اختيار محرك BLDC لروبوت رباعي الأرجل: العزم والسرعة والحدود الحرارية

الساق ليست ذراعاً تصادف أنها تشير إلى الأرض. فالذراع الروبوتية تُحجَّم في مقابل حمولة وزمن دورة، وهي في معظم الوقت إما تتحرك وإما تنتظر؛ أما ساق روبوت رباعي الأرجل فتحمل كتلة الآلة في كل خطوة، وتقضي معظم تلك الخطوة وهي تحمل عزماً بينما تكاد لا تدور، ثم عليها أن تعكس الاتجاه عدة مرات في الثانية دون أن تُتاح لها فرصة لتبرد. وهذه الحقائق الثلاث تأخذ القائمة المختصرة المعتادة للمحركات — العزم والسرعة والأبعاد الخارجية والكتلة — وتعيد ترتيبها، لأن القيد الذي يحدّد ما إذا كانت الآلة قادرة على الهرولة عشرين دقيقة ليس العزم الأقصى الذي يستطيع المفصل بلوغه لجزء من الثانية، بل مقدار الحرارة التي خزّنها الملف بالفعل عند وصول الحالة العابرة التالية. ولذلك يبدأ اختيار محرك BLDC لمفاصل الروبوت رباعي الأرجل من المشية، ويمرّ بأنواع العزم الثلاثة التي تطلبها الساق، وينتهي عند الحد الحراري أخيراً، لأن هناك يُحسم الواجب فعلاً.

الإجابة السريعة

تطلب ساق الروبوت رباعي الأرجل من محرك مفصلها ثلاثة أشياء لا تطلبها آلة بعجلات أو مثبّتة القاعدة. فخلال الإسناد يحمل المفصل وزن الجسم بينما يدور ببطء، وهذا واجب عزم مستمر لا تكاد قدرة ميكانيكية تخرج منه عبر العمود، وبالتالي لا يكاد التيار الهوائي أو الحركة يساعدان في إخراج الحرارة من الملف. وخلال الهبوط والدفع عند الإقلاع يرى المفصل نفسه نبضة تعادل أضعاف الحمل الساكن، تصل عبر المخفّض وتعكس اتجاهها مع كل خطوة. وعادةً ما توجد اثنتا عشرة من هذه المشغّلات داخل غلاف جسم واحد تسحب من بطارية واحدة، لذا يجب قراءة أي رقم خاص بمفصل واحد إلى جانب ما تفعله الأحد عشر الأخرى في اللحظة نفسها. ولذلك يُختار محرك مفصل الروبوت رباعي الأرجل من صنف مشغلات روبوتية — محرك ومرحلة كوكبية ووسيلة تغذية راجعة ووحدة قيادة في غلاف واحد يُربط بالبراغي — لأن البديل، وهو طقم بلا هيكل مجرّد، يترك للمُدمِج حلّ حمل الصدم والإحكام والمسار الحراري من الصفر.

تقرأ القائمة المختصرة التالية خمسة مشغّلات CubeMars مرتبطة بتطبيق روبوت رباعي الأرجل كمجموعة مواصفات واحدة، مرتّبة من وحدة بكتلة 380 g إلى وحدة بكتلة 960 g. والحدّ الذي يفصل بينها عملياً ليس عمود العزم بل التيار الاسمي المجاور له، لأن التيار الاسمي هو ما تدفعه الساق باستمرار، والفجوة بين العزم الاسمي والعزم الأقصى تحدّد مقدار الاحتياطي المتبقّي للحالة العابرة حين يكون ذلك الاحتياطي قد استُهلك جزئياً بالفعل.

ما تطلبه ساق الروبوت رباعي الأرجل من محرك المفصل

القيود الثلاثة أدناه ليست سمات تُضاف فوق مواصفة محرك عادية. بل تنقل القيد الحاكم بعيداً عن الخرج الأقصى إلى الخرج المستمر، ولهذا تميل القائمة المختصرة المستخرجة من العزم الأقصى وحده إلى إنتاج آلة تستطيع الوقوف وخطو خطوات قليلة ثم تنطوي.

أربع أرجل تتقاسم الحمل إلى أن تتخلّى إحداها عنه

يوزّع الروبوت رباعي الأرجل ساكنٌ وزنه على أربع أرجل، فيكون عزم الوقوف عند كل ركبة نحو ربع كتلة الآلة فعّالاً عبر ذراع عزم الساق. وتتغيّر تلك الصورة المريحة بمجرد أن تتحرك الآلة. ففي الهرولة — وهي المشية التي تستخدمها معظم المنصات ذات الأرجل عند السرعة — تنطلق الأزواج المتقابلة وتهبط معاً، وتوجد فترات لا تكون فيها إلا قدمان على الأرض، وفي المشي توجد فترات بثلاث. وحتى في الهرولة الواقفة لا يُتقاسم الحمل بالتساوي، لأن الأرجل الأقرب إلى مركز الكتلة تحمل أكثر، ولأن التوزيع بين الأمام والخلف يعتمد على موضع الحمولة والبطارية. والنتيجة بالنسبة للمحرك أن عزم العمل خلال الخطوة ليس ربع وزن الآلة؛ بل يتأرجح بين نحو الثلث وأكثر من النصف حسب المشية واللحظة، وذروة ذلك التأرجح هي الحالة العابرة التي على المفصل أن ينجو منها مرتين لكل ساق في كل خطوة. والميزانية المبنية على الحالة الساكنة ذات الأرجل الأربع ليست محافظة بما يكفي لتكون مفيدة، والتأرجح بين الإسناد المتقاسم والإسناد الواحد هو ما يفصل واجب ساق روبوت رباعي الأرجل عن واجب مفصل ليس عليه أبداً إلا أن يحمل نصيبه هو.

الإسناد توقّف، والتأرجح تسارع

يرى كل مفصل في الساق نصفين مختلفين تماماً من الدورة. ففي الإسناد تكون القدم على الأرض ويمرّ الجسم فوقها؛ تنثني الركبة وتبسط قليلاً، فتكون السرعة الزاوية للمفصل منخفضة بينما عزم المفصل مرتفع ومستمر. وفي التأرجح تكون القدم في الهواء ولا شيء مسنود، فيهبط العزم إلى ما يطلبه قصور الساق الذاتي بينما ترتفع السرعة الزاوية إلى ما يتطلّبه الإيقاع لوضع القدم قبل الهبوط. والفاصل المبني من هذين النصفين له خاصية سيئة من وجهة نظر المحرك: النصف المرتفع العزم هو النصف المنخفض السرعة. فالقدرة الميكانيكية هي العزم مضروباً في السرعة، لذا يقدّم المفصل خلال الإسناد قدرة ميكانيكية مفيدة قليلة جداً بينما يسحب ما يقارب التيار الكامل — وفي الملف، التيار مربّعاً مضروباً في المقاومة يساوي حرارة، سواء بلغ أيٌّ منه عمود الخرج أم لم يبلغ. فالإسناد هو لذلك الحالة الحرارية، والتأرجح لا يكاد يكون حدثاً حرارياً على الإطلاق.

الهبوط والقفز يصلان كنَبَضات عبر المخفّض

تقضي الآلة المُهرولة جزءاً من كل خطوة في الهواء، ويحوّل كل هبوط زخماً رأسياً إلى ذروة قوة عند القدم تنتشر صعوداً عبر الوصلات إلى المفصل. ويحدث العكس في الدفع عند الإقلاع، وكذلك خلال قفزة أو خطوة استرداد. وتلك الذروات تعادل أضعاف الحمل الساكن، وهي تصل وصندوق التروس محمَّل بالفعل، فتمرّ عبر أسنان التروس قبل أن يراها المحرك مقسومة على النسبة ومخفّضة أكثر بمقدار المطاوعة التي تمتلكها المرحلة. ويترتّب على ذلك أمران. الأول أن عمود العزم الأقصى للمحرك ليس هو الحد المهم هنا، لأن مرحلة كوكبية مصنّفة لأحمال صدمية متكرّرة شراء مختلف عن مرحلة مصنّفة لخرج ناعم. والثاني أن السياق يهمّ: فرقم أقصى منشور لمحرك بارد في بداية اختبار ليس الرقم نفسه بعد عشر دقائق من الهرولة، حين يكون المفصل نفسه قد خزّن حرارة من كل طور إسناد سابق، ويكون التخميد القادم من بنية الساق أدفأ وأطرى مما كان.

اثنتا عشرة وحدة داخل غلاف جسم واحد

للروبوت رباعي الأرجل التقليدي ثلاثة مفاصل مُشغَّلة في كل ساق — الإبعاد أو التقريب عند الورك، والثني أو البسط عند الورك، والثني أو البسط عند الركبة — لذا تتقاسم اثنتا عشرة مشغّلاً هيكلاً واحداً وبطارية واحدة وحجماً حرارياً واحداً. ويغيّر هذا التعدّد طريقة قراءة كل رقم خاص بوحدة واحدة. فالتيار الاسمي الذي يبدو متواضعاً لوحدة واحدة يصبح اثني عشر ضعفاً عند الحزمة، والسحب المستمر عند ذلك المستوى رقم تحمّل بقدر ما هو رقم حراري. وتتراكم الحرارة المطرودة إلى غلاف جسم محكم، لأن اثنتي عشرة وحدة دافئة ترفع المحيط المحلي لها جميعاً، ويُفترض في تصنيف كل وحدة لاحقة بهدوء المحيط الذي اختبرها المصنّع فيه. وتبسيط تصميمي شائع — وهو استخدام الوحدة نفسها لثني الورك والركبة لأنه يخفض عدد قطع الغيار إلى النصف — يضاعف أي قرار اتُّخذ على مستوى الوحدة، خيراً كان أو شراً، عبر ثمانية من المحاور الاثني عشر.

العزم: الأرقام الثلاثة التي تحتاجها الساق فعلاً

تظهر ثلاثة مقادير متمايزة للعزم في مواصفة مفصل الروبوت رباعي الأرجل، ويُخلط بينها روتينياً. والتفريق بينها هو معظم العمل في تحجيم الساق.

عزم التثبيت خلال الإسناد يحدّد المطلب المستمر

الرقم الأول هو ما يحتاجه المفصل معظم الوقت: العزم اللازم لحمل نصيب الآلة من كتلتها خلال طور الإسناد، مضافاً إليه الحمولة، مع أخذ ذراع العزم عند أسوأ وضعية لا عند الوضعية الواقفة. ويُقارَن هذا بالعزم الاسمي المنشور، وهو العزم الذي يستطيع المحرك حمله إلى ما لا نهاية مع بقاء الملف داخل صنف عزله. وعبر الوحدات الخمس أدناه يتراوح العزم الاسمي المنشور من 3 Nm إلى 18 Nm، ولأن هذه وحدات مدمجة فإن الرقم هو أصلاً رقم على جانب الخرج بعد المخفّض. والمصيدة في هذا السطر هي قراءة العزم الاسمي في مقابل أسوأ لحظة في الخطوة لا في مقابل متوسطها؛ فالمفصل الذي يلبّي ذروة تأرجح الإسناد عند رقمه الاسمي مفرط الحجم بالنسبة للتسعين في المئة الأخرى من الواجب وأثقل مما يلزم.

العزم الأقصى احتياطي استُهلك جزئياً

الرقم الثاني هو الحالة العابرة: الهبوط، والدفع عند الإقلاع، والقفز، واسترداد الانزلاق، أو الخطو فوق حاجز غير متوقّع. ويُقارَن هذا بالعزم الأقصى المنشور، الذي يصف ما يستطيع المحرك إنتاجه لفترة قصيرة قبل أن تبلغ وحدة القيادة حدّ تيارها أو تبدأ المغناطيسات في فقدان نقطة عملها. وفي هذه المجموعة تكون الفجوة بين الرقمين متّسقة — إذ يقع مضاعف الأقصى إلى الاسمي بين نحو 2.4 ونحو 3.0، حسابياً من العمودين المنشورين — لذا لا يمكن اتخاذ الاختيار بين الوحدات على أساس تلك الفجوة وحدها. والأهم هو مقدار ما يبقى من الفجوة بعد التشغيل المستمر. فالساق التي هرولت عشرين دقيقة قد استهلكت معظم هامشها الحراري، فيكون الاحتياطي المتاح للهبوط التالي أصغر من الرقم المكتوب، ويعتمد مقدار ذلك الانخفاض على نافذة دورة عمل لا تنشرها السجلات أدناه.

كثافة العزم تُحتسب مرتين عند الركبة

الرقم الثالث هو الذي لا يكلّف شيئاً أن يُقرأ وكلّ شيء أن يُفهَم خطأً. فالعزم الأقصى المنشور لكل وحدة كتلة عبر هذه الوحدات الخمس يتراوح من نحو 23.7 Nm/kg في الوحدة بكتلة 380 g إلى نحو 50 Nm/kg في الوحدة بكتلة 960 g، والعزم الاسمي لكل وحدة كتلة من نحو 7.9 Nm/kg إلى نحو 18.8 Nm/kg — وكلاهما حسابي من العمودين المسجّلين، وكلاهما يرتفع باطّراد مع الحجم. والشكل الصاعد مغوٍ، لأنه يوحي بأن الوحدة الأكبر هي ببساطة الأفضل. وهي ليست كذلك، لسببين. أولاً، تصل أرقام الأقصى عبر نسب مختلفة، والنسبة تشتري العزم بصرف السرعة؛ ومشغّلات التشغيل شبه المباشر: ما الذي توفّره نسبة 8:1 تجعل هذه المقايضة مرئية من الاتجاه المعاكس. وثانياً، وهذا خاص بالساق، الكتلة الموضوعة عند الركبة يحملها الورك فوقها ويسرّعها في كل خطوة، فوحدة الركبة تدفع ثمن كتلتها مرتين: مرة كقصور على الورك تحريكه، ومرة كعزم على الورك حمله. وفي آلة يستخدم الركبة والورك فيها الوحدة نفسها بالفعل، تكون إضافة الكتلة إلى الاثنين هي القرار الذي يلتهم ميزانية الحمولة أسرع من غيره.

الخلوص وإلى أين تذهب النبضة

الخلوص (backlash) المنشور هو الرقم الأكثر تجاهلاً في الساق، والأكثر إفادة عند قراءته. وتسجّله المنصة بدرجات الحركة المفقودة عند الخرج، وهو في هذه المجموعة يتراوح من 0.2° إلى 0.38°، مع سجل واحد لا يحمل أي رقم على الإطلاق. ويحدّد ذلك الرقم مقدار ما يمكن للمفصل أن يتحرك تحت الحمل قبل أن يستقرّ صندوق التروس، وهو خلال الهبوط الفرق بين تقدير وحدة التحكم لموضع القدم وموضعه الفعلي. والرقم المحكم يكلّف شيئاً في مكان آخر — عادةً في الكفاءة وفي تحمّل الصدم — لذا فالقراءة المفيدة ليست «الأصغر هو الأفضل» بل «الأصغر الذي لا يزال ينجو من نبضة الهبوط المتكرّرة». وسجل AK70-10 KV100 يحمل أحكم رقم في هذه المجموعة عند 0.2°؛ أما سجل AK60-6 V3.0 KV80 فلا يحمل أياً، وتلك الفجوة تنتمي إلى مجموعة الأسئلة المكتوبة الموجّهة إلى المصنّع لا إلى افتراض.

السرعة: قراءة الرقم المنشور على الجانب الصحيح من المخفّض

السرعة هي الموضع الذي يسهل فيه إساءة قراءة وحدة مدمجة، لأن العمود نفسه يعني شيئين مختلفين حسب الجانب الذي قيس عليه من المرحلة، ولا يقول السجل عادةً أيّهما. وثمّة تدقيق يحسم الأمر.

على أي جانب من المرحلة يقع الرقم، وكيف يُتحقَّق من ذلك

قيمة KV ثابت على جانب المحرك: سرعة الدوّار لكل فولت من جهد الناقل، قبل أي تخفيض. واضربها في جهد التغذية المقنن، واقسم على نسبة التخفيض المنشورة، فيجب أن تقع النتيجة على السرعة المنشورة بدون حمل أو قريباً منها. وهذا ما يحدث مع الوحدات الخمس أدناه جميعاً. فوحدة AK60-6 V3.0 KV80 تعطي 80 مضروباً في 24 V، مقسوماً على 6:1، أي 320 rpm مقابل 320 rpm منشورة، والضرب نفسه عند 48 V يعطي 640 rpm مقابل 640 rpm منشورة. ووحدة AK80-8 KV60 تعطي 60 مضروباً في 48 V مقسوماً على 8:1، أي 360 rpm مقابل 360 rpm منشورة. ووحدة AK10-9 V2.0 KV60 تعطي 160 rpm و320 rpm عند 24 V و48 V مقابل أرقام منشورة تساوي تلك القيم بالضبط، بينما تقع وحدة AK70-10 KV100 ووحدة AK80-9 V3.0 KV100 في نطاق بضعة في المئة من أرقامهما. فأعمدة السرعة المنشورة لهذه الوحدات هي لذلك أرقام على جانب الخرج، مقسومة بالفعل على النسبة، وينطبق الشيء نفسه على السرعة الاسمية المجاورة لها. ويمكن مقارنة مطلب مفصل مكتوب بالدرجات في الثانية بها مباشرةً بضرب الدورات في الدقيقة في ستة.

ما يطلبه إيقاع المشية من سرعة المفصل

تحويل الخطوة إلى مطلب مفصل هو في معظمه مسألة مقدار ما يقطعه المفصل ومقدار الوقت المتاح له لقطعه. وللتأرجح الموعد الأضيق: فعلى القدم أن تُوضع قبل الهبوط، وعند إيقاعات تتجاوز نحو خطوتين في الثانية يكون المتاح أقل بكثير من نصف ثانية للقيام بذلك. والمدىات التي تقطعها الركبة والورك خلال التأرجح هي عادةً عشرات الدرجات لا الأرقام الثلاثية التي قد تستخدمها ذراع، لذا يلبّي حتى أبسط الوحدات المطلب الناتج بارتياح — فوحدة AK10-9 V2.0 KV60 تنشر 109 rpm اسمية عند 24 V، أي نحو 654 درجة في الثانية، وحتى ذلك الرقم يتجاوز ما تطلبه معظم مشيات المشي من ركبة. والاستثناء هو الاسترداد: فالانزلاق عن حاجز، أو التقاط تعثّر، أو تنفيذ قفزة، تطلب كلها مدىً أسرع بكثير، وهذه هي الحالة التي تحدّد أعلى طرف عمود السرعة. وقراءة في مقابل السجلات الخمس، تتراوح سرعة الخرج عند التصنيف من نحو 654 درجة في الثانية في الوحدة بكتلة 960 g إلى نحو 2940 درجة في الثانية في الوحدة بكتلة 380 g عند 48 V، وهو معامل أربعة ونصف تقريباً يفسّره بالكامل تقريباً النسبة التي تحملها كل واحدة.

لماذا تكلّف السرعة الأعلى عزماً

النسبة الواقعة بين الدوّار والخرج هي ما يقرن المطلبين، وهي تقرنهما في اتجاهين متعاكسين: فعزم الخرج يأتي من عزم المحرك مضروباً في النسبة وفي كفاءة المرحلة، بينما تأتي سرعة الخرج من سرعة المحرك مقسومة على النسبة. والمفصل الذي يحتاج إلى عزم أكثر وسرعة أعلى مما تقدّمه وحدة معيّنة لا يستطيع الحصول عليهما من الوحدة؛ بل يحتاج إلى نسبة مختلفة، أو جهد ناقل مختلف، أو وحدة مختلفة. والوحدات الخمس أدناه تجعل ذلك مرئياً كنمط. فوحدة 6:1 هي الأسرع والأقل كثافة عزمية. ووحدتا 9:1 و10:1 تقعان في الوسط على المحورين. والزوج الذي يبلغ أعلى عزم اسمي يفعل ذلك بالمرحلة 9:1 نفسها لوحدة أخفّ منه بكثير، أي أن العزم جاء من محرك أكبر لا من نسبة أعلى — ولهذا يزن 960 g ويسحب 10.6 A لصنع 18 Nm حيث يسحب نظيره الأخفّ 3.8 A لصنع 3 Nm.

الحدود الحرارية: ما يحدّد كم يمكن للمشية أن تستمر

السلوك الحراري هو القيد الذي يفصل بين مفصل يعمل على طاولة اختبار ومفصل يعمل نوبة كاملة، وهو الجزء من مواصفة الروبوت رباعي الأرجل الذي يبقى في أغلب الأحيان غير مكتوب. وتحمل هذا القيد خمس ملاحظات.

قدرة ميكانيكية معدومة لا تعني حرارة معدومة

بالعودة إلى الإسناد: المفصل ينتج عزماً عند سرعة منخفضة، فالخرج الميكانيكي صغير، ومع ذلك يقترب التيار في الأطوار من الحد المستمر. وفي ملف بلا فرش يكون الفقد المهم هو الفقد النحاسي، والفقد النحاسي يحدّده التيار لا مقدار ما يؤدي منه عملاً مفيداً. فطور الإسناد فترة تخرج فيها الحرارةَ كل القدرة الكهربائية الداخلة إلى المحرك تقريباً، وتنهار الكفاءة — أي الخرج المفيد على الدخل — نحو الصفر في اللحظة التي تتّكئ فيها الآلة على المفصل بأقصى ما يمكن. ولذلك سيقلّل أي نموذج حراري يستنتج التسخين من العمل الميكانيكي من تقديره تقليلاً سيّئاً، والبديل الصحيح في غياب رقم للمقاومة الحرارية هو التيار المستمر الذي ينشره السجل.

التيار الاسمي هو الرقم الحراري العامل

وقراءة بهذه الطريقة تجعل عمودَي التيار أكثر إفادة من أي من عمودَي العزم. فالتيار الاسمي المنشور عبر الوحدات الخمس يتراوح من 3.8 A إلى 12 A، وقسمة كل واحد على عزمه الاسمي تعطي كلفة تقريبية بالأمبير لكل نيوتن-متر من الخرج المستمر — نحو 1.27 A/Nm في AK60-6 V3.0 KV80، ونحو 1.33 A/Nm في AK80-9 V3.0 KV100، ونحو 0.69 A/Nm في AK80-8 KV60، ونحو 0.87 A/Nm في AK70-10 KV100، ونحو 0.59 A/Nm في AK10-9 V2.0 KV60. والأرقام الخمسة كلها حسابية من عمودين منشورين وكلها على جانب الخرج، لذا تحمل في داخلها كفاءة كل مرحلة بدلاً من عزلها. ومع ذلك يقترب الفارق من معامل اثنين وشيء، وهو لا يتبع الكتلة: فالوحدة الأخفّ هي من بين أعلى الوحدات كلفة تيار لكل نيوتن-متر، وهي سمة نسبة منخفضة تطلب من المحرك نفسه أداء عمل كانت نسبة أعلى ستؤدّيه برافعة أكبر. وبالنسبة لآلة تعمل بالبطارية يتحوّل هذا العمود مباشرةً إلى تحمّل، وبالنسبة لآلة موصولة بكابل يتحوّل إلى مقدار الحرارة التي يجب أن تخرج من الجسم.

اثنا عشر مفصلاً تسحب من ميزانية واحدة في آنٍ واحد

ضرب عمود القدرة الاسمية في اثني عشر يعطي رتبة الحجم التي على الآلة أن تخطّط حولها، والجواب غير مريح. فلو وقفت المحاور الاثنا عشر كلها عند الخرج الاسمي المستمر لسحبت نحو 888 W لو كانت كل وحدة هي AK60-6 V3.0 KV80 بقدرة 74 W، ونحو 2760 W لو كانت الوحدات بقدرة 230 W، ونحو 4416 W لو كانت AK80-9 V3.0 KV100، ونحو 5160 W لو كانت AK10-9 V2.0 KV60. ولا يحتمل أي روبوت رباعي الأرجل ذلك، والأرقام ليست تنبّؤات — بل هي المقياس الذي ينبغي أن تُقرأ في مقابله دورة العمل الحقيقية، وهي تفسّر لماذا يكون واجب العمل في كل آلة ميدانية تقريباً جزءاً صغيراً من التصنيف المستمر مع خروج وجيز. والحساب نفسه مطبَّقاً على الكتلة أقل إثارة للقلق وأكثر فائدة: فاثنتا عشرة وحدة عند رقم 490 g تبلغ 5.88 kg من المشغّلات وحدها، قبل البنية والبطارية والحمولة، ولهذا يوجد الطرف الخفيف من هذا الجدول أصلاً.

العزم الأقصى في ملف دافئ رقم أصغر

التفاعل بين نافذتَي العزم هو الموضع الذي يعضّ فيه الحد الحراري فعلاً. فرقم العزم الأقصى إفادة عن محرك بدأ داخل نطاق محيطه؛ أما المفصل نفسه بعد ثلاثين ثانية من الهرولة فملفه أقرب إلى حدّ عزله، والهامش بين حرارته الحاضرة وذلك الحد هو ما يبقى للحالة العابرة. ولأن تسخين الإسناد مستمر ومتكرّر مع كل خطوة، تبلغ الساق هضبة حرارة مستقرّة بدلاً من أن تتعافى بين الخطوات، وتُبلَغ الهضبة خلال دقائق لا خلال ساعة. والنتيجة العملية بالنسبة لمحرك BLDC لمفاصل الروبوت رباعي الأرجل هي أنه ينبغي خفض تصنيف عمود الأقصى للتشغيل في الحالة المستقرة، والمقدار الذي يُخفَّض به هو بالضبط ما يجب سؤال المصنّع عنه، لأن أياً من السجلات الخمسة لا ينشر نافذة دورة عمل ولا افتراضاً محيطياً ولا شرط تركيب لأرقامه الحرارية.

من أين تخرج الحرارة فعلاً

للوحدة المدمجة مسار حراري واحد متاح: التوصيل عبر غلافها إلى ما هي مربوطة به. فلا توجد مروحة، ولا تيار هوائي يُذكر داخل ساق محكمة، ولا حركة ذاتية خلال الإسناد توزّع الحرارة أيضاً. والنتيجة العملية أن المشغّل نفسه يتصرّف كمنتجين مختلفين حسبما يُربط ببراغي في غلاف بوليمري رقيق أو يُثبَّت في كتلة ركبة من الألومنيوم مشغّلة تعمل كمشتّت حراري، والفرق كبير بما يكفي ليهيمن على الاختيار. وهذا هو المطلب الوحيد في هذا الدليل الذي يُلبّى خارج المحرك تماماً، وهو أيضاً سبب أن أرقام المصنّع الحرارية — المأخوذة على منصّة اختبار، في هواء ساكن، وفي ترتيب تركيب لن يعيد المُدمِج إنتاجه — لا يمكن التعامل معها كتنبّؤات دون حوار.

خمسة مشغّلات CubeMars كمجموعة مواصفات واحدة

يقرأ الجدول أدناه خمسة مشغّلات روبوتية من CubeMars كمجموعة مواصفات واحدة، مرتّبة حسب الكتلة، لأن الكتلة هي المحور الذي تُهندَس عليه الساق: فكل غرام يُضاف عند الركبة يُدفع ثمنه عند الورك فوقها. وكل رقم هو قيمة منشورة من المصنّع مأخوذة من سجلات منتجات هذه المنصة، وكل رقم مشتق في النص المحيط موسوم بأنه حسابي. ولاحظ أن اثنتين من الخمس تنشران نقاط تشغيل لكلٍّ من 24 V و48 V، وأن أرقام السرعة المنشورة على جانب الخرج — مقسومة بالفعل على نسبة التخفيض، كما هو مبيَّن أعلاه.

نسبة التخفيض المنشورة، والعزم الاسمي والأقصى، والتيار الاسمي، وسرعة الخرج عند العزم الاسمي، والوزن، لخمسة مشغّلات روبوتية من CubeMars مرتبطة بتطبيق روبوت رباعي الأرجل. والعزم الاسمي هو الرقم المستمر ضمن الحدود الحرارية للمحرك؛ والعزم الأقصى رقم قصير النافذة. ورقم سرعة مفرد يعني وحدة 48 V؛ والأرقام المزدوجة هي 24 V ثم 48 V. ونافذة دورة العمل والافتراض المحيطي وشرط التركيب والمقاومة الحرارية خلف أي من رقمَي العزم مذكورة في ورقة بيانات المُصنّع لا في السجل، وكذلك رقم الخلوص لـ AK60-6 V3.0 KV80.

تبرز ثلاثة أمور عند قراءة الخمس معاً. الأول هو مدى ضآلة تتبّع ترتيب العزم لترتيب الكتلة. فوحدة 570 g تنشر عزماً اسمياً أكبر من وحدة 621 g وتكاد تساويها في الأقصى، لأن مرحلتها 8:1 وتصنيفها 230 W يقعان على نحو مختلف عن مرحلة جارتها 10:1 وتصنيفها 230 W؛ فوحدتان متساويتان في القدرة تهبطان على موضعين مختلفين من منحنى العزم والسرعة لأن النسبة تختلف. ولذلك تكون الكتلة وحدها بديلاً رديئاً عن القدرة في هذه العائلة، وعمود النسبة هو ما يفسّر ذلك.

والثاني هو ما يقوله عمود التيار عن الكلفة لكل نيوتن-متر. فالوحدتان الأكثر كثافة في العزم — وحدة 570 g ووحدة 960 g — هما أيضاً الأرخص لكل نيوتن-متر من العزم المستمر، عند نحو 0.69 A/Nm ونحو 0.59 A/Nm، بينما تكون الوحدة الأخفّ من بين الأغلى عند نحو 1.27 A/Nm. والنمط يتبع النسبة لا الحجم: فالنسبة المرتفعة تتيح لمحرك صغير حمل عزم معيّن على تيار أقل، والتوفير لا يأتي مجاناً، لأنه يُدفع من سرعة الخرج ومن مقدار الحمل الذي يمرّره كل هبوط عبر المرحلة.

والثالث هو أن حساب القدرة والسرعة لا يتوافق تماماً في اثنتين من الخمس. فضرب العزم الاسمي في السرعة الاسمية وتحويله يعطي رقماً في نطاق واحد في المئة تقريباً من القدرة الاسمية المنشورة لثلاث وحدات — AK80-9 V3.0 KV100 عند 368 W، وAK10-9 V2.0 KV60 عند 430 W، وAK60-6 V3.0 KV80 عند 74 W في مقابل نقطة تشغيله عند 24 V — لكنه يقع بنحو 11 في المئة فوق الرقم المنشور في AK80-8 KV60 وبنحو 17 في المئة فوقه في AK70-10 KV100 عند 48 V. وتلك الفجوتان الأخيرتان ليستا خطأً في الحساب؛ بل إشارة إلى أن القدرة الاسمية والعزم الاسمي والسرعة الاسمية في تلك السجلات أُخذت في ظروف مختلفة، وهذا بالضبط من الأمور التي ينبغي كتابتها إلى المصنّع قبل تحجيم مفصل عليها.

قراءة الخمس على امتداد ساق واحدة

ساق الروبوت رباعي الأرجل سلسلة قصيرة، والمطلب يتغيّر على امتدادها: فالإبعاد والتقريب يتحركان قليلاً ضد عزم منخفض لكنهما يقعان في أعلى السلسلة حيث تُحمل كتلتهما؛ ومفصل ثني الورك يحمل وزن الجسم ويقود الخطوة؛ والركبة تجمع المهمتين وتتلقّى الهبوط. وتتوزّع الوحدات الخمس على تلك السلسلة.

طرف 380 g: الإبعاد والتقريب

وحدة AK60-6 V3.0 KV80 هي أصغر وحدة هنا بكتلة 380 g في غلاف بقطر 79 mm وطول 43 mm، وتنشر عزماً اسمياً 3 Nm وعزماً أقصى 9 Nm عبر مرحلة 6:1 على 24 V أو 48 V، بسرعة اسمية 233 rpm وبدون حمل 320 rpm عند 24 V، أو 490 rpm اسمية و640 rpm بدون حمل عند 48 V. وقدرتها الاسمية 74 W وتيارها الاسمي 3.8 A، والتيارات القصوى منشورة عند 10.3 A على 24 V و11.2 A على 48 V. وبوصفها محور تدحرج أو انحراف للورك فهي تناسب ذلك الدور عن كثب على الورق: فهي الأخفّ هنا، وهي الأسرع بفارق واسع عند نحو 2940 درجة في الثانية من الخرج الاسمي على 48 V، ومفصل الإبعاد يتحرك عبر عشرات الدرجات ضد حمل متواضع. والتحفّظان هما الملاحظتان المذكورتان سابقاً — أعلى كلفة تيار لكل نيوتن-متر في المجموعة عند نحو 1.27 A/Nm، وغياب رقم خلوص منشور. ولا يستبعدهما أي منهما؛ وكلاهما سؤال يُغلق قبل الطلب.

صنف 490 g: الركبة وثني الورك في آلة خفيفة

تزن AK80-9 V3.0 KV100 490 g في غلاف بقطر 98 mm وطوله 38.5 mm فقط — وهي أقصر وحدة في المجموعة، وهذا يهمّ حيث تجلس وحدتان على جانبي رابط الفخذ — وتنشر عزماً اسمياً 9 Nm وعزماً أقصى 22 Nm عبر مرحلة 9:1 على 48 V، بسرعة اسمية 390 rpm وبدون حمل 570 rpm، وقدرة اسمية 368 W، وتيار اسمي 12 A، وخلوص 0.25°. ويجعلها وزنها 490 g عند 98 mm المرشّح الطبيعي لزوج ثني الورك والركبة في آلة تقع في نطاق العشرين إلى الأربعين كيلوغراماً، حيث يقع عزم الإسناد داخل 9 Nm ولا يلزم أن تكون الخطوة سريعة. والتحفّظ هو التيار: فـ 12 A اسمي هو الأعلى في هذه المجموعة، واثنتا عشرة منها تعمل في الوقت نفسه ستسحب نظرياً 4416 W، لذا تحتاج آلة مبنية على هذه الوحدة إلى حزمة بطارية وتصميم حراري حُدّدا معاً لا وراثةً.

صنف 570 g: حيث يحدّد الواجب لا الأبعاد الخارجية

تقع AK80-8 KV60 عند 570 g في غلاف بقطر 98 mm وطول 43.9 mm، وتنشر عزماً اسمياً 10 Nm وعزماً أقصى 25 Nm عبر مرحلة 8:1 على 48 V، بسرعة اسمية 243 rpm وبدون حمل 360 rpm، وقدرة اسمية 230 W، وتيار اسمي 6.9 A، وخلوص 0.38°. وقراءتها إلى جانب جارتيها تجعلها أكثر مدخل متوازن في الجدول، والذي يتوقّف اختياره على الواجب لا على الأبعاد الخارجية. فهي تنشر عزماً اسمياً أكبر قليلاً من الوحدة بكتلة 621 g تحتها بينما تسحب تياراً أقل قليلاً، وتبلغ ذلك العزم عبر نسبة أقصر، فتحتفظ بسرعة خرج أكبر — 243 rpm مقابل 310 rpm على الناقل نفسه، لكن من 230 W فقط مقابل 230 W للوحدة الأخرى، وهو الاقتران الذي ينتج فجوة التوافق المذكورة أعلاه. وحيث تريد منصة رقم قطعة واحداً عبر الورك والركبة، وتكون مستعدة لتشغيل كتل التركيب بنفسها، فهذه هي الوحدة التي تستحق أن تُسعَّر أولاً.

صنف 621 g: أحكم مرحلة في المجموعة

وحدة AK70-10 KV100 بكتلة 621 g في غلاف بقطر 89 mm وطول 50.25 mm، تنشر عزماً اسمياً 8.3 Nm وعزماً أقصى 24.8 Nm عبر مرحلة 10:1 على 24 V أو 48 V، بسرعة اسمية 148 rpm وبدون حمل 240 rpm عند 24 V، أو 310 rpm اسمية و480 rpm بدون حمل عند 48 V. وقدرتها الاسمية 230 W وتيارها الاسمي 7.2 A. وسمتها المميّزة في هذه المجموعة هي خلوص 0.2°، وهو أحكم رقم هنا، ومرحلتها 10:1 هي الأطول — وهما معاً يشيران إلى آلة تعتمد وحدتها للتحكم على معرفة موضع القدم دون قياسه مباشرةً. كما تحمل أوسع نسبة بين الأقصى والاسمي في هذه المجموعة إلى جانب الوحدة الأخفّ، عند نحو 3.0، فلديها أكبر احتياطي عابر اسمي؛ وما إذا كان ذلك الاحتياطي يبقى بعد التشغيل المستمر أحد الأسئلة التي يتركها السجل مفتوحة. وينشر المصنّع شريط عرض للوحدة في الروبوتات الديناميكية، وهو مدمج أدناه.

طرف 960 g: آلة ثقيلة أو حمولة ثقيلة

وحدة AK10-9 V2.0 KV60 هي أكبر وحدة هنا بكتلة 960 g في غلاف بقطر 98 mm وطول 61.7 mm، وتنشر عزماً اسمياً 18 Nm وعزماً أقصى 48 Nm عبر مرحلة 9:1 على 24 V أو 48 V، بسرعة اسمية 109 rpm وبدون حمل 160 rpm عند 24 V، أو 228 rpm اسمية و320 rpm بدون حمل عند 48 V. وقدرتها الاسمية 430 W، وتيارها الاسمي 10.6 A، وتيارها الأقصى 29.8 A، مع خلوص 0.33° ومشفّرَين مزدوجَين، وهو الترتيب الذي يتيح لقناة واحدة قراءة الدوّار وأخرى قراءة الخرج عبر المرحلة. وهي تصنع عزمها على نحو مختلف عن الأربع الأخرى: فبدلاً من نسبة أطول، تستخدم محركاً أكبر عند النسبة 9:1 نفسها، فتحتفظ بسرعة خرج أكبر مما ستحتفظ به وحدة مرتفعة النسبة بالعزم نفسه. وهذه التركيبة تناسب آلة في صنف الستين كيلوغراماً، أو منصة تحمل ذراعاً أو رأس حسّاسات، أو أي ساق على وركها أن يمتد بسرعة ضد حمل — لكن عند 960 g تبلغ مجموعة من اثنتي عشرة 11.52 kg من المشغّلات قبل أي شيء آخر، وهو الرقم الذي يعيد المصمّم عادةً إلى وسط هذا الجدول.

منصات الروبوت رباعي الأرجل التي تناسبها مشغّلات هذه الأرجل

ترتبط الوحدات الخمس كلها على ToBMS بتطبيق روبوت رباعي الأرجل، وهو ما يعكس مدى ضيق الواجب: مفاصل ساق روبوت رباعي الأرجل التي يكون قيدها الحاكم تكرار حمل الإسناد لا الخرج الأقصى.

منصات التفتيش والمسح

أكبر مجموعة منفردة من الروبوتات رباعية الأرجل الميدانية اليوم تمشي في المواقع الصناعية — المصافي ومحطات التحويل ومواقع البناء والأسطح البحرية — وهي تحمل كاميرات أو كاميرات حرارية أو حسّاسات غاز. والواجب بطيء ومستمر وطويل: فقد تبقى الآلة على قدميها ساعة كاملة، وتقف كثيراً لتقرأ مؤشراً، وتصعد الدرج أو تخطو فوق مجمّعات كابلات. وهذا على وجه التقريب هو الملف التعريفي لتوقّف الإسناد الموصوف أعلاه، وهو ما يجعل العزم الاسمي والتيار الاسمي، لا العزم الأقصى، هما رقما التحجيم، ويجعل وسط هذا الجدول — وحدة 490 g ووحدة 570 g — نقطة البداية المعتادة حيث تقع الآلة في نطاق العشرين إلى الأربعين كيلوغراماً.

منصات البحث والأوساط الأكاديمية

يحتاج البحث في الحركة على الأرجل إلى مفاصل يمكن أمرها بقوة في لحظة ثم دفعها عكسياً في اللحظة التالية، مع تغذية راجعة منشورة يمكن غلق الحلقة عليها، وهو يميل إلى تفضيل ما هو أكثر توثيقاً على ما هو أضبط تحسيناً. والوحدات الخمس كلها تنشر قيادة FOC وقيمة KV وقيمة Ke وأزواج الأقطاب، كما تحمل AK10-9 V2.0 KV60 إضافةً إلى ذلك مشفّرَين مزدوجَين، فيمكن قراءة جانبي مرحلتها 9:1. وحيث يبني المشروع تحكّماً لا منتجاً، يكون ذلك التوثيق أنفع من آخر عشرة في المئة من كثافة العزم.

الآلات الزراعية والآلات ذات الأرجل في الخارج

الأرض الزراعية هي أقسى خدمة هنا: تربة رخوة ومنحدرات وحطام ورطوبة، وكلها تدفع عزم الإسناد على نحو غير متوقّع وتطلب إحكاماً عند المفصل. وتلك الظروف ترجّح ضد أصغر وحدة في هذه المجموعة، التي يترك رقمها الاسمي 3 Nm هامشاً ضعيفاً حين تغوص قدم، وترجّح وحدة 570 g ووحدة 621 g اللتين يقع عزمهما الاسمي أعلى مقابل سحب تيار مقارب. وهو أيضاً الواجب الذي يستحق فيه الخلوص المنشور مكانه، لأن الساق التي تخطو على أرض غير مستوية لا يُتاح لها أن تفترض أن قدمها هبطت حيث توقّعت وحدة التحكم.

المنصات ذات العجلات والأرجل والمنصات الهجينة

صنف متنامٍ يربط عجلة بطرف كل ساق، فيتدحرج على الأرض المستوية ويخطو فوق العقبات. وينقسم الواجب إلى اثنين: فترات طويلة من عزم منخفض جداً أثناء التدحرج، تتخلّلها حالات عابرة قصيرة وقوية حين تخطو الآلة. وهذا يرجّح وحدة ذات أرقام مستمرة قوية ونافذة سخية بين الأقصى والاسمي على وحدة محسّنة لأي من الطرفين، والخبرة المجمّعة على الجانب ذي العجلات من العائلة تنتقل جيداً إلى هنا — فتطبيقا روبوت بعجلات وAGV يغطيان ذلك الطرف من الواجب.

تسلسل تحجيم لساق روبوت رباعي الأرجل

ثلاث خطوات تحمل معظم القرار، بهذا الترتيب، لأن كل خطوة تضيّق ما على التالية أن تقدّمه.

ثبّت واجب المشية قبل العزم

اكتب قبل أي رقم طراز: كتلة الآلة بما فيها الحمولة، وأسوأ وضعية للساق وذراع عزمها، والمشية والإيقاع، ونسبة الإسناد، وكم ساقاً على الأرض في أسوأ لحظة. ومن هذه استخرج عزم الإسناد المستمر عند كل مفصل، والحالة العابرة القصوى عند الهبوط والدفع عند الإقلاع، والمدى الذي يطلبه كل طور من المفصل. وهذا الثلاثي — المستمر والعابر والمدى — هو ما يُقارَن بالأعمدة الثلاثة في هذا الجدول، وتخطّي الأوسط هو السبب الذي ينتهي به الأمر بآلة لها أرجل تثبّت الوضعية وتفشل عند الهبوط.

ثبّت الناقل ومجموع المفاصل الاثني عشر ثانياً

اختر جهد الناقل قبل مقارنة الوحدات، لأن عدة وحدات تنشر أرقاماً مختلفة عند 24 V و48 V وتتغيّر المقارنة شكلها حسب أيّهما ينطبق: فوحدة AK60-6 V3.0 KV80 تضاعف سرعة خرجها تقريباً بين الجهدين، وتتحرك AK70-10 KV100 وAK10-9 V2.0 KV60 بمعاملات مماثلة أو أصغر. ثم اجمع التيار الاسمي للوحدة المختارة على المحاور الاثني عشر كلها وتحقق من ذلك في مقابل التفريغ المستمر للحزمة وفي مقابل قدرة الجسم على طرد الحرارة. والوحدة التي تفوز في المقارنة على مستوى المفصل الواحد يمكن أن تخسر مقارنة النظام في هذه الخطوة وحدها.

اكتب أساس التصنيفات كتابةً

اسأل المصنّع، عن الوحدة المرشّحة: كم يمكن الإبقاء على رقم العزم الأقصى وكم مرة يمكن تكراره؛ وما المحيط وما ترتيب التركيب الذي يفترضه العزم الاسمي والقدرة الاسمية؛ وعلى أي قيمة ضُبط حدّ التيار الأقصى في وحدة القيادة؛ وهل رقم الخلوص المنشور حدّ أقصى أم قيمة نموذجية؛ وما المقاومة الحرارية من الملف إلى الغلاف. فأربعة من السجلات الخمسة أدناه لا تنشر نافذة دورة عمل على الإطلاق، واثنان لا يتوافقان تماماً بين عمودَي قدرتهما وعزمهما وسرعتهما، وواحد لا يحمل رقم خلوص، لذا لا شيء من هذه الأسئلة إنشائي.

الأسئلة الشائعة والمتكررة

الموارد الرسمية

تنشر CubeMars توثيق المنتجات لتشكيلات المشغّلات المجموعة تحت قسم الموارد في المنصة، ولكل طراز صفحة رسمية تحمل مواصفته الكاملة ومنحنى أدائه ورسم تركيبه — وتشكيلة منتجات المصنّع هي نقطة الدخول، والمشغّلات الخمسة في هذا الدليل موثّقة فرداً فرداً، بما فيها AK80-8 KV60 وAK10-9 V2.0 KV60. 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

أقرب نظير لهذا الدليل هو محركات BLDC للروبوت البشري: كيف تُطابق العزم والسرعة والحجم، وهو يقرأ ثماني وحدات مختلفة من العائلة نفسها في مقابل سلسلة مفاصل ذات قدمين — وهو النقيض المفيد هنا، لأن الروبوت البشري عليه أيضاً أن يتوازن وله أيضاً طور إسناد، وقراءة الاثنين معاً تفصل القيود التي تنتمي إلى الآلات ذات الأرجل عموماً عن التي تنتمي إلى أربع أرجل تحديداً. ويغطي المشغلات الروبوتية: كيفية اختيار المشغّل المدمج المناسب لمفاصل الروبوتات الصنف الذي استقى منه هذا الاختيار، ويقترب كيف تختار وحدة المفصل: خمسة مشغّلات CubeMars من 190 g إلى 1.4 kg من العتاد نفسه من المفصل المجمَّع لا من المشية.

وحيث يتحوّل النقاش تحديداً إلى النسبة، يعرض مشغّلات التشغيل شبه المباشر: ما الذي توفّره نسبة 8:1 ما تغيّره المرحلة منخفضة النسبة في القصور الذاتي المنعكس والشفافية وقابلية الدفع العكسي، وهي المقايضة المخفية داخل عمود نسبة التخفيض في كل جدول هنا. 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 والجهد والكتلة والأبعاد الخارجية في الاختيار ثم ضعهم في مواجهة بعضهم بعضاً في مقارنة المنتجات. وتُجمَّع أصناف المفاصل ذات الصلة في تطبيقات المنصة: روبوت رباعي الأرجل، وروبوت بشري، وروبوت بعجلات، ووحدة مفصل، وهيكل خارجي. وفئة مشغلات روبوتية تضم الوحدات الخمس المقارَنة هنا، وتجمع صفحة CubeMars بقية التشكيلة.