Почему электрические приводы суставов роботов заменяют гидравлические системы в гуманоидных роботах？

Гуманоидные роботы вступают в новый этап развития. По мере того как роботизированные платформы переходят от лабораторных демонстраций к промышленному применению, требования к их системам привода сочленений быстро меняются.

На протяжении десятилетий гидравлические системы ценились за высокую удельную мощность и способность выдерживать большие динамические нагрузки. Однако развитие гуманоидных роботов формирует иной набор приоритетов: компактность, высокая эффективность, точное управление движением, низкие требования к техническому обслуживанию, интегрированная электроника и совместимость с аккумуляторными системами.

Это стимулирует растущий интерес к электрическим приводам сочленений роботов.

Переход уже заметен в ведущих платформах гуманоидных роботов. Boston Dynamics вывела из эксплуатации гидравлического Atlas и представила полностью электрическую версию, предназначенную для применения в реальных условиях. Компания заявляет, что электрический Atlas призван обеспечить более высокую прочность и расширенный диапазон движений, одновременно приближаясь к коммерческому внедрению.

Для производителей гуманоидных роботов вопрос больше не сводится к тому, способны ли электрические или гидравлические приводы создавать достаточное усилие. Более важный вопрос заключается в том, какая технология обеспечит наилучшее сочетание мощности, точности, эффективности, интеграции, надежности и масштабируемости.

Что представляет собой привод сочленения гуманоидного робота?

Привод сочленения робота — это механическая и электромеханическая система, которая создает управляемое движение в сочленении робота.

В электрическом гуманоидном роботе типичный привод сочленения может включать несколько компонентов:

Двигатель + прецизионный редуктор + энкодер + драйвер + подшипник + тормоз или датчик крутящего момента

В зависимости от архитектуры сочленения могут использоваться различные технологии передачи движения.

Для вращательных сочленений распространенные решения включают волновые редукторы, планетарные редукторы и безрамные моментные двигатели.

Для линейных сочленений производители могут использовать планетарные роликовые винты, шарико-винтовые передачи, реечные механизмы или другие системы преобразования вращательного движения в линейное.

Это различие важно, поскольку в гуманоидных роботах не используется одна и та же архитектура привода для каждого сочленения.

В плечевых, локтевых, запястных, тазобедренных, коленных и голеностопных сочленениях могут применяться вращательные приводы, тогда как в некоторых механизмах ног или рук могут использоваться линейные приводы, преобразующие вращение двигателя в линейное движение.

Почему гуманоидные роботы переходят на электрический привод?

Переход к электрическому приводу обусловлен не тем, что гидравлические системы внезапно стали непригодными для робототехники.

Гидравлика по-прежнему обеспечивает отличную удельную мощность, высокое выходное усилие и устойчивость к определенным внешним нагрузкам. Исследования электрогидростатических приводов также продолжаются, поскольку системы EHA могут сочетать гидравлическую мощность с локальным электрическим управлением и высокой степенью интеграции.

Однако гуманоидные роботы предъявляют ряд требований, которые делают электрические системы более предпочтительными.

Более высокая энергоэффективность

Гуманоидный робот обычно питается от встроенной аккумуляторной батареи.

Поэтому энергоэффективность приобретает гораздо большее значение, чем во многих стационарных гидравлических машинах.

Традиционная гидравлическая архитектура требует энергии для привода насоса и поддержания давления рабочей жидкости. Кроме того, необходимы дополнительные компоненты, такие как клапаны, резервуары, шланги и гидравлические контуры.

Электрический привод сочленения может напрямую преобразовывать электрическую энергию в управляемое механическое движение с помощью двигателя и системы передачи.

Такой упрощенный путь передачи энергии может быть выгоден для гуманоидных роботов с аккумуляторным питанием, особенно когда многие сочленения должны работать одновременно.

Более компактная интеграция системы

Гидравлическим роботам требуется не только гидравлический цилиндр.

Полная система может включать насосы, клапаны, резервуары для рабочей жидкости, трубопроводы, уплотнения и другие гидравлические компоненты.

Эти компоненты создают дополнительные требования к компоновке и техническому обслуживанию.

Электрический привод сочленения робота позволяет разместить двигатель, редуктор, энкодер, драйвер и другие компоненты значительно ближе к сочленению.

Такая распределенная архитектура особенно привлекательна для гуманоидных роботов, поскольку привод можно проектировать с учетом фактической геометрии сочленений робота.

Вместо создания одной централизованной системы питания и распределения гидравлического давления по всему роботу производители могут устанавливать компактные электрические приводы непосредственно в отдельные сочленения.

Электрические и гидравлические приводы для гуманоидных роботов

Важно понимать, что электрический привод не просто заменяет гидравлическую мощность электрическим двигателем.

Для гуманоидных роботов система передачи движения приобретает такое же важное значение.

Высокопроизводительное электрическое сочленение требует двигателя, способного создавать достаточную скорость и крутящий момент, а также прецизионной системы передачи, преобразующей выходные параметры двигателя в полезное движение сочленения.

Роль прецизионных редукторов в электрических приводах сочленений роботов

Сам по себе электрический двигатель обычно недостаточен для непосредственного привода сочленения гуманоидного робота.

Электрические двигатели обычно наиболее эффективны при относительно высокой частоте вращения, тогда как сочленениям робота часто требуются значительно более низкая выходная скорость и существенно больший крутящий момент.

Прецизионный редуктор устраняет этот разрыв.

Например:

Высокоскоростной двигатель → прецизионный редуктор → выход сочленения с низкой скоростью и высоким крутящим моментом

Поэтому выбор редуктора напрямую влияет на размеры, плотность крутящего момента, люфт, эффективность и динамический отклик сочленения робота.

Именно поэтому волновые и планетарные редукторы являются важными компонентами электрических приводов сочленений гуманоидных роботов.

Волновые редукторы для вращательных сочленений гуманоидных роботов

Волновые редукторы особенно подходят для компактных прецизионных вращательных сочленений.

Их высокий коэффициент редукции позволяет сравнительно небольшому двигателю создавать высокий выходной крутящий момент без использования нескольких обычных ступеней зубчатой передачи.

Низкий люфт волновой передачи также ценен для сочленений, требующих точного позиционирования и частого изменения направления.

Типичные области применения включают:

Запястья, локти, плечи, шейные сочленения гуманоидных роботов и другие компактные вращательные сочленения.

Для высокоинтегрированных конструкций волновой редуктор может объединяться с безрамным моментным двигателем, энкодером, подшипником и драйвером, образуя компактный электрический привод сочленения робота.

Для небольших сочленений миниатюрные волновые редукторы HONPINE также могут использоваться в задачах, где установочный диаметр и масса особенно ограничены.

Планетарные редукторы для высокоскоростных и высоконагруженных сочленений роботов

Планетарные редукторы обеспечивают иной баланс характеристик.

Благодаря высокой эффективности передачи, высокой несущей способности и способности работать с относительно высокой входной скоростью они подходят для многих промышленных задач управления движением.

В гуманоидных роботах планетарная передача может рассматриваться, когда сочленению требуется сочетание:

высокого крутящего момента, высокой эффективности, высокой частоты вращения и надежной несущей способности.

Это делает планетарные редукторы особенно актуальными для некоторых конструкций высоконагруженных электрических сочленений ног, рук и других узлов.

Таким образом, оптимальное решение зависит от требований конкретного сочленения, а не от простого выбора одной технологии редуктора для всего гуманоидного робота.

Почему интегрированные электрические приводы сочленений важны для гуманоидных роботов？

Гуманоидные роботы содержат большое количество независимо управляемых сочленений.

Если для каждого сочленения требуются отдельные внешние двигатели, редукторы, драйверы, датчики и проводка, робот в целом становится более крупным и сложным в сборке.

Интегрированные приводы сочленений роботов решают эту задачу, объединяя несколько функций в одном механическом модуле.

Типичный интегрированный электрический привод сочленения может объединять:

Двигатель + редуктор + энкодер + драйвер + подшипник

Дополнительные функции, такие как тормоз, измерение крутящего момента, STO, связь CAN/CANopen или EtherCAT, также могут интегрироваться в зависимости от архитектуры привода.

Это сокращает объем внешней проводки и упрощает механическую интеграцию.

Для производителей гуманоидных роботов интеграция также может повысить эффективность сборки и упростить стандартизацию привода для различных сочленений робота.

Электрический привод не ограничивается вращательными сочленениями

Хотя волновые и планетарные редукторы важны для вращательных сочленений роботов, гуманоидным роботам также требуется линейное движение.

Линейное сочленение можно создать путем преобразования вращения двигателя в линейное движение с помощью передаточного механизма.

Одной из важных технологий является планетарный роликовый винт, который обеспечивает высокую несущую способность и высокую точность в относительно компактной конструкции.

Механизмы этого типа особенно актуальны для ног гуманоидных роботов и других задач, где требуются линейное усилие и компактная компоновка.

Поэтому будущая архитектура приводов гуманоидных роботов, вероятно, не будет опираться только на одну технологию передачи движения.

Вместо этого производители могут комбинировать:

Вращательные электрические приводы + волновые редукторы + планетарные редукторы + линейные электрические приводы + планетарные роликовые винты

в соответствии с механическими требованиями каждого сочленения.

Каким должен быть хороший электрический привод сочленения робота?

Для гуманоидных роботов выбор привода должен основываться не только на номинальном крутящем моменте.

Инженерам обычно необходимо оценивать:

плотность крутящего момента, пиковый крутящий момент, длительный крутящий момент, выходную скорость, люфт, эффективность, тепловые характеристики, инерцию сочленения, разрешение энкодера, механическую жесткость, интерфейс связи, а также общие размеры и массу привода.

Например, в запястье гуманоидного робота приоритетными могут быть компактность и низкий люфт, тогда как коленному или тазобедренному сочленению могут требоваться значительно более высокий пиковый крутящий момент и большая тепловая емкость.

Для ловкой кисти требуется еще более высокий уровень миниатюризации и точности.

Это означает, что идеальный привод сочленения робота зависит от конкретного применения, а не представляет собой универсальную конструкцию.

Где электрические приводы сочленений роботов наиболее применимы？

Преимущества электрического привода особенно очевидны в гуманоидных роботах, предназначенных для коммерческого внедрения.

Руки гуманоидных роботов

Электрические вращательные приводы могут обеспечивать точное управление положением и крутящим моментом плечевых, локтевых и запястных сочленений, сохраняя компактную механическую конструкцию.

Ноги гуманоидных роботов

Тазобедренные, коленные и голеностопные сочленения требуют высокого крутящего момента, динамического отклика и эффективного использования энергии. Электрические приводы в сочетании с подходящими прецизионными передачами могут стать компактной альтернативой централизованным гидравлическим системам.

Кисти гуманоидных роботов

Кисть требует значительно меньших приводов и высокоточного движения. Миниатюрные волновые редукторы и компактные электрические двигатели могут интегрироваться в пальцевые сочленения, где монтажное пространство крайне ограничено.

Промышленные гуманоидные роботы

Для роботов, работающих на предприятиях и в логистической среде, электрический привод обеспечивает преимущества с точки зрения интеграции, технического обслуживания, чистоты и совместимости с цифровыми архитектурами управления.

Это особенно актуально по мере перехода гуманоидных роботов от исследовательских платформ к промышленным приложениям. Например, Boston Dynamics позиционирует новый электрический Atlas для применения в реальных промышленных условиях, а Hyundai выступает его первоначальным партнером по внедрению.

Почему электрические приводы сочленений роботов становятся ключевой технологией？

Развитие гуманоидных роботов меняет требования производителей к приводам сочленений.

Гидравлические системы сохраняют ценность, когда основными требованиями являются чрезвычайно высокая удельная сила и динамическая мощность. Пневматические системы также могут быть полезны для задач, требующих податливости, и специализированных применений.

Однако для гуманоидных роботов с аккумуляторным питанием, предназначенных для широкомасштабного внедрения, электрический привод обеспечивает привлекательное сочетание эффективности, управляемости, компактной интеграции, чистоты и масштабируемости.

Переход Atlas от гидравлического к полностью электрическому приводу является наглядным примером этого направления развития отрасли.

В то же время электрический привод не означает, что в каждом сочленении гуманоидного робота следует использовать один и тот же двигатель или редуктор.

Будущая архитектура, скорее всего, будет представлять собой комбинацию различных технологий электрической передачи, оптимизированных для разных сочленений.

Электрические приводы сочленений роботов HONPINE для гуманоидной робототехники

HONPINE разрабатывает интегрированные решения для приводов сочленений роботов на основе прецизионных двигателей, волновой передачи, планетарной передачи, энкодеров и интегрированных технологий управления.

Для вращательных сочленений гуманоидных роботов модули сочленений на основе волновой передачи обеспечивают компактное решение в случаях, когда критически важны низкий люфт, высокая плотность крутящего момента и точное позиционирование.

Для применений, требующих иных характеристик крутящего момента, скорости и нагрузки, решения для сочленений на основе планетарной передачи обеспечивают альтернативную архитектуру передачи.

HONPINE также разрабатывает решения для приводов со встроенной электроникой и интерфейсами связи, помогая производителям роботов снизить сложность системы и упростить интеграцию сочленений.

Такой подход позволяет адаптировать архитектуру привода к различным применениям гуманоидных роботов — от плечевых и локтевых сочленений до запястий, тазобедренных, коленных, голеностопных сочленений и компактных роботизированных кистей.

Заключение

Переход от гидравлического к электрическому приводу является одним из важных направлений развития инженерии гуманоидных роботов.

Гидравлика остается мощной и эффективной, однако электрические приводы сочленений роботов обеспечивают преимущества, которые становятся все более важными по мере перехода гуманоидных роботов к аккумуляторному питанию, компактной механической конструкции, точному цифровому управлению, промышленному внедрению и массовому производству.

Ключ к этому переходу заключается не просто в замене гидравлического цилиндра электрическим двигателем. Высокопроизводительные электрические сочленения гуманоидных роботов требуют тщательно подобранного сочетания двигателя, прецизионного редуктора, энкодера, драйвера, подшипника, датчиков и технологий управления.

Для вращательных сочленений волновые и планетарные редукторы обеспечивают разные эксплуатационные характеристики. Для линейных сочленений такие технологии, как планетарные роликовые винты, предоставляют еще один путь к созданию электрического привода с высоким усилием.

По мере того как гуманоидные роботы становятся более функциональными и коммерчески жизнеспособными, электрические приводы сочленений роботов будут все чаще становиться базовым элементом систем движения гуманоидных роботов.

Интегрированные решения HONPINE для сочленений на основе волновой и планетарной передачи разработаны для поддержки этого перехода, обеспечивая компактные, точные и масштабируемые компоненты движения для гуманоидных роботов следующего поколения.