Как модуль шарнира робота управляет положением и крутящим моментом?

Введение

Шарнирный модуль робота — это не просто двигатель в сочетании с редуктором. В современных роботизированных системах шарнир должен точно контролировать положение, скорость и крутящий момент, реагируя при этом на изменяющиеся нагрузки и команды движения.

Именно поэтому интегрированный модуль шарнира робота обычно объединяет несколько ключевых компонентов, включая сервомотор, прецизионный редуктор, энкодер, драйвер двигателя, интерфейс контроллера и, в некоторых конструкциях, датчик крутящего момента.

Вместе эти компоненты образуют замкнутую систему управления движением.

Упрощенный процесс управления положением выглядит следующим образом:

Управление движением → Контроллер → Драйвер двигателя → Сервомотор → Прецизионный редуктор → Шарнир робота → Обратная связь энкодера

Для регулирования крутящего момента может использоваться дополнительная цепь обратной связи:

Управление крутящим моментом → Драйвер двигателя → Сервомотор → Прецизионный редуктор → Выход шарнира → Обратная связь по крутящему моменту → Контроллер

Возможность непрерывного сравнения заданного движения с фактической обратной связью от сустава позволяет модулю сустава робота обеспечивать точное позиционирование и контролируемый крутящий момент.

В этой статье объясняется, как осуществляется управление положением и крутящим моментом внутри модуля шарнира робота, как энкодеры и датчики крутящего момента способствуют управлению с обратной связью, и почему эти технологии важны для человекоподобных роботов, коллаборативных роботов, промышленных роботов и других передовых роботизированных систем.

Что такое модуль шарнира робота?

Модуль шарнира робота — это интегрированный блок перемещения, предназначенный для привода одной оси вращения робота.

В зависимости от конструкции, модуль шарнира робота может включать в себя:

• Сервомотор

• Прецизионный редуктор

• Энкодер со стороны двигателя

• выходной энкодер

• Водитель мотора

• датчик крутящего момента

• Тормоз

• Интерфейс связи

• Датчики температуры и защиты

Вместо того чтобы проектировать шарнир робота из отдельных компонентов, в интегрированном модуле множество элементов управления движением объединяются в компактную конструкцию.

Такой подход позволяет сократить объем работ по механической интеграции, упростить проводку, повысить компактность системы и обеспечить более стабильную работу системы управления.

Для человекоподобных роботов и роботов-коллаборантов такой уровень интеграции особенно полезен, поскольку пространство между суставами ограничено, а привод часто должен обеспечивать высокий крутящий момент при относительно небольших размерах.

Как модуль шарнира робота управляет положением?

Позиционное управление — одна из основных функций шарнирного модуля робота.

Цель проста: обеспечить максимально точное соответствие фактического положения сустава заданному положению.

Например, контроллер робота может дать команду шарниру повернуться на 45°.

Затем объединенный модуль должен:

• Получите целевую позицию.

• Определите необходимое движение двигателя.

• Приведите двигатель в движение.

• Снизьте скорость вращения двигателя через редуктор.

• Измерьте фактическое положение.

• Сравните фактическое положение с целевым.

• Если обнаружена ошибка, исправьте команду управления двигателем.

• Этот процесс повторяется непрерывно.

Роль энкодера в управлении положением

Энкодер — один из важнейших компонентов обратной связи в модуле шарнира робота.

Энкодер преобразует механическое вращение в электрический сигнал обратной связи, который может быть интерпретирован системой управления.

В зависимости от архитектуры, энкодер может быть установлен со стороны двигателя, со стороны выхода или с обеих сторон.

Энкодер со стороны двигателя в первую очередь предоставляет информацию о:

• положение двигателя

• Скорость двигателя

• Направление вращения двигателя

• Коммутация

• Высокоскоростная обратная связь управления

Энкодер на выходной стороне измеряет фактическое положение вращения шарнира робота после редукционного механизма.

Это различие важно.

Двигатель может совершать тысячи оборотов, в то время как шарнир робота вращается с гораздо меньшей скоростью благодаря передаточному отношению.

Следовательно, измерение только вала двигателя не всегда дает полную информацию о фактическом положении выходного вала.

Энкодер со стороны двигателя против энкодера со стороны выхода

Энкодер со стороны двигателя

Энкодер со стороны двигателя расположен рядом с валом двигателя.

Обычно его используют для:

• Управление, ориентированное на поле

• Моторная коммутация

• Обратная связь по скорости

• Обратная связь по положению двигателя

• Сервоуправление

Поскольку двигатель вращается с высокой скоростью, энкодер должен обеспечивать быструю и надежную обратную связь.

Выходной энкодер

Энкодер на выходной стороне измеряет фактическое положение выходного сигнала шарнира робота.

Это может помочь системе управления обнаруживать различия между заданным положением выходного сигнала и фактическим положением выходного сигнала.

Это может быть особенно полезно, когда в систему передачи поступают небольшие количества:

• Упругая деформация

• Ошибка передачи

• Обратная реакция

• Прогиб вала

• Механическая податливость

Таким образом, для высокоточных шарниров роботов обратная связь по положению на выходной стороне может обеспечить дополнительный уровень управления.

Зачем использовать двойные энкодеры в модуле шарнира робота?

В архитектуре с двумя энкодерами используется обратная связь как со стороны двигателя, так и со стороны выхода.

Система управления может использовать энкодер со стороны двигателя для быстрого управления двигателем, а энкодер со стороны выхода — для контроля фактического положения шарнира.

Такая архитектура может улучшить возможности объединенного модуля в следующих областях:

• Обеспечьте точное позиционирование выходного сигнала.

• Обнаружение ошибок передачи

• Компенсировать механические отклонения

• Отслеживайте движение в суставе.

• Поддержка передовых стратегий управления

Для таких приложений, как человекоподобные роботы, коллаборативные роботы и высокоточные роботизированные манипуляторы, эта дополнительная обратная связь может быть ценной.

Как шарнир робота достигает целевого положения?

Система управления положением обычно работает как система с замкнутым контуром.

Упрощенная последовательность управления выглядит следующим образом:

Целевое положение → Контроллер положения → Команда управления двигателем → Драйвер двигателя → Сервомотор → Прецизионный редуктор → Шарнир робота → Обратная связь энкодера

Контроллер непрерывно оценивает разницу между целевым положением и измеренным положением.

Эта разница известна как ошибка позиционирования.

Если фактическое положение отстаёт от целевого, контроллер корректирует команду управления двигателем.

По мере приближения сустава к целевому значению, команда корректируется для уменьшения перерегулирования и повышения стабильности.

Точный алгоритм управления зависит от сервосистемы и области применения, но принцип остается тем же:

Измерить → Сравнить → Исправить → Повторить

Как модуль шарнира робота контролирует крутящий момент?

Одного лишь позиционного управления недостаточно для многих современных роботов.

Робот также должен знать, какую силу он прикладывает к окружающей среде.

Это становится особенно важным, когда робот:

• Хватает предмет

• Осуществляет физический контакт с поверхностью

• Прогулки

• Восхождения

• Выполняет сборку

• Взаимодействует с людьми

• Манипулирует хрупкими компонентами

Управление крутящим моментом позволяет роботу регулировать вращательную силу, возникающую в суставе.

Вместо того чтобы просто отдавать приказы:

Поверните сустав на 30°.

Робот также может отдавать команды:

Приложите контролируемый крутящий момент, сохраняя при этом требуемое положение.

Это превращает робота из машины, управляемой исключительно положением, в более адаптивную систему движения.

Как создаётся крутящий момент в шарнире робота?

Двигатель создает крутящий момент на своем валу.

Затем прецизионный редуктор преобразует скорость и крутящий момент двигателя в соответствии с передаточным отношением.

Упрощенное соотношение выглядит так:

Крутящий момент двигателя → Прецизионный редуктор → Выходной крутящий момент шарнира

Более высокое передаточное число позволяет получить больший крутящий момент при одновременном снижении скорости вращения.

Однако фактический крутящий момент на выходе также зависит от эффективности трансмиссии и условий эксплуатации.

Следовательно, выбор шарниров робота не может основываться исключительно на крутящем моменте двигателя.

Инженерам также следует учитывать следующее:

• Коэффициент снижения

• Номинальный крутящий момент

• Максимальный крутящий момент

• Эффективность передачи

• Полезная нагрузка робота

• Скорость сустава

• Ускорение

• Рабочий цикл

• Внешние силы

• Инерция суставов

Как измеряется крутящий момент в шарнирах робота?

Существует несколько подходов к оценке или измерению крутящего момента в шарнирном модуле робота.

Оценка крутящего момента на основе тока

Для многих серводвигателей электромагнитный момент связан с током, протекающим через двигатель.

Таким образом, контроллер может оценивать крутящий момент двигателя на основе измеренного тока.

Такой подход может быть полезен, поскольку он не обязательно требует отдельного датчика крутящего момента.

Однако расчетный крутящий момент двигателя не всегда совпадает с фактическим крутящим моментом на выходе шарнира робота.

Механические потери при передаче, трение, деформация и другие факторы могут влиять на конечный крутящий момент на выходе.

Обратная связь от датчика крутящего момента

Датчик крутящего момента измеряет крутящий момент непосредственно в соответствующем месте механической трансмиссии или выходного вала.

Модуль шарнира робота, оснащенный встроенным датчиком крутящего момента, может обеспечивать прямую обратную связь по усилию с системой управления.

Это может поддерживать:

• контроль крутящего момента

• Силовой контроль

• Обнаружение столкновений

• Контроль за соблюдением нормативных требований

• Обнаружение контактов

• Безопасное взаимодействие человека и робота

• Точная манипуляция

Для роботов, физически взаимодействующих с окружающей средой, прямая обратная связь по крутящему моменту может быть особенно ценной.

Как взаимодействуют управление положением и управление крутящим моментом?

В современных модулях шарниров роботов положение и крутящий момент не всегда следует рассматривать как отдельные функции.

Они могут действовать сообща.

Например, представьте себе робота-помощника, движущегося к объекту.

В режиме свободного перемещения робот может отдавать приоритет управлению положением.

Когда робот соприкасается с объектом, обратная связь по крутящему моменту или силе становится более важной.

Затем система управления может уменьшить заданное движение или отрегулировать приложенный крутящий момент в зависимости от условий контакта.

Это способствует более покладистому поведению.

Управление положением

В каком направлении должен двигаться сустав?

Контроль скорости

С какой скоростью должен двигаться сустав?

Управление крутящим моментом

Какую вращательную силу должен прикладывать сустав?

Эти уровни управления могут взаимодействовать друг с другом в рамках архитектуры сервоуправления.

Почему управление крутящим моментом важно для человекоподобных роботов?

Гуманоидные роботы предъявляют особенно высокие требования к управлению суставами.

Гуманоидный робот должен постоянно поддерживать равновесие своего тела, перемещаясь в изменяющейся среде.

Например, во время ходьбы:

• Тазобедренный сустав меняет положение.

• Колено принимает на себя часть нагрузки на тело.

• Голеностопный сустав соприкасается с землей.

• Внешние силы постоянно меняются.

• Робот должен сохранять равновесие.

Информация о местоположении сама по себе не может в полной мере описывать физическое состояние робота.

Информация о крутящем моменте и силе может предоставить дополнительные сведения о том, как робот взаимодействует с окружающей средой.

Это одна из причин, почему высокопроизводительные приводы человекоподобных роботов все чаще комбинируются:

Высокая плотность крутящего момента + Точная обратная связь по положению + Обратная связь по крутящему моменту

Почему датчики крутящего момента важны для коллаборативных роботов?

Коллаборативные роботы часто работают в непосредственной близости от людей.

Это предъявляет иные требования по сравнению с традиционными промышленными роботами, работающими внутри изолированных рабочих ячеек.

Роботу-компаньону может потребоваться обнаружить неожиданный контакт и отреагировать соответствующим образом.

Шарнир робота, чувствительный к крутящему моменту, может помочь выявить ненормальные условия нагрузки.

Например:

• Нормальное движение → Ожидаемый крутящий момент

• Неожиданный контакт → Отклонение крутящего момента

• Реакция контроллера → Снижение крутящего момента / Остановка / Изменение траектории

Однако датчики крутящего момента — это лишь одна часть системы безопасности робота. Общая безопасность также зависит от контроллера робота, программного обеспечения, механической конструкции, архитектуры датчиков, оценки рисков и применимых стандартов безопасности.

Какова роль прецизионного редуктора в шарнирном модуле робота?

Прецизионный редуктор — ещё один важный компонент внутри модуля шарнира робота.

Как правило, двигатель робота работает на относительно высокой скорости.

Однако для работы шарнирного соединения робота часто требуется следующее:

• Более низкая скорость вращения

• Более высокий выходной крутящий момент

• Высокая точность позиционирования

• Низкая ошибка передачи

• Компактные механические размеры

• Редуктор устраняет это различие.

Гармонические редукторы позволяют получать высокие передаточные числа в компактном исполнении, что делает их подходящими для многих роботизированных шарниров.

Планетарные редукторы также могут использоваться в тех случаях, когда для конкретного применения требуется иное сочетание крутящего момента, скорости, эффективности, жесткости и стоимости.

Таким образом, архитектура трансмиссии оказывает прямое влияние на общую производительность модуля шарнира робота.

Как люфт влияет на положение шарниров робота и управление крутящим моментом?

Люфт является важным фактором, который необходимо учитывать в роботизированных системах передачи.

При наличии чрезмерного механического зазора между компонентами трансмиссии двигатель может начать движение, не создавая сразу же ожидаемого выходного сигнала.

Это может снизить точность позиционирования.

Это также может усложнить управление крутящим моментом, поскольку взаимосвязь между движением двигателя и движением выходного сигнала становится менее предсказуемой.

Поэтому прецизионные редукторы с малым люфтом широко используются в робототехнике, требующей точного перемещения.

Для таких применений, как роботизированные манипуляторы, человекоподобные роботы, поворотные оси станков с ЧПУ и прецизионная автоматизация, низкая погрешность передачи может быть важным критерием выбора.

Управление с обратной связью: основа современного модуля шарнира робота.

Важнейшая концепция, лежащая в основе современного управления суставами роботов, — это замкнутый контур.

Система с замкнутым контуром не просто отправляет команду и предполагает, что сустав переместился правильно.

Вместо этого, он непрерывно измеряет фактическое состояние сустава.

Упрощенная архитектура выглядит следующим образом:

Команда → Контроллер → Драйвер → Двигатель → Редуктор → Выход шарнира → Энкодер / Датчик крутящего момента → Обратная связь → Контроллер

Эта обратная связь позволяет системе обнаруживать различия между ожидаемым и фактическим поведением.

Без обратной связи система работает скорее как механизм с разомкнутым контуром управления.

Благодаря обратной связи контроллер может непрерывно корректировать свои команды.

Какие коммуникационные интерфейсы используются в модулях шарниров роботов?

Модули шарниров робота часто должны взаимодействовать с контроллером робота более высокого уровня.

К распространенным промышленным коммуникационным технологиям относятся:

• МОЖЕТ

• CANopen

• EtherCAT

• RS-485

• Промышленные протоколы Ethernet

Коммуникационный интерфейс позволяет контроллеру робота отправлять команды и получать обратную связь от шарнира.

В зависимости от архитектуры, объединенный модуль может обмениваться такой информацией, как:

• Целевая позиция

• Целевая скорость

• Целевой крутящий момент

• Фактическое положение

• Фактическая скорость

• Фактический крутящий момент

• Температура двигателя

• Состояние неисправности

• Состояние кодировщика

EtherCAT часто выбирают для роботизированных систем, требующих синхронизированного многоосевого управления и быстрой связи.

Технологии CAN и CANopen также могут быть практичными решениями для распределенных роботизированных шарниров, где необходимо сбалансировать архитектуру системы, стоимость и требования к связи.

Почему интеграция важна в модуле шарнира робота?

Интеграция двигателя, редуктора, энкодера и электроники в единый модуль обеспечивает ряд потенциальных преимуществ.

H3: Компактная механическая конструкция

Высокоинтегрированный исполнительный механизм позволяет уменьшить пространство, необходимое для размещения отдельных компонентов.

Это особенно полезно в следующих случаях:

• суставы человекоподобных роботов

• Роботизированные запястья

• Ловкие руки

• Коллаборативные роботы

• Компактные роботизированные манипуляторы

Сокращенное количество проводов

Когда компоненты привода и обратной связи интегрированы в шарнир, может потребоваться меньше внешних соединений.

Это может упростить сборку роботов и прокладку кабелей.

Упрощенная системная интеграция

Предварительно интегрированный модуль шарнира робота может сократить объем инженерных работ, необходимых для его подгонки:

• Мотор

• Коробка передач

• Кодировщик

• Водитель

• Контроллер

Вместо этого модуль можно рассматривать как стандартизированный двигательный блок.

Более компактная архитектура управления

Интеграция датчиков и электроники управления ближе к механической трансмиссии также может помочь уменьшить физическое расстояние между исполнительным механизмом и его компонентами обратной связи.

Это особенно важно для компактных роботизированных систем.

Что следует учитывать инженерам при выборе модуля шарнира робота?

Выбор модуля шарнира робота не должен основываться исключительно на номинальном крутящем моменте.

Инженеры должны оценить все эксплуатационные требования.

1. Номинальный крутящий момент

Определите требуемый постоянный крутящий момент во время нормальной работы.

2. Максимальный крутящий момент

Учитывайте максимальный крутящий момент, необходимый при ускорении, ударе или кратковременном динамическом движении.

3. Выходная скорость

Шарнир должен обеспечивать требуемую скорость вращения, сохраняя при этом необходимый крутящий момент.

4. Коэффициент снижения

Передаточное число влияет на скорость вращения, крутящий момент, рабочую точку двигателя, обратную передачу и динамические характеристики.

5. Точность позиционирования

Учитывайте разрешение энкодера, точность передачи, люфт и общую производительность сервопривода.

6. Обратная связь по крутящему моменту

Определите, достаточно ли оценки крутящего момента на основе тока или требуется прямое измерение крутящего момента.

7. Вес

Для мобильных роботов и человекоподобных роботов вес суставов оказывает прямое влияние на динамику системы и энергопотребление.

8. Интерфейс связи

Убедитесь, что модуль управления поддерживает необходимую архитектуру управления, например CAN/CANopen или EtherCAT.

9. Тепловые характеристики

Исполнительный механизм должен рассеивать тепло во время непрерывной работы.

10. Механические размеры

Модуль должен помещаться в пределах имеющегося пространства для соединения, не нарушая при этом прочность конструкции.

Управление модулями шарниров робота для различных применений

Разные роботы отдают приоритет разным характеристикам управления.

Гуманоидные роботы

Для работы человекоподобных роботов, как правило, требуется:

• Высокая плотность крутящего момента

• Низкий вес

• Компактные размеры

• Высокая точность позиционирования

• Динамическое управление крутящим моментом

• Надежная обратная связь

Требования могут значительно различаться для тазобедренного, коленного, голеностопного, плечевого, локтевого и запястного суставов.

Коллаборативные роботы

Коботы часто отдают приоритет следующим функциям:

• Низкий люфт

• Плавное движение

• датчик крутящего момента

• Согласие

• Обнаружение столкновений

• Низкий уровень шума

Промышленные роботизированные манипуляторы

Промышленные роботы, как правило, уделяют большое внимание следующим аспектам:

• Высокая воспроизводимость

• Высокая жесткость

• Длительный срок службы

• Стабильный выходной крутящий момент

• Точное управление положением

Ловкие роботизированные руки

Для роботизированных рук требуется иной баланс:

• Маленький размер

• Низкая инерция

• Точное управление положением

• Точное управление крутящим моментом

• Быстрый ответ

Именно поэтому не существует единого идеального модуля шарнира робота для всех роботизированных задач.

Как модули шарниров робота HONPINE обеспечивают интегрированное управление движением?

Компания HONPINE разрабатывает интегрированные роботизированные модули суставов на основе технологий прецизионной передачи и сервоуправления движением.

В зависимости от модели и области применения, интегрированный модуль шарнира робота может объединять такие компоненты, как:

• Прецизионный редуктор

• Сервомотор

• Высокоточный энкодер

• Электроника привода

• датчик крутящего момента

• Промышленные коммуникационные интерфейсы

Для человекоподобных роботов, коллаборативных роботов, роботизированных манипуляторов и других компактных роботизированных систем эта интегрированная архитектура может снизить сложность механической интеграции, обеспечивая при этом обратную связь, необходимую для управления движением с обратной связью.

Например, модуль гармонического шарнира TCHL от компании HONPINE интегрирует датчик крутящего момента в архитектуру шарнира и поддерживает приложения с замкнутым контуром управления крутящим моментом и положением.

Другие интегрированные архитектуры исполнительных механизмов могут быть сконфигурированы с учетом различных комбинаций гармонической или планетарной передачи, обратной связи от энкодера, управления двигателем и требований к связи.

Часто задаваемые вопросы об управлении модулем шарнира робота

Что такое модуль шарнира робота?

Модуль шарнира робота представляет собой интегрированный роботизированный блок управления движением, который обычно объединяет двигатель, прецизионный редуктор, энкодер и другие компоненты, необходимые для привода одного шарнира робота.

Как модуль шарнира робота управляет положением?

Контроллер отправляет целевое положение в модуль шарнира. Драйвер двигателя управляет двигателем, а энкодер измеряет фактическое положение. Контроллер постоянно сравнивает целевое и фактическое положения и корректирует команду двигателя для уменьшения ошибки позиционирования.

Как модуль шарнира робота управляет крутящим моментом?

Крутящий момент может регулироваться путем оценки крутящего момента на основе тока двигателя или путем прямой обратной связи по крутящему моменту от встроенного датчика крутящего момента. Система управления корректирует команду управления двигателем в соответствии с требуемым крутящим моментом.

Зачем в шарнире робота используются два энкодера?

Архитектура с двумя энкодерами обеспечивает обратную связь как со стороны двигателя, так и со стороны выхода. Это позволяет системе управления отслеживать как движение двигателя, так и фактическое положение сустава на выходе.

Необходим ли датчик крутящего момента для каждого шарнира робота?

Нет. В некоторых приложениях для оценки крутящего момента можно использовать ток двигателя. Прямое измерение крутящего момента становится более ценным, когда требуется точное управление силой, податливость, обнаружение контакта или физическое взаимодействие человека и робота.

В чём разница между позиционным управлением и управлением крутящим моментом?

Управление положением определяет, куда должен перемещаться шарнир робота. Управление крутящим моментом определяет, какую вращательную силу должен прикладывать шарнир. В зависимости от задачи, в современных роботах можно комбинировать оба метода управления.

Почему энкодер важен в приводе робота?

Энкодер обеспечивает обратную связь о положении вращения и, в зависимости от системы, о скорости и направлении. Эта обратная связь позволяет контроллеру осуществлять замкнутое управление движением.

Подходят ли редукторы крутильных колебаний для шарнирных модулей роботов?

Гармонические редукторы широко используются в роботизированных шарнирах, поскольку они обеспечивают высокие передаточные числа, компактные размеры, низкий люфт и высокую точность позиционирования. Однако выбор подходящей трансмиссии зависит от требований к крутящему моменту, скорости, эффективности, жесткости, возможности обратного хода и стоимости конкретного применения.

Заключение

Современный модуль шарнирного соединения робота управляет положением и крутящим моментом посредством скоординированной работы двигателя, прецизионного редуктора, энкодера, драйвера, контроллера и, при необходимости, датчика крутящего момента.

Управление положением в значительной степени зависит от точной обратной связи. Энкодер сообщает системе управления, где фактически находится выходной сигнал двигателя или шарнира, позволяя контроллеру непрерывно корректировать движение.

Управление крутящим моментом добавляет еще один уровень интеллекта. Оценивая крутящий момент по току двигателя или измеряя его напрямую с помощью датчика крутящего момента, робот может регулировать усилие, создаваемое в шарнире, и более эффективно реагировать на внешние нагрузки.

Таким образом, сочетание высокоточной передачи, высокоточной обратной связи, сервоприводной технологии и управления с обратной связью является центральным элементом современной конструкции роботизированных суставов.

По мере того как человекоподобные роботы, коллаборативные роботы и ловкие роботизированные системы становятся все более динамичными и компактными, интегрированные модули шарниров роботов приобретают все большее значение для достижения необходимого баланса между крутящим моментом, точностью, весом, датчиками и управлением.

Для производителей роботов и системных интеграторов выбор подходящего шарнирного модуля означает рассмотрение не только мощности двигателя или передаточного отношения редуктора. Полная архитектура управления движением, включая обратную связь, измерение крутящего момента, связь, тепловые характеристики, механические размеры и требования к управлению, определяет, насколько эффективно шарнир робота будет работать в реальных условиях.