Motori BLDC per robot umanoide: come abbinare coppia, velocità e dimensioni

Un robot umanoide è un problema di coppia distribuito su ogni giunto motorizzato del corpo, e i tre numeri che descrivono ciascuno di quei giunti — quanta coppia deve sostenere, quanto velocemente deve muoversi e quanta massa può portare l'arto — non sono indipendenti tra loro. Se ne modifica uno e gli altri due seguono. Scegliere un motore BLDC per un robot umanoide significa quindi trovare, giunto per giunto, il punto in cui le tre curve si intersecano e poi verificare che il dato pubblicato sostenga davvero il punto scelto. Se l'ordine dei passi è sbagliato, la macchina o non riesce a stare in piedi o non riesce a sollevare i propri piedi.

Risposta rapida

Le tre grandezze sono legate da due variabili: il rapporto di riduzione tra motore e giunto e la tensione di bus su cui lavora il motore. Un rapporto basso come 6:1 mantiene il giunto veloce e retroazionabile ma richiede un motore grande per produrre coppia utile; un rapporto alto come 64:1 genera coppia elevata da un motore piccolo ma spende velocità e buona parte della capacità del giunto di farsi spingere da un carico esterno. Il rapporto si sceglie in base al ciclo di lavoro del giunto, la massa discende dal rapporto e dalla coppia, e la coppia di picco pubblicata è un valore di breve durata che non va usato come valore di lavoro.

Su ToBMS l'applicazione Robot umanoide raccoglie gli attuatori integrati CubeMars che servono i giunti dei robot umanoidi, da un'unità da 262 g con stadio 10:1 a un'unità ad albero cavo da 1396 g con 222 Nm di coppia di picco pubblicata. Questa guida spiega come coppia, velocità e dimensioni si abbinano giunto per giunto e interpreta otto di quelle unità come un unico insieme di specifiche.

Perché un giunto umanoide è un compromesso tra coppia, velocità e dimensioni

Una piattaforma umanoide si distingue dalle altre macchine perché la sua struttura e il suo carico utile sono lo stesso oggetto. Un braccio industriale è ancorato, i suoi segmenti devono portare soltanto la propria inerzia e l'utensile, e la base può essere resa pesante quanto il committente tollera. Un robot umanoide deve portare i propri attuatori, la propria batteria e la propria elettronica sugli stessi arti che lavorano, e quegli arti devono anche essere mossi con precisione sufficiente a mantenere l'equilibrio. Ogni grammo aggiunto al ginocchio è un grammo che l'anca deve far oscillare, e ogni grammo aggiunto all'anca è un grammo che la caviglia deve correggere.

Il ciclo di lavoro arriva prima di qualsiasi sigla di modello

Il primo dato in una specifica di giunto non è una coppia. È la descrizione di ciò che il giunto fa nell'arco di un ciclo: per quanto tempo sostiene un carico statico, per quanto tempo si muove contro la gravità, con quale frequenza accelera e quanto di quel tempo trascorre a bassa velocità sotto carico. Un'anca in appoggio sostiene una parte della massa corporea per minuti di seguito con movimento quasi nullo. Un ginocchio in cammino assorbe un impatto in qualche decina di millisecondi e poi oscilla liberamente. Un gomito impegnato in un compito di manipolazione può passare gran parte di un turno a tenere un utensile con un angolo quasi costante. Sono tre problemi termici ed elettromagnetici diversi, e si risolvono in punti diversi del piano coppia-velocità.

La fase di appoggio e la fase di oscillazione chiedono gli estremi opposti della curva

Un giunto della gamba alterna due compiti. Nella fase di appoggio il giunto è quasi fermo sotto un carico che può superare il peso corporeo, cioè un requisito di coppia con una componente di velocità quasi nulla. Nella fase di oscillazione lo stesso giunto deve percorrere rapidamente un angolo ampio con un carico quasi nullo, cioè un requisito di velocità con una componente di coppia quasi nulla. Un solo motore deve soddisfare entrambi, e il rapporto di riduzione è ciò che decide come si ripartisce il compromesso. Un rapporto alto serve la fase di appoggio e penalizza quella di oscillazione; un rapporto basso fa il contrario. È questa alternanza, più di qualsiasi singolo valore, a rendere i giunti delle gambe di una macchina bipede più difficili da specificare rispetto a un asse paragonabile di un braccio industriale fisso, ed è la prima cosa da guardare quando i giunti di robot umanoide di una nuova piattaforma vengono ripartiti tra classi di attuatori.

L'inerzia riflessa è ciò contro cui lotta davvero l'anello di controllo

Tra il motore e l'uscita del giunto c'è il riduttore, che sul percorso verso l'uscita divide l'inerzia del rotore per il quadrato del rapporto. Un rapporto alto presenta quindi al controllore un'inerzia apparente molto piccola al giunto, il che rende facile il controllo di posizione e difficile quello di forza, perché il giunto non riesce più a capire contro che cosa sta spingendo. Un rapporto basso riflette maggiormente l'inerzia del rotore sull'uscita, il che fa sentire il mondo al giunto e lo rende retroazionabile in modo prevedibile: è il motivo per cui i giunti a trasmissione quasi diretta con stadi 8:1 o 9:1 si usano dove il robot deve entrare in contatto con oggetti sconosciuti o con una persona. Lo stesso rapporto che fissa coppia e velocità fissa anche questo comportamento, quindi non è un dettaglio meccanico che si possa correggere più tardi nel software.

Il recupero dell'equilibrio è un transitorio che la finestra di targa deve coprire

L'equilibrio di una macchina bipede è mantenuto da coppie correttive applicate entro una frazione di secondo da un disturbo, e l'ampiezza di quelle correzioni può essere parecchie volte la coppia necessaria a restare fermi. È questo il transitorio che la coppia di picco pubblicata di un giunto deve coprire, ed è la ragione per cui nell'attuale set di attuatori ToBMS il rapporto tra picco e valore nominale arriva a circa tre volte su alcuni modelli. Un giunto specificato solo rispetto al proprio carico statico terrà una posa eretta e poi non riuscirà a recuperare da una spinta: in una piattaforma umanoide questo significa una caduta, non un ciclo saltato.

Come il rapporto di riduzione converte la velocità in coppia

Il rapporto di riduzione è il dato più utile di una specifica di giunto umanoide, perché trasferisce ogni grandezza dal lato motore al lato giunto in modo univoco. Una volta noto il rapporto, la velocità del giunto è la velocità del motore divisa per esso, la sua coppia è la coppia del motore moltiplicata per esso, e i valori pubblicati dei due si possono verificare l'uno contro l'altro.

La velocità del giunto è la velocità del motore divisa per il rapporto

Ogni velocità dichiarata per un attuatore integrato è una velocità di uscita, cioè il valore che il giunto vede. L'AK80-6 KV100 da 485 g con il suo stadio 6:1 dichiara 800 rpm a vuoto, mentre l'AK80-64 da 850 g con il suo stadio 64:1 dichiara 37 rpm su un bus a 24 V — un fattore di circa ventidue sulla velocità di uscita prodotto da una differenza di rapporto, non da una differenza di qualità del motore. Per un giunto i giri al minuto sono un'unità scomoda, quindi vale la pena convertirli: 1 rpm equivale a 6 gradi al secondo, il che rende l'unità da 800 rpm un giunto da 4800 gradi al secondo a vuoto e l'unità 64:1 un giunto da 222 gradi al secondo nello stesso punto. Un'anca che deve oscillare di 60 gradi in 300 ms richiede 200 gradi al secondo di uscita sostenuta, e questo solo requisito esclude gran parte dell'estremo ad alto rapporto di qualsiasi gamma di attuatori.

La coppia si moltiplica per lo stesso rapporto, meno ciò che l'ingranaggio assorbe

La moltiplicazione è reale ma non gratuita. Uno stadio 6:1 trasforma 6 Nm al motore in circa 36 Nm al giunto, meno l'attrito e le perdite nell'ingranamento, e uno stadio 64:1 trasforma 0.75 Nm in circa 48 Nm con la stessa aritmetica. È per questo che le unità più pesanti di una gamma non sono automaticamente le più forti: l'AK60-39 V3.0 da 750 g dichiara 72 Nm di coppia di picco attraverso uno stadio 39:1, mentre l'AK80-64 da 850 g ne dichiara 120 Nm attraverso uno stadio 64:1, quindi una differenza di massa di 100 g compra un vantaggio di coppia del 67 per cento perché è il rapporto a fare il lavoro. Il rapporto fissa anche la penalità di efficienza, perché ogni stadio di riduzione aggiuntivo costa una piccola percentuale della potenza che lo attraversa e aggiunge il proprio contributo al gioco.

Il KV moltiplicato per la tensione di bus fissa la velocità dal lato motore

Il KV è la costante dal lato motore: è la velocità che il rotore compie per ogni volt di tensione di bus applicata, prima del riduttore. Moltiplicare il KV per la tensione di bus e dividere per il rapporto dà una stima della velocità di uscita a vuoto, e quella stima si può confrontare con il valore pubblicato come verifica aritmetica del dato. Per l'AK45-10 V3.0 KV75 a 24 V attraverso 10:1, 75 moltiplicato per 24 e diviso per 10 dà 180 rpm contro i 180 rpm pubblicati. Per l'AK60-6 V1.1 KV140 a 24 V attraverso 6:1 la stima è 560 rpm contro i 560 rpm pubblicati; per l'AK80-6 KV100 a 48 V attraverso 6:1 è 800 rpm contro 800 rpm; e per l'AK70-9 V3.0 KV60 e l'AK10-9 V3.0 KV60, entrambi a 48 V attraverso 9:1, è 320 rpm contro 320 rpm in entrambi i casi. La corrispondenza non è universale — l'AKH70-48 V1.0 KV41 a 48 V attraverso 48:1 stima 41 rpm contro i 35 rpm pubblicati — ed è esattamente per questo che il valore da usare in progetto è la velocità di uscita pubblicata, non un valore derivato dal KV.

Un rapporto alto compra coppia e spende retroazionabilità

Due effetti lavorano contro un giunto quando il suo rapporto sale. Il primo è che l'inerzia riflessa all'uscita cala con il quadrato del rapporto, quindi il giunto diventa più facile da comandare e più difficile da sentire. Il secondo è l'attrito: un riduttore a più stadi oppone resistenza a una coppia applicata dal lato uscita, e con rapporti alti quella resistenza può essere così grande che il giunto non si muove più quando una persona o una superficie lo spinge. In questo insieme le unità a rapporto più basso dichiarano rapporti di 6:1, 9:1 e 10:1, mentre le unità portanti lavorano a 39:1, 48:1 e 64:1, e la separazione tra i due gruppi segue la domanda se il giunto debba stabilire un contatto cedevole o sostenere in silenzio un carico elevato. Il gioco è la specifica che accompagna questa scelta e va nella direzione opposta: le unità di questo insieme dichiarano valori tra 0.18 e 0.55°, e un rapporto più basso con un valore di gioco contenuto è la combinazione che dà al giunto la sua caratteristica di risultare rigido sotto la pressione della mano pur lasciandosi spingere.

Abbinare la coppia: nominale, di picco e la finestra dietro ciascuna

La coppia è l'asse su cui si prendono per prime la maggior parte delle decisioni sui giunti umanoidi e su cui la maggior parte di esse viene presa male. Nel dato di un produttore compaiono tre numeri distinti, che rispondono a tre domande diverse.

La coppia di picco è una finestra, non una capacità

La coppia di picco descrive ciò che l'attuatore può produrre per un breve intervallo — in genere il tempo necessario ad accelerare un arto o ad arrestare un disturbo — senza superare il limite di corrente del driver o smagnetizzare alcunché. È il valore corretto per un evento di recupero dell'equilibrio o per il primo istante di un sollevamento, ed è il valore sbagliato per qualsiasi cosa debba essere ripetuta. In questo insieme il rapporto picco/nominale va da 2.0 sull'AK80-6 a 3.4 sull'AK70-9 V3.0, quindi due attuatori con la stessa coppia nominale possono differire di oltre la metà nel transitorio che sono in grado di erogare. Leggere la sola colonna del picco annulla quella differenza e produce una preselezione che in servizio continuo si surriscalderà.

La coppia nominale è limitata dal percorso termico dell'avvolgimento

La coppia nominale è un'affermazione di natura termica. È la coppia che l'attuatore può sostenere a tempo indefinito con l'avvolgimento che resta entro la propria classe di isolamento, e dipende quindi da come il calore lascia lo statore — attraverso il carter, verso la struttura di montaggio e fuori dall'involucro del giunto. È per questo che, a parità di motore, il valore nominale è più basso in un carter piccolo e sigillato che in uno grande, e che la coppia nominale di un giunto all'estremità di un braccio è una questione diversa da quella dello stesso giunto imbullonato a una staffa d'anca con una grande massa termica alle spalle. I valori nominali in questo insieme vanno da 2.5 Nm all'estremità da 262 g a 74 Nm all'estremità da 1396 g, e il valore nominale è quello da confrontare con il carico medio del giunto, non con il suo caso peggiore. Una verifica aritmetica che qui chiude spesso il cerchio è la coppia nominale moltiplicata per la velocità nominale in radianti al secondo, confrontata con la potenza nominale pubblicata: l'AK60-6 V1.1 dà 3 Nm a 420 rpm per 132 W contro i 130 W pubblicati, l'AK70-9 V3.0 dà 231 W contro 231 W, l'AK60-39 V3.0 dà 176 W contro 176 W e l'AK10-9 V3.0 dà 443 W contro 442 W. Dove i due valori non coincidono, la differenza è di solito riconducibile alla tensione di bus alla quale è stata dichiarata la velocità.

La coppia di mantenimento a giunto fermo è una questione di corrente

Un giunto fermo sotto carico non compie lavoro nullo dal punto di vista dell'avvolgimento. Il driver deve spingere corrente nelle fasi per mantenere la posizione, e la conseguente perdita nel rame è la stessa di un giunto che si muovesse lentamente. Un robot umanoide in stazione eretta ha quindi un assorbimento di potenza statico che cresce con la coppia di mantenimento di ogni giunto caricato nella postura, e la corrente al punto di funzionamento nominale è il valore che conta: in questo insieme la corrente nominale va da 1.9 A sull'AK45-10 V3.0 a 24 V a 10.7 A sull'AK10-9 V3.0 a 48 V. Su una piattaforma alimentata a batteria quell'assorbimento si paga in autonomia, ed è la ragione per cui vale la pena di progettare una postura che possa essere mantenuta con un finecorsa meccanico.

La densità di coppia letta rispetto alla massa che il giunto deve portare

La densità di coppia è il valore che collega l'asse della coppia a quello delle dimensioni, e ha senso solo se indica sia la massa sia quale coppia è stata usata. Tra le otto unità seguenti la coppia di picco pubblicata per chilogrammo va da circa 24.5 Nm/kg sull'AK60-6 V1.1 da 368 g a circa 159 Nm/kg sull'AKH70-48 V1.0 da 1396 g, mentre la coppia nominale per chilogrammo va da circa 8.2 Nm/kg a circa 53 Nm/kg sulle stesse due unità. Entrambi sono calcoli aritmetici sui valori registrati. La grande dispersione non è un accidente della qualità produttiva: è l'effetto del rapporto, perché le unità a rapporto più alto producono la loro coppia da un motore più piccolo che gira più veloce, e la massa aggiuntiva del riduttore è piccola rispetto a quella che il motore più piccolo fa risparmiare.

Abbinare la velocità al giunto, non al rotore

I requisiti di velocità in un robot umanoide si esprimono di solito come un angolo da coprire in un tempo dato, e raramente vengono formulati correttamente al primo tentativo. La conversione da un requisito di giunto a una specifica di attuatore passa attraverso il rapporto, e il rapporto si sceglie per ragioni di coppia, quindi i due vincoli vanno risolti insieme e non in sequenza.

La fase di oscillazione fissa il requisito di velocità della gamba

Una gamba in cammino deve portare il piede in avanti attraverso un'escursione del ginocchio di circa 60-90 gradi in 300-400 ms, il che richiede 150-300 gradi al secondo di velocità di giunto sostenuta durante l'oscillazione e un po' meno sull'intero ciclo del passo. Nelle otto unità seguenti quella fascia è coperta dalla classe da 485 g e 540 g a 6:1 e 9:1, le cui velocità nominali pubblicate di 603 rpm e 260 rpm corrispondono rispettivamente a circa 3618 e 1560 gradi al secondo — un margine ampio, che è ciò che consente all'anello di velocità del giunto di accelerare e decelerare dentro l'oscillazione invece di procedere a velocità costante. Le unità ad alto rapporto non sono escluse dalle gambe, ma si usano dove il giunto è vicino al suolo e il percorso di carico è dominato dall'appoggio più che dall'oscillazione.

L'inseguimento e il raggiungimento fissano quello del braccio

Il requisito di velocità di un braccio è fissato dalla traiettoria che deve seguire, non da un singolo movimento. I compiti di manipolazione — raggiungere un punto, seguire una superficie, afferrare un oggetto lanciato — richiedono un inseguimento continuo di posizione e velocità, e il valore pertinente è la capacità di accelerazione del giunto nella parte centrale della sua escursione, non la sua velocità a vuoto all'estremo. I bracci sono anche più tolleranti delle gambe rispetto alla massa, perché la spalla porta il gomito e il polso ma l'intera catena non deve essere accelerata contro la gravità a ogni passo. Questa combinazione fa della parte centrale di una gamma un punto di partenza sensato per la specifica di un braccio: in questo insieme l'AK70-9 V3.0 da 540 g a 9:1 offre 260 rpm nominali e 29.2 Nm di coppia di picco, che coprono un gomito o un'inclinazione di spalla in un telaio compatto.

La velocità a vuoto è un tetto che l'anello raramente raggiunge

La velocità a vuoto pubblicata è la velocità di uscita alla tensione di bus senza carico e senza intervento del controllore. Un giunto reale non raggiunge quel punto, perché nel momento in cui deve sostenere o accelerare qualcosa il punto di funzionamento si sposta indietro lungo la retta coppia-velocità, e perché l'anello di velocità limita il comando. L'uso pratico del valore a vuoto è come limite superiore quando si verifica la fattibilità della velocità richiesta: un requisito di giunto di 200 gradi al secondo sta comodamente dentro un tetto di 4800 gradi al secondo e scomodamente vicino a uno di 222 gradi al secondo. Dove il requisito si avvicina al tetto, il giunto passerà la sua vita a corrente elevata, e la conseguenza termica appartiene al calcolo del ciclo di lavoro, non a una nota a piè di pagina.

Abbinare le dimensioni: ingombro, alesaggio e il costo della massa distale

Le dimensioni sono l'asse che la cinematica di una piattaforma di robot umanoide fissa, ed è l'asse sul quale è disponibile il minor margine di compromesso. Un attuatore che non entra nello spazio tra due segmenti non può essere fatto entrare con nessuna messa a punto, e un attuatore troppo pesante nel punto sbagliato della catena cambia la dinamica della macchina, non solo il suo bilancio di massa.

La massa distale si paga di nuovo a ogni giunto a monte

Un grammo nel piede viene accelerato dalla caviglia, dal ginocchio e dall'anca a ogni oscillazione, quindi il suo costo si paga tre volte per passo. Lo stesso grammo all'anca si paga una volta sola. È questo l'argomento a favore di collocare all'estremità distale l'unità più piccola e leggera in grado di svolgere il compito, riservando la massa ai giunti che devono generare le coppie maggiori: lo si vede nella disposizione di questo insieme, dove le unità da 262 g e 368 g portano coppie nominali di 2.5 Nm e 3 Nm per il lavoro di polso, mano e caviglia, mentre le unità da 940 g e 1396 g portano 18 Nm e 74 Nm nominali per anche e ginocchia. Invertire quella disposizione — mettere un attuatore grande su un giunto distale per avere margine — fa lavorare di più i giunti prossimali per tutta la vita della macchina.

Alesaggi per i cavi e vita del cablaggio dentro un arto

Un giunto umanoide ruota, e tutto ciò che deve attraversare quella rotazione — alimentazione, cablaggio dei sensori, talvolta fluido o aria — passa attraverso un anello collettore, attraverso un anello di servizio che deve sopravvivere a milioni di cicli di flessione, oppure attraverso l'attuatore stesso. L'AKH70-48 V1.0 KV41 da 1396 g è un attuatore planetario ad albero cavo, il che significa che il percorso dei cavi passa per il centro del giunto anziché attorno a esso, eliminando del tutto l'anello di servizio dall'ingombro del giunto. Dove un alesaggio non è disponibile, l'anello va progettato per un raggio di curvatura e una vita a cicli che vale la pena verificare rispetto al servizio previsto per la macchina. La colonna dell'ingombro nella tabella seguente non è quindi solo un diametro da rispettare: i 90 mm di diametro e gli 81.5 mm di lunghezza dell'unità ad albero cavo hanno senso solo insieme all'alesaggio che la attraversa.

Classi di diametro, lunghezza del pacco e la forma che un telaio può assumere

Gli attuatori integrati si raggruppano in classi di diametro perché riduttore e motore condividono lo stesso asse. In questo insieme i diametri sono 53 mm, 79 mm, 89 mm, 90 mm e 98 mm, e le lunghezze vanno da 38.5 mm a 81.5 mm. Di solito è il diametro il vincolo più severo, perché la sezione di un segmento è fissata dalla struttura che deve portare il carico, mentre la lunghezza può spesso essere assorbita nella lunghezza del segmento stesso. Un giunto che deve stare dentro una coscia richiede una forma sottile e larga; un giunto che sta all'esterno di una staffa d'anca può accettarne una più lunga. L'interfaccia di montaggio conta quanto le dimensioni: un attuatore imbullonato a una piastra a un'estremità e che aziona un segmento all'altra impone un percorso di carico attraverso il proprio carter, e la rigidità del carter diventa così parte della rigidità del giunto, che a sua volta determina come si comporta la macchina sotto gli impatti del cammino.

Otto attuatori CubeMars per giunti umanoidi, come un unico insieme di specifiche

La tabella seguente interpreta otto attuatori robotici CubeMars come un unico insieme di specifiche, ordinati per massa pubblicata, perché la massa è l'asse lungo cui si progetta una piattaforma umanoide e perché la varietà di rapporti tra questi otto copre l'intero compromesso coppia-velocità, da un modulo distale da 262 g a un giunto ad albero cavo da 1396 g. Ogni valore è quello pubblicato dal produttore; ogni valore derivato nel testo è indicato come aritmetico.

Coppia nominale e di picco, tensione di alimentazione, rapporto di riduzione, massa e ingombro come pubblicati dal produttore. La coppia nominale è il valore continuo entro i limiti termici dell'attuatore; la coppia di picco è un valore di breve durata. L'AKH70-48 V1.0 è un'unità ad albero cavo, quindi il suo ingombro è dichiarato con un alesaggio per i cavi attraverso l'asse.

Lette come un unico insieme, le otto unità descrivono una scala di coppia da 7 Nm a 222 Nm di coppia di picco pubblicata su un intervallo di massa da 262 g a 1396 g, e la scala non ha la stessa forma dell'ordine per massa. Oltre il punto dei 540 g l'ordinamento smette di seguire la massa: i 72 Nm dell'AK60-39 V3.0 da 750 g lasciano il posto ai 120 Nm dell'AK80-64 da 850 g, e poi l'unità da 850 g supera in coppia l'AK10-9 V3.0 da 940 g, più pesante, perché il suo stadio 64:1 baratta la velocità contro il 9:1. Chi legge la tabella solo per massa sceglierà l'unità sbagliata; la colonna del rapporto va letta insieme alle colonne della coppia.

La densità di coppia dice la stessa cosa in un solo numero. La coppia di picco pubblicata per chilogrammo, che è un calcolo aritmetico sulle due colonne registrate, va da circa 24.5 Nm/kg sull'unità da 368 g e circa 24.7 Nm/kg sull'unità da 485 g a circa 141 Nm/kg sull'unità da 850 g e circa 159 Nm/kg sull'unità da 1396 g. L'intervallo di sei volte è il rapporto che fa il lavoro: le unità ad alto rapporto generano la coppia da un motore piccolo e veloce e la pagano in velocità di uscita, mentre le unità a basso rapporto la generano direttamente e conservano la loro velocità. La coppia nominale per chilogrammo racconta la stessa storia su un intervallo più stretto, da circa 8.2 Nm/kg all'estremità da 368 g a circa 53 Nm/kg all'estremità ad albero cavo, ed è il più utile dei due valori quando il giunto dovrà sostenere un carico per minuti di seguito anziché per millisecondi.

La velocità cala quando il rapporto sale, e cala in un modo che vale la pena esprimere in gradi anziché in giri. Convertendo le velocità di uscita pubblicate a vuoto e nominali a 6 gradi al secondo per rpm, le otto unità coprono da circa 4800 gradi al secondo di velocità di uscita a vuoto all'estremità 6:1 fino a 222 gradi al secondo all'estremità 64:1, con velocità nominali che sulle stesse unità scendono da circa 3618 gradi al secondo a circa 138 gradi al secondo. Un'anca che deve oscillare di 60 gradi in 300 ms richiede 200 gradi al secondo, che sta dentro la metà a basso rapporto della tabella e vicino al tetto della metà ad alto rapporto. È questo confronto, fatto prima di scegliere il modello, a tenere un progetto lontano dalla posizione di dover spiegare una gamba lenta.

Leggere le otto unità dalla caviglia all'anca

I giunti di una piattaforma umanoide formano una catena dagli assi distali di polsi e caviglie fino ad anca e ginocchio, e il requisito si sposta in modo monotono lungo di essa: la coppia sale, la velocità cala e la massa che ci si può permettere cresce con la distanza del giunto dal suolo. Le otto unità seguenti si distribuiscono su quella catena in quattro gruppi.

L'estremità da 262 g e 368 g: assi di polso, mano e caviglia

Le unità più piccole di questo insieme svolgono i compiti a coppia bassa e velocità moderata. L'AK45-10 V3.0 KV75 pesa 262 g in un carter da 53 mm di diametro e 45.2 mm di lunghezza, aziona uno stadio 10:1 per 2.5 Nm nominali e 7 Nm di coppia di picco su un bus a 24 V, e dichiara 120 rpm nominali e 180 rpm di velocità di uscita a vuoto con 0.3° di gioco. La sua potenza nominale pubblicata è 39 W e la corrente nominale 1.9 A, il che mantiene semplice il cablaggio verso un piccolo segmento distale. L'AK60-6 V1.1 KV140 passa a 79 mm di diametro e 368 g per 3 Nm nominali e 9 Nm di picco attraverso uno stadio 6:1, e il suo motore KV140 a 24 V produce 420 rpm nominali e 560 rpm a vuoto, che è l’uscita più veloce di questo gruppo con circa 3360 gradi al secondo a vuoto. Quella combinazione — rapporto basso, coppia modesta, velocità di uscita elevata — è quella che si adatta a una caviglia che deve riposizionarsi rapidamente sotto un piede, o a un polso che deve fare piccole correzioni veloci. Il valore di gioco di 0.55° è il più lasco pubblicato in questo gruppo, che è la conseguenza attesa di un rapporto basso con un motore veloce.

La fascia centrale da 485 g e 540 g: inseguimento del gomito e ginocchia veloci

La parte centrale dell'insieme è dove si collocano il braccio e i giunti più veloci delle gambe. L'AK80-6 KV100 è un'unità da 485 g, 98 mm di diametro e 38.5 mm di lunghezza, che produce 6 Nm nominali e 12 Nm di coppia di picco con un rapporto 6:1 su un bus a 48 V, con 603 rpm nominali e 800 rpm a vuoto e una potenza nominale pubblicata di 340 W. Il suo rapporto picco/nominale di 2.0 è il più contenuto dell'insieme, il che ne fa l'unità da scegliere quando il ciclo di lavoro è più vicino al continuo che al transitorio. L'AK70-9 V3.0 KV60 è la stessa idea un gradino più in alto nel rapporto: 540 g in un carter da 89 mm di diametro e 49 mm di lunghezza, uno stadio 9:1, 8.5 Nm nominali e 29.2 Nm di coppia di picco a 48 V, 260 rpm nominali e 320 rpm a vuoto, 231 W di potenza nominale e 0.3° di gioco. Il suo multiplo picco/nominale di 3.4 è il più ampio dell'insieme, quindi è l'unità più adatta dove il caso di progetto è il transitorio e il carico continuo è modesto. Entrambe le unità hanno impieghi documentati: il produttore ha pubblicato un caso di studio dell'AK80-6 in una piattaforma di ricerca, incorporato qui sotto.

La classe da 750 g e 940 g: anche, ginocchia e carico su appoggio singolo

Questa è la classe che porta la macchina. L'AK60-39 V3.0 KV80 è un'unità da 750 g in un carter da 79 mm di diametro e 67 mm di lunghezza che trasforma il suo stadio 39:1 in 24 Nm nominali e 72 Nm di coppia di picco a 48 V, con 70 rpm nominali e 98 rpm a vuoto, 176 W di potenza nominale e 0.25° di gioco. L'AK10-9 V3.0 KV60 pesa 940 g in un carter da 98 mm di diametro e 61.7 mm di lunghezza e abbina uno stadio 9:1 a una configurazione a doppio encoder per 18 Nm nominali e 53 Nm di coppia di picco a 48 V, con 235 rpm nominali e 320 rpm di velocità di uscita a vuoto e una potenza nominale pubblicata di 442 W a 10.7 A di corrente nominale. Le due unità sostengono la stessa tesi da direzioni opposte: l'unità 39:1 compra la coppia con il rapporto e rinuncia alla velocità di uscita, mentre l'unità 9:1 conserva la velocità e ha bisogno di un motore più grande per produrre la coppia. Un'anca che deve sostenere un carico su appoggio singolo e poi estendersi rapidamente favorisce la seconda configurazione; un ginocchio vicino al suolo che raramente deve muoversi veloce favorisce la prima. Il gioco è pubblicato per l'unità 39:1 a 0.25°; il dato dell'unità 9:1 in questo insieme non riporta un valore di gioco, e quella lacuna appartiene all'insieme di domande da porre al produttore, non a un'ipotesi.

L'estremità pesante a 48:1 e 64:1: dove la velocità viene spesa di proposito

La parte alta della tabella è per i giunti in cui la velocità di uscita è una voce che il progettista è disposto a sacrificare. L'AK80-64 KV80 pesa 850 g in un carter da 98 mm di diametro e 61.9 mm di lunghezza e produce 48 Nm nominali e 120 Nm di coppia di picco attraverso uno stadio 64:1, accettando sia 24 V sia 48 V; la sua velocità di uscita pubblicata è 23 rpm nominali e 37 rpm a vuoto a 24 V, oppure 48 rpm nominali e 75 rpm a vuoto a 48 V, con 0.18° di gioco, il più contenuto di questo insieme. L'AKH70-48 V1.0 KV41 è l'unità più pesante con 1396 g in un carter da 90 mm di diametro e 81.5 mm di lunghezza, e produce 74 Nm nominali e 222 Nm di coppia di picco attraverso uno stadio 48:1 su un bus a 48 V, con 28 rpm nominali e 35 rpm di velocità di uscita a vuoto e 0.2° di gioco. Il suo albero cavo è la caratteristica che la distingue dalle altre: il percorso dei cavi passa per l'asse, ed è ciò che consente di costruire un'anca o un ginocchio pesante senza un anello di servizio attorno al giunto. Entrambe le unità si collocano nelle centinaia basse di gradi al secondo in uscita, il che si addice a un ginocchio portante o a un'anca in appoggio rigido, ed esclude entrambe da qualsiasi giunto che debba completare un'oscillazione in poche centinaia di millisecondi. Il produttore ha pubblicato una prova di carico dell'unità ad albero cavo, incorporata qui sotto; il dato completo di specifica è sulla pagina prodotto del produttore.

Le piattaforme umanoidi a cui questi motori da giunto si adattano

Ogni unità di questa tabella è associata su ToBMS alla stessa applicazione, il che riflette quanto sia stretto il ciclo di lavoro: l'applicazione Robot umanoide copre macchine i cui giunti sono il vincolo di progetto primario, non un accessorio di una struttura fissa.

Ricerca bipede e piattaforme a corpo intero

Le piattaforme di ricerca sono costruite per essere strumentate e ricostruite, quindi la specifica dei giunti è scritta attorno alla controllabilità e alla ripetibilità più che alla vita utile. Qui dominano i rapporti bassi e medi, perché un giunto retroazionabile è un giunto che si può studiare a mano e la cui coppia si può stimare dalla corrente del motore senza un sensore aggiuntivo. I rapporti picco/nominale pubblicati nella parte centrale di questa tabella si adattano esattamente a quel tipo di utilizzo: un prototipo passa gran parte della sua vita a una frazione della coppia nominale e occasionalmente a un suo multiplo.

Macchine con zampe e con ruote su zampe articolate

Le macchine che camminano e quelle che rotolano su ruote montate su zampe articolate sottopongono il giunto alla più ampia gamma di condizioni di carico di questa applicazione: velocità quasi nulla con coppia elevata durante l'appoggio, velocità elevata con coppia bassa durante l'oscillazione e carichi d'urto a entrambe le estremità. La domanda pertinente è se il dato pubblicato copra o meno il caso d'urto, cosa che in questo insieme avviene per il valore di coppia di picco e non per il carico d'urto che arriva attraverso la struttura. Quella lacuna si colma con il produttore, non con una scheda tecnica.

Dispositivi assistivi e riabilitativi

Dove una macchina muove un arto che appartiene a una persona, il giunto deve sostenere un carico e seguire un movimento nello stesso momento, e i casi di studio pubblicati per due unità di questa tabella provengono esattamente da quel contesto. Le unità ad alto rapporto si occupano del sostegno, quelle a basso rapporto o a basso gioco dell'inseguimento: è per questo che i dispositivi assistivi mescolano spesso due classi di rapporto sullo stesso arto invece di specificare un'unica unità per tutta la catena.

Manipolazione, teleoperazione e piattaforme destre

I bracci di una piattaforma umanoide ereditano i vincoli del corpo a cui sono fissati: massa modesta al polso, necessità di lavorare in spazi non strutturati e un anello di controllo che deve tollerare il contatto. La parte centrale di questa tabella — le unità da 485 g e 540 g a 6:1 e 9:1 su un bus a 48 V — è il gruppo che soddisfa quei vincoli senza la massa dell'estremità portante, ed è il gruppo in cui un singolo modello può servire più di un giunto del braccio.

Una sequenza di selezione per un giunto umanoide

L'ordine di questi tre passi conta più del dettaglio interno di ciascuno, perché ogni passo restringe l'insieme che il successivo deve considerare.

Fissare prima il ciclo di lavoro del giunto e il suo carico nel caso peggiore

Si stabiliscano la coppia di mantenimento nella postura in cui la macchina trascorre la maggior parte del tempo, la coppia richiesta durante il transitorio che il recupero dell'equilibrio o un sollevamento impongono e la frazione di tempo passata in ciascuna condizione. Il primo valore dimensiona il caso termico e quindi la coppia nominale; il secondo dimensiona la dichiarazione di picco; e il rapporto tra i due decide se il giunto appartiene all'estremità bassa della tabella o a quella alta. Nulla del modello si può decidere prima di questo, perché lo stesso requisito di coppia viene soddisfatto da un motore piccolo con un rapporto alto e da un motore grande con un rapporto basso, e le due risposte si comportano diversamente al giunto.

Fissare secondariamente il bus, l'alesaggio e l'ingombro di montaggio

La tensione di bus segue l'architettura di potenza della macchina e non l'attuatore, quindi va trattata come un vincolo fisso: le unità di questo insieme funzionano a 24 V, a 48 V oppure a entrambe, e un'unità solo a 48 V non può essere usata su una piattaforma a 24 V, per quanto bene corrisponda la sua coppia. L'ingombro segue il segmento: prima il diametro, poi la lunghezza e — dove il giunto è un'anca o un ginocchio attraversato da un cavo — contemporaneamente l'alesaggio lungo l'asse. Una preselezione che sopravvive a questi due filtri è di solito abbastanza ristretta da poter essere confrontata come si deve.

Interrogare i numeri che il dato lascia aperti

Il dato pubblicato per questa classe di attuatori è buono su coppia, velocità, rapporto e massa, ed è più scarso sui numeri che decidono come si comporta un giunto più che quanto rende. L'insieme di domande da portare al produttore è breve.

• Il gioco misurato all'uscita per la specifica unità e versione, e se il valore sia un massimo o un valore tipico.
• La finestra di lavoro associata al valore di coppia di picco: per quanto tempo, con quale frequenza e con quale raffreddamento.
• L'efficienza attraverso l'intero stadio di riduzione, e dove cala a bassa velocità di uscita con coppia elevata.
• La corrente continua e il conseguente aumento di temperatura del carter nel montaggio effettivo della macchina.
• Un eventuale valore di targa per urti o impatti, che è il dato di cui questa applicazione ha bisogno e quello più spesso assente.

Dove un valore è assente dal dato pubblicato, appartiene al margine di progetto e non a un'ipotesi, e la valutazione va messa per iscritto prima di ordinare il giunto.

Domande frequenti

Risorse ufficiali

CubeMars pubblica la documentazione di prodotto per le gamme di attuatori raccolte nella sezione Risorse della piattaforma, e ogni modello ha una pagina prodotto ufficiale che riporta la specifica completa, la curva di prestazione e il disegno di montaggio — la gamma di prodotto del produttore è il punto di ingresso. Il produttore resta la fonte autorevole per curve di coppia, valori termici, base di misura del gioco e configurazione del driver; ToBMS mantiene ricercabile e confrontabile il livello di scoperta, e i valori usati in questa guida sono quelli pubblicati nei dati di prodotto della piattaforma.

Passi successivi

Il corrispettivo a livello di categoria di questa guida è Attuatori robotici: scegliere l’attuatore integrato per giunti robotici, che mette a confronto cinque di queste unità integrate come componenti, e Come scegliere un modulo articolare: cinque attuatori CubeMars da 190 g a 1.4 kg, che assume il modulo articolare come unità di progetto. Questa guida parte invece dal robot: arriva alla stessa classe di attuatore passando per la catena dei giunti, il ciclo di lavoro e il bilancio di massa, che è la via da seguire quando la domanda è di che cosa abbia bisogno un robot umanoide e non quale modello sia più grande.

Due percorsi adiacenti vale la pena di seguire quando la classe del giunto cambia. Dove un giunto deve essere guidato a mano o dove va deciso il confine tra un kit frameless e un modulo sigillato, Motori BLDC per esoscheletro: motore coppia frameless o attuatore integrato imposta direttamente il confronto, e la categoria Motori frameless copre i kit statore-e-rotore con cui si costruiscono di solito gli assi di una mano destra. Dove si sceglie un rapporto basso per la cedevolezza anziché per la velocità, Attuatori QDD: cosa offre un rapporto 8:1 copre su quella base la gamma degli Attuatori QDD.

Per il contesto più ampio su come si rapportano le classi di motori, Motori BLDC: guida completa a tipi, specifiche e scelta dei motori brushless DC colloca l'attuatore integrato tra le altre categorie. Per una preselezione anziché una ricerca, i candidati si filtrano per coppia, rapporto, tensione, massa e ingombro in Selezione e poi si mettono uno contro l'altro in Confronto prodotti; le classi di giunto correlate sono raggruppate nelle applicazioni Modulo articolare, Esoscheletro, Robot quadrupede e Robot riabilitativo della piattaforma. La categoria Attuatori robotici contiene le otto unità confrontate qui.