Jak przekładnie planetarne napędzają przeguby robotów humanoidalnych — i dlaczego dominują-scenografie

Pełnowymiarowy-robot humanoidalny wymaga od 25 do 44 siłowników, w zależności od stopnia swobody. Każdy z nich musi generować znaczący moment obrotowy, mieścić się w obwiedni przestrzennej ludzkiej kończyny, przetrwać ciągłe obciążenie dynamiczne i zachować wystarczającą responsywność, aby system sterowania robota mógł wykrywać siły zewnętrzne i reagować na nie w czasie rzeczywistym. W całej branży siłowniki te stanowią od 40 do 60 procent całkowitego kosztu zestawienia materiałów robota, - co sprawia, że ​​wybór wspólnego układu napędowego jest jedną z najważniejszych decyzji inżynierskich w całym procesie projektowania.

Trudność polega na tym, że połączenie robota nakłada wymagania, które jednocześnie ciągną w przeciwnych kierunkach:

Do utrzymania ciężaru ciała i obsługi ładunku potrzebny jest wysoki moment obrotowy, - jednak skrzynia biegów musi pozostać kompaktowa i wystarczająco lekka, aby zmieścić się w kończynie.

Do kontrolowanej manipulacji wymagana jest dokładność pozycjonowania -, jednak przekładnia musi także mieć możliwość napędu wstecznego, co pozwala przegubowi na poddanie się siłom zewnętrznym, a nie na sztywne przeciwstawienie się im.

Aby utrzymać szerokość pasma sterowania i zapobiec oscylacjom kończyn pod obciążeniem, wymagana jest sztywność konstrukcyjna, -, jednak układ napędowy musi być również wystarczająco podatny, aby absorbować obciążenia udarowe podczas chodzenia i upadku, bez zwiększania odbitej bezwładności z powrotem do silnika w sposób, który może uszkodzić komponenty.

Standardowe przekładnie przemysłowe często nie nadają się do bezpośredniego zastosowania w przegubach robotów humanoidalnych ze względu na problemy konstrukcyjne. Dlatego obecnie dwie popularne opcje przegubów robotów to napęd harmoniczny i napęd planetarny, przy czym przekładnie planetarne stopniowo stają się coraz bardziej popularne, - zwłaszcza dwu-stopniowe przekładnie planetarne.

Przekładnia planetarna wzięła swoją nazwę od sposobu, w jaki się porusza: koła planetarne krążą wokół centralnego koła słonecznego, a wszystkie znajdują się w zewnętrznym kole koronowym.

Sprzęt słoneczny- podłączony do wału silnika, jest to wejście-dużej prędkości.

Przekładnie planetarne- zazwyczaj trzy, zazębiają się jednocześnie z kołem słonecznym i koronowym, krążąc po orbicie podczas obrotu.

Nośnik planety- podtrzymuje przekładnie planetarne i obraca się wraz z ich obrotem, służąc jako końcówka wyjściowa o niskiej-prędkości i wysokim-momencie obrotowym.

Koło zębate- pierścień zewnętrzny z zębami wewnętrznymi; w zastosowaniach związanych ze złączami robotów jest zwykle trzymany nieruchomo i służy jako obudowa reakcyjna.

Zaletą konstrukcyjną jest rozkład obciążenia. Ponieważ wiele przekładni obiegowych załącza się jednocześnie z kołem koronowym, przenoszony moment obrotowy jest rozdzielany na kilka punktów styku jednocześnie, - a nie skupiany na pojedynczym zazębieniu koła zębatego, jak w przypadku-układu równoległego wału. Rezultatem jest znacznie wyższa gęstość momentu obrotowego w tej samej obwiedni fizycznej.

W przypadku maszyn przemysłowych - przenośników, wciągarek, urządzeń mieszających - jest to przydatne, ale nie krytyczne. W skrzyni biegów jest dużo miejsca, waga jest odpowiednia, a jazda z tyłu-rzadko jest konieczna.

Połączenia robotów działają pod zupełnie innymi ograniczeniami. Siłownik musi mieścić się w kończynie-łuski ludzkiej, wytwarzać znaczny moment obrotowy z kompaktowego silnika i pozostać wystarczająco przezroczysty dla systemu sterowania, aby możliwe było wytworzenie siły sprzężenia zwrotnego. Przekładnia planetarna ze swoim współosiowym układem, wysokim stosunkiem mocy-do-masy i sprawnością powyżej 96% na stopień w naturalny sposób spełnia te wymagania w sposób, w jaki nie spełniają tego wymagania przekładnie-z równoległymi wałem ani napędy ślimakowe.

Jest to również jeden z powodów, dla których przekładnie planetarne stały się podstawową architekturą przekładniwspólne siłowniki robota.

Obecnie w konstrukcjach przegubów robotów humanoidalnych dominują trzy typy przekładni: przekładnie planetarne, napędy harmoniczne i reduktory RV. Każdy z nich ma odrębny profil wydajności. Zrozumienie, gdzie każdy z nich wyróżnia się -, a gdzie nie, -, jest podstawą każdego poważnego procesu wyboru wspólnego siłownika robota.

Sprawa przeciwko napędom harmonicznym w złączach dynamicznych

Napędy Harmonic zdobyły swoją reputację w przemysłowych ramionach robotycznych, - stacjonarnych, precyzyjnych-zadaniach pozycjonowania, gdzie priorytetem były zerowy luz i wysokie przełożenie w kompaktowej obudowie. W przypadku tych zastosowań kompromisy- są akceptowalne.

Przeguby robotów humanoidalnych działają w zasadniczo odmiennych warunkach. Dwa ograniczenia stają się krytyczne:

Utrata wydajności na dużą skalę

Przekładnia robota humanoidalnego to nie jedna jednostka -, to od 25 do 44 jednostek pracujących jednocześnie. Przy sprawności na przegub wynoszącej 70–85% łączne straty ciepła i mocy w całym układzie napędowym są znaczne, co bezpośrednio wpływa na czas pracy akumulatora i zarządzanie temperaturą.

Słaba zdolność do jazdy tyłem

To jest bardziej istotna kwestia. Możliwość jazdy wstecznej odnosi się do tego, jak łatwo siła zewnętrzna może przesunąć przegub do tyłu przez przekładnię. Wspólny siłownik robota o niskiej możliwości cofania jest skutecznie „odrętwiały” - system sterowania nie może wykryć sił reakcji podłoża, kontaktu z człowiekiem ani nieoczekiwanych obciążeń poniżej progu potrzebnego do pokonania tarcia wewnętrznego. W przypadku robota z nogami niezwykle trudne jest osiągnięcie stabilnego chodzenia i bezpiecznej interakcji międzyludzkiej. Napędy harmoniczne, ze względu na ich z natury wyższe tarcie wewnętrzne, radzą sobie tutaj słabo.

Linia flexspline -, cienki, elastycznie odkształcający się element w sercu każdego napędu harmonicznego -, wprowadza również ograniczenie trwałości zmęczeniowej w przypadku obciążenia udarowego o wysokiej-częstotliwości, co jest nieuniknione w przypadku poruszania się na nogach.

Gdzie każdy typ należy do humanoidalnego robota

W praktyce najbardziej zaawansowane dzisiejsze roboty humanoidalne nie korzystają z jednego typu przekładni. Wzorzec, który pojawił się w całej branży, jest zasadniczo spójny:

Stawy-dolnego ciała (biodra, kolana, kostki): wysoki moment obrotowy, ciągłe obciążenie udarowe i potrzeba przejrzystości siły sprawiają, że jest to naturalna domena przekładni planetarnej.

Stawy górnej- tułowia (barki, łokieć): średni moment obrotowy przy wyższych wymaganiach dotyczących precyzji. Przekładnie planetarne pozostają w tym przypadku konkurencyjne, szczególnie w konfiguracjach dwu-stopniowych, w których luz można utrzymać na poziomie 3 min łuku lub poniżej.

Stawy dystalne (nadgarstek, mechanizmy palcowe): Minimalna przestrzeń, niski moment obrotowy, najwyższe wymagania dotyczące precyzji. Tam, gdzie wymagane jest pozycjonowanie poniżej-minuty kątowej, zwykle stosuje się napędy harmoniczne lub warianty planetarne o niskim{{1}luzie luzu.

To wspólne-poprzez-połączone zróżnicowanie sprawia, że ​​dostawcy mogący produkować przekładnie planetarne o różnym stopniu luzu - zamiast jednej standardowej specyfikacji - są lepiej przygotowani do obsługi kompletnego systemu przegubów robota humanoidalnego.

 

 

 

 

Jedno-stopniowe przekładnie planetarne dobrze sprawdzają się w zastosowaniach z napędem quasi-bezpośrednim- (QDD), gdzie zamierzone jest niskie przełożenie - zazwyczaj od 6:1 do 12:1 -. Celem jest maksymalna możliwość jazdy wstecz i przejrzystość sterowania, kosztem konieczności stosowania większego i cięższego silnika do generowania użytecznego wyjściowego momentu obrotowego.

Jednak większość przegubów robotów humanoidalnych wymaga przełożeń znacznie wykraczających poza to, co może zapewnić efektywnie pojedynczy stopień. W tym przypadku standardową odpowiedzią stały się dwu-stopniowe przekładnie planetarne.

Luka proporcji, której nie można wypełnić pojedynczym etapem

Pojedynczy stopień planetarny zazwyczaj zapewnia przełożenia od 3:1 do 15:1. Wymagania dotyczące-momentu obrotowego na poziomie stawu dla siłowników biodrowych i kolanowych - często mieszczą się w zakresie od 80 do 200 Nm mocy wyjściowej silników obracających się z prędkością od 3000 do 8000 obr./min. - wymagają przełożenia od 20:1 do 80:1, które należy spełnić w przypadku silnika o praktycznych rozmiarach i wadze.

Dwa stopnie połączone szeregowo mnożą stosunek każdego stopnia: pierwszy stopień przy 6:1 w połączeniu z drugim przy 8:1 daje w sumie 48:1. Najważniejsze jest to, że osiąga się to przy zachowaniu współosiowości zespołu i niewielkim wzroście długości osiowej -, zwykle o 30 do 50% dłużej niż porównywalna jednostka-jednostopniowa, co pozostaje akceptowalne w przypadku geometrii kończyn humanoidalnych.

Co dwa etapy oferują poza proporcjami

Rozkład luzu. W dwu-stopniowej przekładni planetarnej błąd położenia nie podwaja się, ponieważ luz pierwszego stopnia (wejściowego) jest dzielony przez przełożenie redukcyjne drugiego stopnia (wyjściowego). W rezultacie całkowity luz systemu jest w dużej mierze zdominowany przez sam stopień wyjściowy. Dzięki starannemu-fazowaniu zazębienia i konstrukcji napięcia wstępnego całkowity luz systemu można utrzymać na poziomie od 3 do 8 min łuku - w akceptowalnym zakresie dla większości zastosowań związanych z przegubowym siłownikiem robota humanoidalnego poza nadgarstkiem.

Moment obrotowy i udarność. Ponieważ dwu-stopniowa przekładnia planetarna przekazuje ogromny końcowy wyjściowy moment obrotowy całkowicie wytrzymalszym przekładniom i nośnikowi planetarnemu drugiego stopnia, jej trwałość mechaniczna i wytrzymałość konstrukcyjna znacznie przewyższają trwałość jednostopniową przekładnię-o wysokim-redukcji, o tym samym całkowitym przełożeniu, podczas przenoszenia przejściowych obciążeń udarowych podczas chodzenia i uderzeń stopy.

Walidacja branżowa

Dwustopniowa konfiguracja planet nie jest preferencją teoretyczną -. odzwierciedla obserwowalne wybory projektowe w branży.

Schaefflerasiłownik z przekładnią planetarną, zaprezentowany na targach CES 2026i opracowany specjalnie dla przegubów robotów humanoidalnych, integruje dwustopniową-przekładnię planetarną z silnikiem, enkoderem i sterownikiem w jednym kompaktowym urządzeniu. Podany zakres momentu obrotowego od - 60 do 250 Nm - jest reprezentatywny dla tego, co dwu-projekty planetarne mogą zapewnić na poziomie połączeń bez uciekania się do cięższych lub mniej podatnych na ruch wsteczny rozwiązań alternatywnych.

Od strony produkcji niestandardowej wzór jest równie spójny. Większość rysunków przegubowych siłowników otrzymanych od twórców robotów humanoidalnych w Wielkiej Brytanii, USA i Kanadzie określa-dwustopniowe konfiguracje planetarne, z ogólnymi przełożeniami zwykle mieszczącymi się w przedziale od 25:1 do 60:1 i docelowym momentem wyjściowym zgodnym z wymaganiami stawu-dolnego i środkowego-korpusu.

Standardowe katalogowe skrzynie biegów są zbudowane w oparciu o typowe przemysłowe przełożenia i interfejsy. Rzadko pasują do nich przegubowe siłowniki robota humanoidalnego. Kołnierze silnika, interfejsy wyjściowe, budżety długości osiowej i stopnie luzu są prawie zawsze zależne od złącza--, co oznacza, że ​​skrzynia biegów musi zostać wyprodukowana zgodnie z rysunkiem.

Precyzja produkcji przekładni

Luz i wydajność określa się na etapie-nacinania i szlifowania kół zębatych. Dostawca podający wydajność klasy P0 (mniejszą lub równą 1 arcmin) bez przekładni uziemiających w klasie 5 ISO/DIN twierdzi, że proces nie jest w stanie obsłużyć.

W przypadku przekładni planetarnych robotów planetarnych istotne są trzy możliwości:

• Skoki biegów- najbardziej efektywny proces w przypadku kół koronowych wewnętrznych, pozwalający uzyskać spójne profile ewolwentowe na zębach wewnętrznych
• Szlifowanie przekładni- nie-podlega negocjacjom w przypadku dokładności klasy 5 i jakości wykończenia powierzchni wymaganej przez siatkę o małych-luzach
• Duży-zakres tonu- przekładnie planetarne do stawów humanoidalnych zazwyczaj mieszczą się w zakresie modułów 0,5–2,0; sprzęt dostawcy musi to zapewnić w sposób wygodny

Tolerancje obróbki elementów obudowy i nośnika

Tolerancje gniazd łożysk bezpośrednio wpływają na napięcie wstępne, które określa zarówno luz, jak i wydajność zmontowanej skrzyni biegów. W przypadku tarcz P1 lub P0 krytyczne otwory i koncentryczność wału nośnego muszą być utrzymywane na poziomie ±0,005 mm -, co wymaga precyzyjnego szlifowania, a nie standardowego frezowania CNC. Nie-krytyczne elementy konstrukcyjne można obrobić z dokładnością do ±0,01 mm bez wpływu na wydajność.

Od rysunku do dostarczonego montażu

Kompetentny dostawca powinien pokryć cały proces bez osobnego zarządzania pozyskiwaniem komponentów przez klienta:

Recenzja rysunku

Wykonalność przełożenia, wybór modułu, kompatybilność interfejsu z silnikiem i wałem wyjściowym oraz wszelkie wątpliwości dotyczące możliwości produkcyjnych zgłoszone przed wykonaniem oprzyrządowania.

Produkcja próbna

Pomiar luzów, badanie wydajności przy znamionowym momencie obrotowym, kontrola wymiarów i certyfikacja materiału w małej partii początkowej.

Produkcja seryjna

Uwzględnienie wszelkich korekt z przykładowych wyników przed skalowaniem.

Dostawcy produkujący całkowicie we własnym zakresie koła zębate koronowe, koła obiegowe, koła słoneczne, wsporniki i obudowy-zachowują ściślejszą kontrolę nad stosem tolerancji-w porównaniu z dostawcami podwykonawców poszczególnych komponentów.

Trzy problemy, które pojawiają się stale

Przekładnie planetarne, -w szczególności konfiguracje-dwustopniowe-, wypracowały sobie pozycję dominującej architektury przekładni w przegubach robotów humanoidalnych. Powody są mechaniczne, a nie przypadkowe: połączenie dużej gęstości momentu obrotowego, akceptowalnego luzu, rzeczywistej możliwości jazdy wstecz i konkurencyjnej masy po prostu lepiej pasuje do wymagań siłownika przegubowego niż alternatywne rozwiązania w przypadku większości stopni swobody robota.

Uzyskanie takich osiągów w niestandardowej przekładni przegubowej sprowadza się do dwóch rzeczy: określenia właściwych parametrów dla rzeczywistego przypadku obciążenia każdego przegubu oraz współpracy z producentem, którego możliwości w zakresie produkcji przekładni i obróbki odpowiadają klasom dokładności wymaganym w specyfikacji.

Jeśli opracowujesz przegubowy siłownik robota humanoidalnego i pracujesz na podstawie własnych rysunków, - niezależnie od tego, czy chodzi o pojedyncze elementy przekładni planetarnej, czy o kompletne zespoły przekładni -, chętnie zapoznamy się z Twoimi specyfikacjami i przekażemy bezpośrednią opinię na temat możliwości produkcyjnych, osiągalnego poziomu luzu i wykonalności przełożeń.