Выбор BLDC-двигателя для четвероногого робота: момент, скорость и тепловые пределы

Нога — это не рука, которая просто направлена в землю. Рука робота рассчитывается под полезную нагрузку и время цикла, и большую часть времени она либо движется, либо ждёт; нога четвероногого робота несёт массу машины на каждом шаге, значительную часть этого шага удерживает момент, почти не вращаясь, а затем должна менять направление несколько раз в секунду, так и не получив возможности остыть. Эти три факта берут обычный список кандидатов для двигателя — момент, скорость, габарит, масса — и меняют его порядок, потому что ограничение, определяющее, способна ли машина идти рысью двадцать минут, — это не пиковый момент, который сустав может выдать на долю секунды, а то, сколько тепла обмотка уже накопила к приходу следующего переходного процесса. Подбор BLDC-двигателя для суставов четвероногого робота поэтому начинается с походки, проходит через три вида момента, которые требует нога, и приходит к тепловому пределу последним, потому что именно там фактически решается рабочий цикл.

Короткий ответ

Нога четвероногого робота требует от своего суставного двигателя трёх вещей, которых не требует колёсная машина или машина на неподвижном основании. В фазе опоры сустав удерживает вес корпуса, вращаясь медленно, — это режим непрерывного момента, при котором полезная механическая мощность почти не уходит с вала и потому воздушный поток и движение почти не помогают отводить тепло из обмотки. При контакте и отталкивании тот же сустав видит импульс в несколько раз больше стоячей нагрузки, приходящий через редуктор и меняющий направление на каждом шаге. И обычно двенадцать таких приводов находятся внутри одного корпуса и питаются от одной батареи, поэтому число, относящееся к одному суставу, приходится читать вместе с тем, что в тот же момент делают остальные одиннадцать. Суставной двигатель для четвероногого робота поэтому выбирают из класса Роботизированные актуаторы — двигатель, планетарная ступень, устройство обратной связи и драйвер в одном привинчиваемом корпусе, — потому что альтернатива, голый бескорпусный комплект, оставляет интегратору самостоятельное решение задачи ударной нагрузки, герметизации и теплового пути.

Приведённый ниже список рассматривает пять актуаторов CubeMars, связанных с разделом «Четвероногие роботы», как единый набор характеристик, упорядоченный от изделия массой 380 g до изделия массой 960 g. Граница, которая разделяет их на практике, — не колонка момента, а стоящий рядом с ней номинальный ток, потому что именно номинальный ток нога оплачивает непрерывно, а разрыв между номинальным и пиковым моментом решает, сколько запаса осталось на переходный процесс, когда этот запас уже частично израсходован.

Что нога четвероногого робота требует от суставного двигателя

Три ограничения ниже — не особенности, добавленные поверх обычной спецификации двигателя. Они смещают связывающее ограничение с максимальной отдачи на длительную отдачу, и именно поэтому список кандидатов, построенный только по пиковому моменту, обычно даёт машину, которая может встать, сделать несколько шагов и затем сложиться.

Четыре ноги делят нагрузку, пока одна из них этого не прекращает

Покоящийся четвероногий робот распределяет свой вес по четырём ногам, поэтому стоячий момент в каждом колене — это примерно четверть массы машины, действующая через плечо ноги. Эта удобная картина меняется в тот момент, когда машина начинает двигаться. В рыси — походке, которую большинство шагающих платформ используют на скорости, — диагональные пары отрываются и приземляются вместе, и есть интервалы, когда на земле только две стопы, а в шаге есть интервалы с тремя. Даже в стоячей рыси нагрузка распределяется неравномерно, потому что ноги ближе к центру масс несут больше, а распределение спереди назад зависит от того, где расположены полезная нагрузка и батарея. Следствие для двигателя состоит в том, что рабочий момент во время шага — это не четверть веса машины; он колеблется примерно между третью и более чем половиной в зависимости от походки и мгновения, и пик этого колебания — тот переходный процесс, который сустав должен пережить дважды на каждую ногу за шаг. Бюджет, построенный на статическом случае с четырьмя ногами, недостаточно консервативен, чтобы быть полезным, и именно колебание между совместной и одиночной опорой отличает рабочий цикл ноги четвероногого робота от рабочего цикла сустава, которому нужно лишь удерживать свою долю.

Фаза опоры — это работа вблизи остановки, а фаза переноса — ускорение

Каждый сустав ноги видит две совершенно разные половины цикла. В фазе опоры стопа стоит на земле, а корпус перемещается над ней; колено немного сгибается и разгибается, поэтому угловая скорость сустава мала, тогда как момент сустава велик и длителен. В фазе переноса стопа находится в воздухе и ничто не поддерживается, поэтому момент падает до того, что требует собственная инерция ноги, а угловая скорость растёт до того, что требует темп, чтобы поставить стопу до контакта. Разделение, построенное на этих двух половинах, обладает неприятным свойством с точки зрения двигателя: половина с высоким моментом — это половина с низкой скоростью. Механическая мощность — это момент, умноженный на скорость, поэтому в фазе опоры сустав отдаёт очень мало полезной механической мощности, потребляя при этом ток, близкий к полному, — а в обмотке ток в квадрате, умноженный на сопротивление, есть тепло, независимо от того, доходит ли хоть что-то из него до выходного вала. Поэтому опора — это тепловой случай, а перенос едва ли является тепловым событием вообще.

Контакт и прыжок приходят как импульсы через редуктор

Машина, идущая рысью, часть каждого шага проводит в воздухе, и каждое приземление превращает вертикальный импульс в пик силы в стопе, который распространяется вверх по кинематической цепи к суставу. То же самое происходит в обратном направлении при отталкивании и снова во время прыжка или восстанавливающего шага. Эти пики в несколько раз превышают стоячую нагрузку и приходят, когда редуктор уже нагружен, поэтому они проходят через зубья до того, как двигатель увидит их поделёнными на передаточное число и дополнительно ослабленными той податливостью, которой обладает ступень. Отсюда следуют две вещи. Во-первых, колонка пикового момента двигателя — не тот предел, который здесь имеет значение, потому что планетарная ступень, рассчитанная на повторяющиеся ударные нагрузки, — это другая покупка, нежели ступень, рассчитанная на гладкую отдачу. Во-вторых, важна последовательность: пиковое значение, опубликованное для холодного двигателя в начале испытания, — не то же значение через десять минут рыси, когда тот же сустав уже накопил тепло от каждой предыдущей фазы опоры, а демпфирование конструкции ноги стало более тёплым и мягким, чем было.

Двенадцать модулей находятся внутри одного корпуса

У обычного четвероногого робота на каждую ногу приходится три приводных сустава — отведение или приведение в бедре, сгибание или разгибание в бедре и сгибание или разгибание в колене, — поэтому двенадцать приводов делят одно шасси, одну батарею и один тепловой объём. Эта множественность меняет то, как следует читать каждое значение, отнесённое к одному изделию. Номинальный ток, который для одного модуля выглядит скромно, на уровне батареи становится в двенадцать раз больше, а непрерывное потребление такого уровня — это показатель запаса хода в той же мере, что и тепловой. Тепло, отводимое в герметичный корпус, накапливается, потому что двенадцать тёплых модулей повышают локальную температуру среды для всех них, а номинал каждого последующего изделия молчаливо предполагает ту температуру среды, при которой его испытывал производитель. И распространённое проектное упрощение — использовать один и тот же модуль для сгибания бедра и для колена, потому что это вдвое сокращает число запасных частей, — умножает любое решение, принятое для одного изделия, к лучшему или к худшему, на восемь из двенадцати осей.

Момент: три величины, которые ноге действительно нужны

В спецификации сустава четвероногого робота фигурируют три различные величины момента, и их постоянно путают между собой. Различать их — это и есть основная работа по подбору ноги.

Удерживающий момент в фазе опоры задаёт непрерывное требование

Первая величина — это то, что нужно суставу большую часть времени: момент, чтобы нести долю собственной массы машины в течение фазы опоры, с добавленной полезной нагрузкой и с плечом, взятым в наихудшей позе, а не в стоячей. Её сравнивают с опубликованным номинальным моментом — тем моментом, который двигатель может удерживать неограниченно долго, пока обмотка остаётся в пределах своего класса изоляции. По пяти изделиям ниже опубликованный номинальный момент идёт от 3 Nm до 18 Nm, и, поскольку это интегрированные модули, значение уже относится к выходной стороне после редуктора. Ловушка на этой линии — читать номинальный момент против наихудшего мгновения шага, а не против среднего по нему; сустав, который укладывает пик колебания опоры в своё номинальное значение, избыточен для остальных девяноста процентов рабочего цикла и тяжелее, чем нужно.

Пиковый момент — это запас, уже частично израсходованный

Вторая величина — переходный процесс: контакт, отталкивание, прыжок, восстановление после проскальзывания или шаг на неожиданный бордюр. Её сравнивают с опубликованным пиковым моментом — тем, что двигатель может выдать за короткий интервал, прежде чем либо драйвер достигнет своего предела тока, либо магниты начнут терять свою рабочую точку. В этом наборе разрыв между ними устойчив — кратность пика к номиналу лежит примерно между 2.4 и примерно 3.0, как арифметика по двум опубликованным колонкам, — поэтому выбор между изделиями нельзя сделать по одному этому разрыву. Важнее то, какая часть разрыва сохраняется при непрерывной работе. Нога, которая идёт рысью двадцать минут, израсходовала большую часть своего теплового запаса, поэтому резерв, доступный для следующего приземления, меньше значения на странице, а величина этого уменьшения зависит от окна рабочего цикла, которое записи ниже не публикуют.

Плотность момента оплачивается в колене дважды

Третья величина — та, которую ничего не стоит прочитать и всё стоит перепутать. Опубликованный пиковый момент на единицу массы по этим пяти изделиям идёт от примерно 23.7 Nm/kg у изделия массой 380 g до примерно 50 Nm/kg у изделия массой 960 g, а номинальный момент на единицу массы — от примерно 7.9 Nm/kg до примерно 18.8 Nm/kg; и то и другое — арифметика по зафиксированным колонкам, и оба устойчиво растут с размером. Растущая форма соблазнительна, потому что наводит на мысль, что более крупное изделие просто лучше. Это не так, по двум причинам. Во-первых, пиковые значения приходят через разные передаточные числа, а число покупает момент, расходуя скорость; Актуаторы квазипрямого привода: что даёт отношение 8:1 показывает этот обмен с другой стороны. Во-вторых, и это специфично для ноги, масса, размещённая в колене, несётся бедром выше него и разгоняется им на каждом шаге, поэтому коленный модуль оплачивает свою массу дважды: один раз как инерцию, которую бедро должно двигать, и один раз как момент, который бедро должно удерживать. На машине, где колено и бедро уже используют один и тот же модуль, добавление массы к обоим — это решение, которое быстрее всего съедает бюджет полезной нагрузки.

Люфт и то, куда уходит импульс

Опубликованный люфт — значение, которое в ноге пропускают чаще всего, и при этом самое информативное для чтения. Платформа фиксирует его в градусах потерянного движения на выходе, и в этом наборе он идёт от 0.2° до 0.38°, а одна запись не содержит значения вообще. Это число задаёт, насколько сустав может сместиться под нагрузкой, прежде чем зубчатая передача выберет зазор, и при приземлении это разница между оценкой контроллера о том, где находится стопа, и тем, где она находится на самом деле. Тесное значение стоит чего-то в другом месте — обычно в КПД и в стойкости к удару, — поэтому полезное чтение здесь не «наименьшее лучшее», а «наименьшее, которое ещё выдерживает повторяющийся импульс приземления». Запись AK70-10 KV100 несёт самое тесное значение в этом наборе — 0.2°; запись AK60-6 V3.0 KV80 не несёт никакого, и этот пробел относится к письменному списку вопросов производителю, а не к допущению.

Скорость: чтение опубликованного значения с правильной стороны редуктора

Скорость — то место, где интегрированный модуль проще всего прочитать неверно, потому что одна и та же колонка означает две разные вещи в зависимости от того, с какой стороны ступени её измеряли, а запись обычно не говорит, с какой. Есть проверка, которая это разрешает.

С какой стороны ступени стоит значение и как это проверить

KV — это константа стороны двигателя: скорость ротора на вольт напряжения шины, до какого-либо редуцирования. Если умножить её на номинальное напряжение питания и разделить на опубликованное передаточное число, результат должен попасть на опубликованную скорость без нагрузки или рядом с ней. Для всех пяти изделий ниже это так. AK60-6 V3.0 KV80 даёт 80, умноженное на 24 V и делённое на 6:1, что составляет 320 rpm против опубликованных 320 rpm, а то же умножение при 48 V даёт 640 rpm против опубликованных 640 rpm. AK80-8 KV60 даёт 60, умноженное на 48 V и делённое на 8:1, что составляет 360 rpm против опубликованных 360 rpm. AK10-9 V2.0 KV60 даёт 160 rpm и 320 rpm при 24 V и 48 V против опубликованных значений ровно этих величин, а AK70-10 KV100 и AK80-9 V3.0 KV100 попадают в пределы нескольких процентов от своих. Опубликованные колонки скорости для этих модулей, следовательно, относятся к выходной стороне и уже поделены на передаточное число, и то же верно для номинальной скорости рядом с ними. Требование к суставу, записанное в градусах в секунду, можно сравнить с ними напрямую, умножив обороты в минуту на шесть.

Что темп походки требует от скорости сустава

Перевод шага в требование к суставу — это в основном вопрос о том, насколько далеко сустав перемещается и за какое время он должен это сделать. Теснее срок у фазы переноса: стопу нужно поставить до контакта, а при темпе выше примерно двух шагов в секунду на это остаётся заметно меньше половины секунды. Перемещения колена и бедра в фазе переноса обычно составляют десятки градусов, а не трёхзначные значения, которые могла бы использовать рука, поэтому получающееся требование часто с удобным запасом закрывают даже более медленные изделия: AK10-9 V2.0 KV60 публикует 109 rpm номинально при 24 V, что составляет около 654 градусов в секунду, и даже это значение превышает то, что большинство ходовых походок требует от колена. Исключение — восстановление: соскальзывание с бордюра, спасение от спотыкания или выполнение прыжка требуют гораздо более быстрого перемещения, и именно этот случай определяет верхний конец колонки скорости. В сопоставлении с пятью записями выходная скорость при номинале идёт от примерно 654 градусов в секунду у изделия массой 960 g до примерно 2940 градусов в секунду у изделия массой 380 g при 48 V, что составляет разницу в четыре с половиной раза и почти полностью объясняется отношением, которое несёт каждое из них.

Почему быстрее стоит момента

Передаточное число, стоящее между ротором и выходом, — это то, что связывает два требования, и связывает их в противоположных направлениях: выходной момент получается из момента двигателя, умноженного на отношение и на КПД ступени, тогда как выходная скорость получается из скорости двигателя, делённой на отношение. Сустав, которому нужно и больше момента, и больше скорости, чем даёт конкретный модуль, не может получить их от этого модуля; ему нужно другое передаточное число, другое напряжение шины или другое изделие. Пять изделий ниже показывают это как закономерность. Изделие 6:1 — самое быстрое и наименее плотное по моменту. Изделия 9:1 и 10:1 занимают середину по обеим осям. Пара, достигающая наибольшего номинального момента, делает это при той же ступени 9:1, что и значительно более лёгкое изделие, а это означает, что момент пришёл от более крупного двигателя, а не от большего отношения, — вот почему оно весит 960 g и потребляет 10.6 A, чтобы дать 18 Nm, тогда как его более лёгкий собрат потребляет 3.8 A, чтобы дать 3 Nm.

Тепловые пределы: что решает, как долго может длиться походка

Тепловое поведение — это ограничение, которое отличает сустав, работающий на стенде, от сустава, работающего целую смену, и это та часть спецификации четвероногого робота, которая чаще всего остаётся незаписанной. Её несут пять наблюдений.

Нулевая механическая мощность не означает нулевого тепла

Возвращаясь к фазе опоры: сустав создаёт момент при низкой скорости, поэтому механическая отдача мала, и всё же ток в фазах близок к непрерывному пределу. В бесколлекторной обмотке значимая потеря — это потеря в меди, а потери в меди задаются током, а не тем, какая часть этого тока совершает полезную работу. Поэтому фаза опоры — это период, в котором почти вся электрическая мощность, входящая в двигатель, уходит в виде тепла, а КПД — отношение полезной отдачи к входу — падает к нулю ровно в тот момент, когда машина опирается на сустав сильнее всего. Любая тепловая модель, которая выводит нагрев из механической работы, поэтому будет сильно его недооценивать, а правильный заменитель при отсутствии значения теплового сопротивления — это непрерывный ток, который публикует запись.

Номинальный ток — это рабочее тепловое число

При таком чтении колонки тока информативнее любой из колонок момента. Опубликованный номинальный ток по пяти изделиям идёт от 3.8 A до 12 A, и деление каждого на его собственный номинальный момент даёт грубую цену в амперах на ньютон-метр непрерывной отдачи: около 1.27 A/Nm у AK60-6 V3.0 KV80, около 1.33 A/Nm у AK80-9 V3.0 KV100, около 0.69 A/Nm у AK80-8 KV60, около 0.87 A/Nm у AK70-10 KV100 и около 0.59 A/Nm у AK10-9 V2.0 KV60. Все пять значений — арифметика по двум опубликованным колонкам, и все пять относятся к выходной стороне, поэтому они несут в себе КПД каждой ступени, а не выделяют его. Тем не менее разброс близок к двум с небольшим разам, и он не следует за массой: у самого лёгкого изделия одна из самых высоких цен по току на ньютон-метр, а это признак низкого отношения, заставляющего сам двигатель делать работу, которую более высокое отношение выполнило бы с большим рычагом. Для машины с питанием от батареи эта колонка прямо переводится в запас хода, а для машины на кабеле — в то, сколько тепла должно покинуть корпус.

Двенадцать суставов одновременно черпают из одного бюджета

Умножение колонки номинальной мощности на двенадцать даёт порядок величины, вокруг которого машине приходится планировать, и ответ неудобен. Все двенадцать осей, стоящие на непрерывной номинальной отдаче, потребляли бы около 888 W, если бы каждым изделием был AK60-6 V3.0 KV80 на 74 W, около 2760 W, если бы это были изделия на 230 W, около 4416 W, если бы это был AK80-9 V3.0 KV100, и около 5160 W, если бы это был AK10-9 V2.0 KV60. Ни один четвероногий робот такого не выдерживает, и эти числа — не предсказания: это масштаб, относительно которого следует читать реальный рабочий цикл, и они объясняют, почему рабочий цикл почти каждой выпущенной машины составляет малую долю от непрерывного номинала с краткими выбросами. Та же арифметика, применённая к массе, тревожит меньше и полезна больше: двенадцать изделий по значению 490 g дают 5.88 kg только приводов, до конструкции, батареи и полезной нагрузки, — вот почему лёгкий конец этой таблицы вообще существует.

Пик в тёплую обмотку — это меньшее число

Взаимодействие двух окон момента — это то место, где тепловой предел действительно даёт о себе знать. Значение пикового момента — это утверждение о двигателе, который начал работу в пределах своего диапазона температуры среды; у того же сустава через тридцать секунд рыси обмотка ближе к своему пределу по изоляции, и запас между его текущей температурой и этим пределом — это то, что осталось на переходный процесс. Поскольку нагрев в фазе опоры непрерывен и повторяется с каждым шагом, нога выходит на устойчивое температурное плато, а не восстанавливается между шагами, и плато достигается за несколько минут, а не за час. Практическое следствие для BLDC-двигателя суставов четвероногого робота состоит в том, что колонку пикового момента следует снижать для установившегося режима, и величину этого снижения как раз и нужно спросить у производителя, потому что ни одна из этих пяти записей не публикует окно рабочего цикла, предположение о температуре среды или условие монтажа для своих тепловых значений.

Куда тепло уходит на самом деле

У интегрированного модуля есть один доступный тепловой путь: теплопроводность через собственный корпус в то, к чему он привинчен. Вентилятора нет, сколько-нибудь значимого воздушного потока внутри герметичной ноги нет, и в фазе опоры нет также собственного движения, которое распределяло бы тепло. Практическое следствие состоит в том, что один и тот же привод ведёт себя как два разных изделия в зависимости от того, привинчен ли он в тонкую полимерную оболочку или зажат в обработанный алюминиевый коленный блок, работающий радиатором, и разница достаточно велика, чтобы определять выбор. Это единственное требование в этом руководстве, которое удовлетворяется полностью вне двигателя, и именно поэтому тепловые значения производителя — снятые на испытательном стенде, в неподвижном воздухе, в такой монтажной схеме, которую интегратор не воспроизведёт, — нельзя считать предсказаниями без разговора.

Пять актуаторов CubeMars как единый набор характеристик

Таблица ниже рассматривает пять роботизированных актуаторов CubeMars как единый набор характеристик, упорядоченный по массе, потому что масса — та ось, вдоль которой проектируется нога: каждый грамм, добавленный в колене, оплачивается бедром выше него. Каждое значение — опубликованное значение производителя, взятое из товарных записей этой платформы, и каждая выведенная величина в окружающем тексте помечена как арифметическая. Отметим, что два изделия из пяти публикуют рабочие точки и для 24 V, и для 48 V и что опубликованные значения скорости относятся к выходной стороне — они уже поделены на передаточное число, как показано выше.

Опубликованные передаточное число, номинальный и пиковый момент, номинальный ток, выходная скорость при номинальном моменте и масса для пяти роботизированных актуаторов CubeMars, связанных с разделом «Четвероногие роботы». Номинальный момент — это непрерывное значение в пределах тепловых ограничений двигателя; пиковый момент — кратковременное значение. Единичное значение скорости означает изделие на 48 V; парные значения — это 24 V, затем 48 V. Окно рабочего цикла, предположение о температуре среды, условие монтажа и тепловое сопротивление ни для одного из значений момента приведены в документации производителя, а не в записи, и то же самое относится к значению люфта для AK60-6 V3.0 KV80.

Когда пять изделий читают вместе, выделяются три вещи. Первая — то, насколько мало порядок по моменту следует за порядком по массе. Изделие массой 570 g публикует больше номинального момента, чем изделие массой 621 g, и почти столько же пикового, потому что его ступень 8:1 и номинал 230 W соотносятся иначе, чем ступень 10:1 соседа и его номинал 230 W; два изделия одинаковой мощности попадают в разные части кривой «момент — скорость», потому что отношение различается. Одна масса поэтому плохой заменитель способности в этом семействе, и объясняет это именно колонка отношения.

Вторая — то, что колонка тока говорит о цене за ньютон-метр. Два самых плотных по моменту изделия — массой 570 g и массой 960 g — одновременно самые дешёвые по ньютон-метру непрерывного момента: около 0.69 A/Nm и около 0.59 A/Nm, тогда как самое лёгкое изделие — одно из самых дорогих, около 1.27 A/Nm. Закономерность следует за отношением, а не за размером: высокое отношение позволяет малому двигателю удерживать заданный момент на меньшем токе, и эта экономия не бесплатна, поскольку она оплачивается выходной скоростью и тем, какую нагрузку каждое приземление проводит через ступень.

Третья — то, что арифметика мощности и скорости не полностью сходится для двух изделий из пяти. Умножение номинального момента на номинальную скорость с последующим пересчётом даёт значение в пределах примерно одного процента от опубликованной номинальной мощности для трёх изделий — AK80-9 V3.0 KV100 при 368 W, AK10-9 V2.0 KV60 при 430 W и AK60-6 V3.0 KV80 при 74 W относительно его рабочей точки 24 V, — но попадает примерно на 11 процентов выше опубликованного значения для AK80-8 KV60 и примерно на 17 процентов выше для AK70-10 KV100 при 48 V. Эти два последних расхождения — не ошибки в арифметике; это признак того, что номинальная мощность, номинальный момент и номинальная скорость в тех записях снимались в разных условиях, и именно это стоит изложить письменно производителю, прежде чем подбирать сустав по ним.

Чтение пяти изделий вдоль одной ноги

Нога четвероногого робота — короткая цепь, и требование меняется вдоль неё: отведение и приведение двигаются мало и против невысокого момента, но находятся в верхней части цепи, где их масса несётся; сустав сгибания бедра несёт вес корпуса и задаёт шаг; колено совмещает обе задачи и принимает приземление. Пять изделий распределяются вдоль этой цепи.

Конец 380 g: отведение и приведение

AK60-6 V3.0 KV80 — самое малое изделие здесь: 380 g в корпусе диаметром 79 mm и длиной 43 mm, и оно публикует 3 Nm номинально и 9 Nm пиково через ступень 6:1 при 24 V или 48 V, с 233 rpm номинально и 320 rpm без нагрузки на выходе при 24 V или 490 rpm номинально и 640 rpm без нагрузки при 48 V. Его номинальная мощность — 74 W, номинальный ток — 3.8 A, а пиковые токи опубликованы как 10.3 A при 24 V и 11.2 A при 48 V. Как ось крена или рыскания бедра оно на бумаге хорошо подходит для этой роли: это самое лёгкое изделие здесь, самое быстрое с большим отрывом — около 2940 градусов в секунду номинальной отдачи при 48 V, — а сустав отведения двигается на десятки градусов против умеренной нагрузки. Оговорки — это две уже отмеченные: самая высокая цена по току на ньютон-метр в наборе, около 1.27 A/Nm, и отсутствие опубликованного значения люфта. Ни то, ни другое не исключает его; и то и другое — вопросы, которые нужно закрыть до заказа.

Класс 490 g: колено и сгибание бедра на лёгкой машине

AK80-9 V3.0 KV100 весит 490 g в корпусе диаметром 98 mm и длиной всего 38.5 mm — самое короткое изделие в наборе, что важно там, где два модуля стоят по обе стороны от звена бедра, — и публикует 9 Nm номинально и 22 Nm пиково через ступень 9:1 при 48 V, с 390 rpm номинально и 570 rpm без нагрузки на выходе, номинальной мощностью 368 W, номинальным током 12 A и люфтом 0.25°. Его 490 g при 98 mm делают его естественным кандидатом на пару «сгибание бедра и колено» для машины в диапазоне от двадцати до сорока килограммов, где момент опоры укладывается в 9 Nm и шаг не обязан быть быстрым. Оговорка — ток: 12 A номинально — самое высокое значение в этом наборе, а двенадцать таких изделий, работающих одновременно, номинально потребляли бы 4416 W, поэтому машине, построенной на этом изделии, нужны батарея и тепловая конструкция, спроектированные вместе, а не унаследованные.

Класс 570 g: где решает рабочий цикл, а не габарит

AK80-8 KV60 находится на отметке 570 g в корпусе диаметром 98 mm и длиной 43.9 mm и публикует 10 Nm номинально и 25 Nm пиково через ступень 8:1 при 48 V, с 243 rpm номинально и 360 rpm без нагрузки на выходе, номинальной мощностью 230 W, номинальным током 6.9 A и люфтом 0.38°. В сопоставлении с соседями это самая сбалансированная позиция в таблице и та, чей выбор определяется рабочим циклом, а не габаритом. Оно публикует чуть больше номинального момента, чем изделие массой 621 g ниже, потребляя при этом чуть меньше тока, и достигает этого момента через более короткое отношение, поэтому сохраняет больше выходной скорости — 243 rpm против 310 rpm при той же шине, но всего от 230 W против 230 W у другого изделия, — а это и есть та пара, которая даёт отмеченное выше расхождение в сходимости. Там, где платформе нужен один артикул на бедро и колено и она готова обработать собственные монтажные блоки, это изделие стоит оценить по стоимости первым.

Класс 621 g: самая тесная ступень в наборе

AK70-10 KV100 — изделие массой 621 g в корпусе диаметром 89 mm и длиной 50.25 mm, публикующее 8.3 Nm номинально и 24.8 Nm пиково через ступень 10:1 при 24 V или 48 V, с 148 rpm номинально и 240 rpm без нагрузки на выходе при 24 V или 310 rpm номинально и 480 rpm без нагрузки при 48 V. Номинальная мощность — 230 W, номинальный ток — 7.2 A. Его отличительная черта в этом наборе — люфт 0.2°, самое тесное значение здесь, а его ступень 10:1 — самая высокая, и вместе это указывает на машину, чей контроллер полагается на знание того, где находится стопа, без прямого её измерения. Оно также несёт самое широкое отношение пикового момента к номинальному в этом наборе наряду с самым лёгким изделием — около 3.0, — поэтому у него наибольший номинальный резерв на переходный процесс; переживает ли этот резерв непрерывную работу — один из вопросов, которые запись оставляет открытыми. Производитель публикует демонстрационный ролик этого изделия в динамической робототехнике, встроенный ниже.

Конец 960 g: тяжёлая машина или тяжёлая полезная нагрузка

AK10-9 V2.0 KV60 — крупнейшее изделие здесь: 960 g в корпусе диаметром 98 mm и длиной 61.7 mm, публикующее 18 Nm номинально и 48 Nm пиково через ступень 9:1 при 24 V или 48 V, с 109 rpm номинально и 160 rpm без нагрузки на выходе при 24 V или 228 rpm номинально и 320 rpm без нагрузки при 48 V. Номинальная мощность — 430 W, номинальный ток — 10.6 A, пиковый ток — 29.8 A, при люфте 0.33° и двух энкодерах, а это та схема, которая позволяет одному каналу читать ротор, а другому — выход через ступень. Оно создаёт свой момент иначе, чем остальные четыре: вместо более высокого отношения оно использует более крупный двигатель при том же 9:1 и потому сохраняет больше выходной скорости, чем сохранило бы высокоредукторное изделие равного момента. Это сочетание подходит машине класса шестидесяти килограммов, платформе, несущей манипулятор или сенсорную голову, или любой ноге, чьё бедро должно быстро разгибаться против нагрузки, — но при 960 g набор из двенадцати изделий даёт 11.52 kg приводов, прежде чем что-либо ещё, а это то число, которое обычно отправляет проектировщика обратно в середину этой таблицы.

Четвероногие платформы, которым подходят эти приводы ног

Все пять изделий связаны в ToBMS с разделом Четвероногие роботы, что отражает узость задачи: суставы ног четвероногих роботов, у которых связывающим ограничением является повторяющаяся нагрузка в фазе опоры, а не пиковая отдача.

Платформы осмотра и обследования

Крупнейшая единичная группа выпущенных сегодня четвероногих роботов ходит по промышленным объектам — нефтеперерабатывающим заводам, подстанциям, стройплощадкам, морским палубам, — неся камеры, тепловизоры или газовые датчики. Рабочий цикл здесь медленный, непрерывный и долгий: машина может стоять на ногах час подряд, часто останавливаясь, чтобы считать показание прибора, и подниматься по лестницам или переступать через кабельные трассы. Это почти в точности описанный выше профиль работы вблизи остановки в фазе опоры, что делает расчётными величинами номинальный момент и номинальный ток, а не пиковый момент, и делает середину этой таблицы — изделия массой 490 g и 570 g — обычной отправной точкой там, где машина находится в полосе от двадцати до сорока килограммов.

Исследовательские и академические платформы

Исследованиям шагающей локомоции нужны суставы, которым можно в один момент жёстко задавать команду, а в следующий — проворачивать их внешней нагрузкой, с опубликованной обратной связью для замыкания контура, и они склонны предпочитать то, что задокументировано полнее, тому, что оптимизировано точнее. Все пять изделий публикуют FOC-управление, KV, Ke и число пар полюсов, а AK10-9 V2.0 KV60 дополнительно несёт два энкодера, поэтому обе стороны его ступени 9:1 можно прочитать. Там, где проект строит управление, а не изделие, эта документация стоит больше, чем последние десять процентов плотности момента.

Сельскохозяйственные и уличные шагающие машины

Сельскохозяйственный грунт — самая суровая служба здесь: мягкая почва, уклоны, мусор и влага, и всё это непредсказуемо повышает момент опоры и требует герметизации сустава. Эти условия говорят против самого малого изделия в наборе, чьё номинальное значение 3 Nm оставляет мало запаса, когда стопа проваливается, и в пользу изделий массой 570 g и 621 g, у которых номинальный момент выше при сопоставимом потреблении тока. Это также тот рабочий цикл, где опубликованный люфт заслуживает своего места, потому что нога, ступающая на неровный грунт, не может предполагать, что её стопа приземлилась там, где ожидал контроллер.

Колёсно-шагающие и гибридные платформы

Растущий класс машин крепит колесо на конце каждой ноги, катясь по ровному грунту и переступая через препятствия. Рабочий цикл делится надвое: долгие периоды очень низкого момента во время качения, прерываемые короткими жёсткими переходными процессами, когда машина делает шаг. Это благоприятствует изделию с сильными непрерывными значениями и щедрым окном отношения пика к номиналу, а не изделию, оптимизированному под любую из крайностей, и опыт, накопленный на колёсной стороне этого семейства, хорошо переносится сюда: разделы Колёсные роботы и AGV охватывают тот конец рабочего цикла.

Последовательность подбора для ноги четвероногого робота

Большую часть решения несут три шага, в этом порядке, потому что каждый сужает то, что должен дать следующий.

Сначала зафиксировать рабочий цикл походки, потом момент

Записать до любого обозначения модели: массу машины с полезной нагрузкой, наихудшую позу ноги и её плечо, походку и темп, долю фазы опоры и то, сколько ног стоит на земле в наихудший момент. Из этого вывести непрерывный момент опоры в каждом суставе, пиковый переходный процесс при контакте и отталкивании и перемещение сустава, которое требует каждая фаза. Именно эта тройка — непрерывный, переходный, перемещение — сравнивается с тремя колонками в этой таблице, и пропуск средней из них — это то, как машина получает ноги, которые держат позу и отказывают при приземлении.

Во вторую очередь зафиксировать шину и сумму по двенадцати суставам

Выбрать напряжение шины до сравнения изделий, потому что несколько из них публикуют разные значения при 24 V и 48 V, и сравнение меняет форму в зависимости от того, какое применяется: AK60-6 V3.0 KV80 примерно удваивает выходную скорость между двумя напряжениями, а AK70-10 KV100 и AK10-9 V2.0 KV60 меняются в сходное или меньшее число раз. Затем просуммировать номинальный ток выбранного изделия по всем двенадцати осям и сверить это с непрерывной разрядкой батареи и со способностью корпуса отводить тепло. Изделие, выигрывающее в сравнении по одному суставу, может проиграть системное сравнение на одном этом шаге.

Изложить основание номиналов письменно

Спросить у производителя для попавшего в список изделия: как долго можно удерживать значение пикового момента и как часто его можно повторять; какую температуру среды и какую монтажную схему предполагают номинальный момент и номинальная мощность; на какой предел пикового тока настроен драйвер; является ли опубликованное значение люфта максимальным или типичным; и каково тепловое сопротивление от обмотки к корпусу. Четыре из пяти записей ниже вообще не публикуют окна рабочего цикла, две несовершенно сходятся между своими же колонками мощности, момента и скорости, а одна не несёт значения люфта, поэтому ни один из этих вопросов не является риторическим.

Частые вопросы

Официальные источники

CubeMars публикует документацию по линейкам актуаторов, собранную в разделе Технические материалы платформы, и у каждой модели есть официальная страница с полной спецификацией, кривой характеристик и монтажным чертежом — точка входа в это — линейка продукции производителя, а пять актуаторов из этого руководства задокументированы по отдельности, включая AK80-8 KV60 и AK10-9 V2.0 KV60. Производитель остаётся источником истины для кривых момента, тепловых номиналов, основания люфта и конфигурации драйвера; ToBMS поддерживает слой поиска и сравнения, а значения, использованные в этом руководстве, — опубликованные величины, хранящиеся в товарных записях платформы.

Что дальше

Самый близкий спутник этого руководства — BLDC-двигатели для гуманоидного робота: как согласовать момент, скорость и габарит, где восемь других изделий из того же семейства читаются против цепи суставов двуногой машины: полезный контрапункт здесь, потому что гуманоид тоже должен сохранять равновесие и тоже имеет фазу опоры, а чтение двух материалов вместе отделяет ограничения, свойственные шагающим машинам вообще, от тех, что свойственны именно четырём ногам. Роботизированные актуаторы: выбор интегрированного актуатора для шарниров охватывает категорию, из которой сделан этот подбор, а Как выбрать модуль сустава: пять актуаторов CubeMars от 190 г до 1.4 кг подходит к тому же оборудованию со стороны собранного сустава, а не походки.

Там, где обсуждение обращается конкретно к отношению, Актуаторы квазипрямого привода: что даёт отношение 8:1 излагает, что меняет ступень с низким отношением в приведённой инерции, прозрачности и обратном приводе, — это тот обмен, который скрыт внутри колонки редукции каждой таблицы здесь. Для более широкого контекста о том, как соотносятся классы двигателей, BLDC-двигатели: типы, параметры и выбор бесколлекторных двигателей помещает интегрированный актуатор среди других категорий.

Чтобы составить короткий список, а не проводить исследование, отфильтровать кандидатов по моменту, напряжению, массе и габариту в разделе Подбор, а затем сопоставить их друг с другом в разделе Сравнение продуктов. Близкие классы суставов сгруппированы в разделах платформы Четвероногие роботы, Гуманоидные роботы, Колёсные роботы, Модули суставов и Экзоскелеты. Категория Роботизированные актуаторы содержит все пять сравниваемых здесь изделий, а страница CubeMars собирает остальную часть линейки.