Silniki BLDC do robota humanoidalnego: jak dopasować moment, prędkość i rozmiar

Robot humanoidalny to problem momentu rozłożony na każdy napędzany przegub w ciele, a trzy liczby opisujące każdy z tych przegubów — jaki moment musi on utrzymywać, jak szybko musi się poruszać i jaką masę może nieść kończyna — nie są od siebie niezależne. Zmiana jednej sprawia, że pozostałe dwie podążają za nią. Wybór silnika BLDC do robota humanoidalnego oznacza więc znalezienie punktu, w którym te trzy krzywe przecinają się kolejno dla każdego przegubu, a następnie sprawdzenie, czy opublikowany rekord rzeczywiście potwierdza wybrany punkt. Błędna kolejność oznacza, że maszyna albo nie potrafi stanąć, albo nie potrafi podnieść własnych stóp.

Krótka odpowiedź

Trzy wielkości łączą dwie zmienne: przełożenie między silnikiem a przegubem oraz napięcie szyny, na którym pracuje silnik. Niskie przełożenie, takie jak 6:1, utrzymuje przegub szybkim i łatwym do napędzania od strony wyjścia, ale wymaga dużego silnika, aby wytworzyć użyteczny moment; wysokie przełożenie, takie jak 64:1, wytwarza duży moment z małego silnika, lecz zużywa prędkość i dużą część zdolności przegubu do bycia popychanym przez obciążenie zewnętrzne. Przełożenie wybiera się na podstawie cyklu pracy przegubu, masa wynika z przełożenia i momentu, a opublikowany moment szczytowy jest wartością okna krótkotrwałego, której nie należy używać jako wartości roboczej.

W serwisie ToBMS kategoria Robot humanoidalny gromadzi zintegrowane siłowniki CubeMars obsługujące przeguby robotów humanoidalnych, od jednostki o masie 262 g ze stopniem 10:1 do jednostki o masie 1396 g z wałem drążonym i 222 Nm opublikowanego momentu szczytowego. Ten poradnik wyjaśnia, jak moment, prędkość i rozmiar są dopasowywane przegub po przegubie, i odczytuje osiem z tych jednostek jako jeden zestaw specyfikacji.

Dlaczego przegub robota humanoidalnego to kompromis między momentem, prędkością i rozmiarem

Platforma humanoidalna różni się od innych maszyn tym, że jej konstrukcja i jej ładunek to ten sam obiekt. Ramię przemysłowe jest zakotwiczone, jego ogniwa muszą nieść jedynie własną bezwładność i narzędzie, a podstawa może być tak ciężka, jak klient zechce tolerować. Robot humanoidalny musi nieść swoje siłowniki, swój akumulator i swoją elektronikę na tych samych kończynach, które wykonują pracę, a kończyny te muszą być dodatkowo poruszane na tyle dokładnie, aby zachować równowagę. Każdy gram dodany w kolanie to gram, który musi rozhuśtać biodro, a każdy gram dodany w biodrze to gram, który musi skorygować kostka.

Cykl pracy pojawia się przed jakimkolwiek numerem modelu

Pierwszą liczbą w specyfikacji przegubu nie jest moment. To opis tego, co przegub robi w jednym cyklu: jak długo utrzymuje obciążenie statyczne, jak długo porusza się wbrew grawitacji, jak często przyspiesza i jaką część tego czasu spędza przy niskiej prędkości pod obciążeniem. Stojące biodro utrzymuje część masy ciała przez minuty, praktycznie się nie poruszając. Kolano w chodzie pochłania udar w kilkadziesiąt milisekund, a następnie swobodnie się przenosi. Łokieć w zadaniu manipulacyjnym może spędzić większość zmiany, utrzymując narzędzie pod niemal stałym kątem. To trzy różne problemy termiczne i elektromagnetyczne, rozwiązywane przez różne punkty na płaszczyźnie moment–prędkość.

Faza podporu i faza przenoszenia wymagają przeciwnych końców krzywej

Przegub nogi zmienia się między dwoma zadaniami. W fazie podporu przegub jest niemal nieruchomy pod obciążeniem, które może przekraczać ciężar ciała, co jest wymaganiem momentu z niemal zerowym udziałem prędkości. W fazie przenoszenia ten sam przegub musi szybko przebyć duży kąt przy niemal zerowym obciążeniu, co jest wymaganiem prędkości z niemal zerowym udziałem momentu. Jeden silnik musi spełnić oba te warunki, a to przełożenie decyduje o podziale kompromisu. Wysokie przełożenie służy fazie podporu i karze fazę przenoszenia; niskie przełożenie działa odwrotnie. To właśnie ta zmienność, a nie jakakolwiek pojedyncza liczba, sprawia, że przeguby nóg maszyny dwunożnej trudniej jest wyspecyfikować niż porównywalną oś w nieruchomym ramieniu przemysłowym, i to jest pierwsza rzecz do sprawdzenia, gdy przeguby robota humanoidalnego nowej platformy są dzielone między klasy siłowników.

Bezwładność odbita to to, z czym naprawdę zmaga się pętla sterowania

Między silnikiem a wyjściem przegubu znajduje się przekładnia, a przekładnia dzieli bezwładność wirnika przez kwadrat przełożenia na drodze wyjściowej. Wysokie przełożenie stawia więc sterownikowi bardzo małą pozorną bezwładność na przegubie, co ułatwia sterowanie położeniem, a utrudnia sterowanie siłą, ponieważ przegub nie potrafi już rozpoznać, na co naciska. Niskie przełożenie odbija większą część bezwładności wirnika na wyjście, dzięki czemu przegub wyczuwa otoczenie i daje się przewidywalnie napędzać od strony wyjścia, i dlatego przeguby o napędzie quasi-bezpośrednim ze stopniami 8:1 lub 9:1 stosuje się tam, gdzie robot musi wejść w kontakt z nieznanymi obiektami lub z człowiekiem. To samo przełożenie, które ustala moment i prędkość, ustala również to zachowanie, więc nie jest to szczegół mechaniczny, który można później poprawić w oprogramowaniu.

Odzyskiwanie równowagi to stan przejściowy, który musi pokryć okno znamionowe

Równowaga dwunożna jest utrzymywana przez momenty korygujące przykładane w ułamku sekundy od zakłócenia, a wielkość tych korekt może być kilkukrotnością momentu potrzebnego do stania w miejscu. To jest stan przejściowy, który musi pokryć opublikowany moment szczytowy przegubu, i to jest powód, dla którego w obecnym zestawie siłowników ToBMS stosunek wartości szczytowej do znamionowej sięga około trzech razy w niektórych modelach. Przegub wyspecyfikowany wyłącznie wobec swojego obciążenia statycznego utrzyma postawę stojącą, a potem nie zdoła odzyskać równowagi po pchnięciu, co na platformie humanoidalnej oznacza upadek, a nie pominięty cykl.

Jak przełożenie zamienia prędkość na moment

Przełożenie to pojedyncza, najbardziej użyteczna liczba w specyfikacji przegubu humanoidalnego, ponieważ w ustalony sposób odwzorowuje każdą wielkość ze strony silnika na stronę przegubu. Gdy przełożenie jest znane, prędkość przegubu to prędkość silnika podzielona przez nie, jego moment to moment silnika pomnożony przez nie, a opublikowane wartości obu można sprawdzić względem siebie.

Prędkość przegubu to prędkość silnika podzielona przez przełożenie

Każda prędkość podana dla zintegrowanego siłownika to prędkość wyjściowa, czyli liczba, którą widzi przegub. Jednostka AK80-6 KV100 o masie 485 g ze stopniem 6:1 podaje 800 rpm bez obciążenia, natomiast AK80-64 o masie 850 g ze stopniem 64:1 podaje 37 rpm przy szynie 24 V — współczynnik około dwudziestu dwóch w prędkości wyjściowej, wywołany różnicą przełożenia, a nie różnicą jakości silnika. Dla przegubu obroty na minutę są jednostką niewygodną, warto więc je przeliczyć: 1 rpm to 6 stopni na sekundę, co czyni jednostkę 800 rpm przegubem o 4800 stopniach na sekundę bez obciążenia, a jednostkę 64:1 przegubem o 222 stopniach na sekundę w tym samym punkcie. Biodro, które musi przenieść się przez 60 stopni w 300 ms, wymaga 200 stopni na sekundę trwałej prędkości wyjściowej, a to jedno wymaganie wyklucza dużą część wysokoprzełożeniowego końca każdej oferty siłowników.

Moment mnoży się przez to samo przełożenie, pomniejszony o to, co zabiera przekładnia

To mnożenie jest realne, ale nie darmowe. Stopień 6:1 zamienia 6 Nm na silniku na około 36 Nm na przegubie minus tarcie i straty w zazębieniu, a stopień 64:1 zamienia 0.75 Nm na około 48 Nm według tej samej arytmetyki. Dlatego najcięższe jednostki w danej ofercie nie są automatycznie najsilniejsze: AK60-39 V3.0 o masie 750 g podaje 72 Nm momentu szczytowego przez stopień 39:1, natomiast AK80-64 o masie 850 g podaje 120 Nm przez stopień 64:1, więc różnica masy 100 g daje 67 procent przewagi momentu, ponieważ to przełożenie wykonuje tę pracę. Przełożenie ustala także karę za sprawność, ponieważ każdy dodatkowy stopień przekładni kosztuje niewielki procent mocy przez niego przechodzącej i dokłada własny wkład do luzu.

KV razy napięcie szyny ustala prędkość po stronie silnika

KV to stała po stronie silnika: to prędkość obrotowa wirnika na wolt przyłożonego napięcia szyny, przed przekładnią. Pomnożenie KV przez napięcie szyny i podzielenie przez przełożenie daje oszacowanie prędkości wyjściowej bez obciążenia, a to oszacowanie można sprawdzić wobec opublikowanej wartości jako arytmetyczny test krzyżowy rekordu. Dla AK45-10 V3.0 KV75 przy 24 V przez 10:1, 75 pomnożone przez 24 i podzielone przez 10 daje 180 rpm wobec opublikowanych 180 rpm. Dla AK60-6 V1.1 KV140 przy 24 V przez 6:1 oszacowanie wynosi 560 rpm wobec opublikowanych 560 rpm; dla AK80-6 KV100 przy 48 V przez 6:1 to 800 rpm wobec 800 rpm; a dla AK70-9 V3.0 KV60 i AK10-9 V3.0 KV60, obu przy 48 V przez 9:1, to 320 rpm wobec 320 rpm w obu przypadkach. Zgodność nie jest powszechna — AKH70-48 V1.0 KV41 przy 48 V przez 48:1 szacuje się na 41 rpm wobec opublikowanych 35 rpm — i właśnie dlatego liczbą, według której należy projektować, jest opublikowana prędkość wyjściowa, a nie wartość wyprowadzona z KV.

Wysokie przełożenie kupuje moment i wydaje zdolność do przenoszenia ruchu wstecz

Wraz ze wzrostem przełożenia przeciw przegubowi działają dwa efekty. Pierwszym jest to, że bezwładność odbita na wyjściu maleje z kwadratem przełożenia, więc przegub staje się łatwiejszy do sterowania, a trudniejszy do wyczucia. Drugim jest tarcie: wielostopniowa przekładnia stawia opór momentowi przykładanemu od strony wyjścia, a przy wysokich przełożeniach opór ten może być tak duży, że przegub przestaje się poruszać, gdy popchnie go człowiek lub powierzchnia. W tym zestawie jednostki o niższym przełożeniu podają przełożenia 6:1, 9:1 i 10:1, natomiast jednostki przenoszące obciążenie pracują przy 39:1, 48:1 i 64:1, a podział między tymi dwiema grupami wynika z pytania, czy przegub ma wchodzić w podatny kontakt, czy cicho utrzymywać duże obciążenie. Luz jest towarzyszącą specyfikacją i zmienia się w przeciwnym kierunku: jednostki w tym zestawie podają wartości między 0.18 i 0.55°, a niższe przełożenie przy ciasnej wartości luzu to kombinacja, która nadaje przegubowi cechę sztywności pod naciskiem ręki, przy zachowaniu możliwości jego popchnięcia.

Dopasowanie momentu: znamionowy, szczytowy i okno stojące za każdym z nich

Moment to oś, według której najczęściej podejmuje się pierwsze decyzje o przegubie humanoidalnym, i na której większość z nich podejmuje się najpierw błędnie. W rekordzie producenta występują trzy odrębne liczby, które odpowiadają na trzy różne pytania.

Moment szczytowy to okno, a nie zdolność

Moment szczytowy opisuje to, co siłownik może wytworzyć przez krótki przedział — zwykle czas potrzebny na przyspieszenie kończyny lub zatrzymanie zakłócenia — bez przekroczenia limitu prądu sterownika i bez rozmagnesowania czegokolwiek. To właściwa wartość dla zdarzenia odzyskiwania równowagi lub dla pierwszej chwili podnoszenia, i niewłaściwa dla wszystkiego, co musi się powtarzać. W tym zestawie stosunek szczytowy do znamionowego wynosi od 2.0 w AK80-6 do 3.4 w AK70-9 V3.0, więc dwa siłowniki o tym samym momencie znamionowym mogą różnić się o ponad połowę w zakresie stanu przejściowego, który dostarczą. Odczytywanie wyłącznie kolumny szczytowej zaciera tę różnicę i tworzy krótką listę, która przegrzeje się w pracy ciągłej.

Moment znamionowy wyznacza termiczna ścieżka uzwojenia

Moment znamionowy to stwierdzenie termiczne. To moment, który siłownik może utrzymywać w nieskończoność, a uzwojenie pozostaje w granicach swojej klasy izolacji, zależy więc od tego, jak ciepło opuszcza stojan — przez obudowę, do konstrukcji nośnej i poza własną osłonę przegubu. Dlatego wartość znamionowa jest niższa w małej zamkniętej obudowie niż w dużej dla tego samego silnika, i dlatego moment znamionowy przegubu na końcu ramienia to inna sprawa niż tego samego przegubu przykręconego do wspornika biodra z dużą masą termiczną za nim. Wartości znamionowe w tym zestawie wynoszą od 2.5 Nm na końcu 262 g do 74 Nm na końcu 1396 g, a liczba znamionowa jest tą, którą należy porównywać ze średnim obciążeniem przegubu, a nie z jego przypadkiem najgorszym. Testem arytmetycznym, który często domyka tu bilans, jest moment znamionowy pomnożony przez prędkość znamionową w radianach na sekundę wobec opublikowanej mocy znamionowej: AK60-6 V1.1 daje 3 Nm przy 420 rpm na 132 W wobec opublikowanych 130 W, AK70-9 V3.0 daje 231 W wobec 231 W, AK60-39 V3.0 daje 176 W wobec 176 W, a AK10-9 V3.0 daje 443 W wobec 442 W. Tam, gdzie te dwie wartości się nie domykają, różnicę zwykle można wyjaśnić napięciem szyny, przy którym podano prędkość.

Moment podtrzymania w bezruchu to kwestia prądu

Przegub, który stoi nieruchomo pod obciążeniem, z punktu widzenia uzwojenia nie wykonuje zerowej pracy. Sterownik musi wtłaczać prąd do faz, aby utrzymać położenie, a wynikająca z tego strata w miedzi jest taka sama, jak gdyby przegub poruszał się powoli. Stojący robot humanoidalny ma więc stały pobór mocy, który skaluje się z momentem podtrzymania każdego obciążonego przegubu w danej postawie, a prąd w znamionowym punkcie pracy jest liczbą, która ma znaczenie: w tym zestawie prąd znamionowy wynosi od 1.9 A w AK45-10 V3.0 przy 24 V do 10.7 A w AK10-9 V3.0 przy 48 V. Na platformie zasilanej z akumulatora ten pobór opłaca się z zapasu wytrzymałości, i to jest powód, dla którego warto projektować postawę, którą można utrzymać przy użyciu ogranicznika mechanicznego.

Gęstość momentu odczytana wobec masy, którą przegub musi nieść

Gęstość momentu to liczba, która łączy oś momentu z osią rozmiaru, i ma sens tylko wtedy, gdy podaje zarówno masę, jak i użyty moment. W ośmiu jednostkach poniżej opublikowany moment szczytowy na kilogram wynosi od około 24.5 Nm/kg w AK60-6 V1.1 o masie 368 g do około 159 Nm/kg w AKH70-48 V1.0 o masie 1396 g, natomiast moment znamionowy na kilogram wynosi od około 8.2 Nm/kg do około 53 Nm/kg w tych samych dwóch jednostkach. Obie wartości są wynikiem arytmetyki na odnotowanych liczbach. Duży rozrzut nie jest przypadkiem jakości produkcji: to efekt przełożenia, ponieważ jednostki o wyższym przełożeniu wytwarzają swój moment z mniejszego, szybciej obracającego się silnika, a dodatkowa masa przekładni jest mała wobec masy, którą oszczędza mniejszy silnik.

Dopasowanie prędkości na przegubie, a nie na wirniku

Wymagania prędkości w robocie humanoidalnym podaje się zwykle jako kąt do przebycia w danym czasie i rzadko podaje się je poprawnie za pierwszym razem. Przeliczenie wymagania przegubu na specyfikację siłownika przechodzi przez przełożenie, a przełożenie wybiera się ze względu na moment, więc oba ograniczenia trzeba rozwiązywać razem, a nie po kolei.

Faza przenoszenia wyznacza wymaganie prędkości nogi

Idąca noga musi przenieść stopę do przodu przez zakres kolana wynoszący około 60 do 90 stopni w czasie 300 do 400 ms, co wymaga od 150 do 300 stopni na sekundę trwałej prędkości przegubu w fazie przenoszenia i nieco mniej w całym cyklu chodu. W ośmiu jednostkach poniżej temu pasmu służy klasa 485 g i 540 g przy 6:1 i 9:1, których opublikowane prędkości znamionowe 603 rpm i 260 rpm odpowiadają około 3618 i 1560 stopniom na sekundę — dużemu zapasowi, który pozwala pętli prędkości przegubu przyspieszać i zwalniać w fazie przenoszenia, zamiast pracować ze stałą szybkością. Jednostki o wysokim przełożeniu nie są wykluczone z nóg, ale stosuje się je tam, gdzie przegub znajduje się blisko podłoża, a ścieżka obciążenia jest zdominowana przez podparcie, a nie przez przenoszenie.

Śledzenie i sięganie wyznaczają prędkość ramienia

Wymaganie prędkości ramienia wyznacza trajektoria, którą musi ono podążać, a nie pojedynczy ruch. Zadania manipulacyjne — sięganie do punktu, podążanie po powierzchni, łapanie rzuconego obiektu — wymagają ciągłego śledzenia położenia i prędkości, a właściwą liczbą jest zdolność przyspieszania przegubu w środku jego zakresu, a nie prędkość bez obciążenia na jego końcu. Ramię jest również bardziej wyrozumiałe dla masy niż noga, ponieważ bark niesie łokieć i nadgarstek, ale całego łańcucha nie trzeba przyspieszać wbrew grawitacji przy każdym kroku. To połączenie sprawia, że środek zakresu jest rozsądnym miejscem na rozpoczęcie specyfikacji ramienia: w tym zestawie AK70-9 V3.0 o masie 540 g przy 9:1 oferuje 260 rpm znamionowo i 29.2 Nm momentu szczytowego, co pokrywa łokieć lub zgięcie barku w kompaktowej obudowie.

Prędkość bez obciążenia to pułap, do którego pętla rzadko dociera

Opublikowana prędkość bez obciążenia to prędkość wyjściowa przy napięciu szyny bez obciążenia i bez ingerencji sterownika. Rzeczywisty przegub nie osiąga tego punktu, ponieważ w chwili, gdy musi cokolwiek utrzymać lub przyspieszyć, punkt pracy przesuwa się wstecz wzdłuż linii moment–prędkość, a dodatkowo pętla prędkości ogranicza zadanie. Praktyczne zastosowanie wartości bez obciążenia polega na potraktowaniu jej jako górnej granicy przy sprawdzaniu wykonalności wymaganej prędkości: wymaganie przegubu 200 stopni na sekundę mieści się swobodnie pod pułapem 4800 stopni na sekundę i niewygodnie blisko pułapu 222 stopni na sekundę. Tam, gdzie wymaganie leży blisko pułapu, przegub spędzi swoje życie przy wysokim prądzie, a konsekwencja termiczna należy do obliczeń cyklu pracy, a nie do przypisu.

Dopasowanie rozmiaru: gabaryt, otwór i koszt masy dystalnej

Rozmiar to oś wyznaczana przez kinematykę platformy robota humanoidalnego i oś, na której dostępny jest najmniejszy kompromis. Siłownika, który nie mieści się w przestrzeni między dwoma ogniwami, nie da się dopasować żadną ilością strojenia, a siłownik zbyt ciężki w niewłaściwym miejscu łańcucha zmienia dynamikę maszyny, a nie tylko jej budżet masy.

Masa dystalna jest naliczana ponownie przy każdym przegubie powyżej

Gram w stopie jest przyspieszany przez kostkę, kolano i biodro przy każdym przenoszeniu, więc jego koszt opłaca się trzy razy na krok. Ten sam gram w biodrze opłaca się raz. To argument za umieszczeniem na końcu dystalnym najmniejszej i najlżejszej jednostki, która poradzi sobie z zadaniem, i zachowaniem masy dla przegubów, które muszą wytwarzać największe momenty, co widać w układzie tego zestawu: jednostki 262 g i 368 g noszą momenty znamionowe 2.5 Nm i 3 Nm do pracy nadgarstka, dłoni i kostki, podczas gdy jednostki 940 g i 1396 g noszą 18 Nm i 74 Nm znamionowo dla bioder i kolan. Odwrócenie tego układu — umieszczenie dużego siłownika w przegubie dystalnym dla zapasu — sprawia, że przeguby proksymalne pracują ciężej przez resztę życia maszyny.

Otwory na kable i trwałość wiązki wewnątrz kończyny

Przegub humanoidalny się obraca, a wszystko, co musi przekroczyć ten obrót — zasilanie, okablowanie czujników, czasem płyn lub powietrze — przechodzi albo przez pierścień ślizgowy, albo przez pętlę serwisową, która musi przetrwać miliony cykli zginania, albo przez sam siłownik. AKH70-48 V1.0 KV41 o masie 1396 g to planetarny siłownik z wałem drążonym, co oznacza, że ścieżka kabli biegnie przez środek przegubu, a nie wokół niego, całkowicie usuwając pętlę serwisową z gabarytu przegubu. Tam, gdzie otwór nie jest dostępny, pętlę trzeba zaprojektować na promień zgięcia i trwałość cykliczną, które warto sprawdzić wobec zamierzonego okresu eksploatacji maszyny. Kolumna gabarytu w tabeli poniżej nie jest więc tylko średnicą do dopasowania; średnica 90 mm i długość 81.5 mm jednostki z wałem drążonym mają sens tylko razem z otworem przez nią.

Klasy średnic, długość pakietu i układ, jaki może przyjąć rama

Zintegrowane siłowniki grupują się w klasy średnic, ponieważ przekładnia i silnik dzielą tę samą oś. W tym zestawie średnice wynoszą 53 mm, 79 mm, 89 mm, 90 mm i 98 mm, a długości od 38.5 mm do 81.5 mm. Średnica jest zwykle trudniejszym ograniczeniem, ponieważ przekrój ogniwa wyznacza konstrukcja, która musi przenieść obciążenie, natomiast długość często można wchłonąć w długość samego ogniwa. Przegub, który musi zmieścić się wewnątrz uda, wymaga cienkiej i szerokiej obudowy; przegub umieszczony na zewnątrz wspornika biodra może przyjąć dłuższą. Interfejs mocowania ma znaczenie tak samo jak rozmiar: siłownik przykręcony z jednej strony do płyty, a z drugiej napędzający ogniwo, wymusza ścieżkę obciążenia przez własną obudowę, a sztywność obudowy staje się wtedy częścią sztywności przegubu, co z kolei wyznacza zachowanie maszyny pod udarami chodu.

Osiem siłowników CubeMars do przegubów humanoidalnych jako jeden zestaw specyfikacji

Poniższa tabela odczytuje osiem siłowników robotycznych CubeMars jako jeden zestaw specyfikacji, uszeregowany według opublikowanej masy, ponieważ masa jest osią, wzdłuż której projektuje się platformę humanoidalną, a rozrzut przełożeń w tych ośmiu jednostkach obejmuje cały kompromis moment–prędkość, od modułu dystalnego o masie 262 g do przegubu z wałem drążonym o masie 1396 g. Każda wartość jest opublikowaną wartością producenta; każda wartość pochodna w tekście jest oznaczona jako wynik arytmetyki.

Moment znamionowy i szczytowy, napięcie zasilania, przełożenie, masa i gabaryt zgodnie z publikacją producenta. Moment znamionowy to wartość ciągła w granicach termicznych siłownika; moment szczytowy to wartość okna krótkotrwałego. AKH70-48 V1.0 to jednostka z wałem drążonym, więc jej gabaryt podaje się wraz z otworem na kable przez oś.

Odczytane jako jeden zestaw, osiem jednostek opisuje drabinę momentu od 7 Nm do 222 Nm opublikowanego momentu szczytowego w zakresie masy od 262 g do 1396 g, a drabina ta nie ma tego samego kształtu co porządek masy. Powyżej punktu 540 g porządek przestaje podążać za masą: 72 Nm jednostki AK60-39 V3.0 o masie 750 g ustępuje 120 Nm jednostki AK80-64 o masie 850 g, a następnie jednostka 850 g przewyższa momentem cięższą AK10-9 V3.0 o masie 940 g, ponieważ jej stopień 64:1 wymienia prędkość na moment wobec 9:1. Czytanie tabeli wyłącznie według masy prowadzi do wyboru niewłaściwej jednostki; kolumnę przełożenia trzeba czytać razem z kolumnami momentu.

Gęstość momentu wyraża tę samą myśl w jednej liczbie. Opublikowany moment szczytowy na kilogram, będący wynikiem arytmetyki na dwóch odnotowanych kolumnach, wynosi od około 24.5 Nm/kg w jednostce 368 g i około 24.7 Nm/kg w jednostce 485 g do około 141 Nm/kg w jednostce 850 g i około 159 Nm/kg w jednostce 1396 g. Sześciokrotny rozstęp to efekt przełożenia: jednostki o wysokim przełożeniu wytwarzają swój moment z małego, szybkiego silnika i płacą za to prędkością wyjściową, natomiast jednostki o niskim przełożeniu wytwarzają go bezpośrednio i zachowują prędkość. Moment znamionowy na kilogram opowiada tę samą historię w węższym zakresie, od około 8.2 Nm/kg na końcu 368 g do około 53 Nm/kg na końcu z wałem drążonym, i jest użyteczniejszą z tych dwóch wartości, gdy przegub ma utrzymywać obciążenie przez minuty, a nie przez milisekundy.

Prędkość spada wraz ze wzrostem przełożenia, i spada w sposób, który warto podać w stopniach, a nie w obrotach. Przeliczając opublikowane prędkości wyjściowe bez obciążenia i znamionowe przy 6 stopniach na sekundę na rpm, osiem jednostek obejmuje zakres od około 4800 stopni na sekundę prędkości wyjściowej bez obciążenia na końcu 6:1 do 222 stopni na sekundę na końcu 64:1, przy prędkościach znamionowych od około 3618 stopni na sekundę do około 138 stopni na sekundę w tych samych jednostkach. Biodro, które musi przenieść się o 60 stopni w 300 ms, wymaga 200 stopni na sekundę, co mieści się w niskoprzełożeniowej połowie tabeli i jest bliskie pułapu połowy wysokoprzełożeniowej. To porównanie, wykonane przed wyborem modelu, chroni projekt przed koniecznością tłumaczenia się z wolnej nogi.

Odczyt ośmiu jednostek od kostki do biodra

Przeguby platformy humanoidalnej tworzą łańcuch od osi dystalnych w nadgarstkach i kostkach do biodra i kolana, a wymaganie zmienia się wzdłuż niego monotonicznie: moment rośnie, prędkość maleje, a masa, na którą można sobie pozwolić, rośnie wraz z odległością przegubu od podłoża. Osiem jednostek poniżej odwzorowuje ten łańcuch w czterech grupach.

Koniec 262 g i 368 g: osie nadgarstka, dłoni i kostki

Najmniejsze jednostki w tym zestawie noszą zadania o niskim momencie i umiarkowanej prędkości. AK45-10 V3.0 KV75 waży 262 g w obudowie o średnicy 53 mm i długości 45.2 mm, napędza stopień 10:1 dla 2.5 Nm znamionowo i 7 Nm momentu szczytowego przy szynie 24 V, i podaje 120 rpm znamionowo oraz 180 rpm prędkości wyjściowej bez obciążenia przy 0.3° luzu. Jego opublikowana moc znamionowa to 39 W, a prąd znamionowy 1.9 A, co utrzymuje okablowanie do małego ogniwa dystalnego w prostocie. AK60-6 V1.1 KV140 przechodzi na średnicę 79 mm i 368 g dla 3 Nm znamionowo i 9 Nm szczytowo przez stopień 6:1, a jego silnik KV140 przy 24 V wytwarza 420 rpm znamionowo i 560 rpm bez obciążenia, co jest najszybszym wyjściem w tej grupie, około 3360 stopni na sekundę bez obciążenia. Ta kombinacja — niskie przełożenie, umiarkowany moment, wysoka prędkość wyjściowa — pasuje do kostki, która musi szybko zmienić położenie pod stopą, albo do nadgarstka, który musi wykonywać małe, szybkie korekty. Wartość luzu 0.55° jest najluźniejszą opublikowaną w tej grupie, co jest oczekiwaną konsekwencją niskiego przełożenia z szybkim silnikiem.

Środek 485 g i 540 g: śledzenie łokciem i szybkie kolana

Środek zestawu to miejsce, w którym znajdują się ramię i szybsze przeguby nóg. AK80-6 KV100 to jednostka o masie 485 g, średnicy 98 mm i długości 38.5 mm, która wytwarza 6 Nm znamionowo i 12 Nm momentu szczytowego przy przełożeniu 6:1 na szynie 48 V, z 603 rpm znamionowo i 800 rpm wyjścia bez obciążenia oraz opublikowaną mocą znamionową 340 W. Jej stosunek szczytowy do znamionowego wynoszący 2.0 jest najciaśniejszy w zestawie, co czyni ją jednostką do wyboru, gdy cykl pracy jest bliższy ciągłemu niż przejściowemu. AK70-9 V3.0 KV60 to ten sam pomysł o stopień wyżej w przełożeniu: 540 g w obudowie o średnicy 89 mm i długości 49 mm, stopień 9:1, 8.5 Nm znamionowo i 29.2 Nm momentu szczytowego przy 48 V, 260 rpm znamionowo i 320 rpm bez obciążenia, 231 W mocy znamionowej i 0.3° luzu. Jej wielokrotność szczytowa do znamionowej wynosząca 3.4 jest najszersza w zestawie, więc jest to właściwsza jednostka tam, gdzie stan przejściowy jest przypadkiem projektowym, a obciążenie ciągłe jest umiarkowane. Obie jednostki mają udokumentowane wdrożenia: producent opublikował studium przypadku AK80-6 w platformie badawczej, osadzone poniżej.

Klasa 750 g i 940 g: biodra, kolana i obciążenie w podporze jednonóż

To klasa, która niesie maszynę. AK60-39 V3.0 KV80 to jednostka o masie 750 g w obudowie o średnicy 79 mm i długości 67 mm, która zamienia swój stopień 39:1 na 24 Nm znamionowo i 72 Nm momentu szczytowego przy 48 V, z 70 rpm znamionowo i 98 rpm wyjścia bez obciążenia, 176 W mocy znamionowej i 0.25° luzu. AK10-9 V3.0 KV60 waży 940 g w obudowie o średnicy 98 mm i długości 61.7 mm i łączy stopień 9:1 z układem dwóch enkoderów dla 18 Nm znamionowo i 53 Nm momentu szczytowego przy 48 V, z 235 rpm znamionowo i 320 rpm wyjścia bez obciążenia oraz opublikowaną mocą znamionową 442 W przy prądzie znamionowym 10.7 A. Obie jednostki przedstawiają ten sam argument z przeciwnych stron: jednostka 39:1 kupuje swój moment przełożeniem i rezygnuje z prędkości wyjściowej, natomiast jednostka 9:1 zachowuje prędkość i potrzebuje większego silnika, aby wytworzyć moment. Biodro, które musi utrzymać obciążenie w podporze jednonóż, a następnie szybko się wyprostować, sprzyja drugiemu układowi; kolano blisko podłoża, które rzadko musi poruszać się szybko, sprzyja pierwszemu. Dla jednostki 39:1 luz podano jako 0.25°; rekord jednostki 9:1 w tym zestawie nie zawiera wartości luzu, a ta luka należy do zestawu pytań do producenta, a nie do założenia.

Ciężki koniec przy 48:1 i 64:1: gdzie prędkość wydaje się celowo

Górna część tabeli dotyczy przegubów, w których prędkość wyjściowa jest wielkością, którą projektant gotów jest poświęcić. AK80-64 KV80 waży 850 g w obudowie o średnicy 98 mm i długości 61.9 mm i wytwarza 48 Nm znamionowo oraz 120 Nm momentu szczytowego przez stopień 64:1, przyjmując 24 V lub 48 V; jego opublikowana prędkość wyjściowa to 23 rpm znamionowo i 37 rpm bez obciążenia przy 24 V albo 48 rpm znamionowo i 75 rpm bez obciążenia przy 48 V, przy 0.18° luzu, najciaśniejszym w tym zestawie. AKH70-48 V1.0 KV41 to najcięższa jednostka o masie 1396 g w obudowie o średnicy 90 mm i długości 81.5 mm, i wytwarza 74 Nm znamionowo oraz 222 Nm momentu szczytowego przez stopień 48:1 na szynie 48 V, z 28 rpm znamionowo i 35 rpm wyjścia bez obciążenia oraz 0.2° luzu. Jej wał drążony to cecha, która odróżnia ją od pozostałych: ścieżka kabli przechodzi przez oś, co pozwala zbudować biodro lub ciężkie kolano bez pętli serwisowej wokół przegubu. Obie jednostki osiągają na wyjściu niskie setki stopni na sekundę, co pasuje do kolana przenoszącego obciążenie lub podpartego biodra, i wyklucza je z każdego przegubu, który musi wykonać przenoszenie w kilkaset milisekund. Producent opublikował test obciążenia jednostki z wałem drążonym, osadzony poniżej; pełny rekord specyfikacji znajduje się na stronie produktu producenta.

Platformy humanoidalne, do których pasują te silniki przegubowe

Każda jednostka w tej tabeli jest w serwisie ToBMS powiązana z tym samym zastosowaniem, co odzwierciedla, jak wąski jest ten cykl pracy: kategoria Robot humanoidalny obejmuje maszyny, których przeguby są głównym ograniczeniem projektowym, a nie dodatkiem do nieruchomej konstrukcji.

Badania nad maszynami dwunożnymi i platformy całocielesne

Platformy badawcze buduje się po to, aby je oprzyrządować i przebudowywać, więc specyfikację przegubu pisze się wokół sterowalności i powtarzalności, a nie wokół trwałości eksploatacyjnej. Dominują tu niskie i średnie przełożenia, ponieważ przegub, który można napędzać od strony wyjścia, to przegub, który można badać ręcznie i którego moment można oszacować z prądu silnika bez dodatkowego czujnika. Opublikowane stosunki szczytowe do znamionowych w środku tej tabeli pasują dokładnie do takiego wzorca użycia: prototyp spędza większość życia przy ułamku momentu znamionowego, a okazjonalnie przy jego wielokrotności.

Maszyny kroczące oraz kołowo-kroczące

Maszyny, które chodzą, oraz maszyny, które toczą się na kołach zamontowanych do przegubowych nóg, poddają przegub najszerszemu zakresowi warunków obciążenia w tym zastosowaniu: prędkość bliska zeru przy wysokim momencie w fazie podporu, wysoka prędkość przy niskim momencie w fazie przenoszenia oraz obciążenia udarowe na obu końcach. Istotnym pytaniem jest, czy opublikowany rekord w ogóle obejmuje przypadek udaru, co w tym zestawie ma miejsce dla wartości momentu szczytowego, a nie ma dla obciążenia wstrząsowego docierającego przez konstrukcję. Tę lukę zamyka się u producenta, a nie za pomocą karty danych.

Sprzęt wspomagający i rehabilitacyjny

Tam, gdzie maszyna porusza kończyną należącą do człowieka, przegub musi jednocześnie utrzymywać obciążenie i podążać za ruchem, a opublikowane studia przypadków dla dwóch jednostek z tej tabeli pochodzą dokładnie z takiego otoczenia. Jednostki o wysokim przełożeniu odpowiadają za utrzymanie, a jednostki o niskim przełożeniu lub małym luzie za podążanie, dlatego urządzenia wspomagające często łączą dwie klasy przełożeń w tej samej kończynie, zamiast specyfikować jedną jednostkę dla całego łańcucha.

Manipulacja, teleoperacja i platformy zręcznościowe

Ramiona na platformie humanoidalnej dziedziczą ograniczenia ciała, do którego są przymocowane: umiarkowaną masę w nadgarstku, potrzebę pracy w nieustrukturyzowanych przestrzeniach oraz pętlę sterowania, która musi tolerować kontakt. Środek tej tabeli — jednostki 485 g i 540 g przy 6:1 i 9:1 na szynie 48 V — to grupa, która spełnia te ograniczenia bez masy końca przenoszącego obciążenie, i to grupa, w której jeden model może obsłużyć więcej niż jeden przegub ramienia.

Sekwencja doboru przegubu humanoidalnego

Kolejność tych trzech kroków ma większe znaczenie niż szczegóły wewnątrz każdego z nich, ponieważ każdy krok zawęża zbiór, który musi rozważyć następny.

Najpierw ustalić cykl pracy przegubu i jego obciążenie w najgorszym przypadku

Ustalić moment podtrzymania w postawie, w której maszyna spędza najwięcej czasu, moment wymagany w stanie przejściowym, którego wymaga odzyskiwanie równowagi lub podnoszenie, oraz udział czasu spędzanego w każdym z nich. Pierwsza liczba wymiaruje przypadek termiczny, a więc moment znamionowy; druga wymiaruje deklarację szczytową; a stosunek między nimi decyduje, czy przegub należy do niskiego czy do wysokiego końca tabeli. Nic w kwestii modelu nie da się rozstrzygnąć wcześniej, ponieważ to samo wymaganie momentu spełnia mały silnik o wysokim przełożeniu i duży silnik o niskim przełożeniu, a te dwie odpowiedzi zachowują się na przegubie różnie.

Po drugie ustalić szynę, otwór i gabaryt mocowania

Napięcie szyny wynika z architektury zasilania maszyny, a nie z siłownika, więc należy je traktować jako stałe ograniczenie: jednostki w tym zestawie pracują przy 24 V, przy 48 V albo przy obu, a jednostki wyłącznie 48 V nie można użyć na platformie 24 V, niezależnie od tego, jak dobrze pasuje jej moment. Gabaryt wynika z ogniwa: najpierw średnica, potem długość, a tam, gdzie przegub jest biodrem lub kolanem, przez które przechodzi kabel — także otwór przez oś jednocześnie. Krótka lista, która przetrwa te dwa filtry, jest zwykle wystarczająco mała, aby ją rzetelnie porównać.

Przesłuchać liczby, które rekord pozostawia otwarte

Opublikowany rekord dla tej klasy siłowników jest dobry w zakresie momentu, prędkości, przełożenia i masy, a uboższy w liczby, które decydują o tym, jak przegub się zachowuje, a nie jak sobie radzi. Zestaw pytań do producenta jest krótki.

• Luz mierzony na wyjściu dla konkretnej jednostki i wersji oraz to, czy wartość jest maksymalna, czy typowa.
• Okno cyklu pracy przypisane do wartości momentu szczytowego: jak długo, jak często i przy jakim chłodzeniu.
• Sprawność przez pełny stopień przekładni oraz to, gdzie spada przy niskiej prędkości wyjściowej pod wysokim momentem.
• Prąd ciągły i towarzyszący mu wzrost temperatury obudowy w układzie mocowania samej maszyny.
• Wszelkie dane znamionowe w zakresie wstrząsów lub udarów, czyli wartość, której potrzebuje to zastosowanie, a której najczęściej brakuje.

Tam, gdzie w rekordzie brakuje jakiejś wartości, należy ona do marginesu projektowego, a nie do założenia, a ocena powinna mieć formę pisemną przed zamówieniem przegubu.

Najczęściej zadawane pytania

Oficjalne źródła

CubeMars publikuje dokumentację produktów dla rodzin siłowników zebranych w sekcji Materiały platformy, a każdy model ma oficjalną stronę produktu zawierającą pełną specyfikację, krzywą osiągów i rysunek montażowy — punktem wejścia jest oferta produktowa producenta. Producent pozostaje źródłem prawdy dla krzywych momentu, danych termicznych, podstawy luzu i konfiguracji sterownika; ToBMS utrzymuje warstwę odkrywania w formie przeszukiwalnej i porównywalnej, a wartości użyte w tym poradniku to opublikowane wartości przechowywane w rekordach produktów platformy.

Co dalej

Odpowiednikiem tego poradnika na poziomie kategorii jest Siłowniki robotyczne: jak dobrać zintegrowany siłownik do stawów robota, który porównuje pięć z tych zintegrowanych jednostek jako komponenty, oraz Jak wybrać moduł stawu: pięć siłowników CubeMars od 190 g do 1.4 kg, który przyjmuje moduł stawu jako jednostkę projektową. Ten poradnik wychodzi natomiast od robota: dochodzi do tej samej klasy siłowników poprzez łańcuch przegubów, cykl pracy i budżet masy, co jest drogą właściwą, gdy pytaniem jest, czego potrzebuje robot humanoidalny, a nie który model jest większy.

Dwie sąsiednie ścieżki warto obrać tam, gdzie zmienia się klasa przegubu. Tam, gdzie przegub ma być prowadzony ręcznie albo gdzie trzeba rozstrzygnąć granicę między zestawem bezramowym a zamkniętym modułem, Silniki BLDC do egzoszkieletu: bezramowy silnik momentowy czy zintegrowany siłownik przedstawia to porównanie wprost, a kategoria Silniki momentowe bezramowe obejmuje zestawy stojana i wirnika, z których zwykle buduje się osie zręcznych dłoni. Tam, gdzie niskie przełożenie wybiera się dla podatności, a nie dla prędkości, Siłowniki QDD: co daje przełożenie 8:1 omawia na tej podstawie rodzinę Siłowniki QDD.

Dla szerszego kontekstu wzajemnych relacji klas silników, Silniki BLDC: kompletny przewodnik po typach, parametrach i doborze umieszcza zintegrowany siłownik wśród pozostałych kategorii. Aby zamiast zgłębiać temat utworzyć krótką listę, kandydatów zawęża się według momentu, przełożenia, napięcia, masy i gabarytu w narzędziu Dobór, a następnie zestawia ich ze sobą w Porównanie produktów; powiązane klasy przegubów są pogrupowane w kategoriach platformy Moduł stawu, Egzoszkielet, Robot czworonożny i Robot rehabilitacyjny. Kategoria Siłowniki robotyczne zawiera osiem porównywanych tu jednostek.