Как подобрать модули суставов робота для роботизированной руки? Практическое инженерное руководство

Введение

Выбор подходящегомодуля шарнира роботаявляется важной частью проектирования роботизированной руки, однако выбор шарниров не должен начинаться с простого сравнения номинальных значений крутящего момента двигателей. Роботизированная рука представляет собой связанную механическую систему, и характеристики одного шарнира могут напрямую влиять на нагрузку, инерцию и динамические требования других шарниров.

Распространённый подход заключается в выборе модуля шарнира в соответствии с номинальной грузоподъёмностью робота. Это может привести к чрезмерно или недостаточно габаритной конструкции, поскольку полезная нагрузка является лишь частью общей нагрузки. Шарнир также должен перемещать расположенную далее механическую конструкцию, включая звенья, концевые эффекторные устройства, кабели, датчики и другие интегрированные компоненты. Во время ускорения и замедления требуется дополнительный крутящий момент для преодоления вращательной инерции. Поэтому выбранный шарнир должен соответствовать как статическим, так и динамическим требованиям, сохраняя надлежащий запас безопасности.

Масса шарнира — ещё один фактор, который легко упустить из виду. Более тяжёлый шарнир может обеспечивать большую способность по крутящему моменту, но если эта дополнительная масса установлена далеко от основания робота, она может увеличить инерционную нагрузку, воспринимаемую остальной частью роботизированной руки. В конечном итоге это может потребовать более крупных двигателей на вышележащих осях и снизить характеристики ускорения всей системы.

По этой причине цель подбора размера шарнира робота заключается не в выборе самого большого доступного шарнира. Она состоит в определении наименьшего практически применимого шарнира, который может обеспечить требуемые крутящий момент, скорость, жёсткость, тепловые характеристики и условия эксплуатации без ненужного увеличения массы и инерции роботизированной руки.

В этой статье объясняется практический инженерный подход к подбору размеровмодулей шарниров робота для роботизированных рукс акцентом на расчёт нагрузки, вращательную инерцию, массу шарнира, плотность крутящего момента, механическую интеграцию и оптимизацию на уровне системы.

1. Выбор шарнира робота следует начинать с механической модели

Перед выбором модуля шарнира робота роботизированную руку следует представить в виде механической модели, содержащей размеры и массы звеньев, полезную нагрузку, концевой эффектор, положения шарниров и приблизительные центры тяжести.

Цель этой модели не обязательно заключается в создании сложной симуляции в начале проекта. Упрощённая механическая модель уже может предоставить ценную информацию о требованиях к крутящему моменту каждой оси.

Для каждого шарнира инженеру необходимо понимать, какую массу, расположенную далее по кинематической цепи, должен перемещать шарнир и насколько далеко эта масса находится от оси шарнира.

Простое статическое приближение можно выразить следующим образом:

T = m × g × L

где T обозначает гравитационный крутящий момент, m обозначает расположенную далее массу, g обозначает ускорение свободного падения, а L обозначает перпендикулярное расстояние между осью шарнира и центром массы.

Это уравнение показывает, почему требуемый крутящий момент нельзя определить только по полезной нагрузке. Масса собственных звеньев и компонентов робота может стать существенной частью требования к крутящему моменту, особенно когда рука работает в вытянутых положениях.

Поэтому надлежащий процесс подбора размера шарнира должен начинаться с механической конструкции, а не с каталога продукции.

2. Полезная нагрузка является лишь частью нагрузки на шарнир

Когда роботизированная рука описывается как имеющая определённую грузоподъёмность, легко предположить, что полезная нагрузка определяет требуемый крутящий момент шарнира.

В действительности шарнир отвечает за перемещение всей расположенной далее сборки.

В зависимости от конструкции робота это может включать полезную нагрузку, концевой эффектор, звенья, подшипники, кабели, датчики и другие модули шарниров, расположенные дальше по руке.

Чем дальше масса расположена от оси шарнира, тем больше её вклад в гравитационный крутящий момент.

Например, когда роботизированная рука вытянута горизонтально, расстояние между осью шарнира и расположенным далее центром массы может значительно увеличиться. Та же полезная нагрузка, которая создаёт относительно небольшой крутящий момент при сложенной руке, может создавать гораздо больший крутящий момент, когда рука полностью вытянута.

Это означает, что при подборе шарнира следует учитывать типовые и наихудшие положения робота, а не полагаться на одно номинальное положение.

Практический вопрос состоит не просто в следующем:

"Какова полезная нагрузка робота?"

Он состоит в следующем:

"Какую общую расположенную далее массу должен перемещать этот шарнир и где находится эта масса при наиболее требовательном рабочем условии?"

Это различие является фундаментальным при проектировании надёжной роботизированной руки.

3. Динамическое движение добавляет инерционный крутящий момент

Расчёты статического крутящего момента дают полезную отправную точку, однако их недостаточно для роботизированной руки, которой необходимо быстро ускоряться и замедляться.

Во время динамического движения шарнир также должен создавать крутящий момент для ускорения вращательной инерции расположенной далее конструкции.

Базовая зависимость имеет вид:

T_inertia = J × α

где J обозначает эквивалентную вращательную инерцию, а α обозначает угловое ускорение.

Таким образом, общее требование к крутящему моменту можно рассматривать как:

T_required = T_gravity + T_inertia + T_external

Внешний член может включать силы, создаваемые концевым эффектором, технологические нагрузки, усилия кабелей или другие возмущения, характерные для конкретного применения.

Это особенно важно, когда роботизированная рука предназначена для высокоскоростных операций захвата и размещения, обслуживания станков, сборки, инспекции или других применений с частыми ускорениями и замедлениями.

Шарнир, который представляется достаточным в статических условиях, может требовать значительно большего крутящего момента при динамической работе.

По этой причине инженерам следует по возможности использовать фактический профиль движения. Одна лишь максимальная скорость не определяет требование к динамическому крутящему моменту. Ускорение, замедление, распределение полезной нагрузки и вращательная инерция движущейся конструкции могут быть не менее важны.

4. Масса шарнира может изменить требования ко всему роботу

Одним из важнейших факторов при подборе размера шарнира робота является масса самого выбранного шарнира.

Когда модуль шарнира устанавливается в роботизированную руку, его вес становится частью расположенной далее нагрузки для других шарниров.

Это означает, что выбор более тяжёлого шарнира может изменить требование к крутящему моменту всей механической системы.

Рассмотрим простой пример. Если более тяжёлый шарнир установлен рядом с концом роботизированной руки, его масса вносит вклад в нагрузку, которую должны ускорять шарниры, расположенные ближе к основанию робота. Если дополнительная масса требует более крупного шарнира на вышележащей оси, этот шарнир сам становится тяжелее, что может вновь увеличить нагрузку.

Это создаёт зависимость между размером шарнира и массой робота на уровне системы.

Эффект становится ещё более значительным при учёте вращательной инерции. Для упрощённой точечной массы вращательную инерцию можно приблизительно выразить как:

J = m × r²

где m — масса, а r — расстояние от оси вращения.

Поскольку расстояние возводится в квадрат, относительно небольшое увеличение массы на удалённом участке может оказывать непропорционально большое влияние на инерцию, воспринимаемую вышележащим шарниром.

Именно поэтому выбор шарнира с избыточной способностью по крутящему моменту иногда может снизить общую производительность робота вместо её улучшения.

Как правило, наилучшим является шарнир, обеспечивающий достаточную производительность без добавления ненужной массы.

5. Плотность крутящего момента — ключевой параметр при проектировании роботизированной руки

Для роботизированных рук максимальный крутящий момент важен, но его не следует рассматривать изолированно.

Плотность крутящего момента предоставляет ещё один полезный способ сравнения модулей шарниров робота.

С практической точки зрения плотность крутящего момента описывает, какой выходной крутящий момент шарнир может обеспечить относительно его массы или физического объёма.

Шарнир с высокой плотностью крутящего момента может обеспечивать требуемый выходной крутящий момент при сохранении компактной и лёгкой роботизированной конструкции.

Это особенно ценно, когда шарнир установлен вдали от основания робота.

Снижение массы на удалённом участке может уменьшить требования к крутящему моменту и инерции шарниров на вышележащих осях. В результате преимущество лёгкого шарнира с высокой плотностью крутящего момента может распространяться за пределы отдельной оси, на которой он установлен.

Например, если компактный модуль гармонического шарнира может обеспечить требуемый крутящий момент с меньшей массой, чем более крупная альтернатива, снижение веса на удалённом участке может улучшить общий механический баланс роботизированной руки.

Это может способствовать более высокому ускорению, меньшему потреблению энергии, снижению нагрузок на конструкцию и улучшению динамического отклика.

Поэтому при сравнении рассматриваемых двигателей шарниров робота или модулей гармонических шарниров робота инженерам следует учитывать взаимосвязь между выходным крутящим моментом, массой шарнира, физическими размерами и фактическими требованиями применения.

6. Не увеличивайте размер каждого шарнира по одной и той же причине

Использование увеличенного шарнира по всей роботизированной руке может показаться упрощающим инженерную разработку, поскольку один и тот же продукт можно использовать на нескольких осях.

Однако такой подход может привести к ненужным массе и затратам.

Шарнир, подходящий для оси с высокой нагрузкой, может быть избыточным для оси с меньшей нагрузкой. Установка такого более крупного шарнира там, где он не требуется, увеличивает массу робота без обязательного улучшения его полезной производительности.

Дополнительная масса также может увеличить нагрузку на другие шарниры.

Для производителя роботизированных рук лучшей целью является создание стандартизированной платформы шарниров с несколькими подходящими классами размеров и крутящего момента.

Это позволяет сохранять единую базовую философию механического и электрического проектирования при выборе различной мощности шарниров в соответствии с фактическими требованиями каждой оси.

Стандартизация может снизить сложность разработки и производства, однако она не означает, что каждая ось должна использовать абсолютно одинаковый шарнир.

Идеальный подход заключается в минимизации числа вариантов шарниров при сохранении надлежащего баланса между крутящим моментом и массой.

7. Механические размеры необходимо оценивать вместе с крутящим моментом

Модуль шарнира робота должен помещаться внутри конструкции роботизированной руки, однако компактные внешние размеры не следует оценивать отдельно от требуемых механических характеристик.

Доступное пространство для установки, монтажный интерфейс, длина шарнира, выходная конструкция, расположение подшипников, прокладка кабелей и окружающие компоненты влияют на окончательную конструкцию шарнира.

Шарнир с достаточным крутящим моментом, но чрезмерной осевой длиной, может потребовать серьёзной переработки конструкции руки.

Аналогично, компактный шарнир может механически подходить, но не иметь достаточного непрерывного крутящего момента или тепловой способности для предполагаемого рабочего цикла.

Именно поэтому выбор шарнира следует выполнять вместе с механическим проектированием.

Для каждого рассматриваемого модуля инженеры должны сравнивать характеристики крутящего момента и скорости продукта с его общими размерами и массой. Цель заключается в определении того, может ли шарнир удовлетворить требования к производительности робота в пределах доступного механического габарита.

Для компактных роботизированных рук этот баланс между крутящим моментом, массой, диаметром и объёмом установки может быть важнее любой отдельной спецификации.

8. Непрерывный и пиковый крутящий момент следует оценивать по профилю движения

Требование к крутящему моменту роботизированной руки не является постоянным во время работы.

Различные положения робота и фазы движения могут создавать значительно отличающиеся нагрузки.

Во время ускорения требуемый крутящий момент может увеличиваться, поскольку шарнир должен преодолевать вращательную инерцию. При длительном статическом положении гравитационный крутящий момент может стать доминирующим фактором. При быстром замедлении система может испытывать другое состояние высокого крутящего момента.

По этой причине инженерам следует различать непрерывные и пиковые рабочие требования.

Шарнир может иметь достаточный пиковый крутящий момент для кратковременного события ускорения, но всё же не подходить для непрерывной работы, если его тепловая способность недостаточна.

И наоборот, выбор очень крупного шарнира только для увеличения пикового крутящего момента может добавить ненужную массу.

Правильный подход заключается в сравнении непрерывных и пиковых возможностей шарнира с фактическим профилем движения робота.

Для применений с повторяющимися циклами также следует учитывать рабочий цикл, поскольку средняя тепловая нагрузка может сильно отличаться от мгновенной пиковой нагрузки.

9. Выбор шарнира следует проверять с помощью полной модели робота

Первоначальные расчёты крутящего момента — это только начало.

После выбора рассматриваемых модулей шарниров их фактические масса и размеры должны быть включены в модель роботизированной руки.

Это важно, поскольку выбранный шарнир становится частью механической системы.

Например, если первоначальный расчёт предполагает шарнир массой 1 kg, а выбранный продукт весит 1.8 kg, расчёт расположенной далее массы следует обновить. Дополнительная масса может изменить требуемый крутящий момент шарниров на вышележащих осях.

Тот же принцип применяется к центру тяжести и вращательной инерции.

Поэтому практический инженерный рабочий процесс является итеративным. Конструктор сначала оценивает требуемый крутящий момент, выбирает подходящий шарнир, обновляет модель робота фактическими массой и размерами шарнира, пересчитывает системные требования, а затем подтверждает, что выбранные модули остаются подходящими.

Этот подход надёжнее, чем однократно выбрать все шарниры и предположить, что первоначальные расчёты остаются действительными.

10. Практический пример: подбор размеров 6-осевой роботизированной руки

Рассмотрим 6-осевую роботизированную руку с полезной нагрузкой приблизительно 2 kg и радиусом действия около 500 mm.

Одних этих двух чисел недостаточно для определения правильных модулей шарниров. Также необходимо учитывать массы звеньев, массы шарниров, вес концевого эффектора, центр тяжести полезной нагрузки, ускорение, скорость и положение робота.

Процесс проектирования можно начать с создания упрощённой механической модели руки.

Для каждого шарнира рассчитайте общую расположенную далее массу и её центр тяжести. Затем определите гравитационный крутящий момент в наиболее требовательных типовых положениях.

Далее рассчитайте инерционный крутящий момент на основе требуемого углового ускорения.

Полученное требование к крутящему моменту затем можно сравнить с рассматриваемыми модулями шарниров с учётом их массы, диаметра, длины, скорости, жёсткости и тепловых характеристик.

После выбора предварительных модулей добавьте их фактические массы в модель робота и повторите расчёт.

Этот итеративный процесс может показать, что кажущийся привлекательным шарнир с высоким крутящим моментом имеет ненужную массу или что меньший шарнир с более высокой плотностью крутящего момента обеспечивает лучшее общее решение.

Поэтому окончательный выбор должен основываться на полной роботизированной руке, а не на изолированных спецификациях продукции.

11. Как модули гармонических шарниров поддерживают компактные роботизированные руки

Гармоническая передача широко используется в системах роботизированного движения, поскольку она может обеспечивать высокие передаточные отношения, компактные размеры, высокую плотность крутящего момента и малый люфт.

При интеграции в модуль шарнира робота гармоническая передача может сочетаться с двигателем, энкодером и другими функциями, необходимыми для архитектуры робота.

Ценность этой интеграции особенно очевидна, когда робот имеет ограниченное пространство для установки.

Компактный привод гармонического шарнира может сократить количество отдельных компонентов, которые необходимо разместить в конструкции робота, и упростить механическую интеграцию.

Однако подходящий гармонический шарнир всё равно следует выбирать в соответствии с фактическими требованиями робота.

Передаточное отношение, выходной крутящий момент, скорость, масса шарнира, размеры, жёсткость, тепловые характеристики, конфигурация энкодера и интерфейс управления должны учитываться в рамках проектирования системы.

Цель интегрированного шарнира состоит не просто в объединении нескольких компонентов в одном корпусе. Она заключается в обеспечении практичного модуля движения, который может быть включён в механическую архитектуру и архитектуру управления роботизированной руки.

12. Электрическую интеграцию и интеграцию управления следует учитывать при механическом проектировании

Хотя эта статья посвящена механическому подбору размеров, электрическую интеграцию не следует откладывать до завершения механического проектирования.

Выбранный модуль шарнира робота должен работать с источником питания робота, контроллером, коммуникационной архитектурой и системой обратной связи.

Для интегрированного шарнира инженеры должны подтвердить требуемое напряжение питания, допустимый ток, коммуникационный интерфейс, конфигурацию энкодера, архитектуру привода и доступные данные обратной связи.

Эта информация может влиять на общую архитектуру робота, особенно когда несколько модулей шарниров работают от общей системы питания постоянного тока.

Физическую прокладку силовых и коммуникационных кабелей также следует учитывать при механическом проектировании. Шарнир, обеспечивающий подходящий внутренний путь для кабелей, может упростить компоновку полной роботизированной руки.

Ключевой принцип состоит в совместной оценке механической и электрической интеграции вместо рассмотрения шарнира как изолированного компонента двигателя.

13. Системный подход к подбору размеров шарниров робота

Надёжный процесс подбора размеров шарниров робота можно обобщить в виде нескольких взаимосвязанных инженерных этапов.

Первый этап заключается в определении геометрии робота и условий эксплуатации. Это включает размеры звеньев, распределение массы, полезную нагрузку, концевой эффектор, скорость, ускорение и рабочий цикл.

Второй этап заключается в расчёте статических и динамических требований к крутящему моменту каждой оси.

Третий этап заключается в сравнении рассматриваемых модулей шарниров по крутящему моменту, скорости, массе, размерам, жёсткости и тепловой способности.

Четвёртый этап заключается во включении масс выбранных шарниров в полную механическую модель и пересчёте требований к вышележащим осям.

Пятый этап заключается в проверке окончательной конфигурации в фактических условиях работы робота, включая типовые положения, ускорение, непрерывную работу и тепловую нагрузку.

Этот процесс предотвращает распространённую ошибку проектирования, при которой каждый шарнир выбирается независимо без учёта его влияния на всю роботизированную руку.

14. Как HONPINE подходит к выбору модулей шарниров робота

HONPINE поставляет гармонические редукторы, двигатели гармонических шарниров, гармонические поворотные приводы, планетарные редукторы и интегрированные решения для движения в робототехнических системах и промышленной автоматизации.

Для проектов роботизированных рук выбор шарниров можно оценивать в соответствии с фактическими требованиями механической системы, а не просто сопоставлять значение полезной нагрузки с номинальным крутящим моментом двигателя.

Ключевые параметры включают полезную нагрузку, вылет руки, массу звеньев, скорость шарнира, ускорение, рабочий цикл, установочные размеры, требуемый крутящий момент, источник питания и архитектуру управления.

Эти параметры могут использоваться для оценки подходящей комбинации двигателя, гармонической передачи, энкодера, архитектуры привода и механического интерфейса.

Для индивидуальных робототехнических применений процесс выбора шарнира может начинаться с механической модели робота и требований к нагрузке. Затем рассматриваемые модули шарниров можно оценивать по их способности к крутящему моменту, массе, размерам, скорости и требованиям к интеграции.

Этот подход позволяет оптимизировать архитектуру шарниров совместно с роботизированной рукой вместо рассмотрения шарнира как независимого компонента.

15. Контрольный список по подбору размеров модуля шарнира робота

Перед окончательным утверждением модуля шарнира робота инженеры должны проверить полную взаимосвязь между шарниром и роботизированной рукой.

Для каждой оси следует рассчитать расположенную далее массу, включая полезную нагрузку, концевой эффектор, звенья, кабели, датчики и другие компоненты, которые должен перемещать шарнир. Центр тяжести следует учитывать для типовых и наихудших положений робота.

Статический гравитационный крутящий момент и динамический инерционный крутящий момент следует рассчитывать отдельно. Затем требуемые непрерывный и пиковый крутящие моменты следует сравнить с фактическим рабочим циклом.

Массу выбранного шарнира следует включить в полную модель робота, поскольку она может изменить требования к крутящему моменту и инерции шарниров на вышележащих осях.

Инженерам также следует сравнивать плотность крутящего момента, размеры шарнира, скорость, жёсткость, тепловую способность, механический интерфейс, прокладку кабелей, источник питания и совместимость с системой управления.

Окончательная цель заключается в выборе шарнира, который удовлетворяет требованиям к производительности робота без добавления ненужной массы или механической сложности.

Заключение

Подбор размера модуля шарнира робота для роботизированной руки является инженерной задачей системного уровня.

Полезная нагрузка является лишь частью расчёта. Шарнир также должен перемещать расположенные далее звенья, концевой эффектор, кабели, датчики и другие компоненты. Во время динамической работы вращательная инерция и ускорение создают дополнительные требования к крутящему моменту. В то же время масса выбранного шарнира может влиять на нагрузку и инерцию, воспринимаемые другими шарнирами.

Именно поэтому простой выбор шарнира с наибольшим крутящим моментом редко является наилучшей стратегией проектирования.

Более эффективный подход заключается в расчёте нагрузки каждой оси, оценке гравитационного и инерционного крутящего момента, учёте массы и плотности крутящего момента рассматриваемых модулей шарниров, а затем проверке полной роботизированной руки с выбранными компонентами, включёнными в механическую модель.

Для компактных и высокоточных роботизированных рук правильно подобранный модуль гармонического шарнира робота может обеспечивать полезное сочетание компактной компоновки, высокой плотности крутящего момента, высокого передаточного отношения и точного вращательного движения.

Цель заключается не в том, чтобы сделать каждый шарнир максимально мощным.

Цель заключается в создании сбалансированной архитектуры шарниров, в которой каждый модуль обеспечивает требуемую производительность, сохраняя всю роботизированную руку лёгкой, отзывчивой и механически эффективной.

HONPINE поставляет решения на основе гармонической передачи и интегрированные решения для движения в робототехнических системах и автоматизации. Для конкретного проекта роботизированной руки предоставление данных о полезной нагрузке, вылете, массе звеньев, скорости шарниров, ускорении, рабочем цикле и требованиях к установке может создать надёжную основу для оценки подходящего модуля шарнира робота.