эффективность

Какая часть входной мощности преобразуется в полезную механическую мощность?

7. Тепловые характеристики

Сможет ли исполнительный механизм поддерживать номинальный крутящий момент, не превышая допустимую температуру?

8. Конфигурация кодировщика

Измеряется ли обратная связь на двигателе, выходном валу или на обоих?

9. Внешняя грузоподъемность

Способен ли выходной подшипник выдерживать требуемые радиальные, осевые и моментные нагрузки?

10. Рабочий цикл

Предназначен ли исполнительный механизм для прерывистой или непрерывной работы?

Такой подход позволяет провести гораздо более содержательное сравнение, чем простой выбор исполнительного механизма с наибольшим значением крутящего момента.

Как повысить плотность крутящего момента в приводном механизме с гармоническим крутящим моментом?

Если исполнительному механизму требуется более высокая плотность крутящего момента, инженеры могут одновременно рассмотреть несколько аспектов.

Оптимизация рабочей точки двигателя

Выберите двигатель, который обеспечивает необходимый крутящий момент без чрезмерной массы или теплового перенапряжения.

Оптимизация коэффициента снижения

Выберите передаточное число, обеспечивающее баланс между увеличением крутящего момента, скоростью, эффективностью и динамическими характеристиками.

Снижение структурной массы

Используйте корпус соответствующей конструкции и схему передачи нагрузки, а не просто увеличивайте толщину материала.

Оптимизация расположения подшипников

Размеры подшипников следует выбирать в соответствии с фактическими радиальными, осевыми и моментными нагрузками.

Улучшение теплоотвода

Улучшенные тепловые пути позволяют приводу поддерживать более высокий непрерывный крутящий момент без чрезмерного повышения температуры.

Интегрировать электронику

В тех случаях, когда это целесообразно, интегрированная электроника привода может уменьшить количество внешнего оборудования и проводки.

Оптимизация интеграции датчиков

Используйте архитектуру обратной связи, необходимую для работы приложения, без добавления ненужных компонентов.

Наилучшие результаты обычно достигаются за счет оптимизации нескольких параметров одновременно, а не за счет максимизации производительности одного компонента.

Плотность крутящего момента приводного механизма гармонического типа для различных применений в робототехнике

Требуемая плотность крутящего момента в значительной степени зависит от области применения.

Гуманоидные роботизированные ноги

Для работы приводов ног обычно требуется:

• Высокий постоянный крутящий момент

• Высокий пиковый крутящий момент

• Низкая масса

• Высокая динамическая отзывчивость

• Термическая стабильность

Соотношение крутящего момента к весу приобретает особое значение, поскольку масса привода напрямую влияет на общие энергетические потребности робота.

Гуманоидные роботизированные манипуляторы

Для суставов рук, как правило, требуется разный баланс между:

• крутящий момент

• Скорость

• Масса

• Диапазон движений

• Точность

Роботизированные запястья

В приводах запястья часто больше внимания уделяется:

• Компактный размер

• Низкая инерция

• Низкий вес

• Высокая точность позиционирования

Сочленения для совместной работы роботов

Для работы коллаборативных роботов может потребоваться:

• Компактная упаковка

• Низкий люфт

• Плавное движение

• датчик крутящего момента

• Контролируемое взаимодействие с внешними нагрузками

Шарниры промышленных роботов

Промышленные роботы могут отдавать приоритет следующим задачам:

• Номинальный крутящий момент

• Повторяемость

• Жесткость

• Срок службы

• Непрерывная работа

Это объясняет, почему не существует единого целевого значения плотности крутящего момента, применимого ко всем роботам.

Почему непрерывная плотность крутящего момента может иметь большее значение, чем пиковая плотность крутящего момента?

В случае с производственными роботами самая впечатляющая характеристика не всегда оказывается самой полезной.

Высокий пиковый крутящий момент может быть полезен для динамических движений, но исполнительный механизм также должен надежно работать на протяжении большей части своего рабочего цикла.

Например, человекоподобный робот может проводить значительное время в следующих ситуациях:

• Стоя

• Ходьба

• Поддержание баланса

• Держание предмета

Для выполнения этих действий требуется постоянная работа исполнительных механизмов.

Аналогичным образом, промышленный робот может повторять одно и то же движение тысячи раз.

Для таких задач показатель плотности непрерывного крутящего момента может оказаться более полезным инженерным показателем, чем показатель плотности пикового крутящего момента.

Практический способ оценки актуаторов с высокой плотностью крутящего момента

Перед выбором привода с гармоническим приводом необходимо определить фактический профиль работы шарнира.

Как минимум, определите:

• Требуемый постоянный крутящий момент

• Требуемый максимальный крутящий момент

• Требуемая скорость

• Ускорение

• Рабочий цикл

• Внешняя нагрузка

• Место установки

• Максимальная масса актуатора

• Температура окружающей среды

• Условия охлаждения

• Требуемая точность позиционирования

• Требуется датчик крутящего момента

• Интерфейс связи

Затем сравните весь исполнительный механизм с этими требованиями.

Это позволяет избежать распространенной ошибки:

Выбор исполнительного механизма на основе одной-единственной ключевой характеристики.

Привод с крутящим моментом 100 Нм не обязательно лучше привода с крутящим моментом 80 Нм, если модель с крутящим моментом 100 Нм значительно тяжелее, больше, менее эффективна или не способна поддерживать требуемый крутящий момент в условиях фактического рабочего цикла.

Будущее гармонических актуаторов с высокой плотностью крутящего момента

По мере того как роботы становятся все более компактными и динамичными, разработка приводов выходит за рамки простого увеличения максимального крутящего момента.

В будущих разработках исполнительных механизмов, вероятно, основное внимание будет уделено комплексной оптимизации следующих аспектов:

• Плотность крутящего момента

• Плотность мощности

• Эффективность

• Тепловые характеристики

• Ощущение

• Интеграция управления

• Масса

• Механическая жесткость

Это особенно актуально для человекоподобных роботов.

Для высокопроизводительного человекоподобного актуатора может потребоваться сочетание прецизионной гармонической передачи со следующими элементами:

• Энкодеры высокого разрешения

• Встроенное управление двигателем

• датчик крутящего момента

• Компактные подшипники

• Легкий корпус

• Эффективные тепловые пути

• Высокоскоростная связь

В результате получается уже не просто двигатель с коробкой передач.

В результате получается полноценный роботизированный привод для суставов, разработанный с учетом механических и управляющих требований робота.

Как компания HONPINE подходит к проектированию гармонических актуаторов с высокой плотностью крутящего момента?

Для робототехнических приложений компания HONPINE разрабатывает интегрированные решения на основе гармонических приводов и шарниров роботов, которые сочетают в себе прецизионную передачу с технологиями двигателей, датчиков и управления.

В зависимости от архитектуры исполнительного механизма, интегрированная система может включать в себя:

• Гармоническая передача

• Сервомотор

• Высокоточный энкодер

• Обратная связь по положению на выходе

• Встроенный драйвер

• датчик крутящего момента

• Промышленные коммуникационные интерфейсы

Цель состоит не просто в том, чтобы максимизировать крутящий момент одного компонента.

Вместо этого исполнительный механизм должен обеспечивать надлежащий баланс между:

Крутящий момент + Вес + Размер + Скорость + Точность + Тепловые характеристики

Этот подход особенно актуален для шарниров человекоподобных роботов, коллаборативных роботов, роботизированных манипуляторов и других применений, где масса привода и занимаемое им пространство напрямую влияют на производительность системы.

Для приложений, требующих обратной связи по усилию, интегрированная архитектура с датчиком крутящего момента может дополнительно поддерживать управление крутящим моментом, податливое движение и взаимодействие с внешними нагрузками.

Часто задаваемые вопросы о плотности крутящего момента привода гармонического преобразователя

Что позволяет приводному механизму с гармоническим крутящим моментом достигать высокой плотности крутящего момента?

Высокая плотность крутящего момента достигается за счет комбинированной конструкции двигателя, гармонической передачи, передаточного отношения, подшипников, корпуса, системы охлаждения и архитектуры управления. Гармоническая передача обеспечивает высокое увеличение крутящего момента в компактном корпусе, но плотность крутящего момента на уровне исполнительного механизма зависит от всей системы в целом.

Всегда ли более высокое передаточное отношение гармонического ослабления увеличивает плотность крутящего момента?

Нет. Более высокое передаточное число может увеличить крутящий момент данного двигателя, но оно также может повлиять на скорость вращения, эффективность, обратную передачу и тепловые характеристики. Необходимо оценивать весь исполнительный механизм в целом, а не сосредотачиваться только на передаточном числе.

Важнее ли плотность крутящего момента, чем пиковый крутящий момент?

Для многих роботизированных применений — да. Высокий пиковый крутящий момент не обязательно означает, что привод может обеспечивать высокий крутящий момент непрерывно. Следует учитывать соотношение крутящего момента к весу, непрерывный крутящий момент, рабочий цикл и тепловые характеристики.

Почему плотность крутящего момента важна для человекоподобных роботов?

Гуманоидные роботы имеют строгие ограничения по весу и занимаемому пространству. Легкий привод с высоким полезным крутящим моментом может уменьшить общую массу робота и помочь улучшить ускорение, энергоэффективность, баланс и динамические характеристики.

Как вес привода влияет на производительность человекоподобного робота?

Масса привода становится частью движущейся нагрузки робота. Более тяжелые приводы могут увеличить крутящий момент, требуемый от других шарниров, особенно в механизмах ног. Поэтому уменьшение массы привода при сохранении достаточного крутящего момента может повысить общую эффективность системы.

Может ли гармонический актуатор обеспечивать одновременно высокий крутящий момент и высокую скорость?

Это зависит от конструкции привода и условий эксплуатации. Высокие передаточные числа увеличивают выходной крутящий момент, но снижают выходную скорость. Двигатель, передаточное число, тепловые характеристики и КПД трансмиссии должны соответствовать требуемому диапазону крутящего момента и скорости вращения.

Что важнее: пиковый крутящий момент или постоянный крутящий момент?

Это зависит от области применения. Пиковый крутящий момент важен для ускорения и кратковременных динамических событий, в то время как постоянный крутящий момент критически важен для длительных нагрузок и повторяющихся операций. Для производственных роботов следует оценивать оба параметра.

Снижает ли установка датчика крутящего момента плотность крутящего момента?

Датчик крутящего момента может добавить массу, объем и усложнить конструкцию. Однако, если датчик эффективно интегрирован в архитектуру исполнительного механизма, дополнительный вес можно минимизировать, обеспечивая при этом ценную обратную связь по крутящему моменту для управления силой и взаимодействия.

Заключение

Высокое значение удельного крутящего момента достигается за счет комплексной оптимизации двигателя, передаточного отношения, гармонической передачи, подшипников, корпуса, тепловой конструкции, системы датчиков и управления.

Передача крутильных колебаний является важной частью этого уравнения, поскольку она может обеспечить существенное увеличение крутящего момента в компактном механическом корпусе. Но конечная плотность крутящего момента привода зависит от гораздо большего, чем просто от самого редуктора.

Для практического проектирования роботов инженерам следует оценить следующее:

Непрерывный крутящий момент

→ Максимальный крутящий момент

→ Скорость

→ Коэффициент снижения

→ Эффективность

→ Тепловые характеристики

→ Масса привода

→ Объем установки

→ Внешняя грузоподъемность

→ Обратная связь и датчики

вместо того, чтобы полагаться на единую спецификацию крутящего момента.

Это особенно важно в человекоподобной робототехнике, где вес, крутящий момент, скорость и тепловые характеристики приводов тесно взаимосвязаны.

Таким образом, цель состоит не просто в создании привода с максимально возможным крутящим моментом.

Цель состоит в разработке исполнительного механизма, обеспечивающего необходимый полезный крутящий момент при минимальной практической массе и объеме, сохраняя при этом скорость, точность, эффективность, термостабильность и возможности датчиков, необходимые роботу.

В этом и заключается истинный инженерный смысл высокой плотности крутящего момента в актуаторе с гармоническим приводом.