محركات BLDC للروبوت البشري: كيف تُطابق العزم والسرعة والحجم

إن الروبوت البشري مسألة عزم موزّعة على كل مفصل مُشغَّل في الجسم، والأرقام الثلاثة التي تصف كل مفصل من تلك المفاصل — مقدار العزم الذي عليه أن يحمله، ومقدار السرعة التي عليه أن يتحرّك بها، ومقدار الكتلة التي يستطيع الطرف أن يحملها — ليست مستقلة بعضها عن بعض. حرِّك أحدها فيتبعها الآخران. واختيار محرك BLDC لروبوت بشري يعني لذلك العثور على النقطة التي تتقاطع فيها المنحنيات الثلاثة عند كل مفصل بدوره، ثم التحقق من أن السجل المنشور يسند فعلاً النقطة التي وقع عليها الاختيار. وإن أُخطئ في الترتيب، فإما ألّا يستطيع الجهاز الوقوف، وإما ألّا يستطيع رفع قدميه.

الإجابة السريعة

ترتبط المقادير الثلاثة بمتغيّرين اثنين: نسبة التخفيض بين المحرك والمفصل، وجهد الناقل الذي يعمل عليه المحرك. فالنسبة المنخفضة مثل 6:1 تُبقي المفصل سريعاً وقابلاً للدفع العكسي لكنها تحتاج إلى محرك كبير لإنتاج عزم مفيد؛ أما النسبة المرتفعة مثل 64:1 فتنتج عزماً كبيراً من محرك صغير لكنها تصرف السرعة وتصرف كثيراً من قدرة المفصل على أن يُدفَع من حمل خارجي. وتُختار النسبة من دورة عمل المفصل، وتتبع الكتلة النسبة والعزم، والعزم الأقصى المنشور إفادة قصيرة النافذة لا ينبغي استخدامها كرقم تشغيل.

وعلى ToBMS يجمع تطبيق روبوت بشري مشغّلات CubeMars المدمجة التي تخدم مفاصل الروبوتات البشرية، من وحدة بكتلة 262 g بمرحلة 10:1 إلى وحدة بعمود مجوّف بكتلة 1396 g بعزم أقصى منشور 222 Nm. ويوضّح هذا الدليل كيف يُطابق العزم والسرعة والحجم مفصلاً بمفصل، ويقرأ ثماني وحدات منها كمجموعة مواصفات واحدة.

لماذا يكون مفصل الروبوت البشري مقايضة بين العزم والسرعة والحجم

الروبوت البشري يختلف عن الآلات الأخرى في أن هيكله وحمولته شيء واحد. فالذراع الصناعي مثبّت، ولا يلزم روابطه إلا أن تحمل قصورها الذاتي والأداة، ويمكن أن تُصنع قاعدته ثقيلة بقدر ما يتحمّله العميل. أما الروبوت البشري فعليه أن يحمل مشغّلاته وبطاريته وإلكترونياته على الأطراف نفسها التي تقوم بالعمل، وعليه أيضاً أن تُحرَّك تلك الأطراف بدقة تكفي للتوازن. وكل غرام يُضاف عند الركبة هو غرام على الورك أن يؤرجحه، وكل غرام يُضاف عند الورك هو غرام على الكاحل أن يصحّح عنه.

الواجب يصل قبل أي رقم طراز

أول رقم في مواصفة المفصل ليس عزماً. بل هو وصف لما يفعله المفصل خلال دورة واحدة: كم من الوقت يحمل حملاً ساكناً، وكم من الوقت يتحرّك ضد الجاذبية، وكم مرة يتسارع، وكم من ذلك الوقت يقضيه عند سرعة منخفضة تحت الحمل. فالورك الواقف يحمل نصيباً من كتلة الجسم دقائق في المرة الواحدة بحركة تكاد تكون معدومة. والركبة أثناء المشي تمتص صدمة في بضع عشرات من الملّي ثانية ثم تتأرجح بحرية. وقد يقضي المرفق في مهمة مناولة معظم نوبة العمل وهو يثبّت أداة عند زاوية شبه ثابتة. وهذه ثلاث مسائل حرارية وكهرومغناطيسية مختلفة، ويُحلّ كل منها عند نقطة مختلفة على مستوى العزم والسرعة.

طور الإسناد وطور التأرجح يطلبان طرفَي المنحنى المتقابلين

يتناوب مفصل الساق بين واجبين. ففي طور الإسناد يكون المفصل شبه ساكن تحت حمل قد يتجاوز وزن الجسم، وهذا مطلب عزم يكاد لا يحمل مكوّن سرعة. وفي طور التأرجح على المفصل نفسه أن يتحرّك عبر زاوية كبيرة بسرعة وبحمل يكاد يكون معدوماً، وهذا مطلب سرعة يكاد لا يحمل مكوّن عزم. وعلى محرك واحد أن يلبّي الاثنين، ونسبة التخفيض هي التي تحدّد كيف تُقسَّم المقايضة. فالنسبة المرتفعة تخدم طور الإسناد وتُعاقب طور التأرجح؛ والنسبة المنخفضة تفعل العكس. وهذا التناوب، لا أي رقم منفرد، هو ما يجعل تحديد مفاصل الساق في آلة ذات قدمين أصعب من تحديد محور مماثل في ذراع صناعي مثبّت، وهو أول ما يُنظر إليه عندما تُوزَّع مفاصل الروبوت البشري في منصة جديدة على أصناف المشغّلات.

القصور الذاتي المنعكس هو ما تحاربه حلقة التحكم فعلاً

بين المحرك وخرج المفصل يجلس صندوق التروس، وهو يقسم قصور الدوار على مربّع النسبة في الطريق إلى الخارج. ولذلك تقدّم النسبة المرتفعة إلى وحدة التحكم قصوراً ظاهرياً صغيراً جداً عند المفصل، وهو ما يسهّل التحكم في الموضع ويصعّب التحكم في القوة، لأن المفصل لم يعد يستطيع أن يتبيّن ما يدفعه. أما النسبة المنخفضة فتعكس قصوراً أكبر من الدوار إلى الخرج، وهو ما يجعل المفصل يُحسّ بالعالم وبالدفع العكسي على نحو متوقّع، ولهذا تُستخدم المفاصل شبه المباشرة بمراحل 8:1 أو 9:1 حيثما كان على الروبوت أن يلامس أجساماً مجهولة أو إنساناً. والنسبة نفسها التي تضبط العزم والسرعة تضبط هذا السلوك، فهي ليست تفصيلاً ميكانيكياً يمكن إصلاحه لاحقاً في البرمجيات.

استعادة التوازن حالة عابرة يجب أن تغطيها نافذة التصنيف

يُحافَظ على توازن ذي القدمين بعزوم تصحيحية تُطبَّق في جزء من الثانية من وقوع الاضطراب، وقد يبلغ مقدار تلك التصحيحات أضعاف العزم اللازم للثبات ساكناً. وهذه هي الحالة العابرة التي يجب أن يغطيها العزم الأقصى المنشور للمفصل، وهي السبب في أن نسب الذروة إلى القيمة الاسمية تبلغ نحو ثلاثة أمثال في بعض الطُرز ضمن مجموعة مشغّلات ToBMS الحالية. والمفصل المحدَّد مقابل حمله الساكن وحده سيُثبّت وضعية قائمة ثم يفشل في التعافي من دفعة، وهذا في منصة بشرية هو سقوط لا دورة فائتة.

كيف تحوّل نسبة التخفيض السرعة إلى عزم

نسبة التخفيض هي الرقم الأكثر نفعاً في مواصفة مفصل الروبوت البشري، لأنها تنقل كل مقدار من جانب المحرك إلى جانب المفصل على نحو ثابت. ومتى عُرفت النسبة، كانت سرعة المفصل هي سرعة المحرك مقسومة عليها، وعزمه هو عزم المحرك مضروباً فيها، ويمكن التحقق من الأرقام المنشورة للاثنين بعضها في مقابل بعض.

سرعة المفصل هي سرعة المحرك مقسومة على النسبة

وكل سرعة تُذكر لمشغّل مدمج هي سرعة خرج، أي الرقم الذي يراه المفصل. فوحدة AK80-6 KV100 بكتلة 485 g ومرحلتها 6:1 تنشر 800 rpm بدون حمل، بينما تنشر وحدة AK80-64 بكتلة 850 g ومرحلتها 64:1 سرعة 37 rpm على ناقل 24 V — أي معامل يقارب اثنين وعشرين في سرعة الخرج ناتج عن فرق في النسبة لا عن فرق في جودة المحرك. ولأن الدورة في الدقيقة وحدة غير مريحة للمفصل، يستحق الأمر التحويل: فالدورة الواحدة في الدقيقة تساوي 6 درجات في الثانية، وهو ما يجعل الوحدة ذات 800 rpm مفصلاً بسرعة 4800 درجة في الثانية بدون حمل، ووحدة 64:1 مفصلاً بسرعة 222 درجة في الثانية عند النقطة نفسها. والورك الذي عليه أن يتأرجح عبر 60 درجة في 300 ms يطلب 200 درجة في الثانية من خرج مستمر، وهذا المطلب الواحد يستبعد جزءاً كبيراً من الطرف المرتفع النسبة في أي تشكيلة مشغّلات.

يتضاعف العزم بالنسبة نفسها ناقص ما تستهلكه الترسية

الضرب حقيقي لكنه ليس مجانياً. فمرحلة 6:1 تحوّل 6 Nm عند المحرك إلى نحو 36 Nm عند المفصل ناقص الاحتكاك والخسائر في تعشيق التروس، ومرحلة 64:1 تحوّل 0.75 Nm إلى نحو 48 Nm بالحساب نفسه. ولهذا لا تكون أثقل الوحدات في تشكيلة أقواها تلقائياً: فوحدة AK60-39 V3.0 بكتلة 750 g تنشر 72 Nm من العزم الأقصى عبر مرحلة 39:1، بينما تنشر وحدة AK80-64 بكتلة 850 g مقدار 120 Nm عبر مرحلة 64:1، أي أن فرق كتلة قدره 100 g يشتري أفضلية عزم قدرها 67 في المئة لأن النسبة هي التي تقوم بالعمل. والنسبة أيضاً هي التي تحدّد ضريبة الكفاءة، لأن كل مرحلة تخفيض إضافية تكلّف نسبة صغيرة من القدرة المارّة عبرها وتزيد مساهمتها الخاصة في الخلوص (backlash).

قيمة KV مضروبة في جهد الناقل تحدّد السرعة على جانب المحرك

قيمة KV هي الثابت على جانب المحرك: وهي السرعة التي يدور بها الدوار لكل فولت من جهد الناقل المطبَّق، قبل المخفّض. وضرب KV في جهد الناقل والقسمة على النسبة يعطي تقديراً لسرعة الخرج بدون حمل، ويمكن التحقق من ذلك التقدير في مقابل الرقم المنشور كتدقيق حسابي على السجل. فبالنسبة لوحدة AK45-10 V3.0 KV75 على 24 V عبر 10:1، يعطي ضرب 75 في 24 والقسمة على 10 مقدار 180 rpm مقابل 180 rpm منشورة. وبالنسبة لوحدة AK60-6 V1.1 KV140 على 24 V عبر 6:1، يبلغ التقدير 560 rpm مقابل 560 rpm منشورة؛ ولوحدة AK80-6 KV100 على 48 V عبر 6:1 يبلغ 800 rpm مقابل 800 rpm؛ وبالنسبة لوحدة AK70-9 V3.0 KV60 ووحدة AK10-9 V3.0 KV60، وكلتاهما على 48 V عبر 9:1، يبلغ 320 rpm مقابل 320 rpm في الحالتين. والتطابق ليس شاملاً — فوحدة AKH70-48 V1.0 KV41 على 48 V عبر 48:1 يُقدَّر لها 41 rpm مقابل 35 rpm منشورة — وهذا بالضبط هو سبب أن سرعة الخرج المنشورة، لا قيمة مشتقة من KV، هي الرقم الذي يُصمَّم عليه.

النسبة المرتفعة تشتري عزماً وتصرف قابلية الدفع العكسي

يعمل أثران ضد المفصل كلما ارتفعت نسبته. الأول أن القصور الذاتي المنعكس عند الخرج يهبط بمربّع النسبة، فيصبح المفصل أسهل في الأمر وأصعب في الإحساس. والثاني هو الاحتكاك: فالمخفّض متعدد المراحل يقاوم العزم المطبَّق من جهة الخرج، وعند النسب المرتفعة قد تبلغ تلك المقاومة حداً يجعل المفصل لا يتحرك عندما يدفعه شخص أو سطح. وفي هذه المجموعة تنشر الوحدات المنخفضة النسبة نسباً هي 6:1 و9:1 و10:1، بينما تعمل الوحدات الحاملة للحمل عند 39:1 و48:1 و64:1، والانقسام بين المجموعتين يتبع السؤال عمّا إذا كان متوقعاً من المفصل أن يلامس على نحو مطاوع أو أن يحمل حملاً كبيراً بهدوء. والخلوص مواصفة رفيقة تتحرك في الاتجاه المعاكس: فتنشر وحدات هذه المجموعة قيماً بين 0.18 و0.55°، والنسبة المنخفضة مع رقم خلوص محكم هي التركيبة التي تمنح المفصل خاصيته: أن يُحسّ صلباً تحت ضغط اليد مع بقائه قابلاً للدفع.

مطابقة العزم: الاسمي والأقصى والنافذة خلف كل منهما

العزم هو المحور الذي تُتخذ عنده أولاً معظم قرارات مفاصل الروبوت البشري، والذي تُتخذ عنده معظمها خطأً في البداية. وتظهر في سجل المصنّع ثلاثة أرقام متمايزة، وهي تجيب عن ثلاثة أسئلة مختلفة.

العزم الأقصى نافذة لا قدرة

يصف العزم الأقصى ما يمكن للمشغّل أن ينتجه لفترة قصيرة — وهي عادةً الزمن اللازم لتسريع طرف أو لإيقاف اضطراب — دون تجاوز حدّ تيار وحدة القيادة أو إفقاد أي مغناطيسية. وهو الرقم الصحيح لحالة استعادة توازن أو للحظة الأولى من رفع، وهو الرقم الخطأ لكل ما يجب تكراره. وفي هذه المجموعة تتراوح نسبة الأقصى إلى الاسمي من 2.0 في AK80-6 إلى 3.4 في AK70-9 V3.0، فيمكن أن يختلف مشغّلان بالعزم الاسمي نفسه بأكثر من النصف في الحالة العابرة التي سيوصلانها. وقراءة عمود الأقصى وحده تطمس ذلك الفرق وتنتج قائمة مختصرة ستحترق في الخدمة المستمرة.

العزم الاسمي محدود بالمسار الحراري للملف

العزم الاسمي إفادة ذات طابع حراري. وهو العزم الذي يستطيع المشغّل أن يحمله إلى ما لا نهاية مع بقاء الملف داخل صنف عزله، ولذلك يعتمد على كيفية خروج الحرارة من العضو الثابت — عبر الغلاف، وإلى هيكل التركيب، وبعيداً عن غلاف المفصل نفسه. ولهذا يكون الرقم الاسمي أقل في غلاف صغير محكم من غلاف كبير للمحرك نفسه، ولهذا يكون العزم الاسمي لمفصل في نهاية ذراع مسألة مختلفة عن المفصل نفسه مربوطاً بحاضنة ورك بكتلة حرارية كبيرة خلفه. وتتراوح الأرقام الاسمية في هذه المجموعة من 2.5 Nm عند طرف 262 g إلى 74 Nm عند طرف 1396 g، والرقم الاسمي هو الذي ينبغي مقارنته بمتوسط حمل المفصل لا بأسوأ حالاته. والتدقيق الحسابي الذي يغلق الحلقة غالباً هنا هو العزم الاسمي مضروباً في السرعة الاسمية بالراديان في الثانية مقابل القدرة الاسمية المنشورة: فوحدة AK60-6 V1.1 تعطي 3 Nm عند 420 rpm أي 132 W مقابل 130 W منشورة، ووحدة AK70-9 V3.0 تعطي 231 W مقابل 231 W، ووحدة AK60-39 V3.0 تعطي 176 W مقابل 176 W، ووحدة AK10-9 V3.0 تعطي 443 W مقابل 442 W. وحيث لا يتقارب الرقمان، يكون الفرق عادةً راجعاً إلى جهد الناقل الذي ذُكرت عنده السرعة.

عزم التثبيت عند السكون مسألة تيار

المفصل الذي يقف ساكناً تحت الحمل لا يؤدي عملاً معدوماً من وجهة نظر الملف. فعلى وحدة القيادة أن تدفع تياراً في الأطوار لتثبيت الموضع، والفقد النحاسي الناتج يماثل ما لو كان المفصل يتحرك ببطء. ولذلك يكون للروبوت البشري الواقف سحب قدرة ساكن يتناسب مع عزم التثبيت لكل مفصل محمَّل في الوضعية، والتيار عند نقطة التشغيل الاسمية هو الرقم المهم: ففي هذه المجموعة يتراوح التيار الاسمي من 1.9 A في AK45-10 V3.0 على 24 V إلى 10.7 A في AK10-9 V3.0 على 48 V. وعلى منصة تعمل بالبطارية يُدفع ثمن ذلك السحب من التحمل، ولهذا يستحق الأمر تصميم وضعية يمكن تثبيتها بحاجز ميكانيكي.

كثافة العزم مقروءة في مقابل الكتلة التي على المفصل أن يحملها

كثافة العزم هي الرقم الذي يربط محور العزم بمحور الحجم، وهي لا تكون ذات معنى إلا إذا ذكرت الكتلة وأيّ عزم استُخدم. وعبر الوحدات الثماني أدناه، يتراوح العزم الأقصى المنشور لكل كيلوغرام من نحو 24.5 Nm/kg في AK60-6 V1.1 بكتلة 368 g إلى نحو 159 Nm/kg في AKH70-48 V1.0 بكتلة 1396 g، بينما يتراوح العزم الاسمي لكل كيلوغرام من نحو 8.2 Nm/kg إلى نحو 53 Nm/kg في الوحدتين أنفسهما. وكلاهما حسابي من الأرقام المسجّلة. والتباعد الواسع ليس مصادفة في جودة التصنيع: بل هو ما تفعله النسبة، لأن الوحدات المرتفعة النسبة تنتج عزمها من محرك أصغر يدور أسرع، وكتلة المخفّض الإضافية صغيرة بالمقارنة مع الكتلة التي يوفّرها المحرك الأصغر.

مطابقة السرعة عند المفصل لا عند الدوار

عادةً ما تُذكر متطلبات السرعة في الروبوت البشري كزاوية يجب قطعها في زمن معيّن، ونادراً ما تُذكر على الصواب في المرة الأولى. وتحويل مطلب المفصل إلى مواصفة مشغّل يمرّ عبر النسبة، والنسبة تُختار لأسباب عزم، لذا يجب حلّ القيدين معاً لا بالتتابع.

طور التأرجح يحدّد مطلب سرعة الساق

على الساق أثناء المشي أن تأتي بالقدم إلى الأمام عبر مدى للركبة يقارب 60 إلى 90 درجة في 300 إلى 400 ms، وهذا يطلب 150 إلى 300 درجة في الثانية من سرعة المفصل المستمرة أثناء التأرجح وأقل من ذلك على امتداد دورة المشية كاملة. وفي الوحدات الثماني أدناه يخدم هذا النطاقَ الصنفان 485 g و540 g عند 6:1 و9:1، والسرعتان الاسميتان المنشورتان لهما 603 rpm و260 rpm تقابلان نحو 3618 و1560 درجة في الثانية على التوالي — وهي هامش كبير، وهو ما يتيح لحلقة سرعة المفصل أن تتسارع وتتباطأ داخل طور التأرجح بدلاً من العمل بمعدل ثابت. ولا تُستبعد الوحدات المرتفعة النسبة من الأرجل، لكنها تُستخدم حيث يكون المفصل قريباً من الأرض ويكون مسار الحمل محكوماً بطور الإسناد لا بطور التأرجح.

التتبّع والوصول يحدّدان سرعة الذراع

يحدّد مطلب سرعة الذراع المسار الذي عليها أن تتبعه، لا حركة واحدة. فمهام المناولة — الوصول إلى نقطة، وتتبّع سطح، والتقاط جسم مقذوف — تحتاج تتبّعاً متصلاً للموضع والسرعة، والرقم ذو الصلة هو قدرة المفصل على التسارع في وسط مداه لا سرعته بدون حمل عند طرفه. والذراع أيضاً أكثر تسامحاً مع الكتلة من الساق، لأن الكتف يحمل المرفق والرسغ لكن السلسلة كلها لا يلزم تسريعها ضد الجاذبية في كل خطوة. وهذه التركيبة تجعل وسط المدى موضعاً معقولاً لبدء مواصفة الذراع: ففي هذه المجموعة تقدّم وحدة AK70-9 V3.0 بكتلة 540 g عند 9:1 سرعة اسمية 260 rpm وعزماً أقصى 29.2 Nm، وهو ما يغطي مرفقاً أو انحناء كتف في هيكل مدمج.

السرعة بدون حمل سقف قلّما تبلغه الحلقة

السرعة المنشورة بدون حمل هي سرعة الخرج عند جهد الناقل بدون حمل ودون تدخّل من وحدة التحكم. والمفصل الحقيقي لا يبلغ تلك النقطة، لأنه بمجرد أن يلزمه حمل أي شيء أو تسريعه يتحرك نقطة التشغيل إلى الخلف على خط العزم والسرعة، ولأن حلقة السرعة تحدّ من الأمر. والاستخدام العملي لرقم الحمل المعدوم هو كحدّ أعلى عند التحقق من جدوى السرعة المطلوبة: فمطلب مفصل يبلغ 200 درجة في الثانية يقع مريحاً داخل سقف 4800 درجة في الثانية، ويقع قريباً على نحو غير مريح من سقف 222 درجة في الثانية. وحيث يقترب المطلب من السقف، سيقضي المفصل عمره عند تيار مرتفع، وتنتمي النتيجة الحرارية إلى حساب دورة العمل لا إلى حاشية.

مطابقة الحجم: الأبعاد الخارجية والتجويف وكلفة الكتلة البعيدة

الحجم هو المحور الذي تحدّده حركية منصة الروبوت البشري، وهو المحور الذي يتيح أقل قدر من المقايضة. فالمشغّل الذي لا يتّسع له الفراغ بين رابطين لا يمكن جعله يتّسع بأي مقدار من الضبط، والمشغّل الثقيل في الموضع الخطأ من السلسلة يغيّر ديناميكية الآلة لا ميزانية كتلتها وحدها.

الكتلة البعيدة تُحتسب مرة أخرى عند كل مفصل فوقها

وغرام واحد في القدم تسرّعه الكاحل والركبة والورك في كل تأرجح، فيُدفع ثمنه ثلاث مرات في الخطوة. والغرام نفسه عند الورك يُدفع ثمنه مرة واحدة. وهذه هي الحجّة لوضع أصغر وحدة وأخفّها قادرة على أداء العمل عند الطرف البعيد، وإبقاء الكتلة للمفاصل التي عليها توليد أكبر العزوم، وهذا ظاهر في تخطيط هذه المجموعة: فوحدات 262 g و368 g تحمل عزمين اسميين 2.5 Nm و3 Nm لعمل الرسغ واليد والكاحل، بينما تحمل وحدتا 940 g و1396 g عزمين اسميين 18 Nm و74 Nm للوركين والركبتين. وقلب ذلك الترتيب — أي وضع مشغّل كبير عند مفصل بعيد طلباً للهامش — يجعل المفاصل القريبة تعمل بجهد أكبر بقية عمر الآلة.

تجاويف الكابلات وعمر الضفيرة داخل الطرف

مفصل الروبوت البشري يدور، وكل ما عليه أن يعبر ذلك الدوران — القدرة وأسلاك الحسّاسات وأحياناً السائل أو الهواء — إما يمرّ عبر حلقة انزلاق، وإما عبر حلقة خدمة عليها أن تصمد ملايين دورات الانثناء، وإما عبر المشغّل نفسه. ووحدة AKH70-48 V1.0 KV41 بكتلة 1396 g مشغّل كوكبي بعمود مجوّف، أي أن مسار الكابل يمرّ عبر مركز المفصل لا حوله، وهو ما يرفع حلقة الخدمة من أبعاد المفصل كلياً. وحيث لا يتوفر تجويف، يجب تصميم الحلقة لنصف قطر انحناء وعمر دورات يستحق أن يُقارَن بالخدمة المقصودة للآلة. ولذلك فإن عمود الأبعاد الخارجية في الجدول أدناه ليس مجرّد قطر يجب أن يتّسع له؛ فقطر 90 mm وطول 81.5 mm في الوحدة ذات العمود المجوّف لا يكونان ذوي معنى إلا مع التجويف المارّ عبرها.

أصناف الأقطار وطول الحزمة والنمط الذي يمكن للهيكل أن يتخذه

تتجمّع المشغّلات المدمجة في أصناف أقطار لأن المخفّض والمحرك يتشاركان المحور نفسه. وفي هذه المجموعة الأقطار هي 53 mm و79 mm و89 mm و90 mm و98 mm، والأطوال تتراوح من 38.5 mm إلى 81.5 mm. والقطر عادةً هو القيد الأصعب، لأن مقطع الرابط تحدّده البنية التي عليها حمل الحمل، بينما يمكن غالباً استيعاب الطول في طول الرابط نفسه. والمفصل الذي عليه أن يجلس داخل فخذ يحتاج حزمة رقيقة عريضة؛ والمفصل الذي يجلس على الجانب الخارجي من حاضنة ورك يمكنه أن يقبل حزمة أطول. وواجهة التركيب لا تقلّ أهمية عن الحجم: فالمشغّل المربوط ببراغي إلى صفيحة عند أحد طرفيه والذي يقود رابطاً عند الطرف الآخر يفرض مسار حمل عبر غلافه، فتصبح صلابة الغلاف جزءاً من صلابة المفصل، وهي بدورها تضبط كيف تتصرّف الآلة تحت صدمات المشي.

ثمانية مشغّلات CubeMars لمفاصل الروبوت البشري كمجموعة مواصفات واحدة

يقرأ الجدول أدناه ثمانية مشغّلات روبوتية من CubeMars كمجموعة مواصفات واحدة، مرتّبة حسب الكتلة المنشورة، لأن الكتلة هي المحور الذي تُهندَس عليه منصة الروبوت البشري، ولأن تفاوت النسبة عبر هذه الثماني يغطي كامل مقايضة العزم والسرعة من وحدة بعيدة بكتلة 262 g إلى مفصل بعمود مجوّف بكتلة 1396 g. وكل رقم هو قيمة منشورة من المصنّع؛ وكل رقم مشتق في النص موسوم بأنه حسابي.

العزم الاسمي والأقصى، وجهد التغذية، ونسبة التخفيض، والوزن، والأبعاد الخارجية كما نشرها المصنّع. والعزم الاسمي هو الرقم المستمر ضمن الحدود الحرارية للمشغّل؛ والعزم الأقصى رقم قصير النافذة. ووحدة AKH70-48 V1.0 وحدة بعمود مجوّف، لذا تُذكر أبعادها الخارجية مع تجويف كابل يمرّ عبر المحور.

وقراءتها كمجموعة واحدة تصف سلّماً للعزم من 7 Nm إلى 222 Nm من العزم الأقصى المنشور عبر مدى كتلة من 262 g إلى 1396 g، وهذا السلّم ليس على شكل ترتيب الكتلة نفسه. ففوق نقطة 540 g يتوقف الترتيب عن متابعة الكتلة: فعزم 72 Nm في وحدة AK60-39 V3.0 بكتلة 750 g يفسح المجال لعزم 120 Nm في وحدة AK80-64 بكتلة 850 g، ثم تتجاوز وحدة 850 g في العزم الوحدة الأثقل AK10-9 V3.0 بكتلة 940 g لأن مرحلتها 64:1 تقايض السرعة مقابل 9:1. ومن يقرأ الجدول بالكتلة وحدها سيختار الوحدة الخطأ؛ ولا بد من قراءة عمود النسبة مع عمودَي العزم.

وتقول كثافة العزم الشيء نفسه في رقم واحد. فالعزم الأقصى المنشور لكل كيلوغرام، وهو حسابي من العمودين المسجّلين، يتراوح من نحو 24.5 Nm/kg في وحدة 368 g ونحو 24.7 Nm/kg في وحدة 485 g إلى نحو 141 Nm/kg في وحدة 850 g ونحو 159 Nm/kg في وحدة 1396 g. وفارق يبلغ ستة أضعاف هو النسبة وهي التي تقوم بالعمل: فالوحدات المرتفعة النسبة تولّد عزمها من محرك صغير سريع وتدفع ثمنه من سرعة الخرج، بينما تولّده الوحدات المنخفضة النسبة مباشرة وتحتفظ بسرعتها. والعزم الاسمي لكل كيلوغرام يحكي القصة نفسها في مدى أضيق، من نحو 8.2 Nm/kg عند طرف 368 g إلى نحو 53 Nm/kg عند طرف العمود المجوّف، وهو الرقم الأنفع من الاثنين عندما يكون المفصل حاملاً حملاً دقائق في المرة لا ملّي ثوانٍ.

تهبط السرعة كلما ارتفعت النسبة، وتهبط على نحو يستحق ذكره بالدرجات لا بالدورات. وبتحويل السرعات المنشورة بدون حمل والاسمية عند 6 درجات في الثانية لكل دورة في الدقيقة، تمتد الوحدات الثماني من نحو 4800 درجة في الثانية من سرعة الخرج بدون حمل عند طرف 6:1 نزولاً إلى 222 درجة في الثانية عند طرف 64:1، مع سرعات اسمية تتراوح من نحو 3618 درجة في الثانية نزولاً إلى نحو 138 درجة في الثانية في الوحدات نفسها. والورك الذي عليه أن يتأرجح 60 درجة في 300 ms يطلب 200 درجة في الثانية، وهو داخل النصف المنخفض النسبة من الجدول وقريب من سقف النصف المرتفع النسبة. وهذه المقارنة، إن أُجريت قبل اختيار الطراز، هي ما يُبقي التصميم بعيداً عن موضع الاضطرار إلى تفسير ساق بطيئة.

قراءة الثمانية من الكاحل إلى الورك

تشكّل مفاصل المنصة البشرية سلسلة من المحاور البعيدة عند الرسغين والكاحلين إلى الورك والركبة، وينتقل المطلب على امتدادها على نحو مطّرد: يرتفع العزم، وتهبط السرعة، وترتفع الكتلة الممكن تحمّلها مع مسافة المفصل عن الأرض. وتتوزّع الوحدات الثماني أدناه على تلك السلسلة في أربع مجموعات.

طرف 262 g و368 g: محاور الرسغ واليد والكاحل

تحمل أصغر الوحدات في هذه المجموعة الواجبات المنخفضة العزم والمتوسطة السرعة. فوحدة AK45-10 V3.0 KV75 تزن 262 g في غلاف بقطر 53 mm وطول 45.2 mm، وتدير مرحلة 10:1 لعزم اسمي 2.5 Nm وعزم أقصى 7 Nm على ناقل 24 V، وتنشر سرعة خرج اسمية 120 rpm وبدون حمل 180 rpm مع خلوص 0.3°. وقدرتها الاسمية المنشورة 39 W وتيارها الاسمي 1.9 A، وهو ما يُبقي التوصيلات إلى رابط بعيد صغير بسيطاً. أما وحدة AK60-6 V1.1 KV140 فتنتقل إلى قطر 79 mm وكتلة 368 g لعزم اسمي 3 Nm وأقصى 9 Nm عبر مرحلة 6:1، ومحركها KV140 على 24 V ينتج 420 rpm اسمية و560 rpm بدون حمل، وهو أسرع خرج في هذه المجموعة عند نحو 3360 درجة في الثانية بدون حمل. وهذه التركيبة — نسبة منخفضة وعزم متواضع وسرعة خرج مرتفعة — هي التي تناسب كاحلاً عليه أن يعيد تمركزه بسرعة تحت القدم، أو رسغاً عليه أن يجري تصحيحات صغيرة سريعة. ورقم الخلوص 0.55° هو الأكثر ارتخاءً المنشور في هذه المجموعة، وهو النتيجة المتوقعة لنسبة منخفضة مع محرك سريع.

منتصف 485 g و540 g: تتبّع المرفق وركبتان سريعتان

منتصف المجموعة هو موضع الذراع ومفاصل الساق الأسرع. فوحدة AK80-6 KV100 وحدة بكتلة 485 g وقطر 98 mm وطول 38.5 mm تنتج عزماً اسمياً 6 Nm وأقصى 12 Nm عند نسبة 6:1 على ناقل 48 V، بسرعة اسمية 603 rpm وبدون حمل 800 rpm وقدرة اسمية منشورة 340 W. ونسبة الأقصى إلى الاسمي فيها 2.0 وهي الأضيق في المجموعة، وهو ما يجعلها الوحدة المختارة عندما تكون الدورة أقرب إلى المستمر منها إلى العابر. أما وحدة AK70-9 V3.0 KV60 فهي الفكرة نفسها بخطوة أعلى في النسبة: كتلة 540 g في غلاف بقطر 89 mm وطول 49 mm، ومرحلة 9:1، وعزم اسمي 8.5 Nm وأقصى 29.2 Nm عند 48 V، وسرعة اسمية 260 rpm وبدون حمل 320 rpm، وقدرة اسمية 231 W وخلوص 0.3°. ومضاعف الأقصى إلى الاسمي فيها 3.4 وهو الأوسع في المجموعة، لذا فهي الوحدة الأنسب حيث تكون الحالة العابرة هي حالة التصميم والحمل المستمر متواضعاً. وللوحدتين تطبيقات موثّقة: فقد نشر المصنّع دراسة حالة لوحدة AK80-6 في منصة بحثية، وهي مدمجة أدناه.

صنف 750 g و940 g: الوركان والركبتان وحمل الإسناد الواحد

هذا هو الصنف الذي يحمل الآلة. فوحدة AK60-39 V3.0 KV80 وحدة بكتلة 750 g في غلاف بقطر 79 mm وطول 67 mm، تدير مرحلتها 39:1 لعزم اسمي 24 Nm وأقصى 72 Nm عند 48 V، بسرعة اسمية 70 rpm وبدون حمل 98 rpm، وقدرة اسمية 176 W وخلوص 0.25°. أما وحدة AK10-9 V3.0 KV60 فتزن 940 g في غلاف بقطر 98 mm وطول 61.7 mm، وتقرن مرحلة 9:1 بترتيب مزدوج للمشفّر لعزم اسمي 18 Nm وأقصى 53 Nm عند 48 V، بسرعة اسمية 235 rpm وبدون حمل 320 rpm وقدرة اسمية منشورة 442 W عند تيار اسمي 10.7 A. وتقدّم الوحدتان الحجّة نفسها من اتجاهين متعاكسين: فوحدة 39:1 تشتري عزمها بالنسبة وتتخلى عن سرعة الخرج، بينما تحتفظ وحدة 9:1 بسرعتها وتحتاج محركاً أكبر لإنتاج العزم. والورك الذي عليه أن يحمل حمل الإسناد الواحد ثم يمتد بسرعة يفضّل الترتيب الثاني؛ والركبة القريبة من الأرض والتي نادراً ما تحتاج إلى الحركة بسرعة تفضّل الأول. والخلوص منشور لوحدة 39:1 عند 0.25°؛ أما سجل وحدة 9:1 في هذه المجموعة فلا يحمل رقم خلوص، وهذه الفجوة تنتمي إلى قائمة الأسئلة الموجّهة إلى المصنّع لا إلى افتراض.

الطرف الثقيل عند 48:1 و64:1: حيث تُصرف السرعة عن قصد

أعلى الجدول مخصّص للمفاصل التي تكون فيها سرعة الخرج بنداً يقبل المصمّم التضحية به. فوحدة AK80-64 KV80 تزن 850 g في غلاف بقطر 98 mm وطول 61.9 mm وتنتج عزماً اسمياً 48 Nm وأقصى 120 Nm عبر مرحلة 64:1، وتقبل 24 V أو 48 V؛ وسرعة خرجها المنشورة 23 rpm اسمية و37 rpm بدون حمل على 24 V، أو 48 rpm اسمية و75 rpm بدون حمل على 48 V، مع خلوص 0.18° وهو الأحكم في هذه المجموعة. أما وحدة AKH70-48 V1.0 KV41 فهي الأثقل بكتلة 1396 g في غلاف بقطر 90 mm وطول 81.5 mm، وتنتج عزماً اسمياً 74 Nm وأقصى 222 Nm عبر مرحلة 48:1 على ناقل 48 V، بسرعة اسمية 28 rpm وبدون حمل 35 rpm وخلوص 0.2°. وعمودها المجوّف هو السمة التي تفصلها عن البقية: فمسار الكابل يمرّ عبر المحور، وهو ما يتيح بناء ورك أو ركبة ثقيلة دون حلقة خدمة حول المفصل. وتستقرّ الوحدتان في المئات الدنيا من الدرجات في الثانية عند الخرج، وهو ما يناسب ركبة حاملة للحمل أو وركاً مسنوداً، ويستبعدهما من أي مفصل عليه أن يُكمل تأرجحاً في بضع مئات من الملّي ثانية. وقد نشر المصنّع اختبار حمل للوحدة ذات العمود المجوّف، وهو مدمج أدناه؛ وسجل المواصفات الكامل لها على صفحة منتج المصنّع.

المنصات البشرية التي تناسبها محركات هذه المفاصل

ترتبط كل وحدة في هذا الجدول على ToBMS بالتطبيق نفسه، وهو ما يعكس ضيق هذا الواجب: فتطبيق روبوت بشري يغطي الآلات التي تكون مفاصلها قيدَ التصميم الأساسي لا ملحقاً لبنية مثبّتة.

منصات البحث ذات القدمين والمنصات الكاملة

تُبنى منصات البحث لتُجهَّز بالحسّاسات وتُعاد بناؤها، لذا تُكتب مواصفة المفصل حول قابلية التحكم وقابلية التكرار لا حول عمر الخدمة. والنسب المنخفضة والمتوسطة هي السائدة هنا، لأن المفصل القابل للدفع العكسي مفصل يمكن دراسته باليد وتقدير عزمه من تيار المحرك دون حسّاس إضافي. ونسب الأقصى إلى الاسمي المنشورة في وسط هذا الجدول تناسب نمط الاستخدام ذلك تماماً: فالنموذج الأولي يقضي معظم عمره عند كسر من العزم الاسمي وأحياناً عند مضاعف منه.

الآلات ذات الأرجل والآلات ذات العجلات والأرجل

الآلات التي تمشي، والآلات التي تدور على عجلات مركّبة على أرجل مفصلية، تُمرّر المفصل عبر أوسع مدى من ظروف الحمل في هذا التطبيق: سرعة شبه معدومة عند عزم مرتفع في طور الإسناد، وسرعة مرتفعة عند عزم منخفض في طور التأرجح، وأحمال صدمية عند الطرفين. والسؤال ذو الصلة هو ما إذا كان السجل المنشور يغطي حالة الصدم أصلاً، وهو في هذه المجموعة يغطيها في رقم العزم الأقصى ولا يغطيها في الحمل الصدمي الذي يصل عبر البنية. وتلك الفجوة تُغلق مع المصنّع لا مع ورقة بيانات.

أجهزة المساعدة والتأهيل

حيث تحرّك آلة طرفاً يعود لشخص، على المفصل أن يحمل حملاً ويتابع حركة في الوقت نفسه، ودراستا الحالة المنشورتان لوحدتين في هذا الجدول تأتيان من هذا السياق بالضبط. فالوحدات المرتفعة النسبة تقوم بالحمل، والوحدات المنخفضة النسبة أو المنخفضة الخلوص تقوم بالمتابعة، ولهذا كثيراً ما تخلط أجهزة المساعدة صنفي نسبة على الطرف نفسه بدلاً من تحديد وحدة واحدة للسلسلة كاملة.

المناولة والتشغيل عن بُعد والمنصات الماهرة

تِرث أذرع المنصة البشرية قيود الجسم الذي تتصل به: كتلة متواضعة عند الرسغ، وحاجة إلى العمل في فضاءات غير منظّمة، وحلقة تحكم عليها أن تتحمّل التلامس. ووسط هذا الجدول — وحدتا 485 g و540 g عند 6:1 و9:1 على ناقل 48 V — هو المجموعة التي تلبّي تلك القيود دون كتلة الطرف الحامل للحمل، وهي المجموعة التي يمكن فيها لطراز واحد أن يخدم أكثر من مفصل في الذراع.

تسلسل اختيار لمفصل روبوت بشري

ترتيب هذه الخطوات الثلاث أهمّ من التفصيل داخل أي منها، لأن كل خطوة تضيّق المجموعة التي على التالية أن تنظر فيها.

ثبّت دورة عمل المفصل وحمل أسوأ حالاته أولاً

حدِّد عزم التثبيت في الوضعية التي تقضي فيها الآلة معظم وقتها، والعزم اللازم أثناء الحالة العابرة التي تفرضها استعادة التوازن أو الرفع، ونسبة الوقت المقضي في كل منهما. فالرقم الأول يحجّم الحالة الحرارية وبالتالي العزم الاسمي؛ والثاني يحجّم دعوى الأقصى؛ والنسبة بينهما تحدّد ما إذا كان المفصل ينتمي إلى الطرف المنخفض من الجدول أو إلى طرفه المرتفع. ولا يمكن حسم أي شيء يتعلق بالطراز قبل ذلك، لأن مطلب العزم نفسه يلبّيه محرك صغير بنسبة مرتفعة ومحرك كبير بنسبة منخفضة، والجوابان يتصرّفان على نحو مختلف عند المفصل.

ثبّت الناقل والتجويف وأبعاد التركيب ثانياً

يتبع جهد الناقل معمارية قدرة الآلة لا المشغّل، لذا ينبغي التعامل معه كقيد ثابت: فوحدات هذه المجموعة تعمل على 24 V أو على 48 V أو على كليهما، ولا يمكن استخدام وحدة مقصورة على 48 V على منصة 24 V مهما كان عزمها مطابقاً. أما الأبعاد الخارجية فتتبع الرابط: القطر أولاً، والطول ثانياً، ومعها التجويف المارّ عبر المحور حيث يكون المفصل وركاً أو ركبة يعبرهما كابل. والقائمة المختصرة التي تنجو من هذين المرشّحين تكون عادةً صغيرة بما يكفي للمقارنة على نحو سليم.

استجوب الأرقام التي يتركها السجل مفتوحة

السجل المنشور لهذا الصنف من المشغّلات جيد في العزم والسرعة والنسبة والكتلة، وهو أرقّ في الأرقام التي تحدّد كيف يتصرّف المفصل لا كيف يؤدي. وقائمة الأسئلة التي تُؤخذ إلى المصنّع قصيرة.

• الخلوص المقيس عند الخرج للوحدة والإصدار المحدَّدين، وما إذا كان الرقم حداً أقصى أم قيمة نموذجية.
• نافذة الدورة المرتبطة برقم العزم الأقصى: كم المدة، وكم التكرار، وبأي تبريد.
• الكفاءة عبر مرحلة التخفيض كاملة، وأين تهبط عند سرعة خرج منخفضة تحت عزم مرتفع.
• التيار المستمر وارتفاع حرارة الغلاف المرافق له في ترتيب التركيب الخاص بالآلة.
• أي تصنيف للصدم أو الارتطام، وهو الرقم الذي يحتاجه هذا التطبيق والأكثر غياباً.

وحيث يغيب رقم من السجل، فهو ينتمي إلى هامش التصميم لا إلى افتراض، والتقييم ينتمي إلى الكتابة قبل طلب المفصل.

الأسئلة الشائعة والمتكررة

الموارد الرسمية

تنشر CubeMars توثيق المنتجات لتشكيلات المشغّلات المجموعة تحت قسم الموارد في المنصة، ولكل طراز صفحة منتج رسمية تحمل مواصفته الكاملة ومنحنى أدائه ورسم تركيبه — وتشكيلة منتجات المصنّع هي نقطة الدخول. ويبقى المصنّع هو مصدر الحقيقة لمنحنيات العزم والتصنيفات الحرارية وأساس الخلوص وتكوين وحدة القيادة؛ أما ToBMS فيُبقي طبقة الاكتشاف قابلة للبحث والمقارنة، والأرقام المستخدمة في هذا الدليل هي القيم المنشورة المحفوظة في سجلات منتجات المنصة.

إلى أين تتّجه بعد ذلك

النظير على مستوى الفئة لهذا الدليل هو المشغلات الروبوتية: كيفية اختيار المشغّل المدمج المناسب لمفاصل الروبوتات، وهو يقرأ خمساً من هذه الوحدات المدمجة بعضها في مقابل بعض كمكوّنات، وكيف تختار وحدة المفصل: خمسة مشغّلات CubeMars من 190 g إلى 1.4 kg، وهو يتّخذ وحدة المفصل وحدةَ تصميم. أما هذا الدليل فيبدأ من الروبوت بدلاً من ذلك: فهو يصل إلى الصنف نفسه من المشغّلات عبر سلسلة المفاصل ودورة العمل وميزانية الكتلة، وهو المسار الذي يُسلك عندما يكون السؤال هو ما يحتاجه الروبوت البشري لا أي طراز أكبر.

ويستحق اتباع مسارين مجاورين حيث يتغيّر صنف المفصل. فحيث يجب توجيه المفصل باليد أو حيث يجب حسم الحدّ الفاصل بين طقم بلا هيكل ووحدة محكمة، يعرض محركات BLDC للهيكل الخارجي: محرك العزم بلا هيكل مقابل المشغّل المتكامل المقارنة مباشرة، وتغطي فئة محركات عزم بدون إطار أطقم العضو الثابت والدوار التي تُبنى منها عادةً محاور الأيدي الماهرة. وحيث تُختار نسبة منخفضة طلباً للمطاوعة لا للسرعة، يغطي مشغّلات التشغيل شبه المباشر: ما الذي توفّره نسبة 8:1 تشكيلة مشغلات QDD على ذلك الأساس.

وللسياق الأوسع لكيفية ارتباط أصناف المحركات، يضع محركات BLDC: دليل كامل لأنواع ومواصفات محركات التيار المستمر بدون فرش واختيارها المشغّل المدمج بين الفئات الأخرى. ولإعداد قائمة مختصرة بدلاً من البحث، رشِّح المرشّحين حسب العزم والنسبة والجهد والكتلة والأبعاد الخارجية في الاختيار ثم ضعهم في مواجهة بعضهم بعضاً في مقارنة المنتجات؛ وتُجمَّع أصناف المفاصل ذات الصلة في تطبيقات المنصة: وحدة مفصل، وهيكل خارجي، وروبوت رباعي الأرجل، وروبوت تأهيلي. وفئة مشغلات روبوتية تضم الوحدات الثماني المقارنة هنا.