Motores BLDC para robô humanoide: como compatibilizar torque, velocidade e tamanho

Um robô humanoide é um problema de torque distribuído por cada junta motorizada do corpo, e os três números que descrevem cada uma dessas juntas - quanto torque tem de suster, com que rapidez tem de se mover e quanta massa o membro consegue transportar - não são independentes entre si. Mexa-se num deles e os outros dois acompanham. Selecionar um motor BLDC para um robô humanoide significa, por isso, encontrar o ponto onde as três curvas se cruzam para cada junta, uma a uma, e depois confirmar que o registo publicado sustenta de facto o ponto escolhido. Se a ordem for errada, a máquina ou não consegue ficar de pé ou não consegue levantar os próprios pés.

Resposta rápida

As três grandezas estão ligadas por duas variáveis: a relação de redução entre o motor e a junta e a tensão de barramento com que o motor funciona. Uma relação baixa como 6:1 mantém a junta rápida e retroacionável, mas exige um motor grande para produzir torque útil; uma relação alta como 64:1 produz torque elevado a partir de um motor pequeno, mas gasta velocidade e boa parte da capacidade de a junta ser empurrada por uma carga externa. A relação é escolhida a partir do regime da junta, a massa decorre da relação e do torque, e o torque de pico publicado é um valor de janela curta que não deve ser usado como número de trabalho.

Na ToBMS, a aplicação Robô humanoide reúne os atuadores integrados CubeMars que servem as juntas de robôs humanoides, desde uma unidade de 262 g com um estágio de 10:1 até uma unidade de eixo vazado de 1396 g com 222 Nm de torque de pico publicado. Este guia explica como o torque, a velocidade e o tamanho se conjugam junta a junta, e lê oito dessas unidades como um único conjunto de especificações.

Porque uma junta de robô humanoide é um compromisso entre torque, velocidade e tamanho

Uma plataforma humanoide distingue-se das demais máquinas porque a sua estrutura e a sua carga útil são o mesmo objeto. Um braço industrial está ancorado, as suas ligações só têm de transportar a própria inércia e a ferramenta, e a base pode ser tão pesada quanto o cliente tolerar. Um robô humanoide tem de transportar os seus atuadores, a sua bateria e a sua eletrónica nos mesmos membros que executam o trabalho, e esses membros também têm de ser movidos com precisão suficiente para equilibrar o corpo. Cada grama acrescentada ao joelho é uma grama que o quadril tem de oscilar, e cada grama acrescentada ao quadril é uma grama que o tornozelo tem de corrigir.

O regime chega antes de qualquer referência de modelo

O primeiro número numa especificação de junta não é um torque. É uma descrição daquilo que a junta faz ao longo de um ciclo: quanto tempo sustenta uma carga estática, quanto tempo se move contra a gravidade, com que frequência acelera e quanto desse tempo passa em baixa velocidade sob carga. Um quadril em pé sustenta uma parte da massa corporal durante minutos seguidos, praticamente sem movimento. Um joelho em marcha absorve um impacto em algumas dezenas de milissegundos e depois oscila livremente. Um cotovelo numa tarefa de manipulação pode passar a maior parte de um turno a segurar uma ferramenta num ângulo quase constante. São três problemas térmicos e eletromagnéticos diferentes, e são resolvidos por pontos diferentes do plano torque-velocidade.

A fase de apoio e a fase de balanço pedem extremos opostos da curva

Uma junta da perna alterna entre dois regimes. Na fase de apoio, a junta está quase parada sob uma carga que pode exceder o peso do corpo, o que é uma exigência de torque com uma componente de velocidade quase nula. Na fase de balanço, a mesma junta tem de percorrer um ângulo amplo rapidamente e com quase nenhuma carga, o que é uma exigência de velocidade com uma componente de torque quase nula. Um único motor tem de satisfazer as duas, e é a relação de redução que decide como o compromisso é repartido. Uma relação alta serve a fase de apoio e penaliza a fase de balanço; uma relação baixa faz o inverso. É esta alternância, e não qualquer valor isolado, que torna as juntas da perna de uma máquina bípede mais difíceis de especificar do que um eixo comparável num braço industrial fixo, e é a primeira coisa a analisar quando as juntas de robôs humanoides de uma nova plataforma são repartidas entre classes de atuador.

A inércia refletida é o que a malha de controle realmente enfrenta

Entre o motor e a saída da junta está o redutor, e o redutor divide a inércia do rotor pelo quadrado da relação no caminho de saída. Uma relação alta apresenta, por isso, ao controlador uma inércia aparente muito pequena na junta, o que torna o controle de posição fácil e o controle de força difícil, porque a junta deixa de conseguir perceber contra o que está a empurrar. Uma relação baixa reflete mais da inércia do rotor para a saída, o que faz com que a junta sinta o mundo e se deixe retroacionar de forma previsível, e é por isso que as juntas de acionamento quase direto com estágios de 8:1 ou 9:1 são usadas onde um robô tem de contactar com objetos desconhecidos ou com uma pessoa. A mesma relação que define o torque e a velocidade define também este comportamento, pelo que não é um detalhe mecânico que se possa corrigir mais tarde em software.

A recuperação do equilíbrio é um transitório que a janela de especificação tem de cobrir

O equilíbrio bípede é mantido por torques corretivos aplicados numa fração de segundo após uma perturbação, e a amplitude dessas correções pode ser várias vezes o torque necessário para ficar parado. É este o transitório que o torque de pico publicado de uma junta tem de cobrir, e é a razão pela qual no atual conjunto de atuadores ToBMS os rácios entre pico e valor nominal vão até cerca de três vezes em alguns modelos. Uma junta especificada apenas contra a sua carga estática vai manter uma postura em pé e depois falhar a recuperação de um empurrão, o que numa plataforma humanoide é uma queda e não um ciclo falhado.

Como a relação de redução converte velocidade em torque

A relação de redução é o número mais útil de uma especificação de junta de robô humanoide, porque mapeia todas as grandezas do lado do motor para o lado da junta de forma fixa. Assim que a relação é conhecida, a velocidade da junta é a velocidade do motor dividida por ela, o torque da junta é o torque do motor multiplicado por ela, e os valores publicados para ambos podem ser verificados entre si.

A velocidade da junta é a velocidade do motor dividida pela relação

Todas as velocidades indicadas para um atuador integrado são velocidades de saída, ou seja, o número que a junta vê. A AK80-6 KV100 de 485 g, com o seu estágio de 6:1, publica 800 rpm sem carga, enquanto a AK80-64 de 850 g, com o seu estágio de 64:1, publica 37 rpm num barramento de 24 V - um fator de cerca de vinte e dois na velocidade de saída, produzido por uma diferença de relação e não por uma diferença de qualidade do motor. Para uma junta, as rotações por minuto são uma unidade incómoda, pelo que vale a pena converter: 1 rpm são 6 graus por segundo, o que faz da unidade de 800 rpm uma junta de 4800 graus por segundo sem carga e da unidade de 64:1 uma junta de 222 graus por segundo no mesmo ponto. Um quadril que tem de percorrer 60 graus em 300 ms está a pedir 200 graus por segundo de saída sustentada, e esse único requisito elimina boa parte da extremidade de relação alta de qualquer gama de atuadores.

O torque multiplica-se pela mesma relação, menos o que a engrenagem consome

A multiplicação é real, mas não é gratuita. Um estágio de 6:1 transforma 6 Nm no motor em cerca de 36 Nm na junta, menos o atrito e as perdas no engrenamento, e um estágio de 64:1 transforma 0.75 Nm em cerca de 48 Nm pela mesma aritmética. É por isso que as unidades mais pesadas de uma gama não são automaticamente as mais fortes: a AK60-39 V3.0 de 750 g publica 72 Nm de torque de pico através de um estágio de 39:1, enquanto a AK80-64 de 850 g publica 120 Nm através de um estágio de 64:1, pelo que uma diferença de massa de 100 g compra uma vantagem de torque de 67 por cento porque é a relação que faz o trabalho. A relação também determina a penalização de eficiência, porque cada estágio de redução adicional custa uma pequena percentagem da potência que o atravessa e acrescenta a sua própria contribuição para a folga.

KV vezes a tensão de barramento define a velocidade do lado do motor

KV é a constante do lado do motor: é a velocidade a que o rotor gira por volt de tensão de barramento aplicada, antes do redutor. Multiplicar KV pela tensão de barramento e dividir pela relação dá uma estimativa da velocidade de saída sem carga, e essa estimativa pode ser comparada com o valor publicado como verificação aritmética do registo. Para a AK45-10 V3.0 KV75 a 24 V através de 10:1, 75 multiplicado por 24 e dividido por 10 dá 180 rpm contra 180 rpm publicados. Para a AK60-6 V1.1 KV140 a 24 V através de 6:1, a estimativa é 560 rpm contra 560 rpm publicados; para a AK80-6 KV100 a 48 V através de 6:1 são 800 rpm contra 800 rpm; e para a AK70-9 V3.0 KV60 e a AK10-9 V3.0 KV60, ambas a 48 V através de 9:1, são 320 rpm contra 320 rpm nos dois casos. A correspondência não é universal - a AKH70-48 V1.0 KV41 a 48 V através de 48:1 estima 41 rpm contra 35 rpm publicados - e é exatamente por isso que a velocidade de saída publicada, e não um valor derivado de KV, é o número com que se deve projetar.

Uma relação alta compra torque e gasta capacidade de retroacionamento

Dois efeitos atuam contra uma junta à medida que a sua relação aumenta. O primeiro é que a inércia refletida na saída cai com o quadrado da relação, pelo que a junta se torna mais fácil de comandar e mais difícil de sentir. O segundo é o atrito: um redutor de vários estágios resiste ao torque aplicado do lado da saída, e em relações altas essa resistência pode ser suficientemente grande para que a junta deixe de se mover quando uma pessoa ou uma superfície a empurra. Neste conjunto, as unidades de relação mais baixa publicam relações de 6:1, 9:1 e 10:1, enquanto as unidades que transportam carga funcionam a 39:1, 48:1 e 64:1, e a divisão entre esses dois grupos segue a questão de saber se se espera que a junta faça um contacto complacente ou que suste uma carga elevada em silêncio. A folga é a especificação complementar e move-se no sentido oposto: as unidades deste conjunto publicam valores entre 0.18 e 0.55°, e uma relação mais baixa com uma folga reduzida é a combinação que dá à junta a sua característica de se sentir rígida sob pressão da mão e, ao mesmo tempo, continuar a deixar-se empurrar.

Compatibilizar o torque: nominal, de pico e a janela por trás de cada um

O torque é o eixo sobre o qual a maioria das decisões de juntas de robôs humanoides é tomada primeiro e sobre o qual a maioria delas é tomada erradamente logo à primeira. Três números distintos aparecem no registo de um fabricante, e respondem a três perguntas diferentes.

O torque de pico é uma janela, não uma capacidade

O torque de pico descreve o que o atuador consegue produzir durante um curto intervalo - tipicamente o tempo necessário para acelerar um membro ou travar uma perturbação - sem exceder o limite de corrente do driver nem desmagnetizar nada. É o valor correto para um evento de recuperação de equilíbrio ou para o primeiro instante de uma elevação, e é o valor errado para tudo o que tenha de ser repetido. Neste conjunto, a relação entre pico e nominal vai de 2.0 na AK80-6 a 3.4 na AK70-9 V3.0, pelo que dois atuadores com o mesmo torque nominal podem diferir em mais de metade no transitório que entregam. Ler apenas a coluna do pico colapsa essa diferença e produz uma pré-seleção que vai sobreaquecer em serviço contínuo.

O torque nominal é limitado pelo caminho térmico do enrolamento

O torque nominal é uma afirmação térmica. É o torque que o atuador consegue suster indefinidamente com o enrolamento dentro da sua classe de isolamento, e depende, por isso, da forma como o calor sai do estator - através da carcaça, para a estrutura de montagem e para fora do próprio invólucro da junta. É por isso que o valor nominal é mais baixo numa carcaça selada pequena do que numa grande, para o mesmo motor, e que o torque nominal de uma junta na extremidade de um braço é uma questão diferente da da mesma junta aparafusada a um suporte de quadril com uma grande massa térmica atrás. Os valores nominais deste conjunto vão de 2.5 Nm na extremidade de 262 g a 74 Nm na extremidade de 1396 g, e o número nominal é aquele que deve ser comparado com a carga média da junta e não com o seu pior caso. Uma verificação aritmética que muitas vezes fecha o ciclo aqui é o torque nominal multiplicado pela velocidade nominal em radianos por segundo, comparado com a potência nominal publicada: a AK60-6 V1.1 dá 3 Nm a 420 rpm para 132 W contra 130 W publicados, a AK70-9 V3.0 dá 231 W contra 231 W, a AK60-39 V3.0 dá 176 W contra 176 W, e a AK10-9 V3.0 dá 443 W contra 442 W. Onde os dois não fecham, a diferença é habitualmente atribuível à tensão de barramento à qual a velocidade foi indicada.

O torque de manutenção em repouso é uma questão de corrente

Uma junta que fica parada sob carga não está a realizar trabalho nulo do ponto de vista do enrolamento. O driver tem de injetar corrente nas fases para manter a posição, e a perda no cobre resultante é a mesma que se a junta estivesse a mover-se lentamente. Um robô humanoide em pé tem, por isso, um consumo de potência em repouso que escala com o torque de manutenção de cada junta carregada na postura, e a corrente no ponto de operação nominal é o valor que importa: neste conjunto, a corrente nominal vai de 1.9 A na AK45-10 V3.0 a 24 V até 10.7 A na AK10-9 V3.0 a 48 V. Numa plataforma alimentada por bateria, esse consumo é pago em autonomia, e é a razão pela qual vale a pena projetar uma postura que possa ser mantida com um batente mecânico.

A densidade de torque lida contra a massa que a junta tem de transportar

A densidade de torque é o valor que liga o eixo do torque ao eixo do tamanho, e só é significativa quando indica tanto a massa como o torque que foi usado. Nas oito unidades abaixo, o torque de pico publicado por quilograma vai de cerca de 24.5 Nm/kg na AK60-6 V1.1 de 368 g a cerca de 159 Nm/kg na AKH70-48 V1.0 de 1396 g, enquanto o torque nominal por quilograma vai de cerca de 8.2 Nm/kg a cerca de 53 Nm/kg nas mesmas duas unidades. Ambos são aritmética a partir dos valores registados. A grande amplitude não é um acidente da qualidade de fabrico: é o que a relação faz, porque as unidades de relação mais alta produzem o seu torque a partir de um motor mais pequeno a girar mais rápido, e a massa extra do redutor é pequena em comparação com a massa que o motor mais pequeno poupa.

Compatibilizar a velocidade na junta, não no rotor

Os requisitos de velocidade num robô humanoide são normalmente enunciados como um ângulo a percorrer num determinado tempo, e raramente são enunciados corretamente à primeira. A conversão de um requisito de junta para uma especificação de atuador passa pela relação, e a relação é escolhida por razões de torque, pelo que as duas restrições têm de ser resolvidas em conjunto e não em sequência.

A fase de balanço define o requisito de velocidade da perna

Uma perna em marcha tem de trazer o pé para a frente através de uma amplitude de joelho de cerca de 60 a 90 graus em 300 a 400 ms, o que pede 150 a 300 graus por segundo de velocidade de junta sustentada durante o balanço e bastante menos do que isso ao longo de todo o ciclo de marcha. Nas oito unidades abaixo, essa banda é servida pela classe de 485 g e 540 g a 6:1 e 9:1, cujas velocidades nominais publicadas de 603 rpm e 260 rpm correspondem a cerca de 3618 e 1560 graus por segundo, respetivamente - uma margem ampla, que é o que permite à malha de velocidade da junta acelerar e desacelerar dentro do balanço em vez de funcionar a uma taxa constante. As unidades de relação alta não estão excluídas das pernas, mas são usadas onde a junta está próxima do solo e o caminho de carga é dominado pelo apoio e não pelo balanço.

O seguimento e o alcance definem o do braço

O requisito de velocidade de um braço é definido pela trajetória que tem de seguir, e não por um único movimento. As tarefas de manipulação - alcançar um ponto, seguir uma superfície, apanhar um objeto lançado - exigem seguimento contínuo de posição e velocidade, e o valor relevante é a capacidade de aceleração da junta a meio da sua amplitude e não a sua velocidade sem carga no extremo. Os braços são também mais tolerantes à massa do que as pernas, porque o ombro transporta o cotovelo e o punho, mas toda a cadeia não tem de ser acelerada contra a gravidade a cada passo. Essa combinação faz do meio de uma gama um ponto sensato para começar a especificação de um braço: neste conjunto, a AK70-9 V3.0 de 540 g a 9:1 oferece 260 rpm nominais e 29.2 Nm de torque de pico, o que cobre um cotovelo ou uma flexão de ombro num formato compacto.

A velocidade sem carga é um teto que a malha raramente alcança

A velocidade sem carga publicada é a velocidade de saída à tensão de barramento sem carga e sem intervenção do controlador. Uma junta real não alcança esse ponto, porque no momento em que tem de suster ou acelerar algo o ponto de operação recua ao longo da reta torque-velocidade, e porque a malha de velocidade limita o comando. O uso prático do valor sem carga é como limite superior quando se verifica a viabilidade da velocidade exigida: um requisito de junta de 200 graus por segundo fica confortavelmente dentro de um teto de 4800 graus por segundo e desconfortavelmente perto de um de 222 graus por segundo. Quando o requisito fica próximo do teto, a junta passa a vida em corrente elevada, e a consequência térmica pertence ao cálculo do regime e não a uma nota de rodapé.

Compatibilizar o tamanho: dimensões, furo e o custo da massa distal

O tamanho é o eixo que a cinemática de uma plataforma de robô humanoide define, e é o eixo onde há menos compromisso disponível. Um atuador que não cabe no espaço entre duas ligações não pode ser ajustado para caber com nenhuma afinação, e um atuador demasiado pesado no lugar errado da cadeia altera a dinâmica da máquina e não apenas o seu orçamento de massa.

A massa distal é cobrada de novo em cada junta acima dela

Uma grama no pé é acelerada pelo tornozelo, pelo joelho e pelo quadril em cada balanço, pelo que o seu custo é pago três vezes por passo. A mesma grama no quadril é paga uma vez. Este é o argumento para colocar na extremidade distal a unidade mais pequena e mais leve que consiga fazer o trabalho e reservar massa para as juntas que têm de gerar os maiores torques, e é visível na disposição deste conjunto: as unidades de 262 g e 368 g transportam torques nominais de 2.5 Nm e 3 Nm para trabalho de punho, mão e tornozelo, enquanto as unidades de 940 g e 1396 g transportam 18 Nm e 74 Nm nominais para quadris e joelhos. Inverter essa disposição - colocar um atuador grande numa junta distal por margem - faz com que as juntas proximais trabalhem mais durante o resto da vida da máquina.

Furos para cabos e vida do chicote dentro de um membro

Uma junta de robô humanoide roda, e tudo o que tem de atravessar essa rotação - energia, cablagem de sensores, por vezes fluido ou ar - passa por um anel coletor, por um laço de serviço que tem de sobreviver a milhões de ciclos de flexão, ou pelo próprio atuador. A AKH70-48 V1.0 KV41 de 1396 g é um atuador planetário de eixo vazado, o que significa que o caminho dos cabos passa pelo centro da junta e não à sua volta, eliminando por completo o laço de serviço do invólucro da junta. Onde não existe furo, o laço tem de ser projetado para um raio de curvatura e uma vida em ciclos que vale a pena verificar contra o serviço previsto da máquina. A coluna de dimensões da tabela abaixo não é, por isso, apenas um diâmetro a respeitar; os 90 mm de diâmetro e os 81.5 mm de comprimento da unidade de eixo vazado só têm significado em conjunto com o furo que a atravessa.

Classes de diâmetro, comprimento do empilhamento e o formato que uma estrutura admite

Os atuadores integrados agrupam-se em classes de diâmetro porque o redutor e o motor partilham o mesmo eixo. Neste conjunto, os diâmetros são 53 mm, 79 mm, 89 mm, 90 mm e 98 mm, e os comprimentos vão de 38.5 mm a 81.5 mm. O diâmetro é habitualmente a restrição mais difícil, porque a secção de uma ligação é definida pela estrutura que tem de suportar a carga, enquanto o comprimento pode muitas vezes ser absorvido no próprio comprimento da ligação. Uma junta que tem de ficar dentro de uma coxa precisa de um conjunto fino e largo; uma junta que fica no exterior de um suporte de quadril pode aceitar um mais comprido. A interface de montagem importa tanto como o tamanho: um atuador que é aparafusado a uma placa numa extremidade e aciona uma ligação na outra impõe um caminho de carga através da sua própria carcaça, e a rigidez da carcaça passa então a fazer parte da rigidez da junta, o que por sua vez define como a máquina se comporta sob os impactos da marcha.

Oito atuadores CubeMars para juntas de robôs humanoides, como um único conjunto de especificações

A tabela abaixo lê oito atuadores robóticos CubeMars como um único conjunto de especificações, ordenados pela massa publicada, porque a massa é o eixo ao longo do qual uma plataforma humanoide é concebida e porque a variação de relação entre esses oito cobre todo o compromisso torque-velocidade, desde um módulo distal de 262 g até uma junta de eixo vazado de 1396 g. Todos os valores são os publicados pelo fabricante; todos os valores derivados no texto são identificados como aritmética.

Torque nominal e de pico, tensão de alimentação, relação de redução, massa e dimensões conforme publicados pelo fabricante. O torque nominal é o valor contínuo dentro dos limites térmicos do atuador; o torque de pico é um valor de janela curta. A AKH70-48 V1.0 é uma unidade de eixo vazado, pelo que as suas dimensões são indicadas com um furo para cabos ao longo do eixo.

Lidas como um conjunto, as oito unidades descrevem uma escada de torque que vai de 7 Nm a 222 Nm de torque de pico publicado ao longo de uma faixa de massa de 262 g a 1396 g, e a escada não tem a mesma forma que a ordenação por massa. Acima do ponto dos 540 g, a ordenação por massa deixa de acompanhar a ordenação por torque: os 72 Nm da AK60-39 V3.0 de 750 g dão lugar aos 120 Nm da AK80-64 de 850 g, e a mais pesada AK10-9 V3.0 de 940 g fica-se pelos 53 Nm, abaixo da unidade de 850 g, porque esta troca velocidade por torque com o seu estágio de 64:1 enquanto aquela dispõe apenas de 9:1. Quem ler a tabela apenas pela massa escolhe a unidade errada; a coluna da relação tem de ser lida em conjunto com as colunas de torque.

A densidade de torque faz o mesmo ponto num único número. O torque de pico publicado por quilograma, que é aritmética a partir das duas colunas registadas, vai de cerca de 24.5 Nm/kg na unidade de 368 g e cerca de 24.7 Nm/kg na unidade de 485 g até cerca de 141 Nm/kg na unidade de 850 g e cerca de 159 Nm/kg na unidade de 1396 g. A amplitude de cerca de seis vezes é a relação a fazer o trabalho: as unidades de relação alta geram o seu torque a partir de um motor pequeno e rápido e pagam-no em velocidade de saída, enquanto as unidades de relação baixa o geram diretamente e mantêm a sua velocidade. O torque nominal por quilograma conta a mesma história numa faixa mais estreita, de cerca de 8.2 Nm/kg na extremidade de 368 g a cerca de 53 Nm/kg na extremidade do eixo vazado, e é o mais útil dos dois valores quando a junta vai suster uma carga durante minutos seguidos e não durante milissegundos.

A velocidade cai à medida que a relação sobe, e cai de uma forma que vale a pena enunciar em graus e não em rotações. Convertendo as velocidades de saída sem carga e nominais publicadas a 6 graus por segundo por rpm, as oito unidades abrangem cerca de 4800 graus por segundo de velocidade de saída sem carga na extremidade de 6:1 até 222 graus por segundo na extremidade de 64:1, com velocidades nominais a ir de cerca de 3618 graus por segundo até cerca de 138 graus por segundo nas mesmas unidades. Um quadril que tem de oscilar 60 graus em 300 ms está a pedir 200 graus por segundo, o que está dentro da metade de relação baixa da tabela e próximo do teto da metade de relação alta. Essa comparação, feita antes de o modelo ser escolhido, é o que impede um projeto de ficar na posição de ter de explicar uma perna lenta.

Ler as oito do tornozelo ao quadril

As juntas de uma plataforma humanoide formam uma cadeia que vai dos eixos distais nos punhos e tornozelos até ao quadril e ao joelho, e o requisito move-se de forma monotónica ao longo dela: o torque sobe, a velocidade desce e a massa que se pode suportar sobe com a distância da junta ao solo. As oito unidades abaixo mapeiam essa cadeia em quatro grupos.

A extremidade de 262 g e 368 g: eixos de punho, mão e tornozelo

As unidades mais pequenas deste conjunto transportam os regimes de baixo torque e velocidade moderada. A AK45-10 V3.0 KV75 pesa 262 g numa carcaça de 53 mm de diâmetro e 45.2 mm de comprimento, aciona um estágio de 10:1 para 2.5 Nm nominais e 7 Nm de torque de pico num barramento de 24 V, e publica 120 rpm nominais e 180 rpm de velocidade de saída sem carga com 0.3° de folga. A sua potência nominal publicada é 39 W e a sua corrente nominal 1.9 A, o que mantém simples a cablagem para uma ligação distal pequena. A AK60-6 V1.1 KV140 passa para 79 mm de diâmetro e 368 g para 3 Nm nominais e 9 Nm de pico através de um estágio de 6:1, e o seu motor KV140 a 24 V produz 420 rpm nominais e 560 rpm sem carga, que é a saída mais rápida deste grupo, com cerca de 3360 graus por segundo sem carga. Essa combinação - relação baixa, torque moderado, velocidade de saída elevada - é a que se adequa a um tornozelo que tem de se reposicionar depressa debaixo de um pé, ou a um punho que tem de fazer pequenas correções rápidas. A folga de 0.55° é a mais folgada publicada neste grupo, o que é a consequência esperada de uma relação baixa com um motor rápido.

O meio de 485 g e 540 g: seguimento de cotovelo e joelhos rápidos

O meio do conjunto é onde ficam o braço e as juntas de perna mais rápidas. A AK80-6 KV100 é uma unidade de 485 g, com 98 mm de diâmetro e 38.5 mm de comprimento, que produz 6 Nm nominais e 12 Nm de torque de pico numa relação de 6:1 a 48 V, com 603 rpm nominais e 800 rpm de saída sem carga e uma potência nominal publicada de 340 W. A sua relação entre pico e nominal de 2.0 é a mais estreita do conjunto, o que a torna a unidade a escolher quando o regime está mais próximo do contínuo do que do transitório. A AK70-9 V3.0 KV60 é a mesma ideia um passo acima na relação: 540 g numa carcaça de 89 mm de diâmetro e 49 mm de comprimento, um estágio de 9:1, 8.5 Nm nominais e 29.2 Nm de torque de pico a 48 V, 260 rpm nominais e 320 rpm sem carga, 231 W de potência nominal e 0.3° de folga. O seu múltiplo de pico sobre nominal de 3.4 é o mais amplo do conjunto, pelo que é a unidade mais adequada onde o transitório é o caso de projeto e a carga contínua é modesta. Ambas as unidades têm implementações documentadas: o fabricante publicou um estudo de caso da AK80-6 numa plataforma de investigação, incorporado abaixo.

A classe de 750 g e 940 g: quadris, joelhos e carga de apoio unilateral

Esta é a classe que transporta a máquina. A AK60-39 V3.0 KV80 é uma unidade de 750 g numa carcaça de 79 mm de diâmetro e 67 mm de comprimento que transforma o seu estágio de 39:1 em 24 Nm nominais e 72 Nm de torque de pico a 48 V, com 70 rpm nominais e 98 rpm de saída sem carga, 176 W de potência nominal e 0.25° de folga. A AK10-9 V3.0 KV60 pesa 940 g numa carcaça de 98 mm de diâmetro e 61.7 mm de comprimento e combina um estágio de 9:1 com um arranjo de duplo encoder para 18 Nm nominais e 53 Nm de torque de pico a 48 V, com 235 rpm nominais e 320 rpm de saída sem carga e uma potência nominal publicada de 442 W a 10.7 A de corrente nominal. As duas unidades fazem o mesmo argumento a partir de direções opostas: a unidade de 39:1 compra o seu torque com relação e prescinde da velocidade de saída, enquanto a de 9:1 mantém a sua velocidade e precisa de um motor maior para produzir o torque. Um quadril que tem de suster carga de apoio unilateral e depois se estender depressa favorece o segundo arranjo; um joelho que está próximo do solo e raramente tem de se mover depressa favorece o primeiro. A folga é publicada para a unidade de 39:1 em 0.25°; o registo da unidade de 9:1 neste conjunto não traz um valor de folga, e essa lacuna pertence ao conjunto de perguntas a colocar ao fabricante e não a uma suposição.

A extremidade pesada a 48:1 e 64:1: onde a velocidade é gasta de propósito

O topo da tabela destina-se às juntas onde a velocidade de saída é um termo que o projetista está disposto a sacrificar. A AK80-64 KV80 pesa 850 g numa carcaça de 98 mm de diâmetro e 61.9 mm de comprimento e produz 48 Nm nominais e 120 Nm de torque de pico através de um estágio de 64:1, aceitando 24 V ou 48 V; a sua velocidade de saída publicada é 23 rpm nominais e 37 rpm sem carga a 24 V, ou 48 rpm nominais e 75 rpm sem carga a 48 V, com 0.18° de folga, a mais estreita deste conjunto. A AKH70-48 V1.0 KV41 é a unidade mais pesada, com 1396 g numa carcaça de 90 mm de diâmetro e 81.5 mm de comprimento, e produz 74 Nm nominais e 222 Nm de torque de pico através de um estágio de 48:1 num barramento de 48 V, com 28 rpm nominais e 35 rpm de saída sem carga e 0.2° de folga. O seu eixo vazado é a característica que a separa das restantes: o caminho dos cabos passa pelo eixo, o que permite construir um quadril ou um joelho pesado sem um laço de serviço em torno da junta. Ambas as unidades ficam nas centenas baixas de graus por segundo na saída, o que se adequa a um joelho que suporta carga ou a um quadril escorado, e exclui-as de qualquer junta que tenha de completar um balanço em algumas centenas de milissegundos. O fabricante publicou um teste de carga da unidade de eixo vazado, incorporado abaixo; o registo completo de especificações encontra-se na página de produto do fabricante.

Plataformas humanoides a que se adequam estes motores de junta

Todas as unidades desta tabela estão associadas, na ToBMS, à mesma aplicação, o que reflete quão estreito é o regime: a aplicação Robô humanoide abrange máquinas cujas juntas são a principal restrição de projeto e não um acessório de uma estrutura fixa.

Investigação bípede e plataformas de corpo inteiro

As plataformas de investigação são construídas para serem instrumentadas e reconstruídas, pelo que a especificação das juntas é escrita em torno da controlabilidade e da repetibilidade e não da vida útil. Aqui dominam as relações baixas e médias, porque uma junta que pode ser retroacionada é uma junta que pode ser estudada à mão e cujo torque pode ser estimado a partir da corrente do motor sem um sensor adicional. As relações publicadas entre pico e nominal a meio desta tabela adequam-se exatamente a esse padrão de utilização: um protótipo passa a maior parte da sua vida a uma fração do torque nominal e ocasionalmente a um múltiplo dele.

Máquinas com pernas e com rodas sobre pernas articuladas

As máquinas que caminham, e as que rolam sobre rodas montadas em pernas articuladas, submetem a junta à maior gama de condições de carga desta aplicação: velocidade quase nula com torque elevado durante o apoio, velocidade elevada com torque baixo durante o balanço e cargas de impacto em ambas as extremidades. A questão relevante é se o registo publicado cobre sequer o caso de impacto, o que neste conjunto acontece para o valor de torque de pico e não acontece para o carregamento de choque que chega através da estrutura. Essa lacuna é fechada com o fabricante e não com uma ficha técnica.

Equipamento de assistência e reabilitação

Quando uma máquina movimenta um membro que pertence a uma pessoa, a junta tem de suster uma carga e seguir um movimento ao mesmo tempo, e os estudos de caso publicados para duas unidades desta tabela vêm exatamente desse contexto. As unidades de relação alta fazem a sustentação, e as unidades de relação baixa ou de folga reduzida fazem o seguimento, e é por isso que os dispositivos de assistência misturam frequentemente duas classes de relação no mesmo membro em vez de especificarem uma única unidade para toda a cadeia.

Manipulação, teleoperação e plataformas de destreza

Os braços de uma plataforma humanoide herdam as restrições do corpo a que estão ligados: massa moderada no punho, necessidade de trabalhar em espaços não estruturados e uma malha de controle que tem de tolerar o contacto. O meio desta tabela - as unidades de 485 g e 540 g a 6:1 e 9:1 num barramento de 48 V - é o grupo que satisfaz essas restrições sem a massa da extremidade que suporta carga, e é o grupo onde um único modelo pode servir mais do que uma junta do braço.

Uma sequência de seleção para uma junta de robô humanoide

A ordem destes três passos importa mais do que o detalhe dentro de cada um deles, porque cada passo estreita o conjunto que o seguinte tem de considerar.

Fixar primeiro o regime da junta e a sua carga no pior caso

Estabeleça o torque de manutenção na postura em que a máquina passa a maior parte do tempo, o torque necessário durante o transitório que a recuperação do equilíbrio ou uma elevação exigem, e a fração de tempo passada em cada um. O primeiro número dimensiona o caso térmico e, portanto, o torque nominal; o segundo dimensiona a afirmação de pico; e a relação entre os dois decide se a junta pertence à extremidade baixa da tabela ou à alta. Nada sobre o modelo pode ser decidido antes disso, porque o mesmo requisito de torque é satisfeito por um motor pequeno com relação alta e por um motor grande com relação baixa, e essas duas respostas comportam-se de forma diferente na junta.

Fixar em segundo lugar o barramento, o furo e as dimensões de montagem

A tensão de barramento segue a arquitetura de energia da máquina e não o atuador, pelo que deve ser tratada como uma restrição fixa: as unidades deste conjunto funcionam a 24 V, a 48 V ou em ambas, e uma unidade só de 48 V não pode ser usada numa plataforma de 24 V por muito bem que o seu torque se ajuste. As dimensões seguem a ligação: primeiro o diâmetro, depois o comprimento e - quando a junta é um quadril ou um joelho com um cabo a atravessá-la - o furo ao longo do eixo ao mesmo tempo. Uma pré-seleção que sobreviva a estes dois filtros é habitualmente pequena o suficiente para ser comparada devidamente.

Interrogar os números que o registo deixa em aberto

O registo publicado para esta classe de atuador é bom em torque, velocidade, relação e massa, e é mais escasso nos números que decidem como uma junta se comporta e não como desempenha. O conjunto de perguntas a levar ao fabricante é curto.

• A folga medida na saída para a unidade e a versão específicas, e se o valor é um máximo ou um valor típico.
• A janela de regime associada ao valor de torque de pico: durante quanto tempo, com que frequência e com que arrefecimento.
• A eficiência ao longo de todo o estágio de redução e onde cai em velocidade de saída baixa sob torque elevado.
• A corrente contínua e o aumento de temperatura da carcaça que a acompanha na própria disposição de montagem da máquina.
• Qualquer classificação de choque ou impacto, que é o valor de que esta aplicação precisa e o que mais frequentemente falta.

Quando um valor está ausente do registo, pertence à margem de projeto e não a uma suposição, e a avaliação deve ser registada por escrito antes de a junta ser encomendada.

Perguntas frequentes

Recursos oficiais

A CubeMars publica documentação de produto para as gamas de atuadores reunidas na secção Recursos da plataforma, e cada modelo tem uma página de produto oficial com a sua especificação completa, a curva de desempenho e o desenho de montagem - a gama de produtos do fabricante é o ponto de entrada. O fabricante continua a ser a fonte de verdade para curvas de torque, classificações térmicas, base da folga e configuração do driver; a ToBMS mantém a camada de descoberta pesquisável e comparável, e os valores usados neste guia são os valores publicados constantes dos registos de produto da plataforma.

Para onde ir a seguir

O equivalente deste guia ao nível da categoria é Atuadores robóticos: como escolher o atuador integrado para juntas de robô, que confronta cinco destas unidades integradas entre si enquanto componentes, e Como escolher um módulo de junta: cinco atuadores CubeMars de 190 g a 1.4 kg, que toma o módulo de junta como unidade de projeto. Este guia parte antes do robô: chega à mesma classe de atuador pelo caminho da cadeia de juntas, do ciclo de trabalho e do orçamento de massa, que é a via a seguir quando a pergunta é o que um robô humanoide precisa e não qual o modelo maior.

Vale a pena seguir duas vias adjacentes quando a classe de junta muda. Quando uma junta tem de ser guiada à mão ou quando é preciso decidir a fronteira entre um kit sem carcaça e um módulo selado, Motores BLDC para exoesqueleto: motor de torque sem carcaça vs atuador integrado apresenta a comparação diretamente, e a categoria Motores de torque sem carcaça cobre os kits de estator e rotor a partir dos quais os eixos de mãos de destreza são habitualmente construídos. Quando se escolhe uma relação baixa por conformidade e não por velocidade, Atuadores de acionamento quase direto: o que a relação 8:1 oferece cobre a gama de Atuadores de acionamento quase direto nessa base.

Para o contexto mais amplo de como as classes de motores se relacionam, Motores BLDC: guia de tipos, especificações e seleção de motores CC sem escovas coloca o atuador integrado entre as restantes categorias. Para pré-selecionar em vez de investigar, filtre os candidatos por torque, relação, tensão, massa e dimensões na Seleção e depois confronte-os entre si em Comparar produtos; as classes de juntas relacionadas estão agrupadas nas aplicações Módulo de junta, Exoesqueleto, Robô quadrúpede e Robô de reabilitação da plataforma. A categoria Atuadores robóticos contém as oito unidades aqui comparadas.