Kuidas planetaarsed käigukastid toidavad humanoidrobotite liigeseid – ja miks domineerivad kaks-lavakujundust

Täissuuruses-humanoidrobot vajab olenevalt selle vabadusastmest 25–44 ajamit. Igaüks neist peab tekitama tähendusliku pöördemomendi, sobima inimese jäseme ruumilise ümbrisega, üle elama pideva dünaamilise koormuse ja jääma piisavalt tundlikuks, et roboti juhtimissüsteem tunneks välisjõude reaalajas ja reageeriks neile. Kogu tööstusharus moodustavad need täiturmehhanismid 40–60 protsenti roboti kogumaterjalide kuludest -, mistõttu on ühise jõuülekande valik kogu projekteerimisprotsessis üks olulisemaid tehnilisi otsuseid.

Raskus seisneb selles, et robotliigend esitab nõuded, mis tõmbavad samaaegselt vastassuundades:

Kehakaalu toetamiseks ja kandevõimega toimetulemiseks - on vaja suurt pöördemomenti, kuid käigukast peab jääma piisavalt kompaktseks ja kergeks, et mahtuda jäsemesse.

Kontrollitud manipuleerimiseks - on vaja asenditäpsust, kuid jõuülekanne peab olema ka tagasijuhitav, võimaldades liigendil pigem välisjõududele järele anda, mitte neile jäigalt vastu seista.

Struktuurne jäikus on vajalik kontrolliriba laiuse säilitamiseks ja jäsemete võnkumiste vältimiseks koormuse all -, kuid jõuülekanne peab olema ka piisavalt ühilduv, et absorbeerida löögikoormust kõndimise ja kukkumise ajal, võimendamata peegeldunud inertsi tagasi mootorile viisil, mis kahjustab komponente.

Standardsed tööstuslikud käigukastid ei sobi sageli konstruktsiooniprobleemide tõttu humanoidrobotite liigendites otseseks kasutamiseks. Seetõttu on tänapäeval robotliigendite kaks populaarset valikut harmooniline ja planetaarajam, kusjuures planeedikäigukastid muutuvad järk-järgult populaarsemaks -, eriti kaheastmelised-planeedkäigukastid.

Planetaarne käigukast on oma nime saanud selle järgi, kuidas see liigub: planeedihammasrattad tiirlevad ümber keskse päikeseülekande, mis kõik paiknevad välimises rõngashammas.

Päikesevarustus- on ühendatud mootori võlliga, see on kiire-sisend.

Planeedi hammasrattad- tavaliselt kolm, need haakuvad samaaegselt nii päikese- kui ka rõngashammasrattaga ning tiirlevad pöörlemisel ringi.

Planeedi kandja- toetab planetaarülekandeid ja pöörleb koos nende pöördega, toimides väikese-kiiruse ja suure{2}}pöördemomendi väljundotsana.

Rõngas käik- sisemiste hammastega välimine rõngas; roboti ühisrakendustes hoitakse seda tavaliselt paigal, et toimida reaktsioonikorpusena.

Konstruktsiooni eeliseks on koormuse jaotus. Kuna mitu planeedi hammasratast ühendavad rõngasülekande korraga, jagatakse ülekantav pöördemoment korraga mitme kontaktpunkti vahel, - mitte kontsentreeritud ühele hammasrattavõrgule nagu paralleelse-võlli paigutuse korral. Tulemuseks on oluliselt suurem pöördemomendi tihedus samas füüsilises ümbrises.

Tööstusmasinate - konveierite, vintside, segamisseadmete - jaoks on see kasulik, kuid mitte kriitiline. Käigukastis on ruumi, kaal on juhitav ja tagasi-sõitmine on harva nõutav.

Robotliigendid töötavad täiesti erinevate piirangute all. Täiturmehhanism peab mahtuma inimese-skaala jäsemesse, väljastama kompaktse mootoriga tähendusliku pöördemomendi ja jääma juhtimissüsteemile piisavalt läbipaistvaks, et jõutagasiside on võimalik. Planeedi käigukast oma koaksiaalse paigutuse, suure võimsuse-/-massisuhtega ja efektiivsusega üle 96% astme kohta vastab loomulikult nendele nõuetele viisil, mida paralleelvõlli{6}}käigukastid või tiguajamid ei tee.

See on ka üks põhjusi, miks planetaarkäigukastidest on saanud põhiülekandearhitektuurroboti liigendajamid.

Tänapäeval domineerivad humanoidrobotite liigendites kolm ülekandetüüpi: planetaarkäigukastid, harmoonilised ajamid ja RV reduktorid. Igal neist on erinev jõudlusprofiil. Iga tõsise roboti liigendi täiturmehhanismi valimise protsessi aluseks on arusaamine, kus kumbki on suurepärane - ja mis jääb alla -.

Juhtum dünaamiliste liigeste harmooniliste ajamite vastu

Harmoonilised ajamid saavutasid oma maine tööstuslike robotkäte - statsionaarsete, täpsete-positsioneerimisülesannete puhul, kus esmatähtis oli null tagasilöök ja suur ülekandearv kompaktses komplektis. Nende rakenduste puhul on kompromissid-aksepteeritavad.

Humanoidrobotite liigesed töötavad põhimõtteliselt erinevates tingimustes. Kaks piirangut muutuvad kriitiliseks:

Tõhususe vähenemine mastaabis

Humanoidrobotite käigukast ei ole üks ühik -, vaid 25–44 ühikut, mis töötavad samaaegselt. 70–85% kasuteguriga liigendi kohta on kogu ajami soojus- ja võimsuskaod märkimisväärsed, mõjutades otseselt aku tööaega ja soojusjuhtimist.

Kehv tagant juhitavus

See on kõige olulisem probleem. Tagasijuhitavus viitab sellele, kui kergesti saab väline jõud liigendit ülekande kaudu tagasi liigutada. Madala tagantjuhitavusega roboti liigendajam on tõhusalt "tuim" -, juhtimissüsteem ei suuda tuvastada maapinna reaktsioonijõude, inimkontakti ega ootamatuid koormusi, mis jäävad allapoole sisemise hõõrdumise ületamiseks vajalikku läve. Jalgse roboti jaoks muudab see stabiilse kõndimise ja turvalise inimsuhtluse saavutamise äärmiselt keeruliseks. Harmoonilised ajamid töötavad siin oma olemuselt suurema sisehõõrde tõttu halvasti.

Flexspline - õhuke, elastselt deformeeruv komponent iga harmoonilise ajami keskmes - seab ka väsimuse eluea piirangu suure-sagedusliku löökkoormuse korral, mis on jalgade liikumisel vältimatu.

Kuhu iga tüüp kuulub humanoidrobotile

Praktikas ei kasuta enamik tänapäevaseid humanoidroboteid kogu ulatuses ühte ülekandetüüpi. Kogu tööstuses ilmnenud muster on üldiselt ühtlane:

Alumised-kere liigesed (puus, põlv, pahkluu): suur pöördemoment, pidev löögikoormus ja jõu läbipaistvuse vajadus muudavad selle planetaarkäigukasti loomulikuks valdkonnaks.

Ülemised{0}}keha liigesed (õlad, küünarnukid): mõõdukas pöördemoment suuremate täpsusnõuetega. Planetaarsed käigukastid jäävad siin konkurentsivõimeliseks, eriti kaheastmelises-konfiguratsioonis, kus lõtku saab hoida 3 kaareminuti juures või alla selle.

Distaalsed liigesed (randme-, sõrmemehhanismid): Minimaalne ruum, madal pöördemoment, kõrgeimad täpsusnõuded. Harmoonilised ajamid või madala-lõtkuga planeetide variante kasutatakse tavaliselt seal, kus on nõutav alam-kaareminuti positsioneerimine.

See liigend-liigendi eristamise tõttu on põhjus, miks tarnijad, kes on võimelised tootma planeedikäigukaste erinevate lõtkuklassidega -, mitte ühe standardspetsifikatsiooniga -, on paremas positsioonis, et toetada terviklikku humanoidrobotite liitesüsteemi.

 

 

 

 

Üheastmelised-planeetkäigukastid töötavad hästi kvaasi-otseajamiga-(QDD) rakendustes, kus madal ülekandearv - on tavaliselt 6:1 kuni 12:1 - tahtlik. Eesmärk on maksimaalne tagant juhitavus ja juhtimise läbipaistvus, mille arvel on kasuliku väljundpöördemomendi genereerimiseks vaja suuremat ja raskemat mootorit.

Enamik humanoidrobotite liigendeid vajab aga ülekandearvu, mis on palju suurem kui üks etapp suudab tõhusalt pakkuda. Siin on standardseks lahenduseks saanud kahe-astmeline planetaarkäigukast.

Ühe etapi vahekorda ei saa täita

Üks planeedi staadium annab tavaliselt suhted vahemikus 3:1 kuni 15:1. Puusa- ja põlveajami -taseme pöördemomendi nõuded - jäävad sageli vahemikku 80–200 Nm mootoritelt, mis pöörlevad 3000–8000 p/min - suhe 20:1 kuni 80:1, et täita praktilise suuruse ja kaaluga mootor.

Seeria kaks etappi korrutavad iga etapi suhte: esimene etapp 6:1 kombineerituna teise etapiga 8:1 annab kokku 48:1. See saavutatakse kriitiliselt, hoides koostu koaksiaalsena ja aksiaalse pikkuse suurenemise tagasihoidlikuna - tavaliselt 30–50% pikemana kui võrreldaval üheastmelisel{10}}üksusel, mis jääb humanoidse jäseme geomeetria piires vastuvõetavaks.

Mida kaks etappi pakuvad peale suhte

Tagasilöögi jaotus. Kahe-etapilise planetaarkäigukasti puhul asendiviga ei kahekordistu, kuna esimese (sisend)astme tagasilöök jagatakse teise (väljund)astme reduktsioonisuhtega. Selle tulemusena domineerib kogu süsteemi tagasilöök tugevalt ainult väljundfaasis. Hoolikas käigu-silma faasimise ja eelkoormuse konstruktsiooniga saab süsteemi kogu tagasilööki hoida 3 kuni 8 kaareminutist - enamiku humanoidrobotite liigendajami rakenduste jaoks väljaspool randme.

Pöördemoment ja löögivõime. Kuna kahe-astmeline planetaarkäigukast jaotab tohutu lõpliku väljundpöördemomendi täielikult teise astme tugevamatele hammasratastele ja planeedikandurile, ületavad selle mehaaniline eluiga ja konstruktsioonitugevus kaugelt ühe-astmelise suure-vähendusega alternatiivi omad, mis on sama üldise suhtega, kui käideldakse kõndimise ja jalalöögi ajal mööduvaid lööke.

Tööstuse kinnitamine

Kahe{0}}etapiline planeedi konfiguratsioon ei ole teoreetiline eelistus, - see peegeldab jälgitavaid disainivalikuid kogu tööstuses.

Schaeffleri omaplanetaarülekande ajam, mis esitleti CES 2026 messilspetsiaalselt humanoidrobotite liigendite jaoks välja töötatud, integreerib kahe{0}}astmelise planetaarkäigukasti koos mootori, koodri ja kontrolleriga ühte kompaktsesse seadmesse. Viidatud pöördemomendi vahemik - 60 kuni 250 Nm - esindab seda, mida kahe-etapilise planeedi konstruktsioon suudab liitetasandil pakkuda, kasutamata raskemaid või vähem tagasijuhitavaid alternatiive.

Kohandatud valmistamise poolelt on muster võrdselt ühtlane. Enamik Ühendkuningriigis, USA-s ja Kanadas humanoidrobotite arendajatelt saadud liigendajami jooniseid määratlevad kahe-etapilise planeedi konfiguratsiooni, mille üldised suhted jäävad tavaliselt vahemikku 25:1 kuni 60:1, ja väljundpöördemomendi sihtmärgid, mis vastavad madalamate-kere ja keskmise{7}}kere liigeste nõuetele.

Standardkataloogi käigukastid on üles ehitatud tavaliste tööstuslike ülekandearvude ja liideste ümber. Humanoidrobotite liigendajamid sobivad neile harva. Mootori äärikud, väljundliidesed, aksiaalpikkuse eelarved ja lõtku astmed on peaaegu alati liigendispetsiifilised -spetsiifilised -, mis tähendab, et käigukast tuleb toota joonise järgi.

Hammasrataste valmistamise täpsus

Tagasilöök ja tõhusus määratakse hammas{0}}lõikamise ja lihvimise etapis. Tarnija, kes viitab P0-klassi jõudlusele (vähem kui 1 kaareminutil) ilma maandusülekandeta ISO/DIN 5. klassiga, esitab väite, mida protsess ei saa toetada.

Spetsiaalselt planetaarsete roboti liigendkäigukastide puhul on olulised kolm võimalust:

• Käiku suusatamine- kõige tõhusam protsess sisemiste hammasrataste jaoks, mis loob sisehammastele ühtsed evolveprofiilid
• Hammasrataste lihvimine- pole-kaubeldav 5. klassi täpsuse ja pinnaviimistluse kvaliteedi osas, mida nõuab madal-lõtk
• Peen-helivahemik- humanoidliigeste planeedihammasrattad jäävad tavaliselt moodulivahemikku 0,5–2,0; tarnija varustus peab selle mugavalt katma

Korpuse ja kanduri komponentide töötlemise tolerantsid

Laagripesa tolerantsid mõjutavad otseselt eelkoormust, mis määrab kokkupandud käigukastis nii lõtku kui ka efektiivsuse. P1 või P0 sihtmärkide puhul tuleb kriitilisi avasid ja kandevõlli kontsentrilisust hoida ±0,005 mm - juures, mis nõuab täppislihvimist, mitte standardset CNC freesimist. Mittekriitilisi konstruktsioonielemente saab töödelda ±0,01 mm-ni ilma jõudlust mõjutamata.

Alates joonistamisest kuni tarnimiseni

Võimekas tarnija peaks katma kogu protsessi, ilma et klient haldaks komponentide hankimist eraldi:

Joonistamise ülevaade

Suhte teostatavus, mooduli valik, liidese ühilduvus mootori ja väljundvõlliga ning kõik valmistatavusega seotud probleemid, mis tõstatati enne tööriistade kasutuselevõttu.

Näidistoodang

Lõtku mõõtmine, efektiivsuse testimine nimipöördemomendiga, mõõtmete kontroll ja materjali sertifitseerimine väikese esialgse partii puhul.

Seeriatootmine

Kaasatakse kõik proovitulemuste kohandused enne skaleerimist.

Tarnijad, kes toodavad rõngashammasrattaid, planeedihammasrattaid, päikesevarustust, kandurit ja korpust täielikult -oma majas, säilitavad rangema kontrolli tolerantside üle-, kui üksikute komponentide alltöövõtulepingud.

Kolm probleemi, mis ilmnevad järjekindlalt

Planetaarsed käigukastid -, eriti kahe-astmelised konfiguratsioonid -, on saavutanud oma positsiooni humanoidrobotite liigendite domineeriva ülekandearhitektuurina. Põhjused on mehaanilised, mitte kaudsed: suure pöördemomenditiheduse, vastuvõetava lõtku, tõelise tagantjuhitavuse ja konkurentsivõimelise kaalu kombinatsioon sobib lihtsalt liigendi täiturmehhanismiga paremini kui alternatiivid enamiku roboti vabadusastmete puhul.

Selle jõudluse saavutamine kohandatud liigendkäigukastis taandub kahele asjale: iga liigendi tegeliku koormuse jaoks õigete parameetrite määramine ja koostöö tootjaga, kelle hammasrataste tootmis- ja töötlemisvõimalused vastavad spetsifikatsioonis nõutavatele täpsusastmetele.

Kui töötate välja humanoidroboti täiturmehhanismi ja töötate oma jooniste põhjal - kas üksikute planetaarülekande komponentide või terviklike käigukastikomplektide jaoks -, vaatame hea meelega teie spetsifikatsioonid üle ja anname otsest tagasisidet valmistatavuse, saavutatava tagasilöögiastme ja suhte teostatavuse kohta.