Scegliere un motore BLDC per robot quadrupede: coppia, velocità e limiti termici

Una gamba non è un braccio che per caso punta verso il suolo. Un braccio robotico si dimensiona su un carico utile e su un tempo di ciclo, e per la maggior parte del tempo o si muove o attende; una gamba di Robot quadrupede porta la massa della macchina attraverso ogni passo, trascorre gran parte di quel passo a mantenere coppia mentre ruota appena, e poi deve invertire direzione più volte al secondo senza mai potersi raffreddare. Questi tre fatti prendono la consueta rosa di candidati — coppia, velocità, ingombro, massa — e la riordinano, perché il vincolo che decide se una macchina può trottare per venti minuti non è la coppia di picco che un giunto può raggiungere per una frazione di secondo, ma quanto calore l'avvolgimento ha già immagazzinato nel momento in cui arriva il transitorio successivo. Scegliere un motore BLDC per i giunti di un robot quadrupede parte quindi dal passo, passa attraverso i tre tipi di coppia che una gamba richiede e arriva al limite termico per ultimo, perché è lì che il ciclo di lavoro viene davvero deciso.

Risposta rapida

Una gamba di quadrupede chiede al motore del suo giunto tre cose che una macchina a ruote o a base fissa non chiede. Durante l'appoggio il giunto sostiene il peso corporeo ruotando lentamente, che è un ciclo di coppia continua con quasi nessuna potenza meccanica che lascia l'albero e quindi quasi nessun aiuto dal flusso d'aria o dal movimento nel sottrarre calore all'avvolgimento. Durante il contatto e la spinta lo stesso giunto vede un impulso pari a diverse volte il carico statico, che arriva attraverso il riduttore e inverte direzione a ogni passo. E di solito ci sono dodici di questi attuatori dentro un unico guscio che attingono da una sola batteria, perciò un valore riferito al singolo giunto va letto insieme a ciò che gli altri undici stanno facendo nello stesso istante. Un motore per giunti di quadrupede viene quindi scelto dalla classe Attuatori robotici — motore, stadio planetario, dispositivo di retroazione e driver in un unico corpo da imbullonare — perché l'alternativa, un kit frameless nudo, lascia all'integratore il compito di risolvere da zero il carico d'urto, la tenuta e il percorso del calore.

La rosa di candidati che segue interpreta cinque attuatori CubeMars associati all'applicazione Robot quadrupede come un unico insieme di specifiche, ordinati da un'unità da 380 g a un'unità da 960 g. Il confine che li separa in pratica non è la colonna della coppia ma la corrente nominale che le sta accanto, perché la corrente nominale è ciò che una gamba paga in modo continuo, e lo scarto tra coppia nominale e di picco decide quanta riserva resta per il transitorio quando quella riserva è già in parte spesa.

Che cosa chiede una gamba di quadrupede al motore di un giunto

I tre vincoli seguenti non sono caratteristiche aggiunte sopra una normale specifica di motore. Spostano il vincolo determinante dall'uscita massima all'uscita sostenuta, ed è per questo che una preselezione basata sulla sola coppia di picco tende a produrre una macchina che riesce ad alzarsi in piedi, a fare qualche passo e poi a cedere.

Quattro gambe condividono il carico finché una non lo fa più

Un quadrupede a riposo distribuisce il proprio peso su quattro gambe, quindi la coppia statica a ogni ginocchio è all'incirca un quarto della massa della macchina che agisce attraverso il braccio di leva della gamba. Quel quadro confortevole cambia nel momento in cui la macchina si muove. Nel trotto (trot) — il passo che la maggior parte delle piattaforme con zampe usa in velocità — le coppie diagonali staccano e atterrano insieme e ci sono intervalli con solo due piedi a terra, mentre nel passo si hanno intervalli con tre. Anche in un trotto da fermo il carico non è distribuito in modo uniforme, perché le gambe più vicine al centro di massa portano di più e la distribuzione avanti-indietro dipende da dove si trovano il carico utile e la batteria. La conseguenza per il motore è che la coppia di lavoro durante un passo non è un quarto del peso della macchina; oscilla tra circa un terzo e più della metà a seconda del passo e dell'istante, e il picco di quell'oscillazione è il transitorio che il giunto deve sopravvivere due volte per gamba a ogni passo. Un bilanciamento costruito sul caso statico a quattro gambe non è abbastanza conservativo per essere utile, e l'alternanza tra appoggio condiviso e appoggio singolo è ciò che distingue il ciclo di lavoro di una gamba di Robot quadrupede dal ciclo di lavoro di un giunto che deve soltanto reggere la propria quota.

L'appoggio è uno stallo, l'oscillazione è un'accelerazione

Ogni giunto di una gamba vede due metà del ciclo molto diverse. Nell'appoggio il piede è a terra e il corpo avanza sopra di esso; il ginocchio flette ed estende di poco, quindi la velocità angolare del giunto è bassa mentre la coppia del giunto è alta e sostenuta. Nell'oscillazione il piede è in aria e nulla è sostenuto, quindi la coppia scende a quanto richiede l'inerzia della gamba stessa mentre la velocità angolare sale a quanto richiede la cadenza per posizionare il piede prima del contatto. Un separatore costruito su quelle due metà ha una proprietà sgradevole dal punto di vista del motore: la metà ad alta coppia è la metà a bassa velocità. La potenza meccanica è la coppia moltiplicata per la velocità, quindi durante l'appoggio il giunto eroga pochissima potenza meccanica utile mentre assorbe una corrente vicina al massimo — e in un avvolgimento, la corrente al quadrato moltiplicata per la resistenza è calore, indipendentemente dal fatto che una parte di essa raggiunga l'albero di uscita. L'appoggio è quindi il caso termico, e l'oscillazione non è quasi per nulla un evento termico.

Contatto e salto arrivano come impulsi attraverso il riduttore

Una macchina che trotta trascorre parte di ogni passo in aria, e ogni atterraggio converte la quantità di moto verticale in un picco di forza al piede che si propaga verso l'alto attraverso la catena cinematica fino al giunto. Lo stesso accade al contrario nella spinta e di nuovo durante un salto o un passo di recupero. Quei picchi valgono diverse volte il carico statico e arrivano con il riduttore già caricato, il che li fa passare per i denti dell'ingranaggio prima che il motore li veda divisi per il rapporto e ulteriormente ridotti da qualunque cedevolezza abbia lo stadio. Ne derivano due cose. Primo, la colonna della coppia di picco del motore non è il limite che conta qui, perché uno stadio planetario tarato per carichi d'urto ripetuti è un acquisto diverso da uno tarato per un'uscita uniforme. Secondo, la sequenza conta: un valore di picco pubblicato per un motore freddo all'inizio di una prova non è lo stesso valore dieci minuti dentro un trotto, quando lo stesso giunto ha già immagazzinato calore da ogni precedente fase di appoggio e lo smorzamento della struttura della gamba è più caldo e più morbido di prima.

Dodici moduli alloggiano dentro un unico guscio

Un quadrupede convenzionale ha tre giunti motorizzati per gamba — abduzione o adduzione all'anca, flessione o estensione all'anca e flessione o estensione al ginocchio — quindi dodici attuatori condividono un telaio, una batteria e un volume termico. Questa molteplicità cambia il modo in cui va letto ogni valore riferito alla singola unità. Una corrente nominale che sembra modesta per un modulo è dodici volte più grande al pacco batteria, e un assorbimento continuo a quel livello è un dato di autonomia oltre che un dato termico. Il calore ceduto dentro un guscio sigillato si accumula, perché dodici moduli caldi alzano l'ambiente locale per tutti loro e la targa di ogni unità a valle presuppone silenziosamente l'ambiente in cui il produttore l'ha collaudata. E una semplificazione progettuale comune — usare lo stesso modulo per la flessione dell'anca e per il ginocchio perché dimezza il numero di ricambi — moltiplica qualunque decisione presa sulla singola unità, in bene o in male, su otto dei dodici assi.

Coppia: le tre grandezze di cui una gamba ha davvero bisogno

Nella specifica di un giunto di quadrupede compaiono tre grandezze di coppia distinte, che vengono abitualmente confuse tra loro. Tenerle separate è gran parte del lavoro di dimensionamento di una gamba.

La coppia di mantenimento durante l'appoggio fissa il requisito continuo

La prima grandezza è ciò di cui il giunto ha bisogno per la maggior parte del tempo: la coppia per portare la quota di massa propria della macchina attraverso la fase di appoggio, con il carico utile aggiunto e con il braccio di leva preso nella postura peggiore anziché in quella eretta. Questa si confronta con la coppia nominale pubblicata, che è la coppia che un motore può mantenere indefinitamente con l'avvolgimento che resta entro la propria classe di isolamento. Sulle cinque unità seguenti la coppia nominale pubblicata va da 3 Nm a 18 Nm, e poiché si tratta di moduli integrati la grandezza è già un valore lato uscita, dopo il riduttore. La trappola su questa linea è leggere la coppia nominale rispetto all'istante peggiore del passo invece che rispetto alla sua media; un giunto che con il proprio valore nominale copre il picco dell'oscillazione di appoggio è sovradimensionato per l'altro novanta per cento del ciclo e più pesante di quanto debba essere.

La coppia di picco è una riserva già in parte spesa

La seconda grandezza è il transitorio: contatto, spinta, un salto, un recupero da uno scivolamento o il passo su un cordolo inatteso. Questa si confronta con la coppia di picco pubblicata, che descrive ciò che il motore può produrre per un breve intervallo prima che il driver raggiunga il proprio limite di corrente o che i magneti comincino a perdere il loro punto di lavoro. In questo insieme lo scarto tra le due è costante — il multiplo picco/nominale si colloca tra circa 2.4 e circa 3.0, come aritmetica delle due colonne pubblicate — quindi la scelta tra le unità non si può fare su quello scarto da solo. Ciò che conta di più è quanto di quello scarto sopravvive al funzionamento continuo. Una gamba che trotta da venti minuti ha consumato gran parte del proprio margine termico, quindi la riserva disponibile per il prossimo atterraggio è inferiore al valore stampato, e l'entità di quella riduzione dipende da una finestra di ciclo di lavoro che i dati seguenti non pubblicano.

La densità di coppia si paga due volte al ginocchio

La terza grandezza è quella che non costa nulla da leggere e tutto da sbagliare. La coppia di picco pubblicata per unità di massa su queste cinque unità va da circa 23.7 Nm/kg sull'unità da 380 g a circa 50 Nm/kg sull'unità da 960 g, e la coppia nominale per unità di massa da circa 7.9 Nm/kg a circa 18.8 Nm/kg — entrambe aritmetica sulle colonne registrate, ed entrambe in crescita costante con la dimensione. L'andamento crescente è allettante, perché suggerisce che l'unità più grande sia semplicemente la migliore. Non lo è, per due ragioni. Primo, i valori di picco arrivano attraverso rapporti diversi, e un rapporto compra coppia spendendo velocità; Attuatori QDD: cosa offre un rapporto 8:1 rende quello scambio visibile dalla direzione opposta. Secondo, e specifico di una gamba, la massa collocata al ginocchio viene portata dall'anca a monte e accelerata da essa a ogni passo, quindi un modulo al ginocchio paga la propria massa due volte: una come inerzia che l'anca deve muovere e una come coppia che l'anca deve sostenere. Su una macchina in cui ginocchio e anca usano già lo stesso modulo, aggiungere massa a entrambi è la decisione che consuma più rapidamente il bilancio del carico utile.

Il gioco e dove finisce l'impulso

Il gioco pubblicato è il valore più spesso saltato in una gamba, e il più informativo da leggere. La piattaforma lo registra in gradi di movimento perso all'uscita, e in questo insieme va da 0.2° a 0.38°, con un dato che non riporta alcun valore. Quel numero fissa di quanto il giunto può muoversi sotto carico prima che il treno di ingranaggi si tenda, il che durante un atterraggio è la differenza tra la stima del controllore su dove si trovi il piede e dove il piede si trova davvero. Un valore stretto costa qualcosa altrove — di solito in efficienza e in tolleranza agli urti — quindi la lettura utile non è "il più piccolo è il migliore" ma "il più piccolo che sopravvive ancora agli impulsi di atterraggio ripetuti". Il dato dell'AK70-10 KV100 porta il valore più stretto di questo insieme, 0.2°; quello dell'AK60-6 V3.0 KV80 non ne porta alcuno, e quella lacuna appartiene all'insieme scritto di domande al produttore, non a un'ipotesi.

Velocità: leggere il valore pubblicato dal lato giusto del riduttore

La velocità è il punto in cui un modulo integrato è più facile da leggere male, perché la stessa colonna significa due cose diverse a seconda del lato dello stadio su cui è stata misurata, e il dato di solito non dice quale. Esiste un controllo che lo chiarisce.

Su quale lato dello stadio si colloca il valore, e come verificarlo

Il KV è una costante lato motore: la velocità del rotore per volt di bus, prima di qualsiasi riduzione. Moltiplicandolo per la tensione di alimentazione nominale e dividendo per il rapporto di riduzione pubblicato, il risultato dovrebbe cadere sul valore pubblicato di velocità a vuoto o vicino a esso. Per tutte e cinque le unità seguenti accade. L'AK60-6 V3.0 KV80 dà 80 moltiplicato per 24 V, diviso per 6:1, cioè 320 rpm contro 320 rpm pubblicati, e la stessa moltiplicazione a 48 V dà 640 rpm contro 640 rpm pubblicati. L'AK80-8 KV60 dà 60 moltiplicato per 48 V diviso per 8:1, cioè 360 rpm contro 360 rpm pubblicati. L'AK10-9 V2.0 KV60 dà 160 rpm e 320 rpm a 24 V e a 48 V, contro valori pubblicati esattamente uguali, e l'AK70-10 KV100 e l'AK80-9 V3.0 KV100 cadono entro qualche per cento dai propri. Le colonne di velocità pubblicate per questi moduli sono quindi valori lato uscita, già divisi per il rapporto, e lo stesso vale per la velocità nominale accanto a essi. Un requisito di giunto espresso in gradi al secondo si può confrontare direttamente con esse moltiplicando i giri al minuto per sei.

Che cosa chiede una cadenza di passo in termini di velocità del giunto

Tradurre un passo in un requisito di giunto è in gran parte una questione di quanto il giunto si sposta e di quanto tempo ha per spostarsi. L'oscillazione ha la scadenza più stretta: il piede va posizionato prima del contatto, e con cadenze superiori a circa due passi al secondo c'è molto meno di mezzo secondo per farlo. Le escursioni di ginocchio e anca durante l'oscillazione sono comunemente dell'ordine di decine di gradi, non delle cifre a tre caratteri che potrebbe usare un braccio, quindi il requisito risultante è spesso soddisfatto comodamente anche dalle unità più lente — l'AK10-9 V2.0 KV60 pubblica 109 rpm nominali a 24 V, che sono circa 654 gradi al secondo, e anche quel valore supera quanto la maggior parte dei passi di cammino chiede a un ginocchio. L'eccezione è il recupero: scivolare da un cordolo, intercettare un inciampo o eseguire un salto richiedono tutti un'escursione molto più rapida, ed è il caso che decide l'estremo superiore della colonna della velocità. Letti contro i cinque dati, la velocità di uscita al valore nominale va da circa 654 gradi al secondo sull'unità da 960 g a circa 2940 gradi al secondo sull'unità da 380 g a 48 V, che è un fattore di quattro e mezzo quasi interamente spiegato dal rapporto che ciascuna porta.

Perché andare più veloci costa coppia

Il rapporto posto tra il rotore e l'uscita è ciò che accoppia i due requisiti, e li accoppia in direzioni opposte: la coppia di uscita deriva dalla coppia del motore moltiplicata per il rapporto e per l'efficienza dello stadio, mentre la velocità di uscita deriva dalla velocità del motore divisa per il rapporto. Un giunto che ha bisogno di più coppia e di più velocità di quante un dato modulo offra non può ottenerle da quel modulo; gli serve un rapporto diverso, una tensione di bus diversa o un'unità diversa. Le cinque seguenti lo rendono visibile come una regolarità. L'unità 6:1 è la più veloce e la meno densa di coppia. Le unità 9:1 e 10:1 si collocano a metà su entrambi gli assi. Le due unità che raggiungono la coppia nominale più alta lo fanno con lo stesso stadio 9:1 di un'unità molto più leggera, il che significa che la coppia è venuta da più motore anziché da più rapporto — ed è per questo che pesa 960 g e assorbe 10.6 A per produrre 18 Nm là dove la sua sorella più leggera assorbe 3.8 A per produrre 3 Nm.

Limiti termici: che cosa decide quanto a lungo può durare un passo

Il comportamento termico è il vincolo che separa un giunto che funziona al banco da uno che funziona per un turno intero, ed è la parte di una specifica di quadrupede che più spesso resta non scritta. Cinque osservazioni lo sostengono.

Potenza meccanica zero non significa calore zero

Tornando all'appoggio: il giunto produce coppia a bassa velocità, quindi l'uscita meccanica è piccola, eppure la corrente nelle fasi è vicina al limite continuo. In un avvolgimento brushless la perdita che conta è quella nel rame, e la perdita nel rame è fissata dalla corrente, non da quanta di quella corrente compia lavoro utile. Una fase di appoggio è quindi un periodo in cui quasi tutta la potenza elettrica che entra nel motore esce sotto forma di calore, e l'efficienza — uscita utile su ingresso — crolla verso zero proprio nel momento in cui la macchina si appoggia con più forza al giunto. Qualunque modello termico che deduca il riscaldamento dal lavoro meccanico lo sottostimerà quindi in modo grave, e il sostituto giusto in assenza di un valore di resistenza termica è la corrente continua che il dato pubblica.

La corrente nominale è il numero termico di lavoro

Letti in questo modo, le colonne della corrente sono più informative di entrambe le colonne della coppia. La corrente nominale pubblicata sulle cinque unità va da 3.8 A a 12 A, e dividendo ciascuna per la propria coppia nominale si ottiene un costo approssimativo in ampere per newton-metro di uscita continua — circa 1.27 A/Nm sull'AK60-6 V3.0 KV80, circa 1.33 A/Nm sull'AK80-9 V3.0 KV100, circa 0.69 A/Nm sull'AK80-8 KV60, circa 0.87 A/Nm sull'AK70-10 KV100 e circa 0.59 A/Nm sull'AK10-9 V2.0 KV60. Tutti e cinque i valori sono aritmetica su due colonne pubblicate e tutti e cinque sono lato uscita, quindi portano dentro di sé l'efficienza di ciascuno stadio invece di isolarla. Anche così, la dispersione è vicina a un fattore due e poco più, e non segue la massa: l'unità più leggera ha uno dei costi di corrente più alti per newton-metro, che è la firma di un rapporto basso che chiede al motore stesso di fare un lavoro che un rapporto più alto avrebbe fatto con più leva. Per una macchina alimentata a batteria questa colonna si traduce direttamente in autonomia, e per una connessa via cavo si traduce in quanto calore deve uscire dal corpo.

Dodici giunti attingono insieme a un solo bilancio

Moltiplicare per dodici la colonna della potenza nominale dà l'ordine di grandezza attorno a cui una macchina deve pianificare, e la risposta è scomoda. Tutti e dodici gli assi fermi all'uscita nominale continua assorbirebbero circa 888 W se ogni unità fosse l'AK60-6 V3.0 KV80 da 74 W, circa 2760 W se fossero le unità da 230 W, circa 4416 W se fossero l'AK80-9 V3.0 KV100 e circa 5160 W se fossero l'AK10-9 V2.0 KV60. Nessun quadrupede sostiene quel valore, e i numeri non sono previsioni — sono la scala su cui va letto il ciclo di lavoro reale, e spiegano perché il ciclo di lavoro di quasi ogni macchina sul campo sia una piccola frazione della targa continua con brevi escursioni. La stessa aritmetica applicata alla massa è meno allarmante e più utile: dodici unità al valore di 490 g arrivano a 5.88 kg di soli attuatori, prima di struttura, batteria e carico utile, ed è per questo che l'estremità leggera di questa tabella esiste.

La coppia di picco in un avvolgimento caldo è un numero più piccolo

L'interazione tra le due finestre di coppia è dove il limite termico morde davvero. Un valore di coppia di picco è un'affermazione su un motore partito dentro il proprio intervallo ambiente; lo stesso giunto dopo trenta secondi di trotto ha un avvolgimento più vicino al proprio limite di isolamento, e il margine tra la sua temperatura attuale e quel limite è ciò che resta per il transitorio. Poiché il riscaldamento in appoggio è continuo e ripetitivo a ogni passo, una gamba raggiunge un plateau di temperatura stabile invece di recuperare tra un passo e l'altro, e il plateau viene raggiunto in pochi minuti anziché nell'arco di un'ora. La conseguenza pratica per un motore BLDC destinato ai giunti di un robot quadrupede è che la colonna del picco va ridimensionata per il funzionamento a regime, e di quanto ridimensionarla è esattamente ciò che si deve chiedere al produttore, perché nessuno di questi cinque dati pubblica una finestra di ciclo di lavoro, un'ipotesi di ambiente o una condizione di montaggio per i propri valori termici.

Da dove esce davvero il calore

Un modulo integrato ha un solo percorso di calore a disposizione: la conduzione attraverso il proprio carter verso ciò a cui è imbullonato. Non c'è ventola, non c'è flusso d'aria degno di nota dentro una gamba sigillata, e durante l'appoggio non c'è nemmeno movimento autoindotto che distribuisca il calore. La conseguenza pratica è che lo stesso attuatore si comporta come due prodotti diversi a seconda che sia imbullonato in un guscio sottile di polimero o serrato in un blocco di alluminio lavorato che funge da dissipatore, e la differenza è abbastanza grande da dominare la scelta. È l'unico requisito di questa guida che venga soddisfatto interamente fuori dal motore, ed è anche il motivo per cui i valori termici del produttore — rilevati su un banco prova, in aria ferma, in una configurazione di montaggio che l'integratore non riprodurrà — non possono essere trattati come previsioni senza un confronto.

Cinque attuatori CubeMars come un unico insieme di specifiche

La tabella seguente interpreta cinque attuatori robotici CubeMars come un unico insieme di specifiche, ordinati per massa, perché la massa è l'asse lungo cui si progetta una gamba: ogni grammo aggiunto al ginocchio si paga sull'anca a monte. Ogni valore è quello pubblicato dal produttore, tratto dai dati di prodotto di questa piattaforma, e ogni valore derivato nel testo circostante è indicato come aritmetico. Si noti che due delle cinque pubblicano punti di funzionamento sia a 24 V sia a 48 V, e che i valori di velocità pubblicati sono lato uscita — già divisi per il rapporto di riduzione, come mostrato sopra.

Rapporto di riduzione, coppia nominale e di picco, corrente nominale, velocità di uscita alla coppia nominale e massa come pubblicati dal produttore, per cinque attuatori robotici CubeMars associati all'applicazione Robot quadrupede. La coppia nominale è il valore continuo entro i limiti termici del motore; la coppia di picco è un valore di breve durata. Un solo valore di velocità indica un'unità a 48 V; i valori accoppiati sono 24 V e poi 48 V. Una finestra di ciclo di lavoro, un'ipotesi di ambiente, una condizione di montaggio e una resistenza termica dietro l'uno o l'altro dei due valori di coppia sono nella scheda tecnica del produttore anziché nel dato registrato, e lo stesso vale per il valore di gioco dell'AK60-6 V3.0 KV80.

Tre cose risaltano quando le cinque vengono lette insieme. La prima è quanto poco l'ordinamento per coppia segua l'ordinamento per massa. L'unità da 570 g pubblica più coppia nominale di quella da 621 g e quasi altrettanta di picco, perché il suo stadio 8:1 e la sua targa da 230 W si collocano diversamente dallo stadio 10:1 e dalla targa da 230 W della vicina; due unità con la stessa potenza finiscono su parti diverse della curva coppia-velocità perché il rapporto è diverso. La sola massa è quindi un cattivo sostituto della capacità in questa famiglia, e la colonna del rapporto è ciò che lo spiega.

La seconda è ciò che la colonna della corrente dice sul costo per newton-metro. Le due unità più dense di coppia — quella da 570 g e quella da 960 g — sono anche le due meno care per newton-metro di coppia continua, a circa 0.69 A/Nm e circa 0.59 A/Nm, mentre l'unità più leggera è tra le più care a circa 1.27 A/Nm. La regolarità segue il rapporto anziché la dimensione: un rapporto alto consente a un motore piccolo di mantenere una data coppia con meno corrente, e il risparmio non è gratuito, perché si paga in velocità di uscita e in quanta parte del carico ogni atterraggio fa passare attraverso lo stadio.

La terza è come l'aritmetica di potenza e velocità non torni del tutto per due delle cinque. Moltiplicare la coppia nominale per la velocità nominale e convertire dà un valore entro circa l'uno per cento dalla potenza nominale pubblicata per tre unità — l'AK80-9 V3.0 KV100 a 368 W, l'AK10-9 V2.0 KV60 a 430 W e l'AK60-6 V3.0 KV80 a 74 W rispetto al suo punto di funzionamento a 24 V — ma si colloca circa l'11 per cento sopra il valore pubblicato per l'AK80-8 KV60 e circa il 17 per cento sopra per l'AK70-10 KV100 a 48 V. Gli ultimi due scarti non sono errori di aritmetica; sono il segno che la potenza nominale, la coppia nominale e la velocità nominale in quei dati sono state rilevate in condizioni diverse, ed è esattamente il genere di cosa da mettere per iscritto al produttore prima di dimensionare su di esse un giunto.

Leggere le cinque lungo una gamba

Una gamba di quadrupede è una catena corta, e il requisito cambia lungo di essa: abduzione e adduzione si muovono poco contro bassa coppia ma stanno in cima alla catena, dove la loro massa viene portata; il giunto di flessione dell'anca porta il peso corporeo e guida il passo; il ginocchio combina entrambi i compiti e incassa l'atterraggio. Le cinque unità si distribuiscono lungo quella catena.

L'estremità da 380 g: abduzione e adduzione

L'AK60-6 V3.0 KV80 è l'unità più piccola qui, con 380 g in un carter da 79 mm di diametro e 43 mm di lunghezza, e pubblica 3 Nm nominali e 9 Nm di coppia di picco attraverso uno stadio 6:1, a 24 V oppure a 48 V, con 233 rpm nominali e 320 rpm a vuoto a 24 V, oppure 490 rpm nominali e 640 rpm a vuoto a 48 V. La sua potenza nominale è 74 W e la sua corrente nominale 3.8 A, con correnti di picco pubblicate pari a 10.3 A a 24 V e 11.2 A a 48 V. Come asse di rollio o imbardata dell'anca si adatta bene a quel ruolo sulla carta: è l'unità più leggera qui, è la più veloce con ampio margine a circa 2940 gradi al secondo di uscita nominale a 48 V, e un giunto di abduzione si muove di decine di gradi contro un carico modesto. Le riserve sono le due già notate — il costo di corrente per newton-metro più alto dell'insieme, circa 1.27 A/Nm, e l'assenza di un valore di gioco pubblicato. Nessuna delle due la squalifica; entrambe sono domande da chiudere prima di ordinare.

La classe da 490 g: flessione di ginocchio e anca su una macchina leggera

L'AK80-9 V3.0 KV100 pesa 490 g in un carter da 98 mm di diametro e appena 38.5 mm di lunghezza — l'unità più corta dell'insieme, cosa che conta dove due moduli stanno ai due lati di una biella della coscia — e pubblica 9 Nm nominali e 22 Nm di coppia di picco attraverso uno stadio 9:1 a 48 V, con 390 rpm nominali e 570 rpm a vuoto, 368 W di potenza nominale, 12 A di corrente nominale e 0.25° di gioco. I suoi 490 g in 98 mm ne fanno il candidato naturale per la coppia flessione d'anca e ginocchio su una macchina nella fascia da venti a quaranta chilogrammi, dove la coppia in appoggio cade dentro i 9 Nm e il passo non deve essere veloce. La riserva è la corrente: 12 A nominali sono il valore più alto di questo insieme, e dodici di esse che lavorassero simultaneamente assorbirebbero teoricamente 4416 W, quindi una macchina costruita su questa unità richiede un pacco batteria e un progetto termico specificati insieme anziché ereditati.

La classe da 570 g: dove decide il ciclo di lavoro, non l'ingombro

L'AK80-8 KV60 si colloca a 570 g in un carter da 98 mm di diametro e 43.9 mm di lunghezza e pubblica 10 Nm nominali e 25 Nm di coppia di picco attraverso uno stadio 8:1 a 48 V, con 243 rpm nominali e 360 rpm a vuoto, 230 W di potenza nominale, 6.9 A di corrente nominale e 0.38° di gioco. Letta accanto alle sue vicine è la voce più equilibrata della tabella e quella la cui scelta ruota intorno al ciclo di lavoro anziché all'ingombro. Pubblica una coppia nominale leggermente superiore a quella dell'unità da 621 g che sta sotto, assorbendo un po' meno corrente, e raggiunge quella coppia con un rapporto più corto, quindi conserva più velocità di uscita — 243 rpm contro 310 rpm allo stesso bus, ma da soli 230 W contro i 230 W dell'altra unità, che è l'accoppiata che produce lo scarto di riconciliazione notato sopra. Dove una piattaforma vuole un unico codice prodotto per anca e ginocchio ed è disposta a lavorare da sé i propri blocchi di montaggio, questa è l'unità di cui vale la pena calcolare prima il costo.

La classe da 621 g: lo stadio più stretto dell'insieme

L'AK70-10 KV100 è un'unità da 621 g in un carter da 89 mm di diametro e 50.25 mm di lunghezza, che pubblica 8.3 Nm nominali e 24.8 Nm di coppia di picco attraverso uno stadio 10:1, a 24 V oppure a 48 V, con 148 rpm nominali e 240 rpm a vuoto a 24 V, oppure 310 rpm nominali e 480 rpm a vuoto a 48 V. La potenza nominale è 230 W e la corrente nominale 7.2 A. La sua caratteristica distintiva in questo insieme è 0.2° di gioco, il valore più stretto qui, e il suo stadio 10:1 è il più alto — due cose che insieme indicano una macchina il cui controllore si affida alla conoscenza della posizione del piede senza misurarla direttamente. Porta anche il rapporto più ampio tra coppia di picco e nominale di questo insieme, insieme all'unità più leggera, a circa 3.0, quindi ha la riserva di transitorio nominale più grande; se quella riserva sopravviva al funzionamento continuo è una delle domande che il dato lascia aperte. Il produttore pubblica un filmato dimostrativo dell'unità nella robotica dinamica, incorporato qui sotto.

L'estremità da 960 g: una macchina pesante, o un carico utile pesante

L'AK10-9 V2.0 KV60 è l'unità più grande qui, con 960 g in un carter da 98 mm di diametro e 61.7 mm di lunghezza, che pubblica 18 Nm nominali e 48 Nm di coppia di picco attraverso uno stadio 9:1, a 24 V oppure a 48 V, con 109 rpm nominali e 160 rpm a vuoto a 24 V, oppure 228 rpm nominali e 320 rpm a vuoto a 48 V. La potenza nominale è 430 W, la corrente nominale 10.6 A e la corrente di picco 29.8 A, con 0.33° di gioco e doppi encoder, che è la configurazione che consente a un canale di leggere il rotore e a un altro l'uscita attraverso lo stadio. Produce la sua coppia in modo diverso dalle altre quattro: invece di un rapporto più alto usa un motore più grande allo stesso 9:1, e conserva quindi più velocità di uscita di quanta ne conserverebbe un'unità ad alto rapporto di pari coppia. Quella combinazione si addice a una macchina nella classe dei sessanta chilogrammi, a una piattaforma che porta un manipolatore o una testa sensoriale, o a qualunque gamba la cui anca debba estendersi rapidamente sotto carico — ma a 960 g un set di dodici arriva a 11.52 kg di soli attuatori prima di tutto il resto, che è il numero che di solito rimanda un progettista al centro di questa tabella.

Le piattaforme quadrupedi a cui si adattano questi attuatori per gambe

Tutte e cinque le unità sono associate su ToBMS all'applicazione Robot quadrupede, il che riflette quanto sia stretto il ciclo di lavoro: giunti di gambe di quadrupede il cui vincolo determinante è il carico in appoggio ripetuto anziché l'uscita di picco.

Piattaforme di ispezione e rilievo

Il gruppo singolo più numeroso di quadrupedi oggi schierati cammina in siti industriali — raffinerie, sottostazioni, cantieri, piattaforme offshore — portando telecamere, termocamere o sensori di gas. Il ciclo di lavoro è lento, continuo e lungo: una macchina può restare sulle proprie zampe per un'ora di fila, fermandosi spesso per leggere un indicatore, e salire scale o scavalcare passerelle di cavi. È quasi esattamente il profilo di stallo in appoggio descritto sopra, il che rende coppia nominale e corrente nominale, anziché coppia di picco, le grandezze di dimensionamento, e fa del centro di questa tabella — le unità da 490 g e 570 g — il punto di partenza abituale quando la macchina si colloca nella fascia da venti a quaranta chilogrammi.

Piattaforme di ricerca e accademiche

La ricerca sulla locomozione con zampe ha bisogno di giunti che possano essere comandati con forza in un momento e retroazionati in quello successivo, con una retroazione pubblicata su cui chiudere l'anello, e tende a preferire ciò che è documentato in modo più completo rispetto a ciò che è ottimizzato in modo più stretto. Tutte e cinque le unità pubblicano controllo FOC, KV, Ke e coppie polari, e l'AK10-9 V2.0 KV60 porta inoltre doppi encoder, così entrambi i lati del suo stadio 9:1 possono essere letti. Dove un progetto costruisce controllo anziché prodotto, quella documentazione vale più dell'ultimo dieci per cento di densità di coppia.

Macchine con zampe agricole e per esterni

Il terreno agricolo è il servizio più duro qui: suolo soffice, pendii, detriti e umidità, tutti fattori che spingono la coppia in appoggio in modo imprevedibile ed esigono tenuta al giunto. Quelle condizioni depongono contro l'unità più piccola di questo insieme, il cui valore nominale di 3 Nm lascia poco margine quando un piede affonda, e a favore delle unità da 570 g e 621 g, la cui coppia nominale è più alta a fronte di un assorbimento di corrente paragonabile. È anche il ciclo di lavoro in cui il gioco pubblicato si guadagna il suo posto, perché una gamba che poggia su terreno irregolare non può presumere che il piede sia atterrato dove il controllore si aspettava.

Piattaforme a ruote su zampe e ibride

Una classe in crescita applica una ruota all'estremità di ogni gamba, rotolando su terreno piano e scavalcando ostacoli. Il ciclo di lavoro si divide in due: lunghi periodi a coppia molto bassa durante il rotolamento, interrotti da transitori brevi e duri quando la macchina fa un passo. Ciò favorisce un'unità con valori continui solidi e una finestra picco/nominale generosa rispetto a una ottimizzata per l'uno o per l'altro estremo, e l'esperienza raccolta sul lato a ruote della famiglia si trasferisce bene qui — le applicazioni Robot a ruote e AGV coprono quell'estremo del ciclo di lavoro.

Una sequenza di dimensionamento per una gamba di quadrupede

Tre passi portano gran parte della decisione, in questo ordine, perché ciascuno restringe ciò che il successivo deve fornire.

Fissare il ciclo di lavoro del passo prima della coppia

Si mettano per iscritto, prima di qualsiasi sigla di modello: la massa della macchina incluso il carico utile, la postura peggiore della gamba e il suo braccio di leva, il passo e la cadenza, la frazione di appoggio e quante gambe sono a terra nell'istante peggiore. Da questi si ricavano la coppia continua in appoggio a ogni giunto, il transitorio di picco al contatto e alla spinta e l'escursione che ciascuna fase richiede al giunto. È quella terna — continua, transitoria, escursione — che viene confrontata con le tre colonne di questa tabella, e saltare quella centrale è il modo in cui una macchina finisce con gambe che tengono la postura e cedono all'atterraggio.

Fissare secondariamente il bus e la somma sui dodici giunti

Si scelga la tensione di bus prima di confrontare le unità, perché diverse pubblicano valori diversi a 24 V e a 48 V e il confronto cambia forma a seconda di quale si applichi: l'AK60-6 V3.0 KV80 raddoppia all'incirca la propria velocità di uscita tra i due, mentre l'AK70-10 KV100 e l'AK10-9 V2.0 KV60 variano di fattori simili o minori. Poi si sommi la corrente nominale dell'unità scelta su tutti e dodici gli assi e la si verifichi contro la scarica continua del pacco batteria e contro la capacità del corpo di smaltire il calore. Un'unità che vince il confronto sul singolo giunto può perdere il confronto di sistema proprio su questo passo.

Mettere per iscritto la base dei valori di targa

Si chieda al produttore, per l'unità preselezionata: per quanto tempo possa essere mantenuto il valore di coppia di picco e con quale frequenza possa essere ripetuto; quale ambiente e quale configurazione di montaggio presuppongano la coppia nominale e la potenza nominale; a quanto sia fissato il limite di corrente di picco nel driver; se il valore di gioco pubblicato sia un massimo o un valore tipico; e quale sia la resistenza termica dall'avvolgimento al carter. Quattro dei cinque dati seguenti non pubblicano alcuna finestra di ciclo di lavoro, due non tornano del tutto tra le proprie colonne di potenza, coppia e velocità, e uno non porta alcun valore di gioco, quindi nessuna di queste domande è retorica.

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 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, e i cinque attuatori di questa guida sono documentati singolarmente, tra cui l'AK80-8 KV60 e l'AK10-9 V2.0 KV60. Il produttore resta la fonte di verità 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 contenuti nei dati di prodotto della piattaforma.

Passi successivi

Il compagno più vicino a questa guida è Motori BLDC per robot umanoide: come abbinare coppia, velocità e dimensioni, che legge otto unità diverse della stessa famiglia rispetto a una catena di giunti bipede — il contrappunto utile qui, perché anche un robot umanoide deve restare in equilibrio e ha anch'esso una fase di appoggio, e leggere le due guide insieme separa i vincoli che appartengono in generale alle macchine con zampe da quelli che appartengono specificamente a quattro gambe. Attuatori robotici: scegliere l’attuatore integrato per giunti robotici copre la categoria da cui questa selezione è tratta, e Come scegliere un modulo articolare: cinque attuatori CubeMars da 190 g a 1.4 kg affronta lo stesso hardware dal giunto assemblato anziché dal passo.

Dove la discussione si rivolge specificamente al rapporto, Attuatori QDD: cosa offre un rapporto 8:1 espone che cosa cambia uno stadio a basso rapporto in termini di inerzia riflessa, trasparenza e retroazionabilità, che è lo scambio nascosto dentro la colonna del rapporto di ogni tabella qui. 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 preselezionare anziché ricercare, si filtrano i candidati per coppia, tensione, massa e ingombro in Selezione e poi li si mette uno contro l'altro in Confronto prodotti. Le classi di giunto correlate sono raggruppate nelle applicazioni Robot quadrupede, Robot umanoide, Robot a ruote, Modulo articolare ed Esoscheletro della piattaforma. La categoria Attuatori robotici contiene tutte e cinque le unità confrontate qui, e la pagina CubeMars raccoglie il resto della gamma.