Плотность крутящего момента в модулях гармонических шарниров: ключевой параметр для легких роботизированных манипуляторов, работающих в условиях ограниченного пространства

Введение

При выборе шарнира для робота инженеры часто начинают с номинального крутящего момента, пикового крутящего момента, передаточного отношения, люфта или точности позиционирования. Эти параметры важны, но они не всегда позволяют определить, действительно ли привод шарнира подходит для компактной или легкой роботизированной руки.

Для многих роботизированных систем настоящая инженерная задача состоит в том, чтобы создать достаточный крутящий момент в ограниченных механических рамках и с минимальной дополнительной массой.

Именно здесь плотность крутящего момента становится важным параметром.

Плотность крутящего момента описывает, какой выходной крутящий момент может генерировать привод шарнира относительно своей массы или физического объема. Модуль гармонического шарнира с высокой плотностью крутящего момента может обеспечивать значительный выходной крутящий момент без необходимости использования привода пропорционально большего размера.

Эта характеристика особенно ценна в тех случаях, когда робот имеет строгие ограничения по размеру шарниров, общему весу, длине манипулятора, полезной нагрузке или занимаемому пространству.

Гуманоидные роботы и коллаборативные роботы — хорошо известные примеры, но это не единственные области применения, где важна плотность крутящего момента. Медицинские роботизированные манипуляторы, манипуляторы для инспекции, аэрокосмические механизмы, подводные роботы, мобильные манипуляторы, роботы-альпинисты и другие специализированные роботизированные манипуляторы могут предъявлять еще более высокие требования к соотношению крутящего момента к весу и крутящего момента к объему в своих шарнирах.

В случае с этими системами вопрос не сводится к простому:

«Какой крутящий момент может создать исполнительный механизм?»

Это:

«Какой полезный крутящий момент может обеспечить исполнительный механизм в рамках имеющегося бюджета по размерам и весу?»

Что такое плотность крутящего момента в роботизированном суставе?

Показатель плотности крутящего момента обычно используется для описания зависимости выходного крутящего момента исполнительного механизма от одной из его физических характеристик, чаще всего от массы или объема.

Существует два распространенных способа его оценки:

Плотность крутящего момента на основе массы

Плотность крутящего момента = Выходной крутящий момент / Масса привода

Плотность крутящего момента на основе объема

Плотность крутящего момента = Выходной крутящий момент / Объем привода

Подходящее определение зависит от конкретного применения.

Для мобильного робота или аэрокосмического манипулятора крутящий момент на килограмм может иметь особое значение, поскольку масса привода напрямую влияет на всю систему.

Для роботизированного запястья, компактного инспекционного механизма или медицинской роботизированной руки крутящий момент на единицу объема может иметь одинаково важное значение, поскольку доступное пространство для установки может быть сильно ограничено.

Поэтому важно различать плотность крутящего момента и номинальный крутящий момент.

Два соединительных модуля могут обеспечивать одинаковый выходной крутящий момент в 20 Н·м, но если один из них весит значительно меньше или занимает гораздо меньший объем, то два решения будут иметь совершенно разную инженерную ценность.

Почему в некоторых роботизированных манипуляторах плотность крутящего момента важнее номинального крутящего момента?

Роботизированный сустав не работает автономно.

Масса и габариты одного сустава влияют на требования к поддерживающим его суставам. Это становится все более важным по мере того, как роботизированная рука становится длиннее или легче.

Представьте себе многоосевой роботизированный манипулятор, несущий полезную нагрузку на концевом захвате. Проксимальные суставы должны поддерживать не только полезную нагрузку, но и дистальные звенья, приводы дистальных суставов, кабели, датчики, конструктивные элементы и динамические нагрузки, возникающие при ускорении и замедлении.

По мере увеличения массы привода может также возрастать требуемый крутящий момент для расположенных выше по потоку соединений.

Это создает каскадный эффект:

Увеличение массы привода → более высокие требования к крутящему моменту в проксимальном суставе → более крупные приводы → более высокая масса манипулятора → дальнейшее увеличение требуемого крутящего момента

Модуль гармонического шарнира с высокой плотностью крутящего момента может помочь уменьшить этот эффект.

Цель состоит не просто в максимизации крутящего момента каждого шарнира. Вместо этого задача состоит в достижении требуемой производительности шарниров при одновременном контроле массы и размеров всей роботизированной руки.

Взаимосвязь между массой сустава и производительностью роботизированной руки.

Важность плотности крутящего момента становится особенно очевидной в шарнирных роботизированных манипуляторах.

Крутящий момент, создаваемый нагрузкой, можно аппроксимировать следующим образом:

Т = Ф × Л

где T — крутящий момент, F — приложенная сила, а L — плечо момента.

По мере увеличения расстояния между нагрузкой и шарниром требуемый крутящий момент возрастает.

Однако полезная нагрузка — это лишь часть уравнения. Сам манипулятор имеет массу, и эта масса также создает гравитационный момент.

Для роботизированной руки с большим радиусом действия даже относительно небольшое увеличение массы дистальных компонентов может создать существенные дополнительные требования к крутящему моменту в проксимальных суставах.

Именно поэтому облегченная конструкция привода — это не просто вопрос уменьшения веса робота. Она может влиять на требования к крутящему моменту всей кинематической цепи.

Почему модули гармонических соединений могут выдерживать высокую плотность крутящего момента?

Модуль гармонического шарнира обычно объединяет несколько функций в компактном узле, таких как серводвигатель, гармонический редуктор, энкодер, тормоз, приводная электроника, подшипники, корпус и компоненты обратной связи или связи.

По сравнению с традиционной архитектурой, состоящей из отдельных компонентов, интегрированный модуль гармонического шарнира позволяет сократить количество дублирующих корпусов, муфт, монтажных интерфейсов и ненужных конструктивных элементов.

Сама по себе гармоническая передача также хорошо подходит для применений, требующих высоких передаточных чисел в компактном корпусе.

Редуктор с гармоническими колебаниями может обеспечить высокое передаточное отношение, высокую точность позиционирования, низкий люфт, компактные размеры и высокую крутящую способность относительно габаритов устройства.

Сочетание этих характеристик с соответствующим образом спроектированным двигателем и интегрированной архитектурой управления позволяет получить гармонический актуатор, обеспечивающий компактное решение для роботизированных суставов, где пространство и масса являются важными конструктивными ограничениями.

Однако плотность крутящего момента не следует оценивать только по редуктору.

Для обеспечения надежности соединения инженерам следует учитывать плотность крутящего момента всей сборки привода, включая двигатель, редуктор, энкодер, корпус, подшипники, тормоз, привод и другие интегрированные компоненты.

Плотность крутящего момента против крутящего момента, который может развить человек: почему эта разница важна

Распространенная ошибка при выборе исполнительного механизма заключается в сравнении только номинального крутящего момента.

Рассмотрим два шарнирных модуля, каждый из которых обеспечивает выходной крутящий момент 20 Н·м. Если один привод весит 2 кг, а другой — 1,2 кг, то их номинальный крутящий момент одинаков, но соотношение крутящего момента к весу существенно различается.

Для стационарного промышленного робота, установленного на жестком основании, это различие не всегда может быть критически важным.

Однако для легкого мобильного манипулятора уменьшение массы каждого шарнира может оказать гораздо большее влияние на систему в целом.

Следовательно, при выборе исполнительного механизма следует учитывать следующее:

Требуемый крутящий момент + масса привода + объем привода + рабочий цикл + динамические характеристики + тепловые возможности

а не только номинальный крутящий момент.

Области применения, где высокая плотность крутящего момента приобретает особое значение.

Легкие роботизированные манипуляторы

Легкие роботизированные манипуляторы разработаны для уменьшения массы конструкции при сохранении достаточной грузоподъемности и жесткости.

Поскольку исполнительные механизмы являются частью подвижной конструкции, масса шарниров напрямую влияет на динамические характеристики манипулятора.

Высокомоментный гармонический актуатор может помочь конструкторам поддерживать достаточную выходную мощность шарнира, контролируя при этом вес подвижного узла.

Это особенно актуально для легких 6-осевых роботизированных манипуляторов и компактных промышленных манипуляторов.

Гуманоидные роботы

Гуманоидные роботы накладывают жесткие ограничения на размер суставов и вес.

Плечевой, локтевой, запястный, тазобедренный, коленный и голеностопный суставы должны соответствовать строению человеческого тела.

Увеличение размера привода может обеспечить больший крутящий момент, но также может увеличить вес и инерцию конечности.

Таким образом, высокая плотность крутящего момента становится важной, когда конструкторы стремятся к компактным размерам шарниров, легкости конечностей, высокому соотношению полезной нагрузки к весу и быстрому динамическому движению.

Коллаборативные роботы

В коллаборативных роботах часто отдается приоритет легким механическим конструкциям и компактной архитектуре шарниров.

Уменьшение массы суставов может способствовать снижению инерции и облегчить достижение адаптивного движения и податливого поведения.

Для коллаборативных роботов с длинными манипуляторами этот эффект становится более выраженным, поскольку масса дистальных суставов вносит вклад в нагрузку, испытываемую проксимальными суставами.

Медицинские роботизированные манипуляторы

Медицинские роботизированные системы способны работать в условиях жестких ограничений.

Хирургический или медицинский роботизированный манипулятор может нуждаться в позиционировании нескольких суставов вокруг пациента, сохраняя при этом компактную структуру и точность движений.

В некоторых системах уменьшение размеров шарниров важнее, чем простое увеличение максимального крутящего момента.

Исполнительному механизму может потребоваться обеспечить достаточный крутящий момент в очень компактных условиях установки, сохраняя при этом высокую точность позиционирования, минимальный люфт, плавность движения и низкий уровень вибрации.

Инспекционные роботы и инспекционные манипуляторы

Инспекционным роботам часто приходится проникать в места, недоступные для обычных промышленных роботов.

В качестве примеров можно привести промышленные трубопроводы, конструкции самолетов, двигатели, сосуды под давлением, узкие отсеки оборудования и сложные механические узлы.

В подобных ситуациях крупный исполнительный механизм может физически препятствовать роботу в достижении целевой области.

Технические требования сводятся к следующему:

Максимальная вместимость при минимальном доступном пространстве.

Именно здесь удельное внимание плотности крутящего момента, определяемой по объему.

Компактный гармонический актуатор может обеспечить необходимое снижение крутящего момента и выходной момент, помогая при этом сохранить малые габариты шарнира.

Роботизированные манипуляторы для аэрокосмической отрасли

В аэрокосмической отрасли особое значение придается массе.

Каждый дополнительный килограмм, переносимый космическим аппаратом, может повлиять на стоимость запуска, конструкцию, энергопотребление или грузоподъемность.

В то же время роботизированным манипуляторам по-прежнему необходим достаточный крутящий момент для выполнения задач развертывания, позиционирования, стыковки, осмотра и технического обслуживания.

Это создает жесткие требования к высокому соотношению крутящего момента к весу.

Поэтому при проектировании аэрокосмических манипуляторов массу привода следует оценивать в совокупности с крутящим моментом, надежностью, тепловыми характеристиками и сроком службы механизма.

Мобильные манипуляторы

Мобильный манипулятор сочетает в себе мобильную платформу и роботизированную руку.

Это создает уникальную взаимосвязь между весом исполнительного механизма и характеристиками автомобиля.

Более тяжёлая стрела может увеличить требования к полезной нагрузке, сместить центр тяжести, повысить энергопотребление и повлиять на динамическую устойчивость во время движения.

Модуль шарнира с высокой плотностью крутящего момента может помочь уменьшить массу роботизированной руки, сохраняя при этом необходимую грузоподъемность.

Роботы для лазания и настенного монтажа

В робототехнических системах для подъема по стенам и системах инспекции, монтируемых на стенах, существует прямая зависимость между массой привода и производительностью робота.

Роботу, возможно, потребуется удерживать собственный вес, одновременно создавая достаточный крутящий момент в суставах для поддержания осанки и выполнения манипуляций.

Уменьшение избыточной массы привода может снизить нагрузку на механизм подъема.

В таких областях применения высокая плотность крутящего момента может способствовать созданию более компактной и эффективной механической конструкции в целом.

Подводные роботизированные манипуляторы

Подводные манипуляторы сталкиваются с ограничениями, отличными от ограничений наземных роботов.

Им может потребоваться работать в ограниченных габаритах транспортного средства, перенося инструменты или взаимодействуя с объектами под водой.

Исполнительный механизм должен обеспечивать достаточный выходной крутящий момент, сохраняя при этом компактные габариты и надлежащую защиту окружающей среды.

В дистанционно управляемых аппаратах и автономных подводных системах уменьшение размеров и веса приводов также может упростить механическую интеграцию.

Однако для подводных роботизированных шарниров плотность крутящего момента всегда следует оценивать в совокупности с герметичностью, коррозионной стойкостью, устойчивостью к давлению, терморегулированием и долговременной надежностью.

Роботизированные манипуляторы специального назначения и для работы в опасных средах

Некоторые роботизированные манипуляторы разработаны для условий, в которых использование традиционных роботизированных систем затруднительно.

К ним относятся роботы для инспекции ядерных объектов, взрывозащищенные роботизированные системы, системы инспекции при высоких температурах, манипуляторы для работы в опасных зонах и роботы для дистанционного обслуживания.

Общей характеристикой является то, что механическая конструкция может иметь очень ограниченное пространство для установки.

Таким образом, привод должен обеспечивать достаточный крутящий момент, не становясь при этом доминирующей частью физических габаритов робота.

Для таких применений компактный гармонический актуатор можно рассматривать как часть высокоинтегрированной архитектуры шарнира.

Почему плотность крутящего момента становится важнее с увеличением длины рычага?

Значение плотности крутящего момента неодинаково для всех шарниров.

В типичном шарнирном манипуляторе дистальные и проксимальные суставы предъявляют разные требования.

Основная задача запястного сустава — преодолевать нагрузку, связанную с концевым эффектором и полезной нагрузкой.

Однако, плечевой или опорный шов может быть необходим для поддержки практически всей конструкции, расположенной ниже по течению.

Это означает, что уменьшение массы дистальных компонентов может иметь мультипликативный эффект.

Меньшая масса привода запястья → меньшая нагрузка на локоть → меньшая нагрузка на плечо → потенциально меньшие приводы, расположенные выше по потоку → меньшая общая масса руки

Это одна из важнейших причин, почему плотность крутящего момента следует оценивать на системном уровне, а не только на уровне отдельных шарниров.

Исполнительный механизм с наибольшей плотностью крутящего момента не является автоматически лучшим выбором для каждой оси.

Однако в роботизированной архитектуре, чувствительной к весу, повышение плотности крутящего момента в дистальных суставах может принести значительные преимущества в дальнейшем.

Плотность крутящего момента также связана с механической упаковкой.

Масса — лишь одно из ограничений.

Во многих специализированных роботизированных манипуляторах физические размеры сустава имеют одинаково важное значение.

Роботизированный шарнир может нуждаться в размещении внутри цилиндрического звена, вокруг канала для прокладки кабеля, внутри полого конструктивного элемента, внутри конечности, имитирующей человеческую, внутри медицинского инструмента или внутри узкого инспекционного механизма.

Благодаря этому крутящий момент на единицу объема становится полезным инженерным показателем.

Высокомоментный гармонический актуатор может помочь конструкторам избежать простого увеличения размеров всего шарнира для получения более высокого крутящего момента.

Вместо этого проектировщик может оптимизировать имеющиеся габариты в соответствии с фактическими механическими требованиями.

Это особенно ценно, когда роботу необходимо поддерживать малый внешний диаметр, обеспечивая при этом достаточную подвижность шарниров.

Почему интегрированные гармонические актуаторы могут быть более ценными, чем отдельные компоненты?

В традиционном роботизированном шарнире в качестве отдельных компонентов могут использоваться серводвигатель, редуктор крутильных колебаний, энкодер, тормоз, привод, подшипники и корпус.

Интегрированный модуль гармонического шарнира объединяет многие из этих функций в единую, спроектированную конструкцию.

Это может упростить механическую интеграцию, электропроводку, установку энкодера, выравнивание двигателя и редуктора, компоновку соединений и ввод системы в эксплуатацию.

Что еще более важно, интеграция дает разработчику исполнительного механизма больший контроль над всей системой в целом.

Вместо выбора отдельных компонентов и их соединения, двигатель, редуктор, система обратной связи, подшипники, корпус и электроника могут быть спроектированы на основе общей архитектуры.

Это может помочь оптимизировать взаимосвязь между:

Выходной крутящий момент ↔ масса ↔ объем ↔ возможности управления

Эта взаимосвязь особенно важна для современных роботизированных манипуляторов, где сам привод становится структурной частью сустава.

Как инженерам следует оценивать плотность крутящего момента при выборе модуля гармонического шарнира?

Плотность крутящего момента не следует рассматривать изолированно.

Номинальный и максимальный крутящий момент

Исполнительный механизм должен в первую очередь удовлетворять фактическим требованиям к непрерывному и пиковому крутящему моменту шарнира.

Высокая плотность крутящего момента бессмысленна, если исполнительный механизм не может обеспечить требуемый рабочий цикл.

Масса привода

В случае легких и мобильных роботизированных систем общая масса суставов может сильно влиять на производительность всей руки.

Объем упаковки

Для компактных или специализированных роботизированных манипуляторов внешние размеры шарнира могут быть более жестким ограничением, чем масса.

Коэффициент снижения

Подходящее передаточное число может помочь согласовать скорость и крутящий момент двигателя с требованиями роботизированного шарнира.

Обратная связь и точность позиционирования

Высокая плотность крутящего момента не должна достигаться за счет точности, требуемой для конкретного применения.

Тепловые характеристики

Компактный актуатор имеет ограниченную площадь поверхности для рассеивания тепла.

Следовательно, плотность крутящего момента следует оценивать в совокупности с возможностью непрерывного крутящего момента и тепловыми характеристиками.

Динамическая производительность

Для роботов, способных к быстрому разгону, важными становятся пиковый крутящий момент, отраженная инерция, скорость и характеристики отклика.

Уровень интеграции

Исполнительный механизм, объединяющий двигатель, редуктор крутильных колебаний, энкодер, тормоз и драйвер, может обладать преимуществами в плане компоновки по сравнению с отдельными компонентами.

Ограничения при установке

Необходимо учитывать доступный диаметр, осевую длину, требования к полому валу, прокладку кабеля и конструкцию крепления.

Реальные условия эксплуатации

Выбор подходящего исполнительного механизма определяется фактическим профилем нагрузки, временем цикла, ускорением, рабочей температурой, коэффициентом заполнения и ожидаемым сроком службы, а не одним значением крутящего момента, указанным в каталоге.

Высокая плотность крутящего момента не означает, что нужен максимально маленький привод.

Важно избегать распространенного заблуждения.

Цель оптимизации плотности крутящего момента заключается не просто в том, чтобы сделать исполнительный механизм как можно меньше.

Исполнительный механизм, обладающий чрезвычайно компактными размерами, но не способный рассеивать тепло, выдерживать необходимую непрерывную нагрузку или обеспечивать достаточный срок службы, не является успешным высокоэффективным решением.

При проектировании роботизированных суставов более важной задачей является:

Максимальная полезная величина крутящего момента в пределах допустимых параметров массы, объема, тепловых характеристик и надежности.

Это различие особенно важно для промышленных роботизированных систем.

Шарнир может работать непрерывно в течение тысяч часов. Поэтому инженеры должны найти баланс между плотностью крутящего момента и несущей способностью подшипников, прочностью зубчатых передач, тепловым режимом, производительностью двигателя, смазкой, жесткостью конструкции и долговечностью.

Плотность крутящего момента следует учитывать на уровне роботизированной системы.

Наиболее эффективный способ оценки модуля гармонического шарнира — не задавать следующий вопрос:

«Обладает ли этот актуатор высокой плотностью крутящего момента?»

Вместо этого спросите:

«Как этот привод влияет на работу всего роботизированного манипулятора?»

Более лёгкий и компактный шарнир потенциально может обеспечить более лёгкие звенья, меньшие размеры приводов, расположенных выше по потоку, меньшие структурные нагрузки, более высокое соотношение полезной нагрузки к весу, меньшую инерцию движения, меньшие габариты робота, большую механическую гибкость и более лёгкую интеграцию в ограниченное пространство.

Следовательно, плотность крутящего момента привода может влиять на механическую архитектуру всего робота.

Именно поэтому этот параметр становится все более важным по мере того, как роботы становятся легче, длиннее, компактнее и все более специализированными.

От человекоподобных роботов до специализированных роботизированных манипуляторов

Плотность крутящего момента часто обсуждается в контексте человекоподобных роботов, но ее инженерное значение простирается гораздо дальше.

Та же логика проектирования применима всякий раз, когда роботизированная рука должна создавать значительный крутящий момент в суставах, не допуская при этом чрезмерного увеличения размеров или массы привода.

Сюда входят человекоподобные роботы, коллаборативные роботы, легкие промышленные манипуляторы, медицинские манипуляторы, инспекционные роботы, аэрокосмические манипуляторы, мобильные манипуляторы, подводные роботы, роботы-альпинисты и специализированные роботизированные манипуляторы.

Несмотря на то, что эти роботы имеют совершенно разную конструкцию и условия эксплуатации, у них есть общая задача проектирования:

Исполнительный механизм шарнира должен обеспечивать достаточную механическую мощность в рамках ограниченных системных параметров.

Для некоторых роботов основным ограничивающим фактором является масса.

Для других важен диаметр.

Для других это рассеивание тепла, полезная нагрузка, дальность действия или механическая интеграция.

Показатель плотности крутящего момента является полезным способом оценки того, насколько эффективно исполнительный механизм преобразует имеющиеся физические параметры в полезный выходной крутящий момент.

Заключение

При проектировании роботизированных суставов одного лишь номинального крутящего момента недостаточно для получения полной картины.

Когда роботизированная рука должна быть легкой, компактной, иметь большой радиус действия, быть мобильной или способной работать в ограниченном пространстве, соотношение между выходным крутящим моментом, массой и объемом привода приобретает все большее значение.

Именно поэтому плотность крутящего момента является ключевым параметром при оценке модуля гармонического шарнира или гармонического привода.

Высокая плотность крутящего момента может помочь разработчикам роботов добиться достаточной выходной мощности в шарнирах без излишнего увеличения размеров или массы приводов. Это преимущество особенно значимо в легких роботизированных манипуляторах, мобильных манипуляторах, медицинских роботах, системах контроля, аэрокосмических механизмах, подводных роботах, роботах-альпинистах и других специализированных роботизированных платформах.

В отношении этих приложений правильный вопрос звучит не так просто:

«Какой крутящий момент обеспечивает шарнир?»

Это:

«Какой крутящий момент может обеспечить шарнир в рамках размеров, веса, тепловых и механических ограничений всей роботизированной системы?»

Именно здесь плотность крутящего момента становится значимым инженерным параметром, и именно здесь компактный, интегрированный модуль гармонического шарнира может обеспечить существенное преимущество при проектировании.