Что такое поворотный шарнир робота?Структура, компоненты и принципы работы？

В этой статье представлен всесторонний анализ поворотного шарнира робота, включая его интегрированные компоненты, роль каждого компонента и способы достижения точного управления.

Что такое поворотный шарнир робота?

Поворотный шарнир робота нельзя понимать просто как двигатель. Он скорее похож на компактную силовую передачу, интегрированную в корпус робота. Типичный модуль шарнираобычно содержит двигатель, редуктор, энкодер, привод, тормоз, подшипники, датчики, корпус, жгуты проводов и платы управления.

В очень ограниченном пространстве шарнир должен обеспечивать мощность, предоставлять обратную связь, безопасно тормозить, рассеивать тепло и выдерживать падения, удары, потерю питания и длительный износ. Заставить его вращаться — не самая сложная часть, настоящая задача заключается в том, чтобы он работал стабильно каждый день в почти одинаковых условиях.

Почему поворотные шарниры ограничивают внедрение роботов?

Когда робот поднимает руку, плечевой, локтевой и лучезапястный шарниры работают вместе. Когда он делает шаг, тазобедренный, коленный и голеностопный шарниры должны непрерывно корректировать положение тела за миллисекунды.

Каждый шарнир должен знать:

насколько далеко он повернулся,

какой крутящий момент он выдает,

повышается ли температура,

и подвергался ли он внешнему удару.

Если хотя бы один шарнир реагирует немного медленнее, имеет чрезмерный люфт или не может эффективно контролировать рост температуры, движения робота становятся нестабильными и неестественными. В серьезных случаях робот может даже упасть.

С инженерной точки зрения гуманоидного робота оценивают не по одному красиво выполненному движению. Настоящая задача — сохраняется ли стабильность движения после десятков или сотен повторяющихся циклов:

• Смещается ли положение?

• Происходит ли тепловая деградация?

• Ослабляются ли жгуты проводов со временем?

Алгоритмы могут вычислить следующее движение, но именно модуль шарнира отвечает за надежную передачу этого движения в реальный мир.

Что содержит поворотный шарнир робота?

С точки зрения робототехники называть модуль шарнирапросто «двигателем» некорректно.

Двигатель лишь преобразует электрическую энергию во вращательное движение. Шарнирам робота необходимы:

низкая скорость и высокий крутящий момент,

быстрый отклик,

возможность обратной связи,

защитные функции,

и долговременная эксплуатационная надежность.

Отдельный двигатель не может одновременно удовлетворить требованиям по крутящему моменту, размеру, точности и безопасности.

Типичный модуль поворотного шарнира обычно включает:

двигатель для выработки мощности,

редуктор для снижения скорости и увеличения крутящего момента,

энкодер для обратной связи по положению и скорости,

привод для управления током и движением,

тормоз для поддержания безопасного положения при потере питания,

подшипники для восприятия нагрузки,

конструктивные элементы и корпус для фиксации, восприятия нагрузки и рассеивания тепла,

и жгуты проводов/разъемы для питания и связи.

Только после интеграции всех этих компонентов вместе он может стать функциональным модулем роботизированного привода.

При практической отладке проблемы шарнира редко возникают только из-за одного компонента. Например:

перегрев двигателя может быть связан с эффективностью редуктора, теплоотводом корпуса или стратегией тока привода;

вибрация шарнира может быть связана с разрешением энкодера, параметрами управления, люфтом передачи или жесткостью конструкции.

Сложность проектирования модулей шарниров заключается в сильном взаимодействии между всеми этими подсистемами. Компоненты, которые по отдельности выглядят превосходно в технических характеристиках, не обязательно создают высокопроизводительный шарнир в сборе.

Какую роль играют двигатель и редуктор в поворотном шарнире?

Первое, что инженеры обычно оценивают в модуле шарнира, — это сочетание двигателя и редуктора.

Двигатель вращается с высокой скоростью, а редуктор снижает скорость и увеличивает крутящий момент. Шарнирам робота не требуется высокоскоростное вращение, как у вентилятора. Вместо этого они должны обеспечивать стабильную выдачу усилия на относительно низких скоростях и точно останавливаться в соответствии с командами управления.

В шарнирах гуманоидных роботовобычно используются бескорпусные моментные двигатели. В таких двигателях по сути сохраняются только статор и ротор, тогда как сама конструкция робота берет на себя функции, которые традиционно выполняют корпус двигателя, торцевые крышки и подшипники.

Такая конструкция позволяет сделать шарнир значительно более компактным. Публичные материалы таких компаний, как Kollmorgen и maxon, показывают, что бескорпусные серводвигатели широко используются в роботизированных шарнирах, системах с высокой плотностью крутящего момента и высокоинтегрированных приводных решениях.

Редукторы напрямую влияют на:

выходной крутящий момент,

точность позиционирования,

люфт,

и срок службы.

Гармонические редукторы компактны, очень точны и обладают малым люфтом, что делает их идеальными для шарниров с ограниченным пространством. RV-редукторы или циклоидальные редукторы делают акцент на жесткости, грузоподъемности и долговечности и чаще встречаются в тяжелонагруженных шарнирах промышленных роботов.

Гуманоидные роботы редко используют только один тип редуктора по всему телу. У разных шарниров разные требования:

для тазобедренных и коленных шарниров приоритетна высокая грузоподъемность,

плечевые и локтевые шарниры требуют сбалансированных характеристик,

лучезапястные шарниры и пальцы ориентированы на малый вес и компактность.

При реальном выборе инженеров интересует не только максимальный крутящий момент:

• Как долго может поддерживаться непрерывный крутящий момент?

• Как ведет себя эффективность в типичных условиях эксплуатации?

• Как изменяется люфт в течение срока службы изделия?

• Можно ли сохранить точность после ударных нагрузок?

Если двигатель и редуктор не согласованы должным образом, «высокопроизводительный» шарнир на бумаге в итоге может стать источником тепла, шума и ошибок управления в готовом роботе.

Как модули поворотных шарниров обеспечивают точное управление?

Одной только мощности недостаточно — система также должна точно знать, куда перемещается шарнир.

Например, когда контроллер дает команду локтевому шарниру повернуться на 30 degrees, система непрерывно отслеживает обратную связь по положению и скорости:

если шарнир достигает только 27 degrees, требуется компенсация;

если он превышает 31 degrees, требуется коррекция;

если приложена внешняя сила, система должна немедленно обнаружить возмущение.

Без обратной связи система управления, по сути, действует наугад.

Энкодеры обеспечивают обратную связь по положению и скорости, а температурные датчики, измерение тока, датчики, связанные с крутящим моментом, и мониторинг вибрации предоставляют данные о рабочих условиях.

Более совершенные модули шарниров передают эту информацию обратно в привод или в систему управления верхнего уровня для:

управления движением,

электрической защиты,

диагностики неисправностей,

и прогнозирования срока службы.

Одно дело, когда робот просто способен двигаться; поддержание качества движения и границ безопасности полностью зависит от надежной обратной связи.

Жгуты проводов и разъемы часто недооценивают. В гуманоидных роботах по всему корпусу проходит множество кабелей питания, связи и сигнальных кабелей. При движении шарниров проводка должна многократно сгибаться, скручиваться и растягиваться.

Прототип может успешно завершить короткую демонстрацию, но после недель непрерывной работы такие проблемы, как:

ослабление,

износ,

недостаточное экранирование,

и нестабильный электрический контакт

могут превратиться в крайне сложные полевые отказы.

Многие реальные инженерные проблемы скрыты именно в этих небольших, но критически важных деталях соединений.

Какую роль играет привод в модуле шарнира?

Привод — это гораздо больше, чем просто плата питания.

Он преобразует команды управления в точное регулирование тока и напряжения, которое двигатель может выполнить. Типичные функции управления включают:

• управление током,

• управление скоростью,

• управление положением,

• и управление крутящим моментом.

Он также должен обеспечивать такие защиты, как:

• защита от перегрузки по току,

• защита от перенапряжения,

• и защита от перегрева.

Каким бы мощным ни был двигатель, плохое управление приводом все равно приведет к:

• вибрации,

• шуму,

• чрезмерному нагреву,

• медленному отклику,

• частым отключениям по защите.

Гуманоидные роботы предъявляют к приводам особенно высокие требования. Десятки шарниров работают одновременно с быстро меняющимися нагрузками, сильной взаимосвязью поз и постоянными внешними возмущениями.

Привод должен:

• быстро реагировать,

• избегать чрезмерной чувствительности,

• обеспечивать достаточный ток,

• сохранять тепловую стабильность.

Шарниры должны оставаться гибкими в нормальном режиме работы, одновременно мгновенно переходя в безопасные состояния при возникновении отклонений.

Тормоза выполняют еще одну критически важную функцию: шарниры должны не только двигаться, но и безопасно останавливаться.

При потере питания:

• руки не должны внезапно опускаться,

• тяжелые грузы не должны медленно сползать вниз,

• стоячие положения должны сохранять устойчивость.

Это особенно важно для шарниров с высокой нагрузкой, таких как плечи, бедра и колени. Тормоза и логика защиты связаны не только с качеством движения, но и определяют, могут ли роботы безопасно работать на заводах, складах, в торговых центрах или дома.

Как следует оценивать и выбирать модули поворотных шарниров?

При оценке модуля шарнира пиковый крутящий момент — это только первая характеристика, на которую следует обратить внимание.

Пиковый крутящий момент отражает кратковременную возможность резкого усилия, тогда как непрерывный крутящий момент лучше представляет повседневную эксплуатационную производительность.

Пиковый крутящий момент может использоваться при:

подъеме из положения сидя,

сопротивлении ударам,

или подъеме тяжелых грузов.

Однако непрерывная ходьба, удержание позы и повторяющиеся задачи в гораздо большей степени зависят от устойчивой выходной мощности и теплового управления.

Плотность крутящего момента показывает, какой крутящий момент может быть обеспечен на единицу массы.

Более легкие шарниры уменьшают общую инерцию робота.

Более высокий крутящий момент при тех же размерах позволяет выполнять более тяжелые задачи в компактных пространствах.

Это особенно важно для:

• концевых эффекторов рук,

• голеней,

• голеностопных шарниров,

где изменения массы усиливаются по всей кинематической цепи движения.

Люфт, точность и жесткость напрямую влияют на качество движения. Люфт можно понимать как «потерянное движение» внутри системы передачи, создающее расхождения между командами управления и фактическим движением.

Такие задачи, как:

• захват,

• сборка,

• работа с инструментом

требуют чрезвычайно высокой точности конечного эффектора. Даже крошечные ошибки в шарнирах могут накапливаться вдоль конструкции роботизированной руки или ноги, в конечном итоге вызывая неточный захват, неустойчивое стояние или смещение движения.

Эффективность и тепловыделение определяют, как долго робот может работать непрерывно. Когда десятки шарниров работают одновременно, даже небольшие потери в каждом шарнире влияют на общее тепловое управление и время работы от батареи.

По мере повышения температуры:

• приводы могут снижать мощность,

• характеристики двигателя могут изменяться,

• срок службы смазки и материалов может сокращаться.

Для коммерческих роботов пятиминутная демонстрация и несколько часов стабильной работы представляют собой совершенно разные уровни продукта.

Наконец, срок службы, надежность и стоимость напрямую влияют на масштабное внедрение.

Такие проблемы, как:

• износ редуктора,

• перегрев двигателя,

• усталость подшипников,

• ослабление проводки,

• отказ привода

могут остановить всю роботизированную систему.

Гуманоидные роботы часто содержат десятки шарниров. Немного более высокая стоимость одного модуля значительно увеличивает общую стоимость робота, а немного более высокий уровень отказов сильно повышает давление на обслуживание и послепродажную поддержку.

Свяжитесь с HONPINE, чтобы узнать больше о комплексных решениях модуля гармонического шарнира.