Поворотные шарниры для роботов: какая архитектура шарнира подходит для вашей конструкции робота?

Введение: Почему вращающиеся шарниры роботов становятся все более важными

Роботы не могут двигаться без шарниров, но роль шарниров у роботов значительно изменилась по мере того, как роботизированные системы стали более компактными, интеллектуальными и специализированными.

В традиционном роботе вращательное сочленение часто создается путем объединения нескольких независимых компонентов, включая двигатель, редуктор, энкодер, сервопривод, тормоз и иногда датчик крутящего момента. Каждый компонент выполняет определенную функцию, а производитель робота отвечает за их интеграцию в единое целое.

Этот подход остается практичным для многих традиционных промышленных роботов. Однако требования к современным роботам становятся все более жесткими. Гуманоидным роботам необходимы компактные и легкие приводы. Коллаборативным роботам требуется безопасное и быстрое управление движением. Медицинские роботы часто предъявляют строгие требования к размерам, точности и чистоте. Роботизированные манипуляторы специального назначения могут потребовать необычных механических интерфейсов, внутренней прокладки кабелей или индивидуальных размеров шарниров.

В результате перед производителями роботов встает уже не просто вопрос выбора двигателя или редуктора.

Более важный вопрос:

Какую архитектуру шарниров следует использовать для каждой оси робота?

Именно здесь интегрированные модули шарниров роботов приобретают все большую ценность.

Что такое вращающийся шарнир в роботе?

Шарнирное соединение позволяет одному звену робота вращаться относительно другого. С механической точки зрения это звучит просто. Однако в современных роботизированных системах шарнир часто должен выполнять несколько функций одновременно.

Шарнир должен создавать крутящий момент, передавать движение, обеспечивать точную обратную связь по положению, взаимодействовать с контроллером робота и динамически реагировать на изменяющиеся нагрузки. В зависимости от области применения, он также может нуждаться в торможении, измерении крутящего момента, контроле температуры или других функциях безопасности.

По этой причине современный вращательный шарнир робота следует все чаще рассматривать как полноценный мехатронный механизм, а не просто как двигатель или редуктор.

Это различие становится особенно важным при проектировании многоосевых роботов. Каждый дополнительный компонент, установленный вокруг шарнира, влияет на доступное пространство, общий вес, схему проводки, механическую конструкцию и архитектуру управления робота.

Таким образом, шарнир становится важной частью общей конструкции робота, а не изолированным компонентом.

Традиционный подход: создание шарнира робота из отдельных компонентов.

На протяжении многих лет производители роботов проектировали вращающиеся шарниры, выбирая отдельные компоненты и интегрируя их внутрь конструкции.

Двигатель выбирается в соответствии с требуемой скоростью и крутящим моментом. Затем редуктор подбирается к двигателю и требуемым выходным характеристикам. Для обратной связи по положению добавляется энкодер, а сервопривод обычно устанавливается вне шарнира. В зависимости от области применения, конструкция может также потребовать тормоза, датчика крутящего момента, дополнительных разъемов и других электронных компонентов.

Такая архитектура обеспечивает гибкость, поскольку инженеры могут выбирать каждый компонент независимо.

Однако такая гибкость также влечет за собой дополнительную инженерную работу.

Двигатель и редуктор должны быть правильно подобраны. Необходимо разработать механические интерфейсы. Сигналы энкодера должны быть подключены к системе управления. Привод должен быть сконфигурирован и настроен. Силовые и коммуникационные кабели должны быть проложены внутри робота. Также необходимо предусмотреть систему терморегулирования.

По мере того как конструкции роботов становятся меньше и более интегрированными, пространство, доступное для этих компонентов, уменьшается.

В результате возникает распространенная инженерная проблема: отдельные компоненты могут соответствовать своим техническим характеристикам, но их интеграция в компактный и надежный шарнир робота становится все более сложной задачей.

Почему интегрированные шарнирные модули роботов меняют конструкцию роботов?

В интегрированном модуле шарнира робота используется другой подход.

Вместо того чтобы рассматривать двигатель, трансмиссию, энкодер, привод и другие функции как совершенно независимые компоненты, их можно спроектировать как части единого скоординированного блока движения.

Цель состоит не просто в том, чтобы поместить несколько изделий в один корпус.

Реальная цель состоит в оптимизации механических, электрических и управляющих интерфейсов между этими функциями.

Это может уменьшить количество внешних компонентов, необходимых вокруг шарнира, и упростить общую архитектуру робота. Это также может облегчить производителям роботов стандартизацию механических и электрических интерфейсов на различных роботизированных платформах.

Для компаний, разрабатывающих несколько типов роботов, это может оказаться особенно ценным. Разные оси роботов могут требовать разных уровней крутящего момента, размеров, технологий передачи или конфигураций датчиков, при этом сохраняя общий подход к разработке шарнирных модулей.

Это позволяет создавать более модульные системы разработки роботов.

Роботу не обязательно иметь одинаковую архитектуру шарниров по всем осям.

Одним из важнейших факторов при выборе шарнирных модулей для роботов является то, что к различным осям одного и того же робота могут предъявляться совершенно разные требования.

Плечевой сустав может нуждаться в высоком крутящем моменте и высокой жесткости конструкции, поскольку он поддерживает несколько звеньев, расположенных ниже по течению. Локтевой сустав может потребовать баланса между крутящим моментом, скоростью, весом и динамическим откликом. Для запястного сустава приоритетными могут быть низкая инерция и компактные размеры, поскольку он расположен на конце роботизированной руки.

Гуманоидные роботы делают эту разницу еще более очевидной. Тазобедренные и коленные суставы могут требовать значительной крутящей способности, в то время как в суставах запястья и кисти большее значение может иметь компактность, малый вес и отзывчивость движений.

Тот же принцип применим к промышленным роботам, коллаборативным роботам, медицинским системам, мобильным манипуляторам и роботизированным рукам специального назначения.

Поэтому при выборе шарнира для робота следует начинать с определения функции оси, а не просто выбирать один и тот же привод для всего робота.

Модули гармонических и планетарных шарниров предоставляют различные варианты конструкции.

Встроенный шарнир робота не обязательно должен использовать какую-либо конкретную технологию передачи.

Различные архитектуры трансмиссии могут обеспечивать разные комбинации характеристик производительности, поэтому модули гармонических и планетарных шарниров играют важную роль в роботизированных системах.

Модуль гармонического шарнира может быть эффективным решением, когда для его применения требуются высокие передаточные числа, компактные размеры, низкий люфт и точное позиционирование. Эти характеристики делают гармоническую передачу особенно привлекательной для многих роботизированных шарниров, где пространство для установки и точность позиционирования имеют решающее значение.

Модуль планетарного шарнира представляет собой еще один подход для применений, где требуемый баланс между скоростью, крутящим моментом, эффективностью, жесткостью и общей стоимостью системы лучше подходит для планетарной трансмиссии.

Важно отметить, что производителям роботов не нужно начинать с выбора технологии редуктора.

Более эффективный инженерный подход заключается в том, чтобы сначала определить требования к шарниру, а затем выбрать подходящую архитектуру привода.

Таким образом, технология передачи данных становится частью решения, а не исходным ограничением.

Какие проблемы может решить интегрированный модуль шарнира робота?

Ценность интегрированного модуля шарнирного соединения робота становится более очевидной, если рассматривать его с точки зрения инженерных задач, которые он может решить.

Одной из главных проблем является механическая интеграция. Когда несколько компонентов проектируются как единый привод, может потребоваться меньше внешних механических интерфейсов. Это может упростить корпус шарнира и облегчить проектирование окружающей конструкции робота.

Ещё одна проблема — проводка. Современные роботы могут содержать силовые кабели, соединения энкодеров, линии связи, пневматические трубки и проводку датчиков. Архитектура с полыми валами и интегрированные разъемы могут обеспечить более практичные варианты прокладки кабелей, особенно в роботах с несколькими вращательными осями.

Третья проблема — интеграция системы управления. Когда электроника привода и коммуникационные интерфейсы интегрированы в шарнир, архитектура внешнего управления потенциально может стать более компактной и проще в стандартизации.

Существует также проблема веса и инерции. Компоненты, расположенные дальше от основания робота, могут оказывать существенное влияние на динамическую нагрузку всей системы. Поэтому более лёгкий интегрированный шарнир может обеспечить преимущества, выходящие за рамки самого шарнира.

Наконец, интегрированные модули могут сократить объем повторяющейся инженерной работы, необходимой в процессе разработки роботов. Вместо того чтобы интегрировать одну и ту же комбинацию двигателя, редуктора, энкодера и привода для каждой новой роботизированной платформы, производители могут использовать уже существующую архитектуру шарнирно-модульных соединений.

Почему облегченные шарниры роботов важнее в компактных роботах?

Снижение веса становится особенно важным, когда робот имеет несколько подвижных звеньев.

Шарнир, расположенный у конца роботизированной руки, вносит вклад не только в виде собственного веса, но и влияет на нагрузку, воспринимаемую шарнирами, расположенными ближе к основанию.

Это особенно важно для человекоподобных роботов и компактных роботизированных манипуляторов, где доступный крутящий момент двигателя и емкость батареи ограничены.

Например, уменьшение массы запястного сустава может повлиять на требования к нагрузке на локтевой и плечевой суставы. Тот же принцип применим к компактным коллаборативным роботам и легким медицинским манипуляторам.

Именно поэтому облегченную конструкцию не следует оценивать, ориентируясь только на вес одного привода.

Более важным вопросом является то, как выбранный шарнир влияет на распределение массы и динамические характеристики всего робота.

Платформа TCHL от HONPINE разработана с учетом этого требования, сочетая компактную конструкцию со встроенными датчиками и гибкими вариантами механической установки для применений, где пространство и вес особенно ограничены.

Когда приоритет смещается на крутящий момент и жесткость?

Легковесная конструкция не всегда является наивысшим приоритетом.

Промышленные роботы, мощные манипуляторы, сварочные системы, паллетировочное оборудование и другие машины, работающие с высокими нагрузками, могут требовать значительно большего крутящего момента и жесткости конструкции.

В таких случаях выбор чрезвычайно малого исполнительного механизма исключительно для снижения веса может создать другую проблему.

Соединение должно выдерживать требуемую нагрузку, сохраняя при этом достаточную жесткость и точность позиционирования.

Платформа HAG от HONPINE отвечает подобным требованиям, предлагая различные размеры шарниров и уровни крутящего момента, а также настраиваемые функции, такие как торможение и измерение крутящего момента.

HPJM-PRO предлагает еще одну интегрированную архитектуру для высокопроизводительных приложений, где важны плотность крутящего момента, точная обратная связь, динамический отклик и интеграция привода.

Таким образом, цель состоит не в том, чтобы сделать каждый шарнир робота как можно меньше или легче.

Цель состоит в том, чтобы найти оптимальный баланс между крутящим моментом, жесткостью, скоростью, весом, точностью и системной интеграцией для каждой конкретной оси.

Технология измерения крутящего момента добавляет еще один уровень интеллекта в шарнир робота.

В некоторых роботизированных приложениях требуется больше информации, чем может предоставить обратная связь по положению и скорости.

Когда робот выполняет точную сборку, полировку, шлифовку, манипуляции с податливыми элементами или физическое взаимодействие с человеком, системе управления может потребоваться понимать силу или крутящий момент, действующие на шарнир.

Это создает спрос на интегрированные системы измерения крутящего момента.

Вместо добавления отдельной конструкции для измерения крутящего момента вокруг шарнира робота, можно спроектировать привод, в архитектуре которого измерение крутящего момента является неотъемлемой частью общей конструкции.

Модуль шарнира TCHL от компании HONPINE является примером такого подхода, в котором датчик крутящего момента на выходной стороне интегрирован в конструкцию шарнира.

Преимущество заключается не только в том, что робот получает еще один датчик.

Главное преимущество заключается в том, что датчик силы становится частью самого исполнительного механизма, что упрощает разработку замкнутых контуров управления силой и положением для приложений, требующих быстрого физического взаимодействия.

Это может быть особенно ценно для коллаборативных роботов, медицинских роботов, человекоподобных роботов, исследовательских платформ и других систем, где контакт с окружающей средой является важной частью задачи.

Гибкая механическая установка может иметь решающее значение для специальных конструкций роботов.

Не каждый робот может использовать традиционную конструкцию крепления шарниров.

Роботизированные манипуляторы специального назначения, медицинское оборудование, исследовательские платформы и специализированные системы автоматизации могут иметь необычные механические ограничения.

Возможно, потребуется установить исполнительный механизм с определенной стороны.

Возможно, кабель придётся пропустить через центр соединения.

Для соединения шарнира с роботизированным звеном может потребоваться специально разработанная система.

В подобных ситуациях механический контакт соединения может стать столь же важным, как и его характеристики по крутящему моменту и скорости.

Модульная конструкция с несколькими вариантами установки может предоставить инженерам больше свободы при разработке окружающей робототехнической структуры.

Это одна из причин, почему платформа TCHL от HONPINE предусматривает гибкие варианты установки, а не ориентирована только на один способ монтажа.

В случае роботов, изготовленных по индивидуальному заказу, такая гибкость может сократить объем механической доработки, необходимой для привода.

Когда следует интегрировать привод в шарнир робота?

Необходимость интеграции привода в шарнир зависит от архитектуры робота.

Для некоторых роботов внешние сервоприводы обеспечивают достаточную гибкость и могут быть предпочтительными, поскольку производитель уже имеет готовый шкаф управления и электрическую архитектуру.

Однако для компактных роботов внешние приводы могут создавать дополнительные требования к пространству и проводке.

Встроенный привод позволяет переместить часть электроники непосредственно в исполнительный механизм, уменьшая количество оборудования, которое необходимо установить вокруг шарнира.

Это может быть полезно для роботов с распределенной архитектурой, компактными системами управления или ограниченным пространством для установки.

Интегрированные платформы шарнирных соединений HONPINE обеспечивают различные уровни интеграции приводов и связи, позволяя выбирать архитектуру привода в соответствии с требованиями управления робота, а не заставлять каждое приложение использовать одну и ту же конфигурацию.

Почему модульная платформа с шарнирным соединением ценнее, чем отдельная модель шарнирного соединения?

Производители роботов редко разрабатывают только одного робота на протяжении всей его жизни.

Одна компания может начать с легкой роботизированной руки, а позже разработать более крупного робота для совместной работы. Другая компания может разработать человекоподобную платформу с различными требованиями к тазобедренному, коленному, плечевому, локтевому суставам и запястью.

Если для каждого нового робота потребуется совершенно новая архитектура привода, время разработки и инженерные ресурсы могут значительно возрасти.

Платформа на основе объединенных модулей предлагает еще один подход.

Производитель может выбирать различные размеры и конфигурации приводов, сохраняя при этом единую структуру разработки.

Например, в компактной роботизированной оси может использоваться облегченная конструкция шарнира, в то время как в оси с большей нагрузкой используется более крупный шарнир с большей крутящей способностью. В шарнире, требующем физического взаимодействия, может быть добавлен датчик крутящего момента, в то время как другая ось может отдавать приоритет скорости и низкой инерции.

Это позволяет производителю роботов создавать целые семейства продуктов на основе масштабируемой архитектуры шарниров.

Это одна из главных причин, почему концепция платформы с шарнирными модулями для роботов приобретает все большее значение.

Интегрированный модульный подход к роботизированным суставам от HONPINE

Компания HONPINE подходит к разработке шарнирных соединений для роботов с точки зрения различных требований к роботам, а не с точки зрения единой технологии передачи.

В комплексный портфель решений компании входят модули гармонических шарниров и планетарные шарнирные модули, что позволяет рассматривать различные архитектуры трансмиссии в зависимости от области применения.

Платформа TCHL, предназначенная для создания высококомпактных и легких роботизированных конструкций, ориентирована на компактную интеграцию, гибкую установку и опциональное измерение крутящего момента.

Для высокопроизводительных роботизированных приложений HPJM-PRO объединяет функции двигателя, трансмиссии, обратной связи и привода в компактную конструкцию шарнира, разработанную для сложных задач управления движением.

Для промышленных роботов и применений с высокими нагрузками платформа HAG обеспечивает более широкий диапазон крутящего момента и настраиваемые функции, такие как торможение и измерение крутящего момента.

Компания HONPINE также разрабатывает модульные решения на основе планетарных шарниров для тех областей применения, где архитектура планетарной трансмиссии обеспечивает лучшее соответствие требуемым характеристикам и конструкции системы.

Цель данной продуктовой стратегии состоит не в том, чтобы все роботы использовали один и тот же шарнир.

Цель состоит в том, чтобы предоставить производителям роботов различные архитектуры приводов, чтобы можно было выбирать шарнир в соответствии с фактическими требованиями каждой оси робота.

Интегрированные шарнирные модули могут изменить подход к разработке роботов.

Наиболее важное изменение, вносимое интегрированными модулями шарниров роботов, заключается не просто в интеграции продукта.

Это изменение в инженерном процессе.

При традиционном компонентном подходе инженерам-механикам, инженерам-электрикам и инженерам по системам управления часто приходится координировать работу нескольких независимых компонентов в процессе совместной разработки.

Благодаря интегрированному модулю шарнирного соединения, большее количество таких интерфейсов может быть определено на уровне исполнительного механизма.

Это позволяет производителю роботов сосредоточиться на основных функциях робота, включая механическую структуру, планирование движения, алгоритмы управления, восприятие, программное обеспечение и разработку приложений.

Для компаний, выходящих на новый рынок робототехники, это может быть особенно ценно.

Компания может обладать сильными компетенциями в области искусственного интеллекта, машинного зрения, автоматизации логистики, промышленного программного обеспечения или прикладного проектирования, но при этом не иметь обширного опыта в разработке двигателей, редукторов, энкодеров, приводов и роботизированных исполнительных механизмов с нуля.

Интегрированный модуль шарнирного соединения робота может обеспечить более полную аппаратную основу для создания роботизированной платформы.

Как выбрать подходящий поворотный шарнир для робота?

Правильный поворотный шарнир робота следует выбирать в соответствии с полными требованиями к оси робота.

В первую очередь обычно учитывается крутящий момент на выходе, но одного крутящего момента недостаточно.

На окончательный выбор влияют требуемая скорость, ускорение, допустимый вес, монтажное пространство, точность позиционирования, жесткость конструкции, архитектура трансмиссии и рабочий цикл.

Необходимо также учитывать архитектуру управления. Некоторым роботам может потребоваться внешний привод, в то время как другие могут выиграть от интегрированного привода и интерфейса связи.

Если робот выполняет физическое взаимодействие, важным требованием может стать измерение силы или крутящего момента. Если шарнир установлен по вертикальной оси, для обеспечения безопасности может также потребоваться тормоз.

Не следует упускать из виду и механическую установку. Прокладка полого вала, расположение разъема, направление монтажа и доступное пространство для установки могут существенно повлиять на практичность соединения.

По этой причине выбор шарнира для робота в конечном итоге является инженерным решением на системном уровне, а не простым сравнением отдельных характеристик.

Будущее вращающихся шарниров для роботов

В будущем развитие вращающихся шарниров для роботов, вероятно, будет двигаться в сторону большей интеграции, модульности и конфигурации, адаптированной под конкретные задачи.

Однако это не означает, что одна технология передачи данных заменит все остальные.

Гармоническая передача будет и впредь играть важную роль в областях применения, требующих компактных размеров, высоких передаточных чисел, малого люфта и точного перемещения.

Планетарная трансмиссия останется востребованной там, где её характеристики обеспечивают лучшее сочетание скорости, крутящего момента, эффективности, жесткости и соотношения цены и качества.

Одновременно с этим двигатели, энкодеры, приводы, интерфейсы связи, тормоза и сенсорные технологии будут все чаще интегрироваться в комплексные платформы на уровне суставов.

Таким образом, отрасль переходит от выбора компонентов к выбору совместной архитектуры.

Это важное изменение для производителей роботов.

Вместо того чтобы задаваться вопросом, какой именно компонент следует установить в робота, инженеры могут начать с определения того, для чего в целом должен выполняться шарнир.

Заключение: Выбор правильной архитектуры суставного сочленения робота

Современное вращательное сочленение робота — это гораздо больше, чем просто двигатель, соединенный с редуктором.

Это может быть полноценный двигательный агрегат, объединяющий в себе функции генерации энергии, передачи, обратной связи, управления, датчиков, связи, торможения и механической интеграции.

Для некоторых осей роботов интегрированный модуль гармонического шарнира может обеспечить наиболее подходящее сочетание точности, компактности и передаточного отношения.

В других областях применения модуль планетарного шарнира может обеспечить лучший баланс скорости, крутящего момента, эффективности, жесткости и системных требований.

Важно не заставлять всех роботов использовать одну и ту же архитектуру исполнительных механизмов.

Более рациональный подход заключается в выборе соответствующей архитектуры шарниров для каждой оси в соответствии с реальными потребностями робота.

Именно в этом направлении компания HONPINE развивает свой портфель интегрированных модулей для роботизированных суставов.

Благодаря сочетанию модулей гармонических шарниров, решений на основе планетарных шарниров, различных диапазонов крутящего момента, вариантов датчиков, конфигураций привода и механических интерфейсов, HONPINE может помочь производителям роботов, которым требуется нечто большее, чем просто отдельный двигатель или редуктор.

Цель состоит в том, чтобы предоставить комплексное решение для шарнирных соединений робота, которое можно адаптировать к конструкции, системе управления и требованиям к применению робота.

Будущее вращательных шарниров для роботов заключается не в поиске одного универсального привода, а в выборе правильной архитектуры шарнира для конкретного робота.