Роботизированный шарнирный двигатель с двумя энкодерами: как уменьшить люфт гармонического редуктора и повысить точность позиционирования

Введение

Двигатель в шарнире робота — это не просто двигатель в сочетании с редуктором. В высокопроизводительном шарнире робота крутящий момент двигателя, редуктор, обратная связь от энкодера, механическая жесткость, алгоритмы управления и точность выходного сигнала — все это вместе определяет конечные характеристики движения.

Это становится особенно важным, когда внутри двигателя шарнира робота используется гармонический редуктор.

В роботизированных шарнирах широко используются гармонические редукторы, поскольку они обеспечивают высокое передаточное отношение, компактные размеры, высокую плотность крутящего момента и очень низкий люфт. Однако на рынке часто неправильно понимают одно техническое утверждение: гармонический редуктор не имеет буквально нулевого люфта.

Многие производители в маркетинговых целях описывают редукторы крутильных колебаний как имеющие «нулевой люфт». С инженерной точки зрения точнее было бы описать их как имеющие чрезвычайно малый люфт или люфт, приближающийся к нулю при заданных условиях эксплуатации.

Даже при крайне малом механическом люфте фактическое выходное положение шарнира робота все равно может зависеть от погрешности передачи, упругой деформации, податливости при кручении, изменения нагрузки, деформации подшипников, допусков при сборке и других факторов.

Именно здесь архитектура обратной связи двигателя шарнира робота становится критически важной.

Один энкодер со стороны двигателя сообщает контроллеру, как вращается двигатель. В архитектуре с двумя энкодерами добавляется дополнительная точка измерения на выходе, что позволяет контроллеру понимать, что на самом деле происходит после редукторного механизма.

Для высокоточных и высокодинамичных роботов это различие может оказать существенное влияние на позиционирование, отслеживание траектории, управление силой и стабильность движения.

Люфт гармонического редуктора крайне низок, но он не равен нулю.

Популярность редукторов в робототехнике тесно связана с их способностью обеспечивать очень низкий люфт в трансмиссионной системе в компактном корпусе.

В отличие от обычных редукторов, в гармонической передаче используются гибкий шлицевой вал, круговой шлицевой вал и волновой генератор для достижения высоких передаточных чисел за счет контролируемой упругой деформации.

Такая архитектура позволяет производителям минимизировать механический зазор между зацепляющимися компонентами.

В результате, устройства для снижения гармонических колебаний позволяют достичь уровня люфта, который чрезвычайно мал по сравнению со многими традиционными механизмами снижения люфта.

Однако крайне малый люфт не следует автоматически описывать как абсолютный нулевой люфт.

В реальных механических системах на отклонение выходного положения могут влиять несколько факторов. К ним относятся производственные допуски, условия сборки, предварительная нагрузка, износ, температура, направление нагрузки, упругая деформация и изменения условий эксплуатации.

Следовательно, инженеры, оценивающие двигатель шарнира робота, должны различать три различных понятия:

Люфт — это механический зазор или потеря хода, связанная с изменением направления движения.

Ошибка передачи, описывающая разницу между теоретическим и фактическим поведением при передаче.

Упругая деформация, которая происходит, когда трансмиссия и механическая конструкция деформируются под действием крутящего момента и внешней нагрузки.

Эти эффекты взаимосвязаны, но не идентичны.

Это различие особенно важно, когда роботу необходимо поддерживать высокую точность позиционирования при перемещении изменяющегося груза.

Почему низкий люфт не означает автоматически высокую точность на выходе?

Возникает соблазн предположить, что гармонический редуктор с чрезвычайно малым люфтом автоматически обеспечит столь же точное соединение робота.

На практике механическая передача является лишь одной частью полной цепи привода.

Рассмотрим двигатель шарнира робота, состоящий из двигателя, гармонического редуктора и энкодера со стороны двигателя.

Энкодер измеряет положение вращения вала двигателя. Таким образом, контроллер может определить, достиг ли двигатель заданного положения.

Однако вал двигателя не является конечным продуктом работы шарнира робота.

Между двигателем и звеном робота находятся гармонический редуктор, подшипники, корпус, выходной фланец и механическая конструкция. При изменении нагрузок каждый компонент может вносить свой вклад в достижение конечного выходного положения.

Например, при резком ускорении робота, внезапной остановке, изменении направления движения или приложении внешней силы крутящий момент, передаваемый через шарнир, значительно изменяется.

Энкодер со стороны двигателя может показывать, что двигатель достиг заданного положения, в то время как на выходном фланге может наблюдаться небольшая, но измеримая разница, вызванная трансмиссией и механической конструкцией.

Именно поэтому обратная связь по положению двигателя и обратная связь по положению на выходе — это не обязательно одно и то же.

В сложных роботизированных задачах инженерам все чаще необходимо учитывать всю цепочку обратной связи, а не сосредотачиваться только на разрешении энкодера двигателя.

Что может и чего не может рассказать один энкодер?

В обычном шарнирном двигателе робота может использоваться один энкодер на стороне двигателя.

Данная конфигурация имеет ряд преимуществ. Она относительно проста, компактна, экономична и подходит для многих применений.

Энкодер со стороны двигателя предоставляет контроллеру важную информацию о положении и скорости двигателя. Он может поддерживать коммутацию, управление скоростью, управление положением и другие сервофункции.

Однако он не измеряет напрямую фактическое угловое положение выходного вала.

Это различие становится тем важнее, чем выше коэффициент снижения.

Контроллер может вычислять теоретическое положение выходного вала на основе положения двигателя и передаточного отношения, но вычисленное положение по-прежнему основано на предположении, что трансмиссия ведет себя точно так, как ожидается.

В реальных условиях эксплуатации трансмиссия может испытывать упругую деформацию или другие отклонения от заданного положения.

Для роботов, требующих лишь умеренной точности, это может не представлять собой существенного ограничения.

Однако для высокоточных роботизированных манипуляторов, человекоподобных роботов, медицинских роботов, манипуляторов с силовым управлением и других систем, требующих высокой скорости реакции, разница между расчетным и фактическим выходным положением становится гораздо более важной.

Как двойные энкодеры изменяют архитектуру обратной связи?

В роботизированном шарнирном двигателе с двумя энкодерами один энкодер расположен со стороны двигателя, а другой — со стороны выхода.

Два энкодера отслеживают разные участки цепи движения.

Энкодер со стороны двигателя в основном предоставляет информацию о положении и скорости двигателя.

Выходной энкодер непосредственно измеряет положение выходного сигнала шарнира.

Затем контроллер может сравнить два сигнала обратной связи, чтобы понять, как ведет себя передача.

Это не означает, что второй энкодер волшебным образом устраняет механический люфт.

Вместо этого он предоставляет то, чего не может предоставить один энкодер: прямую информацию о фактическом положении выходного сигнала.

Эта дополнительная обратная связь может помочь системе управления выявлять и компенсировать различия в положении, вызванные характеристиками трансмиссии и деформацией, зависящей от нагрузки.

Для двигателя шарнира робота это позволяет создать более полную архитектуру управления с обратной связью.

Двойные энкодеры помогают отделить движение двигателя от фактического движения сустава.

Главное преимущество двойных энкодеров заключается не просто в «большем разрешении».

Это более полная обратная связь.

Имея только энкодер со стороны двигателя, контроллер в основном знает следующее:

Насколько повернулся двигатель.

С помощью энкодера на выходе контроллер также может определять:

Насколько фактически повернулся шарнир робота.

Это различие становится особенно важным, когда робот подвергается динамическим нагрузкам.

При ускорении, замедлении, изменении направления движения или внешнем контакте трансмиссионная система может вести себя иначе, чем идеальная жесткая механическая модель.

Разница между измерениями со стороны двигателя и со стороны выходного вала предоставляет полезную информацию об этом поведении.

Для высокопроизводительных двигателей шарниров роботов эта дополнительная информация может способствовать более точному управлению положением и улучшению стратегий компенсации.

Это также может улучшить способность системы поддерживать точность траектории при изменении нагрузки на суставы.

Почему это особенно важно для высокодинамичных роботов?

По мере того как движение робота становится все более быстрым и динамичным, необходимость обратной связи на выходе приобретает все большее значение.

Медленно движущийся робот, выполняющий относительно простые движения, может допускать небольшие отклонения в передаче.

Высокоскоростной робот, выполняющий непрерывное отслеживание траектории, имеет гораздо меньшую погрешность.

То же самое относится и к роботам, которые часто меняют направление движения или взаимодействуют с окружающей средой.

Гуманоидные роботы — особенно хороший тому пример.

Человекоподобные роботы непрерывно изменяют нагрузку на суставы во время ходьбы, поддержания равновесия, выполнения движений руками, манипулирования объектами и взаимодействия с окружающей средой.

Коленный, голеностопный, тазобедренный, плечевой, локтевой и запястный суставы не работают под постоянными нагрузками.

Двигатель шарнира должен реагировать на постоянно изменяющиеся требования к крутящему моменту и положению.

В таких системах полагаться исключительно на обратную связь со стороны двигателя может быть недостаточно для получения информации о фактическом состоянии выходного сигнала.

Архитектура с двумя энкодерами предоставляет контроллеру еще одну точку измерения, расположенную ближе к фактическому механическому выходному сигналу.

Двойные энкодеры особенно ценны в случаях, когда точность и нагрузка изменяются одновременно.

Обеспечение точности позиционирования становится более сложной задачей, когда роботу необходимо поддерживать точность при изменяющихся нагрузках.

Представьте себе роботизированную руку, которая переходит из ненагруженного состояния в положение, когда она удерживает тяжелый компонент.

Заданное положение шарнира может оставаться неизменным, но крутящий момент, приложенный к трансмиссии, существенно изменяется.

Механическая система реагирует на этот крутящий момент.

Даже если редуктор имеет чрезвычайно малый люфт, компоненты трансмиссии и конструкции не обладают бесконечной жесткостью.

Таким образом, небольшие упругие деформации могут влиять на фактическое положение выходного сигнала.

Один лишь энкодер со стороны двигателя не может напрямую наблюдать это отклонение на выходе.

Система с двумя энкодерами может.

Благодаря этому двойная обратная связь особенно ценна для таких применений, как прецизионная сборка, роботизированная полировка, медицинские манипуляции, передовые исследовательские роботы и высокопроизводительные коллаборативные роботы.

Почему разрешение энкодера не то же самое, что точность шарниров робота?

Еще одно распространенное заблуждение при выборе двигателей для шарниров роботов заключается в том, что большее количество бит энкодера автоматически обеспечивает более высокую точность работы шарнира робота.

Нет.

Разрешение энкодера описывает, насколько точно энкодер может разделять угловое положение.

Фактическая точность системы зависит от гораздо большего сочетания факторов.

К ним относятся точность энкодера, допуск при установке, эксцентриситет, колебания температуры, погрешность механической передачи, жесткость конструкции, калибровка, алгоритмы управления и условия нагрузки.

Например, повышение разрешения энкодера на стороне двигателя не обязательно устраняет деформацию на выходной стороне.

Именно поэтому простая замена 17-битного энкодера на энкодер с более высоким разрешением может не привести к ожидаемому улучшению точности работы шарниров робота.

Для сложных задач инженерам следует оценивать всю архитектуру обратной связи, а не сосредотачиваться только на разрешении энкодера.

Абсолютные энкодеры и двойные энкодеры решают разные задачи.

Абсолютные энкодеры и двойные энкодеры иногда рассматриваются как конкурирующие технологии.

На самом деле они решают разные проблемы.

Абсолютный энкодер определяет абсолютное угловое положение вала.

Архитектура с двумя энкодерами определяет положение двух разных точек в механической трансмиссии.

Таким образом, двигатель шарнира робота может одновременно использовать абсолютные энкодеры и двойную обратную связь.

Например, абсолютный энкодер со стороны двигателя может предоставлять точную информацию о положении двигателя после включения питания, в то время как энкодер со стороны выхода обеспечивает прямую обратную связь от выходного сигнала шарнира робота.

Такое сочетание позволяет снизить потребность в механической центровке, а также повысить полноту системы обратной связи по положению.

Для человекоподобных и коллаборативных роботов, где частое механическое позиционирование может быть неудобным или нежелательным, такая архитектура может быть особенно полезна.

В каких случаях следует использовать два энкодера в шарнирных двигателях роботов?

Не для каждого шарнира робота требуются двойные энкодеры.

Решение должно основываться на фактических требованиях к производительности робота.

Если приложение работает на относительно низкой скорости, с небольшой нагрузкой и допускает умеренную погрешность позиционирования, то один энкодер со стороны двигателя может обеспечить оптимальный баланс между производительностью, сложностью и стоимостью.

Однако, двухканальные энкодеры становятся все более привлекательными, когда роботу требуется высокая точность позиционирования при динамических нагрузках.

Они особенно актуальны в тех случаях, когда сустав должен обеспечивать точное отслеживание траектории, частые изменения направления, переменные нагрузки, взаимодействие сил или расширенное управление с обратной связью.

Поэтому важный вопрос не в следующем:

"Нужны ли каждому роботу двойные энкодеры?"

Более уместный вопрос:

«Нужна ли этому роботу прямая обратная связь от фактического положения суставов?»

Если ответ положительный, то двухканальный энкодерный двигатель для шарниров робота заслуживает серьезного внимания.

Роль интегрированных двигателей шарниров робота

Архитектура энкодера — это лишь одна из составляющих современного шарнирного соединения робота.

Традиционные конструкции роботов часто сочетают в себе сервомотор, отдельный редуктор крутильных колебаний, внешний энкодер, внешний драйвер, тормоз и множество кабелей.

Такой подход обеспечивает гибкость, но также может увеличить габариты, вес, сложность проводки и объем работ по интеграции всего соединения.

Встроенный двигатель шарнира робота объединяет несколько этих компонентов в единый компактный модуль.

В зависимости от архитектуры модуль может объединять двигатель, редуктор крутильных колебаний, систему энкодера, драйвер, тормоз, датчик крутящего момента и интерфейсы связи.

Это меняет задачу проектирования: вместо разработки каждого компонента шарнира по отдельности, теперь необходимо выбрать подходящую интегрированную архитектуру шарниров для робота.

Для производителей роботов, разрабатывающих специализированные роботизированные манипуляторы, человекоподобных роботов, коллаборативных роботов, медицинское оборудование и системы точной автоматизации, это может значительно упростить механическую и электрическую интеграцию.

Как компания HONPINE подходит к проектированию двухконтурных двигателей для роботизированных суставов?

Компания HONPINE разрабатывает интегрированные модули шарниров для роботов, предназначенные для применений, где производительность двигателя, передача, обратная связь, механическая интеграция и управление должны работать как единая система.

Вместо того чтобы рассматривать редуктор гармоник как изолированный компонент трансмиссии, HONPINE интегрирует его с двигателем, энкодером, приводом и другими функциональными элементами в соответствии с требованиями различных архитектур роботов.

Серия TCHL ориентирована на создание высококомпактных шарниров для роботов, где особенно важны вес, монтажное пространство, обратная связь по выходному сигналу и измерение крутящего момента. Встроенный датчик крутящего момента и гибкая архитектура соединения делают их подходящими для применений, требующих компактных шарниров с учетом силы воздействия.

Серия HAG предлагает более широкий спектр вариантов крутящего момента и конфигурации, включая высокоточные абсолютные энкодеры, опциональную обратную связь с двумя энкодерами, датчики крутящего момента, тормоза и возможности промышленной связи. Это делает ее подходящей для применений, начиная от коллаборативных роботов и человекоподобных суставов и заканчивая промышленными роботизированными манипуляторами и прецизионной автоматизацией.

Серия HPJM-PRO разработана для высокопроизводительных робототехнических и автоматизированных систем, требующих высокой плотности крутящего момента, интегрированной электроники привода, точной обратной связи и компактной механической конструкции.

Важно понимать, что эти платформы не предназначены для того, чтобы заставить всех роботов использовать одну и ту же архитектуру суставов.

Различные роботизированные системы предъявляют разные требования к крутящему моменту, скорости, весу, точности, датчикам, торможению, связи и установке.

Таким образом, соответствующую архитектуру шарнирных двигателей следует выбирать в соответствии с фактическими механическими и управляющими требованиями робота.

От минимального люфта до полной обратной связи по выходному сигналу

Развитие технологий шарнирных соединений роботов выходит за рамки простого вопроса о том, имеет ли редуктор низкий люфт.

При разработке роботизированных систем следующего поколения инженерам необходимо учитывать всю цепочку движения.

Редуктор крутильных колебаний может обеспечить чрезвычайно малый люфт и высокие передаточные числа.

Высокоточный энкодер обеспечивает точное измерение угла.

Мощный двигатель способен развивать высокий крутящий момент и обеспечивать динамическое ускорение.

Однако эти компоненты раскрывают свой полный потенциал только тогда, когда механическая трансмиссия, система обратной связи, архитектура управления и конструкция в целом должным образом согласованы.

Именно поэтому двухканальные двигатели в шарнирах роботов становятся важным решением для применений, где фактическое выходное положение имеет такое же значение, как и положение двигателя.

Цель состоит не в том, чтобы утверждать, что двойной энкодер «устраняет» люфт в редукторе гармоник.

Цель состоит в том, чтобы более точно измерить фактический выходной сигнал шарнира и предоставить контроллеру информацию, необходимую для компенсации ошибок, связанных с передачей данных, и деформаций, зависящих от нагрузки.

Это гораздо более значимое инженерное преимущество.

Выбор правильной архитектуры двигателя шарнира робота

При выборе двигателя для шарнира робота инженерам следует учитывать не только номинальный крутящий момент и передаточное число.

Архитектуру обратной связи следует рассматривать одновременно с механической трансмиссией.

Для применений, требующих компактных размеров и малого веса, интегрированный шарнирный двигатель позволяет уменьшить пространство, занимаемое отдельными компонентами: двигателем, редуктором, драйвером и проводкой.

Для приложений, требующих высокой точности позиционирования, обратная связь на выходе может быть важнее, чем простое повышение разрешения энкодера двигателя.

В приложениях, связанных с физическим контактом, сборкой с контролем усилия, полировкой или взаимодействием человека и робота, встроенные датчики крутящего момента могут обеспечить дополнительный важный уровень обратной связи.

Для вертикальных соединений встроенный тормоз может повысить безопасность при отключении электропитания.

Для распределенных робототехнических архитектур интегрированные интерфейсы связи EtherCAT, CANopen или другие могут упростить интеграцию на системном уровне.

Таким образом, лучший двигатель для шарнира робота — это не обязательно тот, который обладает наивысшими характеристиками в какой-либо одной категории.

Это тот робот, чья механическая трансмиссия, архитектура обратной связи, возможности датчиков, система привода и физические размеры соответствуют реальным требованиям робота.

Заключение

Гармонические редукторы остаются одной из важнейших технологий передачи крутящего момента для высокопроизводительных шарниров роботов, поскольку они сочетают в себе компактные размеры, высокие передаточные числа, высокую плотность крутящего момента и чрезвычайно малый люфт.

Однако крайне малый люфт не следует путать с абсолютно нулевым люфтом.

Что еще более важно, низкий механический люфт сам по себе не гарантирует идеального позиционирования выходного вала при динамических нагрузках.

По мере того как роботы становятся быстрее, легче, более гибкими и интерактивными, взаимосвязь между положением двигателя и фактической производительностью суставов приобретает все большее значение.

Один энкодер измеряет параметры со стороны двигателя.

Архитектура с двумя энкодерами обеспечивает прямую обратную связь со стороны выхода.

Эта дополнительная информация позволяет системе управления лучше понимать особенности работы трансмиссии и компенсировать отклонения положения, вызванные механическими характеристиками и изменением нагрузок.

По этой причине двигатели шарниров роботов с двойными энкодерами особенно ценны в высокоточных и динамичных роботизированных приложениях.

Компания HONPINE предлагает несколько интегрированных платформ для двигателей шарниров роботов, включая TCHL, HAG и HPJM-PRO, что позволяет производителям роботов выбирать различные комбинации характеристик двигателя, гармонической передачи, обратной связи от энкодера, датчика крутящего момента, интеграции привода, торможения и связи в соответствии с требованиями их применения.

Будущее проектирования шарнирных соединений для роботов заключается не просто в достижении «нулевого люфта» в технических характеристиках.

Речь идёт о создании измеримой, управляемой и интегрированной системы движения, обеспечивающей требуемые выходные характеристики в реальных условиях эксплуатации.