Motor BLDC untuk Robot Humanoid: Cara Mencocokkan Torsi, Kecepatan dan Ukuran

Robot humanoid adalah persoalan torsi yang tersebar di setiap sendi bertenaga pada seluruh tubuh, dan tiga angka yang menggambarkan masing-masing sendi itu - berapa besar torsi yang harus ditahan, seberapa cepat sendi itu harus bergerak, dan berapa besar massa yang dapat dibawa anggota gerak - tidak saling independen. Ubah satu angka, dua lainnya mengikuti. Karena itu, memilih motor BLDC untuk robot humanoid berarti menemukan titik tempat ketiga kurva itu berpotongan untuk setiap sendi satu per satu, lalu memeriksa apakah catatan yang dipublikasikan benar-benar mendukung titik yang telah dipilih. Bila urutannya salah, mesin itu tidak dapat berdiri atau tidak dapat mengangkat kakinya sendiri.

Jawaban singkat

Ketiga besaran itu dihubungkan oleh dua variabel: rasio reduksi antara motor dan sendi, serta tegangan bus tempat motor beroperasi. Rasio rendah seperti 6:1 menjaga sendi tetap cepat dan mudah digerakkan balik tetapi membutuhkan motor besar untuk menghasilkan torsi yang berguna; rasio tinggi seperti 64:1 menghasilkan torsi besar dari motor kecil tetapi menghabiskan kecepatan dan sebagian besar kemampuan sendi untuk didorong oleh beban eksternal. Rasio dipilih dari siklus kerja sendi, massa mengikuti rasio dan torsi, dan torsi puncak yang dipublikasikan adalah klaim berjendela pendek yang tidak boleh dipakai sebagai angka kerja.

Di ToBMS, aplikasi Robot Humanoid menghimpun aktuator terintegrasi CubeMars yang melayani sendi humanoid, dari unit 262 g dengan tahap 10:1 hingga unit poros berongga 1396 g dengan torsi puncak 222 Nm yang dipublikasikan. Panduan ini menjabarkan bagaimana torsi, kecepatan dan ukuran dicocokkan sendi demi sendi, dan membaca delapan unit tersebut sebagai satu himpunan spesifikasi.

Mengapa sendi humanoid adalah kompromi antara torsi, kecepatan dan ukuran

Platform humanoid berbeda dari mesin lain karena struktur dan muatannya adalah objek yang sama. Lengan industri ditambatkan pada fondasi, link-nya hanya perlu membawa inersianya sendiri dan alat kerjanya, dan alasnya dapat dibuat seberat apa pun yang dapat ditoleransi pelanggan. Robot humanoid harus membawa aktuator, baterai dan elektronikanya pada anggota gerak yang sama yang melakukan pekerjaan, dan anggota gerak itu juga harus digerakkan cukup akurat untuk menjaga keseimbangan. Setiap gram yang ditambahkan di lutut adalah gram yang harus diayunkan pinggul, dan setiap gram yang ditambahkan di pinggul adalah gram yang harus dikoreksi pergelangan kaki.

Siklus kerja datang sebelum nomor model apa pun

Angka pertama dalam spesifikasi sebuah sendi bukanlah torsi. Angka itu adalah deskripsi tentang apa yang dilakukan sendi selama satu siklus: berapa lama ia menahan beban statis, berapa lama ia bergerak melawan gravitasi, seberapa sering ia berakselerasi, dan berapa banyak dari waktu itu yang dihabiskan pada kecepatan rendah di bawah beban. Pinggul yang berdiri menahan sebagian massa tubuh selama beberapa menit tanpa henti dengan gerakan yang hampir tidak ada. Lutut yang berjalan menyerap benturan dalam beberapa puluh milidetik lalu berayun bebas. Siku dalam tugas manipulasi dapat menghabiskan sebagian besar waktu kerjanya untuk menahan alat pada sudut yang hampir konstan. Ketiganya adalah persoalan termal dan elektromagnetik yang berbeda, dan diselesaikan oleh titik yang berbeda pada bidang torsi-kecepatan.

Fase tumpu dan fase ayun menuntut ujung kurva yang berlawanan

Sendi tungkai bergantian antara dua tugas. Pada fase tumpu, sendi hampir tidak bergerak di bawah beban yang dapat melebihi berat tubuh, yaitu kebutuhan torsi dengan komponen kecepatan yang hampir tidak ada. Pada fase ayun, sendi yang sama harus bergerak melalui sudut besar dengan cepat dan hampir tanpa beban, yaitu kebutuhan kecepatan dengan komponen torsi yang hampir tidak ada. Satu motor harus memenuhi keduanya, dan rasio reduksi adalah yang menentukan bagaimana kompromi itu dibagi. Rasio tinggi melayani fase tumpu dan merugikan fase ayun; rasio rendah melakukan sebaliknya. Pergantian ini, bukan angka tunggal mana pun, yang membuat sendi tungkai mesin bipedal lebih sulit dispesifikasikan daripada sumbu sebanding pada lengan industri tetap, dan itulah hal pertama yang harus dilihat ketika sendi robot humanoid pada platform baru dibagi ke dalam kelas aktuator.

Inersia tercermin adalah yang sebenarnya dilawan lup kendali

Di antara motor dan keluaran sendi terdapat rangkaian roda gigi, dan rangkaian itu membagi inersia rotor dengan kuadrat rasio pada jalur keluaran. Rasio tinggi karena itu menyajikan inersia tampak yang sangat kecil di sendi kepada pengendali, sehingga kendali posisi menjadi mudah dan kendali gaya menjadi sulit, karena sendi tidak lagi dapat merasakan apa yang didorongnya. Rasio rendah memantulkan lebih banyak inersia rotor ke keluaran, yang membuat sendi merasakan dunia dan dapat digerakkan balik secara terprediksi, dan itulah sebabnya sendi quasi direct drive dengan tahap 8:1 atau 9:1 dipakai di tempat robot harus bersentuhan dengan objek yang tidak dikenal atau dengan manusia. Rasio yang sama yang menetapkan torsi dan kecepatan juga menetapkan perilaku ini, sehingga ini bukan detail mekanis yang dapat diperbaiki belakangan di perangkat lunak.

Pemulihan keseimbangan adalah transien yang harus dicakup jendela peringkat

Keseimbangan bipedal dipertahankan oleh torsi korektif yang diterapkan dalam waktu kurang dari satu detik setelah gangguan, dan besarnya koreksi itu dapat beberapa kali lipat torsi yang dibutuhkan untuk berdiri diam. Inilah transien yang harus dicakup oleh torsi puncak yang dipublikasikan pada sebuah sendi, dan inilah alasan pada set aktuator ToBMS saat ini rasio puncak terhadap nilai nominal mencapai sekitar tiga kali pada beberapa model. Sendi yang dispesifikasikan hanya terhadap beban statisnya akan menahan postur berdiri lalu gagal pulih dari dorongan, yang pada platform humanoid berarti jatuh, bukan sekadar siklus yang terlewat.

Bagaimana rasio reduksi mengubah kecepatan menjadi torsi

Rasio reduksi adalah angka paling berguna dalam spesifikasi sendi humanoid, karena ia memetakan setiap besaran di sisi motor ke sisi sendi dengan cara yang tetap. Setelah rasio diketahui, kecepatan sendi adalah kecepatan motor dibagi rasio tersebut, torsinya adalah torsi motor dikalikan rasio itu, dan angka yang dipublikasikan untuk keduanya dapat diperiksa satu terhadap yang lain.

Kecepatan sendi adalah kecepatan motor dibagi rasio

Setiap kecepatan yang dikutip untuk aktuator terintegrasi adalah kecepatan keluaran, yaitu angka yang dilihat sendi. AK80-6 KV100 yang berbobot 485 g dengan tahap 6:1 mempublikasikan 800 rpm tanpa beban, sedangkan AK80-64 yang berbobot 850 g dengan tahap 64:1 mempublikasikan 37 rpm pada bus 24 V - faktor sekitar dua puluh dua kali pada kecepatan keluaran yang dihasilkan oleh perbedaan rasio, bukan oleh perbedaan kualitas motor. Untuk sebuah sendi, putaran per menit adalah satuan yang canggung, sehingga layak dikonversi: 1 rpm adalah 6 derajat per detik, yang menjadikan unit 800 rpm sebuah sendi 4800 derajat per detik tanpa beban dan unit 64:1 sebuah sendi 222 derajat per detik pada titik yang sama. Pinggul yang harus berayun melalui 60 derajat dalam 300 ms menuntut 200 derajat per detik keluaran yang berkelanjutan, dan satu persyaratan itu menyingkirkan sebagian besar ujung rasio tinggi dari jangkauan aktuator mana pun.

Torsi berlipat dengan rasio yang sama, dikurangi apa yang diambil rangkaian roda gigi

Perkalian itu nyata tetapi tidak gratis. Tahap 6:1 mengubah 6 Nm di motor menjadi kira-kira 36 Nm di sendi dikurangi gesekan dan kerugian pada pertemuan roda gigi, dan tahap 64:1 mengubah 0.75 Nm menjadi kira-kira 48 Nm dengan aritmetika yang sama. Itulah sebabnya unit terberat dalam satu jajaran tidak otomatis yang terkuat: AK60-39 V3.0 yang berbobot 750 g mempublikasikan 72 Nm torsi puncak melalui tahap 39:1, sedangkan AK80-64 yang berbobot 850 g mempublikasikan 120 Nm melalui tahap 64:1, sehingga selisih massa 100 g membeli keunggulan torsi 67 persen karena rasio yang melakukan pekerjaan itu. Rasio juga menetapkan penalti efisiensi, karena setiap tahap reduksi tambahan menghabiskan persentase kecil dari daya yang melewatinya dan menambahkan kontribusinya sendiri terhadap backlash.

KV dikalikan tegangan bus menetapkan kecepatan di sisi motor

KV adalah konstanta di sisi motor: ia adalah kecepatan rotor berputar per volt tegangan bus yang diterapkan, sebelum reduksi. Mengalikan KV dengan tegangan bus dan membaginya dengan rasio memberi perkiraan kecepatan keluaran tanpa beban, dan perkiraan itu dapat diperiksa terhadap angka yang dipublikasikan sebagai pemeriksaan silang aritmetika atas catatan tersebut. Untuk AK45-10 V3.0 KV75 pada 24 V melalui 10:1, 75 dikalikan 24 dan dibagi 10 menghasilkan 180 rpm terhadap 180 rpm yang dipublikasikan. Untuk AK60-6 V1.1 KV140 pada 24 V melalui 6:1, perkiraannya 560 rpm terhadap 560 rpm yang dipublikasikan; untuk AK80-6 KV100 pada 48 V melalui 6:1 perkiraannya 800 rpm terhadap 800 rpm; dan untuk AK70-9 V3.0 KV60 serta AK10-9 V3.0 KV60, keduanya pada 48 V melalui 9:1, perkiraannya 320 rpm terhadap 320 rpm pada kedua kasus. Kesesuaian itu tidak universal - AKH70-48 V1.0 KV41 pada 48 V melalui 48:1 diperkirakan 41 rpm terhadap 35 rpm yang dipublikasikan - dan itulah tepatnya alasan kecepatan keluaran yang dipublikasikan, bukan nilai yang diturunkan dari KV, adalah angka yang harus dipakai sebagai dasar perancangan.

Rasio tinggi membeli torsi dan menghabiskan kemampuan digerakkan balik

Dua efek bekerja melawan sebuah sendi ketika rasionya naik. Yang pertama adalah inersia tercermin di keluaran turun sebanding kuadrat rasio, sehingga sendi menjadi lebih mudah dikendalikan dan lebih sulit dirasakan. Yang kedua adalah gesekan: reduksi bertingkat menahan torsi yang diterapkan dari sisi keluaran, dan pada rasio tinggi tahanan itu dapat cukup besar sehingga sendi tidak lagi bergerak ketika seseorang atau suatu permukaan mendorongnya. Dalam himpunan ini unit rasio lebih rendah mempublikasikan rasio 6:1, 9:1 dan 10:1, sedangkan unit pembawa beban berjalan pada 39:1, 48:1 dan 64:1, dan pembagian antara kedua kelompok itu mengikuti pertanyaan apakah sendi diharapkan melakukan kontak yang patuh atau menahan beban besar dengan tenang. Backlash adalah spesifikasi pendampingnya dan bergerak ke arah sebaliknya: unit dalam himpunan ini mempublikasikan angka antara 0.18 dan 0.55°, dan rasio lebih rendah dengan angka backlash yang rapat adalah kombinasi yang memberi sendi sifatnya yang terasa kaku di bawah tekanan tangan namun tetap dapat didorong.

Mencocokkan torsi: nominal, puncak, dan jendela di balik masing-masing

Torsi adalah sumbu tempat sebagian besar keputusan sendi humanoid pertama kali diambil dan tempat sebagian besar keputusan itu pertama kali dibuat salah. Tiga angka berbeda muncul dalam catatan produsen, dan ketiganya menjawab tiga pertanyaan yang berbeda.

Torsi puncak adalah jendela, bukan kemampuan

Torsi puncak menggambarkan apa yang dapat dihasilkan aktuator untuk selang waktu singkat - biasanya waktu yang dibutuhkan untuk mempercepat anggota gerak atau menghentikan gangguan - tanpa melewati batas arus penggerak atau mengalami demagnetisasi. Ini adalah angka yang benar untuk peristiwa pemulihan keseimbangan atau untuk saat pertama sebuah pengangkatan, dan angka yang salah untuk apa pun yang harus diulang. Dalam himpunan ini rasio puncak terhadap nominal berjalan dari 2.0 pada AK80-6 hingga 3.4 pada AK70-9 V3.0, sehingga dua aktuator dengan torsi nominal sama dapat berbeda lebih dari setengah dalam transien yang akan diberikannya. Membaca kolom puncak saja akan meruntuhkan perbedaan itu dan menghasilkan daftar pendek yang akan kepanasan dalam layanan kontinu.

Torsi nominal dibatasi oleh jalur termal kumparan

Torsi nominal adalah pernyataan termal. Ini adalah torsi yang dapat ditahan aktuator tanpa batas waktu dengan kumparan tetap berada di dalam kelas isolasinya, dan karena itu nilainya bergantung pada bagaimana panas meninggalkan stator - melalui housing, masuk ke struktur pemasangan, dan keluar dari selubung sendi itu sendiri. Itulah sebabnya angka nominal lebih rendah pada housing tersegel yang kecil daripada pada housing besar untuk motor yang sama, dan mengapa torsi nominal sebuah sendi di ujung lengan adalah perkara yang berbeda dari sendi yang sama yang dibaut pada braket pinggul dengan massa termal besar di belakangnya. Angka nominal dalam himpunan ini berjalan dari 2.5 Nm pada ujung 262 g hingga 74 Nm pada ujung 1396 g, dan angka nominal itulah yang harus dibandingkan dengan beban rata-rata sendi, bukan dengan kasus terburuknya. Pemeriksaan aritmetika yang sering menutup lingkarannya di sini adalah torsi nominal dikalikan kecepatan nominal dalam radian per detik terhadap daya nominal yang dipublikasikan: AK60-6 V1.1 menghasilkan 3 Nm pada 420 rpm untuk 132 W terhadap 130 W yang dipublikasikan, AK70-9 V3.0 menghasilkan 231 W terhadap 231 W, AK60-39 V3.0 menghasilkan 176 W terhadap 176 W, dan AK10-9 V3.0 menghasilkan 443 W terhadap 442 W. Bila keduanya tidak menutup, perbedaannya biasanya dapat dilacak ke tegangan bus tempat kecepatan itu dikutip.

Torsi penahan saat diam adalah persoalan arus

Sendi yang berdiri diam di bawah beban tidak melakukan kerja nol dari sudut pandang kumparan. Penggerak harus mendorong arus ke dalam fase untuk menahan posisi, dan rugi tembaga yang dihasilkan sama seperti jika sendi bergerak lambat. Robot humanoid yang berdiri karena itu memiliki konsumsi daya berdiri yang berskala dengan torsi penahan setiap sendi berbeban pada postur itu, dan arus pada titik operasi nominal adalah angka yang penting: dalam himpunan ini arus nominal berjalan dari 1.9 A pada AK45-10 V3.0 di 24 V hingga 10.7 A pada AK10-9 V3.0 di 48 V. Pada platform bertenaga baterai, konsumsi itu dibayar dari daya tahan, dan itulah alasan postur yang dapat ditahan dengan penahan mekanis layak dirancang.

Kepadatan torsi dibaca terhadap massa yang harus dibawa sendi

Kepadatan torsi adalah angka yang menghubungkan sumbu torsi dengan sumbu ukuran, dan angka itu hanya bermakna bila menyatakan massa sekaligus torsi mana yang dipakai. Di antara delapan unit di bawah ini, torsi puncak per kilogram yang dipublikasikan berkisar dari sekitar 24.5 Nm/kg pada AK60-6 V1.1 yang berbobot 368 g hingga sekitar 159 Nm/kg pada AKH70-48 V1.0 yang berbobot 1396 g, sedangkan torsi nominal per kilogram berjalan dari sekitar 8.2 Nm/kg hingga sekitar 53 Nm/kg pada dua unit yang sama. Keduanya adalah aritmetika dari angka yang tercatat. Rentang yang lebar bukan kebetulan kualitas manufaktur: itu adalah akibat kerja rasio, karena unit rasio lebih tinggi menghasilkan torsinya dari motor yang lebih kecil yang berputar lebih cepat, dan massa roda gigi planet tambahan itu kecil dibandingkan massa yang dihemat motor yang lebih kecil.

Mencocokkan kecepatan di sendi, bukan di rotor

Persyaratan kecepatan pada robot humanoid biasanya dinyatakan sebagai sudut yang harus ditempuh dalam waktu tertentu, dan jarang dinyatakan dengan benar pada awalnya. Konversi dari persyaratan sendi ke spesifikasi aktuator melewati rasio, dan rasio dipilih karena alasan torsi, sehingga kedua kendala itu harus diselesaikan bersama, bukan berurutan.

Fase ayun menetapkan persyaratan kecepatan tungkai

Tungkai yang berjalan harus membawa kaki ke depan melalui rentang lutut kira-kira 60 hingga 90 derajat dalam 300 hingga 400 ms, yang menuntut 150 hingga 300 derajat per detik kecepatan sendi berkelanjutan selama fase ayun dan lebih kecil dari itu sepanjang seluruh siklus gaya berjalan. Dalam delapan unit di bawah ini, pita itu dilayani oleh kelas 485 g dan 540 g pada 6:1 dan 9:1, yang kecepatan nominal terpublikasinya 603 rpm dan 260 rpm setara dengan sekitar 3618 dan 1560 derajat per detik - margin yang besar, dan itulah yang memungkinkan lup kecepatan sendi untuk mempercepat dan memperlambat di dalam fase ayun alih-alih berjalan pada laju yang konstan. Unit rasio tinggi tidak dikecualikan dari tungkai, tetapi dipakai di tempat sendi berada dekat tanah dan jalur beban didominasi oleh fase tumpu, bukan oleh fase ayun.

Pelacakan dan penjangkauan menetapkan kecepatan lengan

Persyaratan kecepatan lengan ditetapkan oleh lintasan yang harus diikutinya, bukan oleh satu gerakan tunggal. Tugas manipulasi - menjangkau ke suatu titik, mengikuti permukaan, menangkap objek yang dilempar - membutuhkan pelacakan posisi dan kecepatan yang kontinu, dan angka yang relevan adalah kemampuan akselerasi sendi di tengah jangkauannya, bukan kecepatan tanpa beban di ujungnya. Lengan juga lebih toleran terhadap massa daripada tungkai, karena bahu membawa siku dan pergelangan tangan tetapi seluruh rangkaian tidak harus dipercepat melawan gravitasi pada setiap langkah. Kombinasi itu menjadikan pertengahan jajaran tempat yang masuk akal untuk memulai spesifikasi lengan: dalam himpunan ini AK70-9 V3.0 yang berbobot 540 g pada 9:1 menawarkan 260 rpm nominal dan 29.2 Nm torsi puncak, yang mencakup siku atau pitch bahu dalam rangka yang kompak.

Kecepatan tanpa beban adalah batas atas yang jarang dicapai lup

Kecepatan tanpa beban yang dipublikasikan adalah kecepatan keluaran pada tegangan bus tanpa beban dan tanpa campur tangan pengendali. Sendi nyata tidak mencapai titik itu, karena begitu harus menahan atau mempercepat sesuatu, titik operasinya bergerak mundur di sepanjang garis torsi-kecepatan, dan karena lup kecepatan membatasi perintahnya. Kegunaan praktis angka tanpa beban adalah sebagai batas atas ketika kecepatan yang dibutuhkan diperiksa kelayakannya: persyaratan sendi 200 derajat per detik nyaman berada di dalam batas 4800 derajat per detik dan tidak nyaman dekat dengan batas 222 derajat per detik. Bila persyaratan itu berada dekat dengan batas atas, sendi akan menghabiskan hidupnya pada arus tinggi, dan konsekuensi termalnya termasuk dalam perhitungan siklus kerja, bukan dalam catatan kaki.

Mencocokkan ukuran: selubung, bore, dan biaya massa distal

Ukuran adalah sumbu yang ditetapkan oleh kinematika platform robot humanoid, dan pada sumbu itulah kompromi paling sedikit tersedia. Aktuator yang tidak muat di ruang antara dua link tidak dapat dibuat muat oleh penyetelan sebanyak apa pun, dan aktuator yang terlalu berat di tempat yang salah dalam rangkaian mengubah dinamika mesin, bukan hanya anggaran massanya.

Massa distal dibebankan lagi pada setiap sendi di atasnya

Satu gram di kaki dipercepat oleh pergelangan kaki, lutut dan pinggul pada setiap ayunan, sehingga biayanya dibayar tiga kali per langkah. Satu gram yang sama di pinggul dibayar sekali. Ini adalah argumen untuk menempatkan unit terkecil dan paling ringan yang mampu melakukan tugas itu di ujung distal dan menyisakan massa untuk sendi yang harus menghasilkan torsi terbesar, dan hal itu terlihat dalam tata letak himpunan ini: unit 262 g dan 368 g membawa torsi nominal 2.5 Nm dan 3 Nm untuk pekerjaan pergelangan tangan, tangan dan pergelangan kaki, sedangkan unit 940 g dan 1396 g membawa 18 Nm dan 74 Nm nominal untuk pinggul dan lutut. Membalik susunan itu - menempatkan aktuator besar di sendi distal demi margin - membuat sendi proksimal bekerja lebih keras sepanjang sisa usia mesin.

Bore kabel dan usia harness di dalam anggota gerak

Sendi humanoid berputar, dan segala sesuatu yang harus melintasi putaran itu - daya, kabel sensor, kadang fluida atau udara - melewati slip ring, melalui service loop yang harus bertahan jutaan siklus tekukan, atau melalui aktuator itu sendiri. AKH70-48 V1.0 KV41 yang berbobot 1396 g adalah aktuator planetari poros berongga, yang berarti jalur kabel berjalan melalui pusat sendi alih-alih mengelilinginya, sehingga service loop dihilangkan sepenuhnya dari selubung sendi tersebut. Bila bore tidak tersedia, loop harus dirancang untuk radius tekukan dan usia siklus yang layak diperiksa terhadap masa layan mesin yang dimaksudkan. Karena itu kolom selubung pada tabel di bawah bukan sekadar diameter yang harus muat; diameter 90 mm dan panjang 81.5 mm pada unit poros berongga hanya bermakna bersama bore yang melewatinya.

Kelas diameter, panjang tumpukan, dan pola yang dapat diambil sebuah rangka

Aktuator terintegrasi mengelompok ke dalam kelas diameter karena roda gigi planet dan motor berbagi sumbu yang sama. Dalam himpunan ini diameternya adalah 53 mm, 79 mm, 89 mm, 90 mm dan 98 mm, dan panjangnya berjalan dari 38.5 mm hingga 81.5 mm. Diameter biasanya merupakan kendala yang lebih sulit, karena penampang link ditetapkan oleh struktur yang harus membawa beban, sedangkan panjang sering dapat diserap ke dalam panjang link itu sendiri. Sendi yang harus berada di dalam paha membutuhkan kemasan yang tipis dan lebar; sendi yang berada di luar braket pinggul dapat menerima kemasan yang lebih panjang. Antarmuka pemasangan sama pentingnya dengan ukurannya: aktuator yang dibaut pada pelat di satu ujung dan menggerakkan link di ujung lain memaksakan jalur beban melalui housing-nya sendiri, dan kekakuan housing itu kemudian menjadi bagian dari kekakuan sendi, yang pada gilirannya menetapkan bagaimana mesin berperilaku di bawah benturan saat berjalan.

Delapan aktuator CubeMars untuk sendi humanoid, sebagai satu himpunan spesifikasi

Tabel di bawah ini membaca delapan aktuator robotik CubeMars sebagai satu himpunan spesifikasi, diurutkan menurut massa yang dipublikasikan, karena massa adalah sumbu tempat platform humanoid direkayasa dan karena rentang rasio di antara kedelapan unit itu mencakup seluruh kompromi torsi-kecepatan dari modul distal 262 g hingga sendi poros berongga 1396 g. Setiap angka adalah nilai yang dipublikasikan produsen; setiap angka turunan dalam teks ditandai sebagai aritmetika.

Torsi nominal dan puncak, tegangan suplai, rasio reduksi, massa dan selubung sesuai yang dipublikasikan produsen. Torsi nominal adalah angka kontinu di dalam batas termal aktuator; torsi puncak adalah angka berjendela pendek. AKH70-48 V1.0 adalah unit poros berongga, sehingga selubungnya dikutip dengan bore kabel melalui sumbunya.

Dibaca sebagai satu himpunan, kedelapan unit itu menggambarkan tangga torsi dari 7 Nm hingga 222 Nm torsi puncak yang dipublikasikan pada rentang massa 262 g hingga 1396 g, dan tangga itu tidak berbentuk sama dengan urutan massanya. Di atas titik 540 g, urutannya berhenti mengikuti massa: 72 Nm dari AK60-39 V3.0 yang berbobot 750 g digantikan oleh 120 Nm dari AK80-64 yang berbobot 850 g, lalu unit 850 g itu mengalahkan torsi AK10-9 V3.0 yang lebih berat 940 g karena tahap 64:1-nya menukar kecepatan melawan 9:1. Siapa pun yang membaca tabel hanya berdasarkan massa akan memilih unit yang salah; kolom rasio harus dibaca bersama kolom torsi.

Kepadatan torsi menyampaikan hal yang sama dalam satu angka. Torsi puncak per kilogram yang dipublikasikan, yang merupakan aritmetika dari dua kolom yang tercatat, berjalan dari sekitar 24.5 Nm/kg pada unit 368 g dan sekitar 24.7 Nm/kg pada unit 485 g hingga sekitar 141 Nm/kg pada unit 850 g dan sekitar 159 Nm/kg pada unit 1396 g. Rentang enam kali lipat itu adalah kerja rasio: unit rasio tinggi menghasilkan torsinya dari motor kecil yang cepat dan membayarnya dengan kecepatan keluaran, sedangkan unit rasio rendah menghasilkannya secara langsung dan mempertahankan kecepatannya. Torsi nominal per kilogram menceritakan kisah yang sama dalam rentang yang lebih sempit, dari sekitar 8.2 Nm/kg pada ujung 368 g hingga sekitar 53 Nm/kg pada ujung poros berongga, dan angka itu lebih berguna dari keduanya ketika sendi akan menahan beban selama beberapa menit, bukan beberapa milidetik.

Kecepatan turun ketika rasio naik, dan turunnya dengan cara yang layak dinyatakan dalam derajat, bukan dalam putaran. Mengonversi kecepatan keluaran tanpa beban dan nominal yang dipublikasikan pada 6 derajat per detik per rpm, kedelapan unit itu mencakup kira-kira 4800 derajat per detik kecepatan keluaran tanpa beban pada ujung 6:1 hingga 222 derajat per detik pada ujung 64:1, dengan kecepatan nominal berjalan dari sekitar 3618 derajat per detik hingga sekitar 138 derajat per detik pada unit yang sama. Pinggul yang harus berayun 60 derajat dalam 300 ms menuntut 200 derajat per detik, yang berada di dalam separuh rasio rendah tabel dan dekat dengan batas atas separuh rasio tingginya. Perbandingan itu, dilakukan sebelum model dipilih, adalah yang menjaga sebuah rancangan dari posisi harus menjelaskan tungkai yang lambat.

Membaca kedelapan unit dari pergelangan kaki hingga pinggul

Sendi platform humanoid membentuk rangkaian dari sumbu distal di pergelangan tangan dan pergelangan kaki hingga pinggul dan lutut, dan persyaratannya bergerak secara monoton di sepanjang rangkaian itu: torsi naik, kecepatan turun, dan massa yang dapat disediakan naik seiring jarak sendi dari tanah. Kedelapan unit di bawah ini memetakan ke rangkaian itu dalam empat kelompok.

Ujung 262 g dan 368 g: sumbu pergelangan tangan, tangan dan pergelangan kaki

Unit terkecil dalam himpunan ini membawa tugas torsi rendah dengan kecepatan sedang. AK45-10 V3.0 KV75 berbobot 262 g dalam housing berdiameter 53 mm dan panjang 45.2 mm, menggerakkan tahap 10:1 untuk 2.5 Nm nominal dan 7 Nm torsi puncak pada bus 24 V, serta mempublikasikan 120 rpm nominal dan 180 rpm kecepatan keluaran tanpa beban dengan backlash 0.3°. Daya nominal yang dipublikasikan adalah 39 W dan arus nominalnya 1.9 A, yang menjaga pengkabelan ke link distal yang kecil tetap sederhana. AK60-6 V1.1 KV140 beralih ke diameter 79 mm dan 368 g untuk 3 Nm nominal dan 9 Nm puncak melalui tahap 6:1, dan motor KV140-nya pada 24 V menghasilkan 420 rpm nominal dan 560 rpm tanpa beban, yang merupakan keluaran tercepat dalam kelompok ini pada sekitar 3360 derajat per detik tanpa beban. Kombinasi itu - rasio rendah, torsi sedang, kecepatan keluaran tinggi - adalah yang cocok untuk pergelangan kaki yang harus diposisikan ulang dengan cepat di bawah telapak kaki, atau pergelangan tangan yang harus melakukan koreksi kecil yang cepat. Angka backlash 0.55° adalah yang paling longgar yang dipublikasikan dalam kelompok ini, yang merupakan konsekuensi yang wajar dari rasio rendah dengan motor cepat.

Pertengahan 485 g dan 540 g: pelacakan siku dan lutut cepat

Pertengahan himpunan ini adalah tempat lengan dan sendi tungkai yang lebih cepat berada. AK80-6 KV100 adalah unit 485 g berdiameter 98 mm dan panjang 38.5 mm yang menghasilkan 6 Nm nominal dan 12 Nm torsi puncak pada rasio 6:1 di bus 48 V, dengan 603 rpm nominal dan 800 rpm keluaran tanpa beban serta daya nominal terpublikasi 340 W. Rasio puncak terhadap nominalnya sebesar 2.0 adalah yang paling rapat dalam himpunan ini, yang menjadikannya unit pilihan ketika siklus kerjanya lebih dekat ke kontinu daripada ke transien. AK70-9 V3.0 KV60 adalah gagasan yang sama satu langkah lebih tinggi dalam rasio: 540 g dalam housing berdiameter 89 mm dan panjang 49 mm, tahap 9:1, 8.5 Nm nominal dan 29.2 Nm torsi puncak pada 48 V, 260 rpm nominal dan 320 rpm tanpa beban, daya nominal 231 W dan backlash 0.3°. Kelipatan puncak terhadap nominalnya sebesar 3.4 adalah yang terlebar dalam himpunan ini, sehingga unit ini lebih tepat di tempat transien menjadi kasus rancangan dan beban kontinunya sederhana. Kedua unit memiliki penerapan yang terdokumentasi: produsen mempublikasikan studi kasus AK80-6 pada platform penelitian, disematkan di bawah ini.

Kelas 750 g dan 940 g: pinggul, lutut, dan beban tumpu tunggal

Inilah kelas yang membawa mesinnya. AK60-39 V3.0 KV80 adalah unit 750 g dalam housing berdiameter 79 mm dan panjang 67 mm yang mengubah tahap 39:1-nya menjadi 24 Nm nominal dan 72 Nm torsi puncak pada 48 V, dengan 70 rpm nominal dan 98 rpm keluaran tanpa beban, daya nominal 176 W dan backlash 0.25°. AK10-9 V3.0 KV60 berbobot 940 g dalam housing berdiameter 98 mm dan panjang 61.7 mm serta memasangkan tahap 9:1 dengan susunan dua enkoder untuk 18 Nm nominal dan 53 Nm torsi puncak pada 48 V, dengan 235 rpm nominal dan 320 rpm keluaran tanpa beban serta daya nominal terpublikasi 442 W pada arus nominal 10.7 A. Kedua unit menyampaikan argumen yang sama dari arah yang berlawanan: unit 39:1 membeli torsinya dengan rasio dan melepaskan kecepatan keluaran, sedangkan unit 9:1 mempertahankan kecepatannya dan membutuhkan motor yang lebih besar untuk menghasilkan torsi itu. Pinggul yang harus menahan beban tumpu tunggal lalu meluruskan diri dengan cepat lebih menyukai susunan kedua; lutut yang dekat tanah dan jarang harus bergerak cepat lebih menyukai susunan pertama. Backlash dipublikasikan untuk unit 39:1 sebesar 0.25°; catatan untuk unit 9:1 dalam himpunan ini tidak memuat angka backlash, dan celah itu termasuk dalam daftar pertanyaan untuk produsen, bukan dalam sebuah asumsi.

Ujung berat pada 48:1 dan 64:1: tempat kecepatan dihabiskan dengan sengaja

Bagian atas tabel diperuntukkan bagi sendi tempat kecepatan keluaran menjadi suku yang bersedia dikorbankan perancang. AK80-64 KV80 berbobot 850 g dalam housing berdiameter 98 mm dan panjang 61.9 mm serta menghasilkan 48 Nm nominal dan 120 Nm torsi puncak melalui tahap 64:1, menerima 24 V atau 48 V; kecepatan keluaran yang dipublikasikan adalah 23 rpm nominal dan 37 rpm tanpa beban pada 24 V, atau 48 rpm nominal dan 75 rpm tanpa beban pada 48 V, dengan backlash 0.18°, yang paling rapat dalam himpunan ini. AKH70-48 V1.0 KV41 adalah unit terberat dengan 1396 g dalam housing berdiameter 90 mm dan panjang 81.5 mm, dan menghasilkan 74 Nm nominal dan 222 Nm torsi puncak melalui tahap 48:1 pada bus 48 V, dengan 28 rpm nominal dan 35 rpm keluaran tanpa beban serta backlash 0.2°. Poros berongganya adalah fitur yang membedakannya dari yang lain: jalur kabel melewati sumbunya, dan itulah yang memungkinkan pinggul atau lutut berat dibangun tanpa service loop di sekeliling sendi. Kedua unit berada pada kisaran ratusan rendah derajat per detik di keluaran, yang cocok untuk lutut pembawa beban atau pinggul yang ditopang, dan menyingkirkan keduanya dari sendi mana pun yang harus menyelesaikan satu ayunan dalam beberapa ratus milidetik. Produsen mempublikasikan uji beban unit poros berongga itu, disematkan di bawah ini; catatan spesifikasi lengkapnya ada di halaman produk produsen.

Platform humanoid yang cocok dengan motor sendi ini

Setiap unit dalam tabel ini dikaitkan di ToBMS dengan aplikasi yang sama, yang mencerminkan betapa sempit siklus kerjanya: aplikasi Robot Humanoid mencakup mesin yang sendinya menjadi kendala rancangan utama, bukan pelengkap bagi struktur tetap.

Platform penelitian bipedal dan seluruh tubuh

Platform penelitian dibangun untuk diinstrumentasi dan dibangun ulang, sehingga spesifikasi sendinya disusun di sekitar kemampuan dikendalikan dan keterulangan, bukan di sekitar masa layan. Rasio rendah dan menengah mendominasi di sini, karena sendi yang dapat digerakkan balik adalah sendi yang dapat dipelajari dengan tangan dan torsinya dapat diperkirakan dari arus motor tanpa sensor tambahan. Rasio puncak terhadap nominal yang dipublikasikan di pertengahan tabel ini cocok tepat dengan pola pemakaian itu: prototipe menghabiskan sebagian besar hidupnya pada sebagian kecil torsi nominal dan kadang-kadang pada kelipatannya.

Mesin berkaki dan mesin beroda berkaki

Mesin yang berjalan, dan mesin yang menggelinding di atas roda yang dipasang pada tungkai bersendi, melewati sendi melalui rentang kondisi beban terbesar dalam aplikasi ini: kecepatan mendekati nol pada torsi tinggi selama fase tumpu, kecepatan tinggi pada torsi rendah selama fase ayun, dan beban benturan di kedua ujungnya. Pertanyaan yang relevan adalah apakah catatan yang dipublikasikan mencakup kasus benturan sama sekali, yang dalam himpunan ini tercakup untuk angka torsi puncak dan tidak tercakup untuk pembebanan kejut yang datang melalui struktur. Celah itu ditutup bersama produsen, bukan dengan lembar data.

Perangkat bantu dan rehabilitasi

Ketika sebuah mesin menggerakkan anggota gerak milik seseorang, sendinya harus menahan beban dan mengikuti gerakan pada saat yang sama, dan studi kasus yang dipublikasikan untuk dua unit dalam tabel ini berasal dari setting yang tepat seperti itu. Unit rasio tinggi melakukan penahanan, dan unit rasio rendah atau backlash rendah melakukan pengikutan, dan itulah sebabnya perangkat bantu sering mencampur dua kelas rasio pada tungkai yang sama alih-alih menetapkan satu unit untuk seluruh rangkaian.

Manipulasi, teleoperasi, dan platform cekatan

Lengan pada platform humanoid mewarisi kendala tubuh tempatnya terpasang: massa yang sedang di pergelangan tangan, kebutuhan bekerja di ruang yang tidak terstruktur, dan lup kendali yang harus toleran terhadap kontak. Pertengahan tabel ini - unit 485 g dan 540 g pada 6:1 dan 9:1 di bus 48 V - adalah kelompok yang memenuhi kendala tersebut tanpa massa ujung pembawa beban, dan kelompok itulah tempat satu model dapat melayani lebih dari satu sendi pada lengan.

Urutan seleksi untuk sendi humanoid

Urutan ketiga langkah ini lebih penting daripada rincian di dalam masing-masing langkah, karena setiap langkah mempersempit himpunan yang harus dipertimbangkan langkah berikutnya.

Tetapkan siklus kerja sendi dan beban kasus terburuknya lebih dahulu

Tetapkan torsi penahan pada postur tempat mesin menghabiskan sebagian besar waktunya, torsi yang dibutuhkan selama transien yang dituntut oleh pemulihan keseimbangan atau pengangkatan, dan proporsi waktu yang dihabiskan pada masing-masing kondisi. Angka pertama menentukan ukuran kasus termal dan karena itu torsi nominal; angka kedua menentukan ukuran klaim puncak; dan rasio antara keduanya menentukan apakah sendi itu termasuk ujung bawah tabel atau ujung atasnya. Tidak ada yang dapat diputuskan tentang model sebelum ini, karena persyaratan torsi yang sama dipenuhi oleh motor kecil dengan rasio tinggi dan motor besar dengan rasio rendah, dan kedua jawaban itu berperilaku berbeda di sendi.

Tetapkan bus, bore, dan selubung pemasangan kedua

Tegangan bus mengikuti arsitektur daya mesin, bukan aktuatornya, sehingga harus diperlakukan sebagai kendala tetap: unit dalam himpunan ini berjalan pada 24 V, pada 48 V, atau pada keduanya, dan unit khusus 48 V tidak dapat dipakai pada platform 24 V seberapa pun baiknya torsi yang cocok. Selubung mengikuti link: diameter lebih dahulu, panjang kedua, dan - bila sendinya adalah pinggul atau lutut dengan kabel yang melintasinya - bore melalui sumbu pada saat yang sama. Daftar pendek yang lolos kedua filter ini biasanya cukup kecil untuk dibandingkan dengan benar.

Periksa angka yang dibiarkan terbuka oleh catatan

Catatan yang dipublikasikan untuk kelas aktuator ini baik untuk torsi, kecepatan, rasio dan massa, dan lebih tipis untuk angka yang menentukan bagaimana sendi berperilaku alih-alih bagaimana sendi berkinerja. Daftar pertanyaan yang perlu dibawa ke produsen itu singkat.

• Backlash yang diukur di keluaran untuk unit dan versi tertentu, serta apakah angkanya merupakan nilai maksimum atau nilai tipikal.
• Jendela siklus kerja yang melekat pada angka torsi puncak: berapa lama, seberapa sering, dan dengan pendinginan apa.
• Efisiensi melalui seluruh tahap reduksi, dan di mana efisiensi itu turun pada kecepatan keluaran rendah di bawah torsi tinggi.
• Arus kontinu dan kenaikan suhu housing yang menyertainya pada susunan pemasangan mesin itu sendiri.
• Setiap peringkat guncangan atau benturan, yaitu angka yang dibutuhkan aplikasi ini dan yang paling sering tidak ada.

Bila suatu angka tidak ada dalam catatan, angka itu termasuk dalam margin rancangan, bukan dalam sebuah asumsi, dan penilaiannya harus tertulis sebelum sendi dipesan.

Pertanyaan yang sering diajukan

Sumber resmi

CubeMars mempublikasikan dokumentasi produk untuk jajaran aktuator yang dihimpun di bawah bagian Referensi platform ini, dan setiap model memiliki halaman produk resmi yang memuat spesifikasi lengkapnya, kurva kinerja dan gambar pemasangannya - jajaran produk produsen adalah titik masuknya. Produsen tetap menjadi sumber kebenaran untuk kurva torsi, peringkat termal, dasar backlash dan konfigurasi penggerak; ToBMS menjaga lapisan penemuan tetap dapat dicari dan dibandingkan, dan angka yang dipakai dalam panduan ini adalah nilai yang dipublikasikan dan tersimpan dalam catatan produk platform ini.

Ke mana selanjutnya

Padanan tingkat kategori untuk panduan ini adalah Aktuator Robotik: Cara Memilih Aktuator Terpadu untuk Sendi Robot, yang membandingkan lima dari unit terintegrasi ini satu terhadap yang lain sebagai komponen, dan Cara memilih modul sendi: lima aktuator CubeMars dari 190 g hingga 1.4 kg, yang menjadikan modul sendi sebagai unit rancangan. Panduan ini justru berangkat dari robotnya: ia sampai pada kelas aktuator yang sama melalui rangkaian sendi, siklus kerja dan anggaran massa, dan itulah jalur yang perlu diambil ketika pertanyaannya adalah apa yang dibutuhkan sebuah robot humanoid, bukan model mana yang lebih besar.

Dua jalur yang berdekatan layak diikuti ketika kelas sendinya berubah. Bila sebuah sendi harus dibimbing dengan tangan atau bila batas antara kit tanpa rangka dan modul tersegel harus diputuskan, Motor BLDC untuk Eksoskeleton: Motor Torsi Tanpa Rangka vs Aktuator Terintegrasi menyajikan perbandingannya secara langsung, dan kategori Motor Torsi Frameless mencakup kit stator-dan-rotor yang biasanya menjadi bahan dasar sumbu tangan yang cekatan. Bila rasio rendah dipilih untuk kepatuhan dan bukan untuk kecepatan, Aktuator Quasi Direct Drive: Yang Ditawarkan Rasio 8:1 membahas jajaran Aktuator QDD atas dasar itu.

Untuk konteks yang lebih luas tentang bagaimana kelas-kelas motor saling berhubungan, Motor BLDC: Panduan Lengkap Tipe, Spesifikasi, dan Seleksi Motor Brushless DC menempatkan aktuator terintegrasi di antara kategori lainnya. Untuk menyusun daftar pendek alih-alih meneliti, saring kandidat berdasarkan torsi, rasio, tegangan, massa dan selubung di Seleksi lalu adu satu terhadap yang lain di Perbandingan Produk; kelas sendi terkait dikelompokkan dalam aplikasi Modul Sendi, Eksoskeleton, Robot Berkaki Empat dan Robot Rehabilitasi milik platform ini. Kategori Aktuator Robotik memuat delapan unit yang dibandingkan di sini.