Как выбрать подходящий привод шарнира для гуманоидных и колёсных роботов: шарнирный двигатель робота?

Введение

Когда люди думают о моторе роботизированного сочленения, первым применением, которое обычно приходит на ум, являются гуманоидные роботы. Гуманоидный робот может содержать десятки независимо управляемых сочленений, включая тазобедренные, коленные, голеностопные, плечевые, локтевые, запястные сочленения, а также сочленения талии, шеи и кистей. Каждое сочленение должно создавать управляемое вращательное движение, оставаясь при этом компактным, легким, точным и способным надежно работать при динамических нагрузках.

Однако моторы роботизированных сочленений используются не только в гуманоидных роботах. По мере того как колесные роботы превращаются из простых мобильных платформ в мобильные манипуляционные, инспекционные и сервисные системы, они все чаще оснащаются роботизированными руками, вращающимися головками, механизмами панорамирования и наклона, захватами и другими шарнирными конструкциями. Эти механизмы также требуют компактных и точно управляемых вращательных сочленений.

Поэтому важен не вопрос о том, является ли робот гуманоидным или колесным. Важно, какой тип движения сочленения должен выполнять робот.

Тазобедренное сочленение гуманоидного робота и локтевое сочленение роботизированной руки мобильного робота могут иметь совершенно разные требования к крутящему моменту, но оба зависят от управляемого вращательного привода. Головке робота может требоваться значительно меньший крутящий момент, чем коленному сочленению гуманоидного робота, однако точность позиционирования и плавность движения могут быть не менее важны.

Таким образом, мотор роботизированного сочленения является фундаментальным конструктивным элементом для многих типов шарнирных роботизированных систем.

Почему моторы роботизированных сочленений становятся ключевым конструктивным элементом роботов?

Мотор роботизированного сочленения не следует рассматривать просто как двигатель, создающий вращение. В современной роботизированной системе сочленение представляет собой полноценный электромеханический узел, в котором мотор, редуктор, энкодер, приводная электроника, подшипники, корпус и система управления работают совместно.

Типовую интегрированную архитектуру можно представить следующим образом:

Мотор + редуктор + энкодер + драйвер = интегрированный мотор роботизированного сочленения

В зависимости от применения в сочленение также могут быть интегрированы дополнительные функции, такие как измерение крутящего момента, торможение, контроль температуры и коммуникационные интерфейсы.

Такая архитектура меняет подход производителей роботов к проектированию машин. Вместо того чтобы выбирать каждый компонент отдельно, а затем интегрировать их в готовое сочленение, инженеры могут использовать стандартизированный модуль сочленения с заданными механическими, электрическими и коммуникационными интерфейсами.

Это особенно ценно по мере увеличения количества сочленений робота. Гуманоидному роботу могут требоваться десятки приводных осей, тогда как мобильный робот, оснащенный роботизированной рукой, вращающейся головкой и манипуляционной системой, также может содержать несколько независимо управляемых сочленений.

Чем больше сочленений у робота, тем более ценными становятся стандартизированная и воспроизводимая архитектура приводов.

Требования к моторам роботизированных сочленений в гуманоидных роботах

Гуманоидные роботы предъявляют одни из самых высоких требований к моторам роботизированных сочленений, поскольку привод должен помещаться в механическую конструкцию человеческого масштаба и одновременно обеспечивать достаточный крутящий момент для динамического движения.

Тазобедренным, коленным и голеностопным сочленениям может требоваться высокий продолжительный и пиковый крутящий момент при поддержке значительной части веса робота. В то же время плечевым, локтевым, запястным сочленениям и сочленениям шеи требуются различные сочетания крутящего момента, скорости, компактности и точности позиционирования.

Это означает, что гуманоидный робот не может просто использовать один и тот же привод во всех частях корпуса.

Привод тазобедренного сочленения может быть ориентирован прежде всего на высокую удельную плотность крутящего момента и механическую жесткость, тогда как для привода запястного сочленения более важными могут быть малый вес, компактные размеры и точное позиционирование. Для привода шеи или головы может требоваться сравнительно небольшой крутящий момент, но отличная плавность движения и точность углового позиционирования.

По этой причине практическая приводная платформа для гуманоидного робота обычно должна включать несколько классов крутящего момента и размеров при сохранении единой системной архитектуры.

Основная задача заключается в обеспечении достаточных характеристик сочленения без чрезмерного увеличения веса или размеров привода. Каждый дополнительный килограмм в сочленении робота может влиять на динамическую нагрузку, которую испытывают другие сочленения, увеличивая энергопотребление и изменяя общие характеристики движения робота.

Именно поэтому плотность крутящего момента, компактность, механическая жесткость, тепловые характеристики и точность обратной связи стали важными критериями оценки моторов роботизированных сочленений для гуманоидных роботов.

Моторы роботизированных сочленений также важны для колесных роботов

Колесные роботы часто рассматриваются прежде всего с точки зрения их мобильной платформы, однако их механическая архитектура может выходить далеко за пределы мобильного основания.

Современный колесный робот может оснащаться роботизированной рукой для выполнения манипуляций, вращающейся головкой для восприятия окружающей среды, механизмом панорамирования и наклона для позиционирования датчиков или многоосевой инспекционной системой. После появления таких шарнирных механизмов роботу требуется несколько управляемых вращательных сочленений.

Например, мобильный манипулятор может иметь механическую цепь, состоящую из плечевого, локтевого и запястного сочленений, а также механизма рабочего органа. Робот может перемещаться по окружающей среде с помощью мобильной платформы, однако его манипуляционные функции основаны на тех же базовых принципах, что и у других роботизированных рук: каждое вращательное сочленение должно обеспечивать управляемый крутящий момент, точное позиционирование, соответствующую жесткость и надежную обратную связь.

Тот же принцип применяется к роботизированным головкам.

Колесный инспекционный робот может использовать камеру, датчик глубины или другую систему восприятия, установленную на вращающейся головке. Головке может потребоваться непрерывно сканировать окружающую среду, отслеживать объект или сохранять определенную ориентацию датчика. В таких применениях приводу не обязательно требуется чрезвычайно высокий крутящий момент, как для тазобедренного или коленного сочленения гуманоидного робота, однако более важными могут стать малый люфт, компактные размеры, плавное вращение и точное управление положением.

Поэтому применение моторов роботизированных сочленений в колесных роботах не следует понимать как замену их основной мобильной системе. Напротив, оно отражает увеличение количества шарнирных функций, выполняемых роботом помимо базового перемещения.

Для разных роботизированных сочленений требуются разные характеристики моторов

Требования к мотору роботизированного сочленения определяются прежде всего функцией этого сочленения.

Это сравнение показывает, почему выбирать мотор роботизированного сочленения только по номинальной мощности недостаточно.

Привод с высоким крутящим моментом может идеально подходить для коленного сочленения гуманоидного робота, но быть неоправданно крупным для головки робота. И наоборот, привод, оптимизированный для низкой инерции и точного позиционирования, может не обеспечивать достаточный продолжительный крутящий момент для тяжелого сочленения роботизированной руки.

Правильный подход заключается в соответствии привода фактическим требованиям каждого сочленения к крутящему моменту, скорости, рабочему циклу, механической жесткости, монтажному пространству и обратной связи.

Почему гармонические моторы сочленений привлекательны для роботизированных сочленений?

Среди различных технологий передачи гармоническая передача особенно привлекательна для роботизированных сочленений, которым требуются высокие передаточные отношения, малый люфт, компактные размеры и высокая точность позиционирования.

Мотор роботизированного сочленения на основе гармонической передачи объединяет мотор с гармоническим редуктором, преобразуя высокоскоростное вращение мотора в управляемое выходное движение с высоким крутящим моментом.

Для применений с жесткими ограничениями по пространству такая архитектура может обеспечить полезный баланс между выходным крутящим моментом и габаритами.

Малый люфт является еще одним важным преимуществом для прецизионных роботизированных сочленений. Когда несколько сочленений работают совместно, ошибки передачи могут влиять на конечное положение рабочего органа или корпуса робота. Поэтому передача с малым люфтом может способствовать повышению общей управляемости сочленения.

В то же время гармоническую передачу не следует считать универсальным решением для каждого роботизированного сочленения. Передаточное отношение, выходная скорость, КПД, возможность обратного привода, крутильная жесткость, тепловые характеристики и рабочий цикл необходимо оценивать в совокупности.

По этой причине правильный вопрос заключается не в том, лучше ли гармонический мотор сочленения любого другого привода, а в том, соответствуют ли его характеристики конкретным требованиям целевого сочленения.

Интегрированный мотор роботизированного сочленения и отдельные мотор и редуктор

В традиционных роботизированных сочленениях часто используются отдельные компоненты для мотора, редуктора, энкодера и привода. Такой подход обеспечивает гибкость на этапе разработки, поскольку инженеры могут независимо заменять или изменять отдельные компоненты.

Однако по мере перехода роботизированных систем к более высокой степени интеграции и увеличению объемов производства преимущества интегрированного мотора роботизированного сочленения становятся все более очевидными.

Когда мотор, редуктор, энкодер и электроника проектируются как единый модуль, механические интерфейсы можно оптимизировать с самого начала, а не решать эти вопросы на этапе окончательной сборки. Корпус также можно спроектировать вокруг мотора и передачи для повышения конструктивной жесткости и улучшения отвода тепла.

Интеграция также может уменьшить сложность внешней проводки. Это особенно важно в области вращающихся сочленений, где многократный изгиб кабелей и помехи могут создавать проблемы с надежностью.

Еще одним важным преимуществом является стабильность производства. Вместо того чтобы по отдельности собирать и калибровать каждый мотор, редуктор, энкодер и привод на заводе роботов, полный модуль сочленения можно испытать и откалибровать до поставки.

Для роботов с большим количеством сочленений это может значительно снизить сложность сборки и ввода в эксплуатацию.

Однако интеграция не означает автоматически, что каждый компонент следует физически разместить в минимально возможном пространстве. При первоначальном проектировании архитектуры сочленения необходимо учитывать тепловые пути, требования к техническому обслуживанию, расположение датчиков и механическую жесткость.

Таким образом, по-настоящему интегрированное сочленение — это не просто набор компонентов, размещенных в одном корпусе. Это система сочленения, спроектированная с одновременным учетом механических, электрических, тепловых требований и требований к управлению.

Как выбрать подходящий мотор роботизированного сочленения?

Выбор мотора роботизированного сочленения следует начинать с требуемого выходного движения, а не с номинальной мощности мотора.

Сначала инженерам необходимо определить требуемый продолжительный и пиковый выходной крутящий момент в реальных условиях эксплуатации. Для роботизированного сочленения, достигающего пикового крутящего момента лишь на долю секунды, требуются совершенно иные характеристики, чем для сочленения, которое непрерывно удерживает тяжелую нагрузку.

Выходная скорость не менее важна. Мотор может работать на сравнительно высокой скорости, но конечную скорость сочленения и выходной крутящий момент определяет редуктор. Поэтому передаточное отношение необходимо выбирать с учетом как крутящего момента, так и скорости, а не стремиться максимизировать только один параметр.

Затем следует оценить механическую жесткость и люфт в соответствии с требованиями применения к точности. Для высокоточных роботизированных рук, гуманоидных сочленений и позиционирующих механизмов могут требоваться характеристики передачи, значительно отличающиеся от характеристик менее требовательных вращательных механизмов.

Архитектура обратной связи является еще одним важным фактором. Энкодер на стороне мотора может обеспечивать высокоскоростное управление мотором, тогда как энкодер на выходной стороне предоставляет более прямую информацию о конечном положении сочленения. Для передовых робототехнических применений архитектура с двумя энкодерами может обеспечить дополнительные возможности управления и обратной связи.

Тепловые характеристики также следует оценивать с учетом реального рабочего цикла. Одни только данные о кратковременном пиковом крутящем моменте не могут точно отражать характеристики сочленения, непрерывно работающего при динамических нагрузках.

Наконец, инженерам необходимо учитывать вес и размеры привода, коммуникационный интерфейс, требования к проводке, стратегию технического обслуживания и степень интеграции.

Таким образом, лучший мотор роботизированного сочленения — это не обязательно мотор с самым высоким крутящим моментом или мощностью. Это мотор, который обеспечивает требуемые крутящий момент, скорость, точность, жесткость, тепловые характеристики и интеграцию в пределах доступного механического пространства.

Почему модульные моторы роботизированных сочленений становятся все более важными?

По мере того как производители роботов разрабатывают различные платформы и поколения роботов, растет потребность в модульных приводных платформах.

Для разных сочленений требуются разные уровни характеристик, однако полная переработка электрической и механической архитектуры для каждого сочленения создает ненужную инженерную нагрузку.

Вместо этого модульная платформа моторов роботизированных сочленений может включать несколько размеров приводов и классов крутящего момента при сохранении общих принципов механической и электрической конструкции.

Например, производитель роботов может использовать привод с более высоким крутящим моментом для тазобедренного сочленения гуманоидного робота, привод среднего размера для локтевого сочленения и компактный привод для запястья или головки робота.

Конкретные приводы могут различаться, но общая методология разработки остается единой.

Такой подход может сократить циклы разработки, упростить испытания и облегчить переход от опытных роботов к серийным платформам.

Поэтому для производителей, разрабатывающих несколько роботизированных продуктов, модульность может быть столь же важна, как и характеристики отдельного привода.

Будущее моторов роботизированных сочленений

Развитие моторов роботизированных сочленений движется в направлении более глубокой интеграции.

Будущие приводные модули, вероятно, будут объединять больше функций в стандартном механическом корпусе, включая мотор, прецизионный редуктор, энкодер, приводную электронику, измерение крутящего момента, контроль температуры, связь и функции безопасности.

Это означает, что роботизированное сочленение все чаще будет становиться независимым электромеханическим узлом, способным получать команды, создавать крутящий момент, измерять собственное рабочее состояние и обмениваться данными с контроллером робота.

Эта тенденция особенно заметна в гуманоидной робототехнике, однако лежащая в ее основе технология также может применяться в роботизированных руках, мобильных манипуляторах, инспекционных и коллаборативных роботах, четвероногих роботах и других шарнирных системах.

Общим требованием для этих платформ является не форма робота и не способ его перемещения.

Им является необходимость создавать точное, управляемое вращательное движение с помощью компактного и высокоинтегрированного сочленения.

Заключение

Мотор роботизированного сочленения больше не является категорией компонентов, ограниченной гуманоидными роботами.

Гуманоидным роботам требуется множество моторов сочленений для тазобедренных, коленных, голеностопных, плечевых, локтевых, запястных сочленений, а также сочленений шеи и кистей. Колесные роботы, в свою очередь, все чаще оснащаются роботизированными руками, вращающимися головками, системами панорамирования и наклона, инспекционными механизмами и другими шарнирными конструкциями, которые также зависят от управляемых вращательных сочленений.

Таким образом, важно не то, является ли робот гуманоидным или колесным.

Важно, что именно должно выполнять каждое сочленение.

Для нагруженных сочленений гуманоидных роботов приоритетными могут быть плотность крутящего момента, жесткость, тепловая нагрузочная способность и динамическая реакция. Сочленения роботизированных рук могут требовать баланса между крутящим моментом, скоростью, точностью и повторяемостью. Для головок роботов и механизмов панорамирования и наклона более важными могут быть малый люфт, точность позиционирования, компактность и плавность движения.

Именно поэтому выбор мотора роботизированного сочленения следует начинать с фактических требований к сочленению, а не с общей категории робота.

Для гуманоидных роботов, мобильных манипуляторов, инспекционных роботов, роботизированных рук и других шарнирных роботизированных систем интегрированный мотор роботизированного сочленения, объединяющий мотор, прецизионный редуктор, энкодер и привод, может стать стандартизированной основой для создания компактных и высокопроизводительных роботизированных сочленений.

Будущее роботизированных приводов связано не просто с повышением мощности мотора. Оно заключается в создании модуля сочленения, который объединяет формирование крутящего момента, передачу, обратную связь, управление и механическую конструкцию в систему, оптимизированную под конкретные требования робота к движению.