BLDC-Motoren für humanoide Roboter: Drehmoment, Drehzahl und Größe abstimmen

Ein humanoider Roboter ist ein Drehmomentproblem, das sich über jedes angetriebene Gelenk des Körpers verteilt, und die drei Zahlen, die jedes dieser Gelenke beschreiben – wie viel Drehmoment es halten muss, wie schnell es sich bewegen muss und wie viel Masse die Extremität tragen kann –, sind nicht unabhängig voneinander. Bewegt man eine, folgen die anderen beiden. Einen BLDC-Motor für einen humanoiden Roboter auszuwählen heißt deshalb, für jedes Gelenk nacheinander den Punkt zu finden, an dem sich die drei Kurven schneiden, und dann zu prüfen, ob die veröffentlichten Angaben diesen gewählten Punkt tatsächlich stützen. Wird die Reihenfolge falsch gewählt, kann die Maschine entweder nicht stehen oder nicht ihre eigenen Füße heben.

Kurzantwort

Die drei Größen sind über zwei Variablen verknüpft: das Untersetzungsverhältnis zwischen Motor und Gelenk und die Zwischenkreisspannung, mit der der Motor betrieben wird. Ein niedriges Verhältnis wie 6:1 hält das Gelenk schnell und rücktreibbar, benötigt aber einen großen Motor, um nutzbares Drehmoment zu erzeugen; ein hohes Verhältnis wie 64:1 erzeugt aus einem kleinen Motor großes Drehmoment, kostet aber Drehzahl und einen Großteil der Fähigkeit des Gelenks, von einer externen Last bewegt zu werden. Das Verhältnis wird aus der Beanspruchung des Gelenks gewählt, die Masse folgt aus Verhältnis und Drehmoment, und das veröffentlichte Spitzendrehmoment ist eine Kurzzeitangabe, die nicht als Arbeitswert verwendet werden sollte.

Auf ToBMS bündelt die Anwendung Humanoider Roboter die integrierten Aktuatoren von CubeMars, die humanoide Gelenke bedienen, von einer 262 g schweren Einheit mit einer 10:1-Stufe bis zu einer 1396 g schweren Hohlwelleneinheit mit 222 Nm veröffentlichtem Spitzendrehmoment. Dieser Ratgeber legt dar, wie Drehmoment, Drehzahl und Größe Gelenk für Gelenk abgestimmt werden, und liest acht dieser Einheiten als einen gemeinsamen Spezifikationssatz.

Warum ein Gelenk eines humanoiden Roboters ein Kompromiss aus Drehmoment, Drehzahl und Größe ist

Eine humanoide Plattform unterscheidet sich von anderen Maschinen darin, dass ihre Struktur und ihre Nutzlast dasselbe Objekt sind. Ein Industrierarm ist verankert, seine Glieder müssen nur ihre eigene Trägheit und das Werkzeug tragen, und die Basis kann so schwer gebaut werden, wie der Kunde es toleriert. Ein humanoider Roboter muss seine Aktuatoren, seine Batterie und seine Elektronik an denselben Extremitäten mitführen, die die Arbeit verrichten, und diese Extremitäten müssen zudem präzise genug bewegt werden, um das Gleichgewicht zu halten. Jedes Gramm, das am Knie hinzukommt, ist ein Gramm, das die Hüfte schwingen muss, und jedes Gramm, das an der Hüfte hinzukommt, ist ein Gramm, das der Knöchel ausgleichen muss.

Die Einschaltdauer kommt vor jeder Modellnummer

Die erste Zahl einer Gelenkspezifikation ist kein Drehmoment. Es ist eine Beschreibung dessen, was das Gelenk über einen Zyklus hinweg tut: wie lange es eine statische Last hält, wie lange es gegen die Schwerkraft arbeitet, wie oft es beschleunigt und wie viel dieser Zeit es bei niedriger Drehzahl unter Last verbringt. Eine stehende Hüfte hält minutenlang einen Anteil der Körpermasse bei nahezu keiner Bewegung. Ein gehendes Knie absorbiert einen Stoß in wenigen Zehnmillisekunden und schwingt danach frei. Ein Ellbogen kann bei einer Manipulationsaufgabe den größten Teil einer Schicht lang ein Werkzeug in einem nahezu konstanten Winkel halten. Das sind drei verschiedene thermische und elektromagnetische Probleme, und jedes wird durch einen anderen Punkt in der Drehmoment-Drehzahl-Ebene gelöst.

Standphase und Schwungphase verlangen entgegengesetzte Enden der Kennlinie

Ein Beingelenk wechselt zwischen zwei Aufgaben. In der Standphase ist das Gelenk nahezu bewegungslos unter einer Last, die das Körpergewicht übersteigen kann, was eine Drehmomentanforderung mit nahezu keiner Drehzahlkomponente ist. In der Schwungphase muss sich dasselbe Gelenk schnell über einen großen Winkel bewegen, nahezu ohne Last, was eine Drehzahlanforderung mit nahezu keiner Drehmomentkomponente ist. Ein einzelner Motor muss beides erfüllen, und das Untersetzungsverhältnis entscheidet, wie der Kompromiss aufgeteilt wird. Ein hohes Verhältnis dient der Standphase und benachteiligt die Schwungphase; ein niedriges Verhältnis wirkt umgekehrt. Dieser Wechsel, und nicht eine einzelne Kennzahl, macht die Beingelenke einer zweibeinigen Maschine schwerer zu spezifizieren als eine vergleichbare Achse in einem fest montierten Industrierarm, und er ist das Erste, was zu betrachten ist, wenn die Gelenke humanoider Roboter einer neuen Plattform auf Aktuatorklassen verteilt werden.

Die reflektierte Trägheit ist das, wogegen der Regelkreis tatsächlich kämpft

Zwischen dem Motor und dem Gelenkausgang sitzt das Getriebe, und das Getriebe teilt die Rotorträgheit auf dem Weg nach außen durch das Quadrat des Verhältnisses. Ein hohes Verhältnis präsentiert dem Regler daher eine sehr kleine scheinbare Trägheit am Gelenk, was die Positionsregelung einfach und die Kraftregelung schwierig macht, weil das Gelenk nicht mehr erkennen kann, wogegen es drückt. Ein niedriges Verhältnis reflektiert mehr von der Rotorträgheit auf den Ausgang, wodurch das Gelenk die Welt spürt und sich vorhersehbar zurücktreiben lässt, und deshalb werden Gelenke mit quasi-direktem Antrieb und 8:1- oder 9:1-Stufen dort eingesetzt, wo ein Roboter Kontakt mit unbekannten Objekten oder mit einem Menschen aufnehmen muss. Dasselbe Verhältnis, das Drehmoment und Drehzahl festlegt, legt auch dieses Verhalten fest, sodass es kein mechanisches Detail ist, das später in der Software behoben werden kann.

Die Gleichgewichtsrückgewinnung ist ein Übergang, den das Bemessungsfenster abdecken muss

Das zweibeinige Gleichgewicht wird durch Korrekturdrehmomente aufrechterhalten, die innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde nach einer Störung aufgebracht werden, und die Größe dieser Korrekturen kann ein Mehrfaches des Drehmoments betragen, das zum ruhigen Stehen nötig ist. Das ist der Übergang, den das veröffentlichte Spitzendrehmoment eines Gelenks abdecken muss, und es ist der Grund, warum im aktuellen ToBMS-Aktuatorsatz das Verhältnis von Spitzen- zu Nennwert bei einigen Modellen bis auf etwa das Dreifache reicht. Ein Gelenk, das nur gegen seine statische Last ausgelegt ist, hält eine stehende Pose und kann sich danach nicht mehr von einem Stoß erholen, was bei einer humanoiden Plattform ein Sturz ist und kein verpasster Zyklus.

Wie das Untersetzungsverhältnis Drehzahl in Drehmoment umwandelt

Das Untersetzungsverhältnis ist die bei Weitem nützlichste Zahl in der Spezifikation eines humanoiden Gelenks, weil es jede Größe auf der Motorseite in fester Weise auf die Gelenkseite abbildet. Sobald das Verhältnis bekannt ist, ist die Drehzahl des Gelenks die Motordrehzahl geteilt durch dieses, sein Drehmoment ist das Motordrehmoment multipliziert damit, und die veröffentlichten Werte für beide lassen sich gegeneinander prüfen.

Die Gelenkdrehzahl ist die Motordrehzahl geteilt durch das Verhältnis

Jede für einen integrierten Aktuator angegebene Drehzahl ist eine Ausgangsdrehzahl, also die Zahl, die das Gelenk sieht. Der 485 g schwere AK80-6 KV100 mit seiner 6:1-Stufe gibt im Leerlauf 800 rpm an, während der 850 g schwere AK80-64 mit seiner 64:1-Stufe an einem 24-V-Bus 37 rpm angibt – ein Faktor von etwa zweiundzwanzig in der Ausgangsdrehzahl, der durch einen Unterschied im Verhältnis und nicht durch einen Unterschied in der Motorqualität entsteht. Für ein Gelenk sind Umdrehungen pro Minute eine unhandliche Einheit, daher lohnt die Umrechnung: 1 rpm sind 6 Grad pro Sekunde, was die 800-rpm-Einheit im Leerlauf zu einem Gelenk mit 4800 Grad pro Sekunde und die 64:1-Einheit am selben Punkt zu einem Gelenk mit 222 Grad pro Sekunde macht. Eine Hüfte, die in 300 ms über 60 Grad schwingen muss, verlangt 200 Grad pro Sekunde an dauerhafter Ausgangsdrehzahl, und diese einzelne Anforderung schließt einen großen Teil des hohen Verhältnisendes jeder Aktuatorbaureihe aus.

Das Drehmoment wird mit demselben Verhältnis multipliziert, abzüglich dessen, was die Verzahnung kostet

Die Multiplikation ist real, aber nicht kostenlos. Eine 6:1-Stufe macht aus 6 Nm am Motor ungefähr 36 Nm am Gelenk, abzüglich Reibung und der Verluste im Zahneingriff, und eine 64:1-Stufe macht aus 0.75 Nm nach derselben Arithmetik ungefähr 48 Nm. Deshalb sind die schwersten Einheiten einer Baureihe nicht automatisch die stärksten: Der 750 g schwere AK60-39 V3.0 gibt durch eine 39:1-Stufe 72 Nm Spitzendrehmoment an, während der 850 g schwere AK80-64 durch eine 64:1-Stufe 120 Nm angibt, sodass ein Massenunterschied von 100 g einen Drehmomentvorteil von 67 Prozent bringt, weil das Verhältnis die Arbeit leistet. Das Verhältnis legt auch den Wirkungsgradverlust fest, weil jede zusätzliche Untersetzungsstufe einen kleinen Prozentsatz der durchgehenden Leistung kostet und ihren eigenen Beitrag zum Verdrehspiel hinzufügt.

KV mal Zwischenkreisspannung legt die Drehzahl auf der Motorseite fest

KV ist die motorseitige Konstante: die Drehzahl, mit der sich der Rotor pro Volt angelegter Zwischenkreisspannung dreht, vor dem Reduzierer. Multipliziert man KV mit der Zwischenkreisspannung und teilt durch das Verhältnis, erhält man eine Schätzung der Ausgangsleerlaufdrehzahl, und diese Schätzung lässt sich gegen die veröffentlichte Angabe als arithmetische Gegenprobe zu den Daten prüfen. Für den AK45-10 V3.0 KV75 an 24 V über 10:1 ergibt 75 mal 24 geteilt durch 10 einen Ausgangswert von 180 rpm gegen veröffentlichte 180 rpm. Für den AK60-6 V1.1 KV140 an 24 V über 6:1 beträgt die Schätzung 560 rpm gegen veröffentlichte 560 rpm; für den AK80-6 KV100 an 48 V über 6:1 sind es 800 rpm gegen 800 rpm; und für den AK70-9 V3.0 KV60 und den AK10-9 V3.0 KV60, beide an 48 V über 9:1, sind es in beiden Fällen 320 rpm gegen 320 rpm. Die Übereinstimmung ist nicht allgemein gültig – der AKH70-48 V1.0 KV41 an 48 V über 48:1 schätzt auf 41 rpm gegen veröffentlichte 35 rpm –, und genau deshalb ist die veröffentlichte Ausgangsdrehzahl und nicht ein aus KV abgeleiteter Wert die Zahl, gegen die konstruiert werden sollte.

Ein hohes Verhältnis kauft Drehmoment und verbraucht Rücktreibbarkeit

Zwei Effekte wirken gegen ein Gelenk, wenn sein Verhältnis steigt. Der erste ist, dass die am Ausgang reflektierte Trägheit mit dem Quadrat des Verhältnisses fällt, sodass das Gelenk leichter zu befehlen und schwerer zu spüren ist. Der zweite ist die Reibung: Ein mehrstufiger Reduzierer widersteht einem von der Ausgangsseite aufgebrachten Drehmoment, und bei hohen Verhältnissen kann dieser Widerstand groß genug sein, dass sich das Gelenk nicht mehr bewegt, wenn eine Person oder eine Oberfläche es drückt. In diesem Set geben die Einheiten mit niedrigerem Verhältnis Verhältnisse von 6:1, 9:1 und 10:1 an, während die lasttragenden Einheiten mit 39:1, 48:1 und 64:1 laufen, und die Aufteilung zwischen diesen beiden Gruppen folgt der Frage, ob vom Gelenk erwartet wird, nachgiebigen Kontakt herzustellen oder eine große Last ruhig zu halten. Das Verdrehspiel ist die begleitende Spezifikation und bewegt sich in die andere Richtung: Die Einheiten in diesem Satz geben Werte zwischen 0.18 und 0.55° an, und ein niedriges Verhältnis mit einem engen Verdrehspielwert ist die Kombination, die einem Gelenk die Eigenschaft gibt, sich unter Handdruck steif anzufühlen und dennoch schieben zu lassen.

Drehmoment abstimmen: Nennwert, Spitzenwert und das Fenster dahinter

Das Drehmoment ist die Achse, auf der die meisten Entscheidungen zu humanoiden Gelenken zuerst getroffen werden und auf der die meisten zuerst falsch getroffen werden. Drei verschiedene Zahlen erscheinen in den Angaben eines Herstellers, und jede beantwortet eine andere Frage.

Spitzendrehmoment ist ein Fenster, keine Fähigkeit

Das Spitzendrehmoment beschreibt, was der Aktuator für ein kurzes Intervall erzeugen kann – typischerweise die Zeit, die zum Beschleunigen einer Extremität oder zum Abfangen einer Störung nötig ist –, ohne die Stromgrenze des Antriebs zu überschreiten oder irgendetwas zu entmagnetisieren. Es ist die richtige Zahl für ein Ereignis der Gleichgewichtsrückgewinnung oder für den ersten Augenblick eines Hebens, und es ist die falsche Zahl für alles, was wiederholt werden muss. In diesem Satz läuft das Verhältnis von Spitze zu Nennwert von 2.0 beim AK80-6 bis 3.4 beim AK70-9 V3.0, sodass sich zwei Aktuatoren mit demselben Nenndrehmoment um mehr als die Hälfte in dem Übergang unterscheiden können, den beide liefern. Nur die Spitzenspalte zu lesen verwischt diesen Unterschied und erzeugt eine Auswahlliste, die im Dauerbetrieb überhitzt.

Das Nenndrehmoment ist durch den Wärmepfad der Wicklung begrenzt

Das Nenndrehmoment ist eine thermische Aussage. Es ist das Drehmoment, das der Aktuator unbegrenzt halten kann, während die Wicklung innerhalb ihrer Isolierklasse bleibt, und es hängt daher davon ab, wie die Wärme den Stator verlässt – durch das Gehäuse, in die Montagestruktur und weg vom eigenen Gehäuse des Gelenks. Deshalb ist der Nennwert in einem kleinen abgedichteten Gehäuse niedriger als in einem großen beim selben Motor, und deshalb ist das Nenndrehmoment eines Gelenks am Ende eines Arms eine andere Sache als dasselbe Gelenk, das an einen Hüftwinkel mit großer thermischer Masse dahinter geschraubt ist. Die Nennwerte in diesem Satz reichen von 2.5 Nm am 262-g-Ende bis 74 Nm am 1396-g-Ende, und der Nennwert ist der, der gegen die durchschnittliche Last des Gelenks zu vergleichen ist und nicht gegen seinen Worst Case. Eine arithmetische Prüfung, die hier oft den Kreis schließt, ist Nenndrehmoment mal Nenndrehzahl in Radiant pro Sekunde gegen die veröffentlichte Nennleistung: Der AK60-6 V1.1 ergibt 3 Nm bei 420 rpm für 132 W gegen veröffentlichte 130 W, der AK70-9 V3.0 ergibt 231 W gegen 231 W, der AK60-39 V3.0 ergibt 176 W gegen 176 W, und der AK10-9 V3.0 ergibt 443 W gegen 442 W. Wo die beiden nicht schließen, ist die Differenz meist auf die Zwischenkreisspannung zurückzuführen, bei der die Drehzahl angegeben wurde.

Haltedrehmoment im Stillstand ist eine Stromfrage

Ein Gelenk, das unter Last stillsteht, verrichtet aus Sicht der Wicklung keine Nullarbeit. Der Antrieb muss Strom in die Phasen treiben, um die Position zu halten, und der daraus entstehende Kupferverlust ist derselbe, als würde sich das Gelenk langsam bewegen. Ein stehender humanoider Roboter hat daher eine stehende Leistungsaufnahme, die mit dem Haltedrehmoment jedes belasteten Gelenks in der Pose skaliert, und der Strom am Nennbetriebspunkt ist die Zahl, die zählt: In diesem Satz läuft der Nennstrom von 1.9 A beim AK45-10 V3.0 an 24 V bis 10.7 A beim AK10-9 V3.0 an 48 V. Bei einer batteriebetriebenen Plattform wird diese Aufnahme aus der Ausdauer bezahlt, und das ist der Grund, warum eine Pose, die mit einem mechanischen Anschlag gehalten werden kann, es wert ist, konstruktiv vorgesehen zu werden.

Drehmomentdichte im Verhältnis zur Masse, die das Gelenk tragen muss

Die Drehmomentdichte ist die Zahl, die die Drehmomentachse mit der Größenachse verbindet, und nur aussagekräftig, wenn sowohl die Masse als auch das verwendete Drehmoment angegeben werden. Über die acht Einheiten unten reicht das veröffentlichte Spitzendrehmoment pro Kilogramm von etwa 24.5 Nm/kg beim 368 g schweren AK60-6 V1.1 bis etwa 159 Nm/kg beim 1396 g schweren AKH70-48 V1.0, während das Nenndrehmoment pro Kilogramm bei denselben zwei Einheiten von etwa 8.2 Nm/kg bis etwa 53 Nm/kg läuft. Beide Werte sind Arithmetik aus den erfassten Zahlen. Die große Streuung ist kein Zufall der Fertigungsqualität: Es ist das, was das Verhältnis bewirkt, weil die Einheiten mit höherem Verhältnis ihr Drehmoment aus einem kleineren, schneller drehenden Motor erzeugen und die zusätzliche Reduzierermasse klein ist im Vergleich zu der Masse, die der kleinere Motor einspart.

Drehzahl am Gelenk abstimmen, nicht am Rotor

Drehzahlerfordernisse werden bei einem humanoiden Roboter meist als ein Winkel angegeben, der in einer gegebenen Zeit zu überstreichen ist, und zunächst selten korrekt. Die Umrechnung von einer Gelenkanforderung in eine Aktuatorspezifikation führt über das Verhältnis, und das Verhältnis wird aus Drehmomentgründen gewählt, sodass die beiden Randbedingungen zusammen und nicht nacheinander zu lösen sind.

Die Schwungphase legt den Drehzahlbedarf des Beins fest

Ein gehendes Bein muss den Fuß durch einen Kniewinkelbereich von etwa 60 bis 90 Grad in 300 bis 400 ms nach vorn bringen, was 150 bis 300 Grad pro Sekunde an dauerhafter Gelenkdrehzahl während des Schwungs verlangt und über den gesamten Gangzyklus eher weniger. In den acht Einheiten unten wird dieses Band von der 485-g- und der 540-g-Klasse bei 6:1 und 9:1 bedient, deren veröffentlichte Nenndrehzahlen von 603 rpm und 260 rpm etwa 3618 bzw. 1560 Grad pro Sekunde entsprechen – eine große Reserve, die es dem Geschwindigkeitsregelkreis des Gelenks erlaubt, innerhalb des Schwungs zu beschleunigen und abzubremsen, statt mit konstanter Rate zu laufen. Die Einheiten mit hohem Verhältnis sind aus Beinen nicht ausgeschlossen, kommen aber dort zum Einsatz, wo das Gelenk nahe am Boden liegt und der Lastpfad von der Stützung statt vom Schwung dominiert wird.

Bahnverfolgung und Reichbewegungen legen den Drehzahlbedarf des Arms fest

Der Drehzahlbedarf eines Arms wird durch die Trajektorie festgelegt, der er folgen muss, nicht durch eine einzelne Bewegung. Manipulationsaufgaben – das Erreichen eines Punktes, das Folgen einer Oberfläche, das Fangen eines geworfenen Objekts – erfordern eine kontinuierliche Positions- und Geschwindigkeitsverfolgung, und die relevante Zahl ist die Beschleunigungsfähigkeit des Gelenks über die Mitte seines Bereichs und nicht seine Leerlaufdrehzahl am Ende. Arme sind außerdem nachsichtiger gegenüber Masse als Beine, weil die Schulter den Ellbogen und das Handgelenk trägt, aber die gesamte Kette nicht bei jedem Schritt gegen die Schwerkraft beschleunigt werden muss. Diese Kombination macht die Mitte einer Baureihe zu einem sinnvollen Ausgangspunkt für die Spezifikation eines Arms: In diesem Satz bietet der 540 g schwere AK70-9 V3.0 bei einem Verhältnis von 9:1 einen Nennabtrieb von 260 rpm und 29.2 Nm Spitzendrehmoment, was einen Ellbogen oder eine Schulterneigung in einem kompakten Rahmen abdeckt.

Die Leerlaufdrehzahl ist eine Obergrenze, die der Regelkreis selten erreicht

Die veröffentlichte Leerlaufdrehzahl ist die Ausgangsdrehzahl bei der Zwischenkreisspannung ohne Last und ohne Eingriff des Reglers. Ein reales Gelenk erreicht diesen Punkt nicht, weil sich der Betriebspunkt, sobald es etwas halten oder beschleunigen muss, entlang der Drehmoment-Drehzahl-Geraden zurückbewegt, und weil der Geschwindigkeitsregelkreis den Befehl begrenzt. Der praktische Nutzen der Leerlaufangabe ist der einer oberen Schranke, wenn die benötigte Drehzahl auf Machbarkeit geprüft wird: Eine Gelenkanforderung von 200 Grad pro Sekunde liegt bequem innerhalb einer Obergrenze von 4800 Grad pro Sekunde und unangenehm nahe an einer von 222 Grad pro Sekunde. Wo die Anforderung nahe an der Obergrenze liegt, verbringt das Gelenk sein Leben bei hohem Strom, und die thermische Folge gehört in die Beanspruchungsrechnung statt in eine Fußnote.

Größe abstimmen: Bauraum, Bohrung und die Kosten distaler Masse

Die Größe ist die Achse, die die Kinematik bei einer Plattform vom Typ Humanoider Roboter vorgibt, und es ist die Achse, bei der der geringste Kompromiss verfügbar ist. Ein Aktuator, der nicht in den Raum zwischen zwei Gliedern passt, lässt sich durch noch so viel Abstimmung nicht passend machen, und ein Aktuator, der an der falschen Stelle in der Kette zu schwer ist, verändert die Dynamik der Maschine und nicht nur ihr Massenbudget.

Distale Masse wird an jedem darüberliegenden Gelenk erneut berechnet

Ein Gramm im Fuß wird bei jedem Schwung vom Knöchel, vom Knie und von der Hüfte beschleunigt, sodass seine Kosten pro Schritt dreimal bezahlt werden. Dasselbe Gramm an der Hüfte wird einmal bezahlt. Das ist das Argument dafür, die kleinste und leichteste Einheit, die die Aufgabe erfüllt, am distalen Ende zu platzieren und Masse für die Gelenke zu reservieren, die die größten Drehmomente erzeugen müssen, und es wird in der Aufteilung dieses Satzes sichtbar: Die 262-g- und die 368-g-Einheit tragen Nenndrehmomente von 2.5 Nm und 3 Nm für Handgelenk-, Hand- und Knöchelarbeit, während die 940-g- und die 1396-g-Einheit 18 Nm und 74 Nm Nenndrehmoment für Hüften und Knie tragen. Diese Anordnung umzukehren – einen großen Aktuator aus Reservegründen an ein distales Gelenk zu setzen – lässt die proximalen Gelenke für den Rest des Lebens der Maschine härter arbeiten.

Kabelbohrungen und Lebensdauer des Kabelbaums in einer Extremität

Ein humanoides Gelenk dreht sich, und alles, was diese Drehung überqueren muss – Leistung, Sensorverkabelung, manchmal Fluid oder Luft –, verläuft entweder durch einen Schleifring, durch eine Servoschlaufe, die Millionen von Biegezyklen überstehen muss, oder durch den Aktuator selbst. Der 1396 g schwere AKH70-48 V1.0 KV41 ist ein Hohlwellen-Planetenaktuator, was bedeutet, dass der Kabelweg durch die Mitte des Gelenks und nicht um es herum verläuft und die Servoschlaufe vollständig aus dem Bauraum des Gelenks entfernt. Wo keine Bohrung verfügbar ist, muss die Schlaufe für einen Biegeradius und eine Zyklenlebensdauer ausgelegt werden, die es wert sind, gegen die vorgesehene Nutzungsdauer der Maschine geprüft zu werden. Die Bauraumspalte in der Tabelle unten ist daher nicht nur ein Durchmesser zum Einpassen; die 90 mm Durchmesser und 81.5 mm Länge der Hohlwelleneinheit sind nur zusammen mit der Bohrung durch deren Achse aussagekräftig.

Durchmesserklassen, Blechpaketlänge und das Muster, das ein Rahmen aufnehmen kann

Integrierte Aktuatoren gruppieren sich in Durchmesserklassen, weil Reduzierer und Motor dieselbe Achse teilen. In diesem Satz betragen die Durchmesser 53 mm, 79 mm, 89 mm, 90 mm und 98 mm, und die Längen laufen von 38.5 mm bis 81.5 mm. Der Durchmesser ist meist die härtere Randbedingung, weil der Querschnitt eines Glieds durch die Struktur festgelegt wird, die die Last tragen muss, während die Länge oft in die eigene Länge des Glieds aufgenommen werden kann. Ein Gelenk, das in einem Oberschenkel sitzen muss, braucht ein dünnes, breites Paket; ein Gelenk, das außen an einem Hüftwinkel sitzt, kann ein längeres aufnehmen. Die Montageschnittstelle zählt ebenso viel wie die Größe: Ein Aktuator, der an einem Ende an eine Platte geschraubt ist und am anderen ein Glied antreibt, erzwingt einen Lastpfad durch sein eigenes Gehäuse, und die Steifigkeit des Gehäuses wird dann Teil der Steifigkeit des Gelenks, was wiederum festlegt, wie sich die Maschine unter den Stößen des Gehens verhält.

Acht CubeMars-Aktuatoren für humanoide Gelenke als ein Spezifikationssatz

Die Tabelle unten liest acht CubeMars-Roboteraktuatoren als einen Spezifikationssatz, geordnet nach veröffentlichter Masse, weil die Masse die Achse ist, entlang der eine humanoide Plattform konstruiert wird, und weil die Verhältnisstreuung über diese acht den gesamten Drehmoment-Drehzahl-Kompromiss von einem 262 g schweren distalen Modul bis zu einem 1396 g schweren Hohlwellengelenk abdeckt. Jeder Wert ist der vom Hersteller veröffentlichte Wert; jeder abgeleitete Wert im Text ist als Arithmetik gekennzeichnet.

Nenn- und Spitzendrehmoment, Versorgungsspannung, Untersetzungsverhältnis, Masse und Bauraum wie vom Hersteller veröffentlicht. Das Nenndrehmoment ist der Dauerwert innerhalb der thermischen Grenzen des Aktuators; das Spitzendrehmoment ist ein Kurzzeitwert. Der AKH70-48 V1.0 ist eine Hohlwelleneinheit, sein Bauraum ist daher mit einer Kabelbohrung durch die Achse angegeben.

Als ein Satz gelesen beschreiben die acht Einheiten eine Drehmomentleiter von 7 Nm bis 222 Nm veröffentlichtem Spitzendrehmoment über einen Massenbereich von 262 g bis 1396 g, und die Leiter hat nicht dieselbe Form wie die Massenreihenfolge. Oberhalb des 540-g-Punkts folgt die Reihenfolge nicht mehr der Masse: Die 72 Nm des 750 g schweren AK60-39 V3.0 weichen den 120 Nm des 850 g schweren AK80-64, und der noch schwerere 940 g schwere AK10-9 V3.0 bleibt mit 53 Nm darunter, weil die 64:1-Stufe der 850-g-Einheit Drehzahl gegen Drehmoment eintauscht, während die 940-g-Einheit mit 9:1 arbeitet. Wer die Tabelle allein nach Masse liest, wählt die falsche Einheit; die Verhältnisspalte muss zusammen mit den Drehmomentspalten gelesen werden.

Die Drehmomentdichte macht denselben Punkt in einer einzigen Zahl. Das veröffentlichte Spitzendrehmoment pro Kilogramm, das Arithmetik aus den beiden erfassten Spalten ist, läuft von etwa 24.5 Nm/kg bei der 368-g-Einheit und etwa 24.7 Nm/kg bei der 485-g-Einheit bis etwa 141 Nm/kg bei der 850-g-Einheit und etwa 159 Nm/kg bei der 1396-g-Einheit. Die etwa sechsfache Spanne ist das Verhältnis, das die Arbeit leistet: Die Einheiten mit hohem Verhältnis erzeugen ihr Drehmoment aus einem kleinen, schnellen Motor und bezahlen es mit Ausgangsdrehzahl, während die Einheiten mit niedrigem Verhältnis es direkt erzeugen und ihre Drehzahl behalten. Das Nenndrehmoment pro Kilogramm erzählt dieselbe Geschichte über einen engeren Bereich, von etwa 8.2 Nm/kg am 368-g-Ende bis etwa 53 Nm/kg am Hohlwellenende, und es ist die nützlichere der beiden Zahlen, wenn das Gelenk eine Last minutenlang statt millisekundenlang halten wird.

Die Drehzahl fällt mit steigendem Verhältnis, und zwar auf eine Weise, die in Grad statt in Umdrehungen anzugeben ist. Rechnet man die veröffentlichten Leerlauf- und Nennausgangsdrehzahlen mit 6 Grad pro Sekunde pro rpm um, spannen die acht Einheiten von etwa 4800 Grad pro Sekunde Ausgangsleerlaufdrehzahl am 6:1-Ende bis hinunter zu 222 Grad pro Sekunde am 64:1-Ende, wobei die Nenndrehzahlen bei denselben Einheiten von etwa 3618 Grad pro Sekunde bis hinunter zu etwa 138 Grad pro Sekunde laufen. Eine Hüfte, die in 300 ms 60 Grad schwingen muss, verlangt 200 Grad pro Sekunde, was innerhalb der niedrigen Verhältnishälfte der Tabelle liegt und nahe an der Obergrenze der hohen Hälfte. Dieser Vergleich, durchgeführt bevor das Modell gewählt wird, hält eine Konstruktion davon ab, ein langsames Bein erklären zu müssen.

Die acht Einheiten von Knöchel bis Hüfte lesen

Die Gelenke einer humanoiden Plattform bilden eine Kette von den distalen Achsen an Handgelenken und Knöcheln bis zu Hüfte und Knie, und die Anforderung bewegt sich monoton entlang dieser Kette: Das Drehmoment steigt, die Drehzahl fällt, und die zulässige Masse steigt mit dem Abstand des Gelenks vom Boden. Die acht Einheiten unten ordnen sich dieser Kette in vier Gruppen zu.

Das 262-g- und 368-g-Ende: Handgelenk-, Hand- und Knöchelachsen

Die kleinsten Einheiten in diesem Satz tragen die drehmomentarmen, mittelschnellen Aufgaben. Der AK45-10 V3.0 KV75 wiegt 262 g in einem Gehäuse von 53 mm Durchmesser und 45.2 mm Länge, treibt eine 10:1-Stufe für 2.5 Nm Nenn- und 7 Nm Spitzendrehmoment an einem 24-V-Bus und gibt 120 rpm im Nennbetrieb und 180 rpm Ausgangsleerlaufdrehzahl bei 0.3° Verdrehspiel an. Seine veröffentlichte Nennleistung beträgt 39 W und sein Nennstrom 1.9 A, was die Verkabelung in ein kleines distales Glied einfach hält. Der AK60-6 V1.1 KV140 geht auf 79 mm Durchmesser und 368 g für 3 Nm Nenn- und 9 Nm Spitzendrehmoment durch eine 6:1-Stufe, und sein KV140-Motor erzeugt an 24 V 420 rpm im Nennbetrieb und 560 rpm im Leerlauf, die schnellste Ausgangsdrehzahl in dieser Gruppe mit etwa 3360 Grad pro Sekunde im Leerlauf. Diese Kombination – niedriges Verhältnis, mäßiges Drehmoment, hohe Ausgangsdrehzahl – passt zu einem Knöchel, der sich unter einem Fuß schnell neu positionieren muss, oder zu einem Handgelenk, das kleine, schnelle Korrekturen ausführen muss. Der Verdrehspielwert von 0.55° ist der lockerste in dieser Gruppe veröffentlichte, was die zu erwartende Folge eines niedrigen Verhältnisses mit einem schnellen Motor ist.

Die 485-g- und 540-g-Mitte: Ellbogen-Bahnverfolgung und schnelle Knie

Die Mitte des Satzes ist dort, wo der Arm und die schnelleren Beingelenke sitzen. Der AK80-6 KV100 ist eine 485 g schwere Einheit mit 98 mm Durchmesser und 38.5 mm Länge, die bei einem Verhältnis von 6:1 an einem 48-V-Bus 6 Nm Nenn- und 12 Nm Spitzendrehmoment erzeugt, mit 603 rpm im Nennbetrieb und 800 rpm im Leerlauf am Ausgang und einer veröffentlichten Nennleistung von 340 W. Sein Verhältnis von Spitze zu Nennwert von 2.0 ist das engste im Satz, was ihn zur Einheit der Wahl macht, wenn die Beanspruchung näher an Dauerbetrieb als an Übergang liegt. Der AK70-9 V3.0 KV60 ist dieselbe Idee eine Stufe höher im Verhältnis: 540 g in einem Gehäuse von 89 mm Durchmesser und 49 mm Länge, eine 9:1-Stufe, 8.5 Nm Nenn- und 29.2 Nm Spitzendrehmoment bei 48 V, 260 rpm im Nennbetrieb und 320 rpm im Leerlauf, 231 W Nennleistung und 0.3° Verdrehspiel. Sein Spitze-zu-Nennwert-Vielfaches von 3.4 ist das weiteste im Satz, sodass er die passendere Einheit ist, wo der Übergang der Auslegungsfall und die Dauerlast bescheiden ist. Beide Einheiten haben dokumentierte Einsätze: Der Hersteller veröffentlichte eine Fallstudie des AK80-6 in einer Forschungsplattform, unten eingebettet.

Die 750-g- und 940-g-Klasse: Hüften, Knie und Einbeinlast

Dies ist die Klasse, die die Maschine trägt. Der AK60-39 V3.0 KV80 ist eine 750 g schwere Einheit in einem Gehäuse von 79 mm Durchmesser und 67 mm Länge, die ihre 39:1-Stufe bei 48 V in 24 Nm Nenn- und 72 Nm Spitzendrehmoment umsetzt, mit 70 rpm im Nennbetrieb und 98 rpm im Leerlauf am Ausgang, 176 W Nennleistung und 0.25° Verdrehspiel. Der AK10-9 V3.0 KV60 wiegt 940 g in einem Gehäuse von 98 mm Durchmesser und 61.7 mm Länge und kombiniert eine 9:1-Stufe mit einer Doppel-Encoder-Anordnung für 18 Nm Nenn- und 53 Nm Spitzendrehmoment bei 48 V, mit 235 rpm im Nennbetrieb und 320 rpm im Leerlauf am Ausgang und einer veröffentlichten Nennleistung von 442 W bei 10.7 A Nennstrom. Die beiden Einheiten führen dasselbe Argument aus entgegengesetzten Richtungen: Die 39:1-Einheit kauft ihr Drehmoment mit dem Verhältnis und gibt Ausgangsdrehzahl auf, während die 9:1-Einheit ihre Drehzahl behält und einen größeren Motor benötigt, um das Drehmoment zu erzeugen. Eine Hüfte, die Einbeinlast halten und sich dann schnell strecken muss, begünstigt die zweite Anordnung; ein Knie, das nahe am Boden liegt und sich selten schnell bewegen muss, begünstigt die erste. Das Verdrehspiel ist für die 39:1-Einheit mit 0.25° angegeben; der Datensatz für die 9:1-Einheit in diesem Satz enthält keinen Verdrehspielwert, und dieser Spalt gehört auf die Liste der Fragen an den Hersteller und nicht in eine Annahme.

Das schwere Ende bei 48:1 und 64:1: wo Drehzahl bewusst geopfert wird

Die Spitze der Tabelle ist für die Gelenke, bei denen die Ausgangsdrehzahl ein Term ist, den der Konstrukteur zu opfern bereit ist. Der AK80-64 KV80 wiegt 850 g in einem Gehäuse von 98 mm Durchmesser und 61.9 mm Länge und erzeugt durch eine 64:1-Stufe 48 Nm Nenn- und 120 Nm Spitzendrehmoment, wobei entweder 24 V oder 48 V akzeptiert werden; seine veröffentlichte Ausgangsdrehzahl beträgt 23 rpm im Nennbetrieb und 37 rpm im Leerlauf an 24 V oder 48 rpm im Nennbetrieb und 75 rpm im Leerlauf an 48 V, bei 0.18° Verdrehspiel, dem engsten in diesem Satz. Der AKH70-48 V1.0 KV41 ist die schwerste Einheit mit 1396 g in einem Gehäuse von 90 mm Durchmesser und 81.5 mm Länge, und er erzeugt durch eine 48:1-Stufe an einem 48-V-Bus 74 Nm Nenn- und 222 Nm Spitzendrehmoment, mit 28 rpm im Nennbetrieb und 35 rpm im Leerlauf am Ausgang und 0.2° Verdrehspiel. Seine Hohlwelle ist das Merkmal, das ihn vom Rest unterscheidet: Der Kabelweg verläuft durch die Achse, was es erlaubt, eine Hüfte oder ein schweres Knie ohne eine Servoschlaufe um das Gelenk herum zu bauen. Beide Einheiten landen am Ausgang im niedrigen Hunderterbereich von Grad pro Sekunde, was zu einem lasttragenden Knie oder einer abgestützten Hüfte passt und beide aus jedem Gelenk ausschließt, das einen Schwung in wenigen hundert Millisekunden abschließen muss. Der Hersteller veröffentlichte einen Lasttest der Hohlwelleneinheit, unten eingebettet; der vollständige Spezifikationsdatensatz dafür steht auf der Produktseite des Herstellers.

Humanoide Plattformen, zu denen diese Gelenkmotoren passen

Jede Einheit in dieser Tabelle ist auf ToBMS mit derselben Anwendung verknüpft, was widerspiegelt, wie eng die Beanspruchung ist: Die Anwendung Humanoider Roboter deckt Maschinen ab, deren Gelenke die primäre Konstruktionsrandbedingung sind und nicht ein Zubehör zu einer festen Struktur.

Bipede Forschung und Ganzkörperplattformen

Forschungsplattformen werden gebaut, um instrumentiert und umgebaut zu werden, daher wird die Gelenkspezifikation um Regelbarkeit und Wiederholbarkeit herum geschrieben und nicht um die Nutzungsdauer. Niedrige und mittlere Verhältnisse dominieren hier, weil ein Gelenk, das rückgetrieben werden kann, ein Gelenk ist, das von Hand untersucht werden kann und dessen Drehmoment ohne einen zusätzlichen Sensor aus dem Motorstrom geschätzt werden kann. Die veröffentlichten Verhältnisse von Spitze zu Nennwert in der Mitte dieser Tabelle passen genau zu diesem Nutzungsmuster: Ein Prototyp verbringt den größten Teil seines Lebens bei einem Bruchteil des Nenndrehmoments und gelegentlich bei einem Vielfachen davon.

Laufende Maschinen und Rad-Bein-Maschinen

Maschinen, die gehen, und Maschinen, die auf an gelenkigen Beinen montierten Rädern rollen, führen das Gelenk durch den größten Bereich von Lastbedingungen in dieser Anwendung: nahezu Nullgeschwindigkeit bei hohem Drehmoment während der Stützung, hohe Drehzahl bei niedrigem Drehmoment während des Schwungs und Stoßlasten an beiden Enden. Die relevante Frage ist, ob der veröffentlichte Datensatz den Stoßfall überhaupt abdeckt, was in diesem Satz für den Spitzendrehmomentwert gilt und nicht für die Schockbelastung, die durch die Struktur eintrifft. Diese Lücke wird mit dem Hersteller geschlossen und nicht mit einem Datenblatt.

Assistenz- und Rehabilitationshardware

Wo eine Maschine eine Extremität bewegt, die zu einem Menschen gehört, muss das Gelenk zugleich eine Last halten und einer Bewegung folgen, und die veröffentlichten Fallstudien zu zwei Einheiten in dieser Tabelle stammen genau aus diesem Umfeld. Einheiten mit hohem Verhältnis übernehmen das Halten, und Einheiten mit niedrigem Verhältnis oder geringem Verdrehspiel übernehmen das Folgen, weshalb Assistenzgeräte an derselben Extremität oft zwei Verhältnisklassen mischen, statt eine Einheit für die gesamte Kette zu spezifizieren.

Manipulation, Teleoperation und geschickte Plattformen

Arme an einer humanoiden Plattform erben die Randbedingungen des Körpers, an dem der Arm befestigt ist: mäßige Masse am Handgelenk, die Notwendigkeit, in unstrukturierten Räumen zu arbeiten, und einen Regelkreis, der Kontakt tolerieren muss. Die Mitte dieser Tabelle – die 485-g- und die 540-g-Einheit bei 6:1 und 9:1 an einem 48-V-Bus – ist die Gruppe, die diese Randbedingungen ohne die Masse des lasttragenden Endes erfüllt, und es ist die Gruppe, in der ein einzelnes Modell mehr als ein Gelenk im Arm bedienen kann.

Eine Auswahlreihenfolge für ein humanoides Gelenk

Die Reihenfolge dieser drei Schritte ist wichtiger als das Detail innerhalb eines einzelnen davon, weil jeder Schritt die Menge einengt, die der nächste betrachten muss.

Zuerst die Einschaltdauer des Gelenks und seine Worst-Case-Last festlegen

Zuerst sind das Haltedrehmoment in der Pose, in der die Maschine die meiste Zeit verbringt, das Drehmoment, das während des Übergangs erforderlich ist, den die Gleichgewichtsrückgewinnung oder das Heben verlangt, und der Anteil der Zeit, der auf jeden entfällt, festzulegen. Die erste Zahl dimensioniert den thermischen Fall und damit das Nenndrehmoment; die zweite dimensioniert die Spitzenangabe; und das Verhältnis zwischen beiden entscheidet, ob das Gelenk an das niedrige Ende der Tabelle oder an das hohe gehört. Nichts am Modell lässt sich davor entscheiden, weil dieselbe Drehmomentanforderung von einem kleinen Motor mit hohem Verhältnis und einem großen Motor mit niedrigem Verhältnis erfüllt wird, und diese beiden Antworten verhalten sich am Gelenk unterschiedlich.

Zweitens Bus, Bohrung und Montagebauraum festlegen

Die Zwischenkreisspannung folgt der Leistungsarchitektur der Maschine und nicht dem Aktuator, daher ist diese als feste Randbedingung zu behandeln: Die Einheiten in diesem Satz laufen mit 24 V, mit 48 V oder mit beiden, und eine reine 48-V-Einheit lässt sich nicht auf einer 24-V-Plattform verwenden, so gut ihr Drehmoment auch passen mag. Der Bauraum folgt dem Glied: zuerst der Durchmesser, dann die Länge, und – wo das Gelenk eine Hüfte oder ein Knie mit einem darüber verlaufenden Kabel ist – zugleich die Bohrung durch die Achse. Eine Auswahlliste, die diese beiden Filter übersteht, ist meist klein genug, um ordnungsgemäß verglichen zu werden.

Die Zahlen hinterfragen, die der Datensatz offen lässt

Der veröffentlichte Datensatz für diese Aktuatorklasse ist gut bei Drehmoment, Drehzahl, Verhältnis und Masse, und er ist dünner bei den Zahlen, die entscheiden, wie sich ein Gelenk verhält, statt wie es leistet. Die Liste der Fragen an den Hersteller ist kurz.

• Das am Ausgang gemessene Verdrehspiel für die spezifische Einheit und Version sowie die Frage, ob der Wert ein Maximum oder ein typischer Wert ist.
• Das an den Spitzendrehmomentwert gebundene Beanspruchungsfenster: wie lange, wie oft und mit welcher Kühlung.
• Der Wirkungsgrad über die volle Untersetzungsstufe hinweg und wo er bei niedriger Ausgangsdrehzahl unter hohem Drehmoment abfällt.
• Der Dauerstrom und der Gehäusetemperaturanstieg, der in der eigenen Montageanordnung der Maschine damit einhergeht.
• Jede Schock- oder Stoßbelastbarkeit, die die Zahl ist, die diese Anwendung braucht, und die am häufigsten fehlende.

Wo eine Zahl im Datensatz fehlt, gehört diese in die Konstruktionsreserve und nicht in eine Annahme, und die Bewertung gehört schriftlich festgehalten, bevor das Gelenk bestellt wird.

Häufige Fragen

Offizielle Quellen

CubeMars veröffentlicht Produktdokumentation für die Aktuatorbaureihen, die im Abschnitt Ressourcen der Plattform gesammelt sind, und jedes Modell hat eine offizielle Produktseite mit seiner vollständigen Spezifikation, Leistungskurve und Montagezeichnung – die Produktpalette des Herstellers ist der Einstiegspunkt. Der Hersteller bleibt die Quelle der Wahrheit für Drehmomentkurven, thermische Nennwerte, die Grundlage des Verdrehspiels und die Antriebskonfiguration; ToBMS hält die Entdeckungsebene durchsuchbar und vergleichbar, und die in diesem Ratgeber verwendeten Werte sind die veröffentlichten Werte, die in den Produktdatensätzen der Plattform geführt werden.

Wie es weitergeht

Das Gegenstück auf Kategorieebene zu diesem Ratgeber ist Roboteraktuatoren: Passenden integrierten Aktuator für Robotergelenke wählen, das fünf dieser integrierten Einheiten als Komponenten gegeneinander liest, und Gelenkmodule auswählen: fünf CubeMars-Aktuatoren von 190 g bis 1.4 kg, das das Gelenkmodul als Konstruktionseinheit nimmt. Dieser Ratgeber geht stattdessen vom Roboter aus: Er gelangt über die Gelenkkette, den Einschaltzyklus und das Massenbudget zur selben Aktuatorklasse, was der Weg ist, wenn die Frage lautet, was ein Humanoider Roboter braucht, und nicht, welches Modell größer ist.

Zwei benachbarte Wege lohnen sich, wo die Gelenkklasse wechselt. Wo ein Gelenk von Hand geführt werden muss oder wo die Naht zwischen einem rahmenlosen Kit und einem abgedichteten Modul zu entscheiden ist, stellt BLDC-Motoren für Exoskelette: Rahmenloser Drehmomentmotor vs. integrierter Aktuator den Vergleich direkt an, und die Kategorie Rahmenlose Drehmomentmotoren deckt die Stator-und-Rotor-Kits ab, aus denen geschickte Handachsen üblicherweise gebaut werden. Wo ein niedriges Verhältnis aus Nachgiebigkeitsgründen und nicht aus Drehzahlgründen gewählt wird, deckt Quasi-Direct-Drive-Aktuatoren: Was ein 8:1-Verhältnis bringt die Baureihe Quasi-Direct-Drive-Aktuatoren auf dieser Grundlage ab.

Für den weiteren Zusammenhang, wie die Motorklassen zusammenhängen, ordnet BLDC-Motoren: Kompletter Ratgeber zu Typen, Kennwerten und Auswahl den integrierten Aktuator unter den anderen Kategorien ein. Zum Eingrenzen statt zum Recherchieren lassen sich Kandidaten nach Drehmoment, Verhältnis, Spannung, Masse und Bauraum in Auswahl filtern und dann in Produktvergleich gegeneinander stellen; verwandte Gelenkklassen sind in den Anwendungen Gelenkmodul, Exoskelett, Quadruped-Roboter und Rehabilitationsroboter der Plattform gruppiert. Die Kategorie Roboteraktuatoren enthält die acht hier verglichenen Einheiten.