AKE40-6 KV90 и AKE50-8 KV110: компактные актуаторы QDD для суставов экзоскелета

Серия AKE от CubeMars теперь доходит до 140 г. Два новых модуля, AKE40-6 KV90 и AKE50-8 KV110, стоят ниже AKE60-8 массой 260 г, который прежде задавал нижнюю границу семейства. Оба — компактные актуаторы QDD, построенные вокруг планетарной ступени с низким передаточным отношением, оба работают от шины 24 V, и оба поставляются без корпуса и без платы драйвера, чтобы каркас можно было проектировать вокруг них. В этом руководстве пара сравнивается по величинам, по которым обычно оценивают сустав носимого устройства — масса, момент, передаточное отношение, момент обратного привода и люфт, — а опубликованные производителем области применения отделены от проверок на уровне системы, которые ещё предстоит выполнить.

Короткий ответ

Более лёгкий из двух — компактный актуатор QDD AKE40-6 KV90 массой 140 г, с планетарной ступенью 6:1, номинальным моментом 1.8 Nm и пиковым 5.5 Nm при 260 rpm номинально и 330 rpm без нагрузки. AKE50-8 KV110 весит 190 г и использует ступень 8:1, выдавая 2.5 Nm номинально и 7.5 Nm пиково при 240 rpm номинально и 320 rpm без нагрузки. Оба удерживают люфт в пределах 0.15° и оба заявлены на 24 V.

Разделение сделано намеренно, и оно видно в опубликованных цифрах, а не выведено из одного лишь передаточного отношения. Модуль 6:1 заявлен с пиковым моментом 5.5 Nm и моментом обратного привода 0.05 Nm; модуль 8:1 — с 7.5 Nm и 0.09 Nm. Более низкое отношение обычно снижает приведённую инерцию, но эти две цифры отражают также разные двигатели и разные детали трансмиссии, поэтому разницу нельзя приписать только передаточному отношению.

Ни один из этих компактных актуаторов QDD не имеет корпуса и встроенной платы драйвера. Это конструктивный выбор, а не пробел: каркас экзоскелета формируется вокруг конечности, и модуль, который крепится к индивидуальному кронштейну, выигрывает от открытого основания двигателя больше, чем от универсального кожуха.

Почему два актуатора класса 200 г расширяют серию AKE

Что серия покрывала раньше

До появления этих двух модулей семейство AKE начиналось с 260 г. AKE60-8 KV80 закрывал лёгкий край с 5 Nm номинально и 12.5 Nm пиково, AKE80-8 KV30 переходил к 570 г и 12 Nm номинально на шине 48 V, а AKE90-8 KV35 замыкал линейку на 1400 г с 55 Nm номинально и 170 Nm пиково. Ниже 260 г в семействе не было ничего, поэтому самые малые суставы в категории Экзоскелеты — пальцы, запястья, голеностопы, ортезы при отвисании стопы — обычно обслуживались безрамными комплектами или ремёнными и тросовыми передачами, поскольку любой вариант AKE был крупнее сустава, который ему предстояло приводить.

Что меняют два новых модуля

Компактный актуатор QDD массой 140 г меняет арифметику на конце конечности — при условии, что вместе с ним учитывается и вся остальная сборка. Масса, размещённая на запястье или голеностопе, ускоряется на каждом шаге, и чем дальше она от туловища, тем дороже её нести. Но 140 г — это модуль, а не собранный сустав: кронштейны, крепёж, кабели и электроника привода добавляются к этой цифре. Двигатель, установленный дистанционно и приводящий сустав через трос Боудена, — другая архитектура со своей массой, трением и последствиями для управления, и одна лишь масса модуля не решает, какая компоновка легче или удобнее в носке. Что меньший модуль действительно даёт — это осевую длину 24.5 mm, что может помочь компоновке там, где сустав должен оставаться компактным.

Компактный актуатор QDD массой 190 г выполняет ту же работу на размер выше. При 22.5 mm он тоньше вдоль оси, чем его меньший собрат, несмотря на больший диаметр, что может подойти ортезу, который должен сидеть вплотную к конечности. Стоит ли это лишних 50 г, зависит от каркаса, ориентации крепления и места, необходимого для разъёмов и прокладки кабелей.

Почему модули 6:1 и 8:1 появляются вместе

Два передаточных отношения покрывают два разных требования по моменту и скорости, а не две фиксированные категории суставов. Ступень 6:1 оставляет больше выходной скорости и обычно снижает приведённую инерцию, что полезно там, где сустав движется по широкой дуге с малой нагрузкой. Ступень 8:1 обменивает часть этой скорости на умножение момента, что подходит суставу, которому нужен больший выход при меньшей скорости. Какое из двух отношений выбрать для конкретного сустава, решают его профиль «момент-скорость» и рабочий цикл; отношение — один из входов этого решения, а не ответ.

AKE40-6 KV90 и AKE50-8 KV110: характеристики рядом

Таблица ниже ставит оба новых компактных актуатора QDD рядом с тремя существующими типоразмерами AKE. Значения — опубликованные производителем цифры для каждой модели; там, где значение отсутствует, оно опущено, а не оценено.

Опубликованные цифры со страниц продукции производителя для каждой модели AKE. Люфт указан в градусах; для серии AKE опубликовано значение 9 arcmin, что равно 0.15°. KV входит в название модели, а не повторяется отдельным столбцом. Значения момента приведены на стороне сустава после редуктора, а не на валу двигателя.

К строкам момента относится одна оговорка. Номинальный момент следует интерпретировать при указанных производителем рабочих и тепловых условиях, а не как величину, которую можно снимать непрерывно в любой установке. При подборе сустава необходимо также учитывать требуемый профиль «момент-скорость», рабочий цикл, условия монтажа и охлаждения, а также переходные нагрузки; пиковый момент не следует рассматривать как непрерывный рабочий номинал.

Прочитанные вместе, первые два столбца выглядят близко: их разделяют 50 г массы, 0.7 Nm номинального момента и одна ступень передаточного отношения. Строка напряжения, напротив, разделяет семейство: два новых модуля и AKE60-8 работают при 24 V, тогда как AKE80-8 и AKE90-8 опубликованы на 48 V. В носимом устройстве с питанием от батареи эта строка меняет архитектуру питания. Устройству, которое смешивает оба напряжения, нужна совместимая схема — отдельные блоки батарей, преобразователь DC-DC или иное решение, — и выбор принадлежит системе, а не модулю.

Строки тока — это входные данные для выбора драйвера, а не правило подбора. Номинальное потребление 2.5 A у AKE40-6 и 3 A у AKE50-8 описывает непрерывный ток; 8 A и 9 A описывают пиковый ток. Драйвер должен поддерживать указанный непрерывный ток и требуемый пиковый ток в течение соответствующей длительности, с тепловым снижением номинала, совместимостью по напряжению и защитой, подходящими для данной установки. Опубликованные цифры сами по себе не определяют размер драйвера и не описывают, как сустав ведёт себя при возмущении. Утверждать можно более узкое: компактный актуатор QDD, потребляющий 3 A непрерывно, — умеренная нагрузка для блока питания, который также питает датчики и контроллер, и это утверждение о потребляемом токе, а не о выборе электроники.

Масса и наружный диаметр у двух модулей меняются в противоположных направлениях: AKE50-8 на 50 г тяжелее и на 10.2 mm шире, но на 2 mm тоньше вдоль оси. Сустав, который должен плотно прилегать к конечности, может предпочесть более тонкий модуль; сустав с радиальным запасом может принять более широкий.

Линейка AKE в одном взгляде: от 140 г до 1.4 кг

Пять модулей образуют лестницу по массе и выходному моменту, а не пять взаимозаменяемых изделий. Внизу CubeMars AKE40-6 KV90 актуатор квазипрямого привода опубликован с 1.8 Nm номинально и 5.5 Nm пиково — самый малый выход в семействе. CubeMars AKE50-8 KV110 актуатор квазипрямого привода поднимает это до 2.5 Nm номинально и 7.5 Nm пиково при 190 г. Выше них CubeMars AKE60-8 KV80 актуатор квазипрямого привода массой 260 г опубликован с 5 Nm номинально и 12.5 Nm пиково, CubeMars AKE80-8 KV30 актуатор квазипрямого привода массой 570 г — с 12 Nm номинально и 30 Nm пиково, а CubeMars AKE90-8 KV35 актуатор квазипрямого привода массой 1400 г — с 55 Nm номинально и 170 Nm пиково. CubeMars также публикует набор областей применения для каждой модели — от приводов пальцев и запястий на малом конце до поддержки тазобедренного сустава на верхнем; это заявленные производителем направления, и раздел о суставах ниже отделяет их от любых выводов, сделанных из характеристик.

Пробел, который закрывают два компактных актуатора QDD, имеет ширину 120 г. Полоса от AKE60-8 и выше уже была охвачена руководством по подбору, которое начинается с 260 г и доходит до 1.4 кг; ниже этой линии модулей AKE не было вовсе. Компактный актуатор QDD в полосе от 140 г до 190 г добавляет ту же архитектуру в нижнюю часть линейки — планетарную ступень с низким отношением, открытое основание двигателя и отсутствие корпуса.

Плотность момента разделяет концы лестницы сильнее, чем масса. AKE90-8 опубликован с плотностью до 121 Nm/кг, что следует из 170 Nm пиково в корпусе массой 1400 г. На малом конце отношение пикового момента к массе ниже — около 39 Nm/кг у обоих новых модулей, 39.3 Nm/кг у AKE40-6 и 39.5 Nm/кг у AKE50-8, — поэтому абсолютный момент скромен, как и масса, которую приходится ускорять вместе с ним. Почему на этом конце отношение ниже — вопрос обмотки, подшипников и конструкции зубчатой ступени, и опубликованная таблица на него не отвечает; называть одну причину значило бы выйти за пределы данных. Что цифры действительно подтверждают, так это компромисс, который компактный актуатор QDD совершает внизу линейки: меньше момента нужно передать — и меньше массы нести, чтобы его передать.

140 г против 190 г: куда уходит масса в компактном актуаторе QDD

Пятьдесят граммов звучат как погрешность округления рядом с модулем массой 570 г, и на стенде так оно и есть. На конце конечности это значит больше, потому что масса там переносится через каждый шаг, а цена растёт с расстоянием от туловища. Две оговорки удерживают цифру в пропорции: 140 г и 190 г — это массы модулей, а не собранных суставов, и кронштейны, крепёж, кабели и электроника добавляются к обеим. Полезное сравнение — между двумя полными сборками, а не между двумя массами из технической документации.

Осевой размер значит не меньше массы. Модуль толщиной 24.5 mm оставляет больше места под одеждой, чем набор из двигателя, редуктора и муфты, а AKE50-8 при 22.5 mm ещё короче. Это может помочь ортезу оставаться плоским над суставом, но итоговый профиль задают кронштейн, ориентация крепления, разъёмы и место, оставленное для кабелей, поэтому осевая длина — стартовое преимущество, а не готовый габарит.

Выбор между двумя обычно начинается с момента, который нужен суставу при скорости движения носителя. Компактный актуатор QDD 6:1 с номинальным моментом 1.8 Nm — вариант с меньшим моментом, поэтому его стоит оценивать там, где приоритеты — малая масса модуля и небольшое требование по моменту; модуль 8:1 с 2.5 Nm номинально — вариант там, где нужен больший выходной момент в сходном компактном габарите. Там, где требование попадает между ними, обычно решает масса, и модуль массой 140 г имеет преимущество — при условии, что собранный сустав по-прежнему удовлетворяет требованиям по профилю «момент-скорость» и рабочему циклу.

6:1 против 8:1: скорость, момент и обратный привод при 0.05 Nm и 0.09 Nm

Два компактных актуатора QDD различаются передаточным отношением, номинальным выходом и опубликованным моментом обратного привода. Более низкое передаточное отношение обычно способно снизить приведённую инерцию двигателя, но фактическое поведение при обратном приводе зависит также от характеристик двигателя, трения в передаче и КПД. Опубликованные значения 0.05 Nm и 0.09 Nm описывают именно эти модели; их не следует приписывать одному передаточному отношению. Что отношение действительно задаёт напрямую — это скорость и момент на выходе: ступень 6:1 на AKE40-6 превращает скорость двигателя без нагрузки в 330 rpm на суставе, а ступень 8:1 на AKE50-8 даёт 320 rpm на суставе в обмен на 7.5 Nm пикового момента.

Момент обратного привода — величина, которую чаще всего используют, чтобы отделить компактный актуатор QDD от редукторного сервопривода, и сравнение справедливо по направлению, а не в абсолютных числах. Отношение в десятки или сотни отражает двигатель и редуктор обратно на выход, и носитель, двигающий сустав, вынужден работать против этой отражённой нагрузки; ступень с низким отношением удерживает отражённую нагрузку меньшей. Какое сопротивление показывает конкретный сервопривод с высоким отношением, всё равно зависит от его двигателя, его передачи и состояния управления, поэтому опубликованные здесь цифры лучше читать как сравнение между этими двумя модулями, а не как общий рейтинг архитектур.

Компромисс ложится по-разному на каждый сустав, и опубликованные области применения указывают в разные стороны. Запястье или палец движется по широкой дуге с малой нагрузкой — именно там дополнительная выходная скорость модуля 6:1 наиболее применима; колено или локоть работают в более узкой дуге против большей нагрузки — там важен дополнительный момент модуля 8:1. Это отправные точки, взятые из опубликованных цифр и областей применения, а не доказательство того, что любой из модулей выдерживает нагрузочный случай конкретного сустава. Механика приведённой инерции и то, что отношение делает с нагрузкой, которую ощущает носитель, разобраны в материале Актуаторы квазипрямого привода: что даёт отношение 8:1.

Опубликованные значения момента обратного привода дают полезную отправную точку для сравнения двух модулей, но не позволяют судить о том, как собранный экзоскелет будет ощущаться для человека. Воспринимаемое сопротивление зависит также от трения в передаче, соосности сустава, скорости движения, состояния управления и окружающего механизма. Носимые человеком системы требуют проверки на уровне полного сустава и устройства, и именно на этом уровне приведённые выше цифры и предполагается использовать.

Люфт 9 arcmin и что он значит на запястье

Оба модуля опубликованы с люфтом 9 arcmin, что составляет 0.15°. При диапазоне сустава 90° это малая номинальная угловая величина — примерно одна шестисотая диапазона, — но её практический эффект зависит от механизма сустава, размещения датчика, стратегии управления и реверсирования нагрузки. Одна лишь эта цифра не определяет ни точность позиционирования, ни устойчивость силового управления.

Люфт становится заметнее на дистальных осях, где малая угловая ошибка превращается в большее смещение на конце звена. На рычаге 40 mm значение 0.15° даёт около 0.1 mm люфта на выходе. Это идеализированный геометрический пересчёт, а не измерение того, что воспринимает носитель, поскольку порог зависит от сустава, задачи и интерфейса; тот же люфт на тазобедренном суставе с длинным звеном будет значить иное. Это одна из причин, по которой меньший компактный актуатор QDD стоит оценивать для работы кисти и запястья, где абсолютное смещение остаётся небольшим.

Для компактного актуатора QDD эта цифра задаёт и ожидание. Планетарная ступень с низким отношением — не передача с нулевым люфтом, и конструкция, которой нужно удерживать положение выхода при реверсивной нагрузке, должна заранее планировать движение в 0.15°. Управление с обратной связью может уменьшить эффект, когда контур замыкается по выходу, но оно не устраняет механический люфт: компенсируется ли мёртвая зона или ощущается, зависит от того, где стоит датчик, как замкнут контур, как часто нагрузка меняет направление и насколько жёсткий окружающий механизм.

Шина 24 V, номинальный ток и выбор драйвера для компактного актуатора QDD

Для компактного актуатора QDD в носимом устройстве шина 24 V — практичный выбор, когда устройство питается от батарейного блока, достаточно малого, чтобы его носить. AKE40-6 потребляет 2.5 A номинально и 8 A пиково, AKE50-8 — 3 A номинально и 9 A пиково. Эти две цифры служат разным целям: номинальный ток описывает непрерывную тепловую нагрузку, а пиковый — кратковременное требование, длительность и тепловое снижение номинала для которого должны быть заданы для конкретной установки. Ни одна из цифр сама по себе не определяет размер драйвера и не описывает, как сустав поведёт себя при внешнем возмущении.

Ни один модуль не поставляется с платой драйвера, поэтому электроника входит в проект системы, а не в модуль. Это согласовано во всей линейке AKE, и именно это позволяет одному контроллеру обслуживать несколько суставов — но только после проверки электрических пределов. Оба новых модуля используют 14 пар полюсов, что фиксирует электрическую частоту при заданной скорости сустава; общая плата всё равно должна быть проверена на соответствие электрическим параметрам каждого модуля, методу управления, напряжению шины, возможностям по непрерывному и пиковому току, диапазону электрической скорости и настройкам защиты. То же относится к трём более крупным моделям AKE: CubeMars публикует отдельную плату драйвера для серии, поэтому схему управления задаёт электроника, выбранная для каркаса.

Крепление: резьбовые и сквозные отверстия на основании двигателя

Основание двигателя у каждого компактного актуатора QDD имеет резьбовые и сквозные отверстия, что позволяет фиксировать модуль с любой стороны и монтировать его в обоих направлениях. Для сустава экзоскелета это полезнее, чем звучит: ортез часто приходится собирать вокруг конечности, и модуль, который можно прикрутить как снаружи углеродной пластины, так и изнутри, даёт проектировщику каркаса выбор пути нагрузки.

Ни один компактный актуатор QDD не имеет сквозного отверстия через выход. Сквозные отверстия находятся в основании и предназначены для крепежа; суставу, которому нужно провести кабель через собственную ось, придётся смотреть на другое семейство. Это различие важно, когда конструкция требует прокладки кабелей датчика или актуатора через центр сустава, и его стоит выяснить до того, как геометрия каркаса будет зафиксирована.

Какой сустав подходит каждой модели: отвисание стопы, кисть и поддержка колена

Два компактных актуатора QDD различаются массой и выходным моментом, и CubeMars публикует набор областей применения для каждого. Таблица ниже выносит опубликованные области применения в отдельный столбец и отделяет от них роли суставов, которые из них следуют, чтобы обе части можно было читать независимо.

Столбец опубликованных областей применения повторяет применения, перечисленные производителем для каждой модели. Столбец ролей сустава — это прочтение этих применений, а не проверка нагрузочного случая: момент, масса и габарит сами по себе не устанавливают пригодность для конкретного человеческого сустава. Момент и масса повторяют таблицу характеристик выше, чтобы соответствие можно было прочитать отдельно.

Для ортеза при отвисании стопы AKE40-6 — та модель, на которую указывает опубликованный список применений. Сустав проходит широкую дугу при малой нагрузке, а модуль — самый лёгкий в семействе: 140 г со ступенью 6:1. Подходит ли он конкретному устройству, по-прежнему зависит от момента, требуемого на суставе ортеза, рабочего цикла, монтажа и проверки, которую это устройство должно пройти. Тот же модуль опубликован для сгибания запястья и приводов захвата пальцев, где габарит важнее момента.

Для поддержки колена AKE50-8 — меньший из двух вариантов, которые CubeMars указывает выше AKE40-6. Он опубликован с 7.5 Nm пиково в корпусе массой 190 г, ниже AKE60-8 массой 260 г и AKE80-8 массой 570 г, и указан для поддержки колена, компенсации силы локтя и поддержки подъёма плеча. Это применения производителя, а не результаты нагрузочных случаев: задачи колена и плеча сильно различаются по профилю момента, диапазону и требованиям безопасности, и сустав должен быть проверен на уровне устройства, прежде чем его можно будет назвать подходящим.

Между двумя почти нет пересечения, которое нужно было бы разрешать. Компактный актуатор QDD, выбранный для запястья, не превращается в привод колена повышением тока, а модуль, выбранный для колена, добавляет массу, которая запястью не нужна. Разделение в таблице — стартовая граница, а не правило проектирования, и ближе всего к ней голеностоп: его обслуживает AKE40-6 с лёгкого конца или AKE60-8 там, где требуется больше момента. Более широкий набор суставов в категории Экзоскелеты выше 260 г разобран в материале Актуаторы для экзоскелетов: три модуля CubeMars QDD от 260 г до 1.4 кг.

Контрольный список подбора

Пять вопросов решают большую часть первого прохода ещё до того, как сделан любой чертёж.

1. Какой момент нужен суставу при скорости движения, а не при стопорении? Этот ответ — первый фильтр между ступенью 6:1 и 8:1.
2. Сколько массы может находиться на конце конечности? Бюджет запястья или голеностопа жёстче бюджета колена, а разница между 140 г и 190 г находится на конце звена, где она ускоряется на каждом шаге.
3. Нужен ли каркасу кабель через ось сустава? Ни один модуль не имеет сквозного отверстия через выход, поэтому требование сквозной оси меняет семейство.
4. Какая шина используется в остальной части устройства? Смешивание модулей 24 V и 48 V в одном носимом устройстве требует совместимой архитектуры питания — отдельных блоков батарей, преобразователя DC-DC или иной схемы, — и выбор зависит от системы.
5. Как модуль крепится к каркасу? Резьбовые и сквозные отверстия в основании допускают любое направление, и кронштейн должен быть спроектирован с учётом этого выбора.

Если ответ на первый вопрос попадает между двумя модулями, решающей обычно становится масса: компактный актуатор QDD на 50 г легче меняет то, что несёт сустав, — при условии, что обе сборки удовлетворяют требованиям по профилю «момент-скорость» и рабочему циклу. Именно это условие техническая документация решить не может. Нужны нагрузочный случай сустава, его тепловая среда, его монтаж и проверка, запланированная для устройства.

Частые вопросы

Официальные источники

Производитель публикует полную спецификацию для каждого модуля, включая размеры и монтажный чертёж, на собственных страницах продукции.

• Страница продукции CubeMars AKE40-6 KV90
• Страница продукции CubeMars AKE50-8 KV110
• Обзор серии AKE на сайте производителя

Характеристики на этой странице следуют опубликованным данным производителя. Для нестандартных требований или вариантов вне этих данных следует обращаться напрямую к производителю.

Что дальше

Два новых компактных актуатора QDD — малый конец семейства, которое от 260 г и выше разобрано в отдельном руководстве, а механика отношений, лежащая за ступенями 6:1 и 8:1, изложена в другом. Оба стоит прочитать до того, как архитектура сустава будет зафиксирована.

• Актуаторы для экзоскелетов: три модуля CubeMars QDD от 260 г до 1.4 кг — полоса от 260 г до 1.4 кг, где выбор определяется путём нагрузки через человека.
• Актуаторы квазипрямого привода: что даёт отношение 8:1 — приведённая инерция, обратимость и то, что низкое отношение меняет на суставе.
• Экзоскелеты — страница области применения, где каждый модуль, опубликованный для сустава носимого устройства, собран в одном месте.