มอเตอร์ BLDC สำหรับโครงกระดูกภายนอก: มอเตอร์แรงบิดไร้เฟรม vs แอคชูเอเตอร์แบบผสานรวม

การออกแบบ มอเตอร์ BLDC สำหรับโครงกระดูกภายนอก ลงเอยที่ใดที่หนึ่งในสองทาง และทางแยกก็มาถึงตั้งแต่เนิ่น ๆ ไม่ว่าจะประกอบข้อต่อขึ้นรอบมอเตอร์แรงบิดไร้เฟรมหนึ่งตัว ซึ่งก็คือ stator และ rotor ที่ส่งมาเป็นชิ้นส่วนแยกกัน โดยไม่มีเรือน ไม่มีตลับลูกปืน และไม่มีการป้อนกลับ หรือสร้างขึ้นรอบแอคชูเอเตอร์แบบผสานรวมที่มาถึงแบบปิดผนึก มีชุดลดรอบ และพร้อมขันยึดติด ทั้งสองเส้นทางใช้เครื่องจักรไร้แปรงถ่านที่คล้ายกันมากภายใน และทั้งสองไม่ใช่สิ่งที่ใช้แทนกันได้ในการประชุมรีวิวการออกแบบ เส้นทางหนึ่งวางโครงสร้างข้อต่อ การเลือกตลับลูกปืน encoder และไดรฟ์ไว้ฝั่งทีมวิศวกรรมของโต๊ะทำงาน อีกเส้นทางหนึ่งใส่สิ่งเหล่านั้นไว้ในโมดูลสำเร็จรูปที่ผู้ผลิตออกแบบไว้ คู่มือนี้วางสองสถาปัตยกรรมมาเทียบกันบนข้อกำหนดที่ขยับการตัดสินใจของข้อต่อสวมใส่ได้จริง ได้แก่ มวลที่แขนขา ความแข็งเกร็ง เส้นทางความร้อน โครงขนาด และความพยายามในการผสานรวม โดยใช้เจ็ดหน่วยที่มีบันทึกไว้ ซึ่งครอบคลุม 105 g ถึง 710 g ในฝั่งไร้เฟรม และ 260 g ถึง 570 g ในฝั่งผสานรวม

การเปรียบเทียบด้านล่างจงใจผสมผลิตภัณฑ์ที่ไม่ได้วัดกันบนฝั่งเดียวกันของชุดเกียร์ เพราะความไม่ลงรอยนั้นคือตัวการตัดสินใจเอง ตัวเลขทุกตัวในบทความนี้มาจากข้อกำหนดที่ผู้ผลิตเผยแพร่ ซึ่งตรงกับที่บันทึกไว้ในบันทึกสินค้าของ ToBMS สำหรับหน่วยนั้น ยกเว้นการแปลงหน่วยและเลขคณิตความหนาแน่น ซึ่งระบุไว้ ณ จุดที่ปรากฏว่าเป็นค่าที่ได้มาจากการคำนวณ ไม่มีสิ่งใดในที่นี้ถูกประมาณขึ้นเอง และในจุดที่ไม่มีค่าบันทึกไว้ จะระบุว่าไม่มีข้อมูลแทนการเติมตัวเลขเข้าไป

คำตอบสั้น

สำหรับโปรโตไทป์สวมใส่ชิ้นแรก แอคชูเอเตอร์แบบผสานรวมมักเป็นทางที่เร็วกว่า และบ่อยครั้งเป็นระบบรวมที่เบากว่า AKE60-8 KV80 หนัก 260 g และให้แรงบิดพิกัด 5 Nm กับแรงบิดสูงสุด 12.5 Nm ผ่านขั้น 8:1 ซึ่งเป็นแรงบิดพิกัดที่มากกว่าที่มอเตอร์ไร้เฟรม 710 g ผลิตได้เองตัวเดียว ไม่มีอะไรต้องออกแบบรอบมัน ชุดลดรอบ ชุดตลับลูกปืน และไดรฟ์อยู่ภายในตัวเรือน

ชุดไร้เฟรมชนะเมื่อข้อจำกัดคือเรขาคณิต ไม่ใช่แรงบิด หากเอาต์พุตของข้อต่อต้องเป็นตัวข้อต่อเอง นั่นคือการขับตรงที่สะโพกโดยไม่มีชุดลดรอบและจึงไม่มีแบ็คแลช RO100 KV55 ที่แรงบิดพิกัด 4 Nm ก็ไม่ต้องใช้ชุดเกียร์เลย หากชุดสายต้องลอดผ่านแกนหมุน หรือ stator ต้องถูกขันยึดเข้ากับลิงก์ที่ทำหน้าที่เป็นตัวระบายความร้อนไปด้วย หรือเรือนกับแขนขาเป็นชิ้นงานกลึงชิ้นเดียวกัน ชุดไร้เฟรมก็เป็นเส้นทางเดียวที่ทำได้ สิ่งที่ต้องแลกคือความพยายามทางวิศวกรรม และการออกแบบตลับลูกปืนกับ encoder ที่ตอนนี้ทีมต้องรับผิดชอบเอง

แต่ละเส้นทางส่งมอบอะไรจริง ๆ

เส้นแบ่งไม่ได้อยู่ที่ตัวมอเตอร์ ทั้งสองเส้นทางใช้เครื่องจักรไร้แปรงถ่านสามเฟสภายใต้การควบคุมแบบ field-oriented control และทั้งสองดึงจากกลุ่ม stator ที่พันด้วยมือชุดเดียวกัน สิ่งที่ต่างกันคือชิ้นส่วนใดของกลไกข้อต่อที่สมบูรณ์ถูกส่งมาในกล่อง

ชุดไร้เฟรมคือ stator หนึ่งตัว rotor หนึ่งตัว และไม่มีอะไรคั่นกลาง

มอเตอร์แรงบิดไร้เฟรมถูกส่งมาเป็นชุดประกอบหลวมสองชิ้น stator แบกขดลวดและแกนเหล็กแผ่นซ้อน และยึดเข้ากับโครงสร้างใดก็ตามที่ผู้ออกแบบจัดหาให้ ส่วน rotor แบกแม่เหล็กและยึดเข้ากับเพลาที่ผู้ออกแบบจัดหาให้เช่นกัน ไม่มีเรือน ไม่มีหน้าแปลนเอาต์พุต ไม่มีชุดตลับลูกปืน ไม่มี encoder และไม่มีอิเล็กทรอนิกส์ไดรฟ์ แลกมาด้วยการที่ชุดนี้ตัดทิ้งทุกอินเทอร์เฟซที่ผู้ผลิตจะต้องประนีประนอมไป มีเพลากลวงขนาดใหญ่ให้ใช้เดินสาย RI30 KV260 มีรู 17 mm ในตัวเรือน 38 mm และพื้นผิวติดตั้ง เส้นทางความร้อน กับความยาวตามแนวแกน ล้วนกลายเป็นตัวแปรการออกแบบแทนที่จะเป็นค่าที่กำหนดมา

แอคชูเอเตอร์แบบผสานรวมมาถึงแบบประกอบเสร็จและปิดผนึก

แอคชูเอเตอร์แบบผสานรวมคือการจัดวางที่ตรงกันข้าม มอเตอร์ หนึ่งขั้นลดรอบแบบดาวเคราะห์ อุปกรณ์ป้อนกลับ และบอร์ดไดรฟ์ถูกประกอบเข้าเป็นเรือนเดียวกัน พร้อมอินเทอร์เฟซเอาต์พุตที่กำหนดไว้และคอนเนกเตอร์ไฟฟ้าที่กำหนดไว้ AK80-6 KV100 เป็นตัวอย่างที่ชัดเจน การลดรอบ 6:1 แรงบิดพิกัด 6 Nm และแรงบิดสูงสุด 12 Nm กำลังพิกัด 340 W ที่ 48 V ทั้งหมดอยู่ในเรือน 98 mm × 38.5 mm น้ำหนัก 485 g พร้อมค่าแบ็คแลชที่บันทึกไว้ 0.22 มูลค่าของมันไม่ได้อยู่ที่ตัวเลขใดตัวเลขหนึ่งในรายการนั้น แต่อยู่ที่ว่าชุดประกอบทั้งหมดเป็นหมายเลขชิ้นส่วนเดียว มีรูปแบบการติดตั้งเดียว และมีชุดข้อมูลทดสอบชุดเดียว

ชิ้นส่วนที่ทั้งสองกล่องไม่มี

ไม่มีเส้นทางใดสมบูรณ์ในตัวเอง และช่องว่างนั้นเป็นไปอย่างเป็นระบบ เส้นทางไร้เฟรมปล่อยให้ทีมวิศวกรรมต้องออกแบบตลับลูกปืน การติดตั้ง encoder การประกอบ rotor เข้ากับเพลา เรือน เส้นทางระบายความร้อน และชุดส่งกำลังทั้งหมด นั่นคืองานที่ผู้ผลิตมอเตอร์เกียร์มักรับไป เส้นทางผสานรวมปล่อยให้ทีมต้องยอมรับแบ็คแลชของผู้ผลิต อายุตลับลูกปืนของผู้ผลิต การลดพิกัดทางความร้อนของผู้ผลิต และโครงขนาดของผู้ผลิต แล้วออกแบบแขนขาให้เข้ากับสิ่งเหล่านั้นแทนที่จะทำกลับกัน ในกรณีที่การออกแบบมีพื้นที่ตามแนวรัศมีแน่นข้างข้อต่อ หรือต้องการความโปร่งใสของแรงบิดที่ขั้นดาวเคราะห์ให้ไม่ได้ ช่องว่างที่สองก็จะกลายเป็นข้อจำกัดที่ผูกมัด

ห้าข้อกำหนดที่ตัดสินเส้นทาง

ตารางข้อกำหนดของสองตระกูลดูคล้ายกัน แต่ตอบคำถามต่างกัน ในงานสวมใส่ มีห้าข้อกำหนดที่แยกสองตระกูลออกจากกันอย่างสม่ำเสมอ

มวลในจุดที่ผู้สวมใส่รู้สึกได้จริง

มวลไม่ได้มีต้นทุนเท่ากันในทุกข้อต่อ ในหน้า การใช้งานโครงกระดูกภายนอก ตัวเลขแรงบิดตามพิกัดเดียวกันปรากฏเทียบกับหน่วยที่น้ำหนักต่างกันมาก และความต่างนั้นไม่ได้กระจายเท่ากัน หนึ่งกรัมที่แบกไว้ที่สะโพกอาศัยลำตัวรับไว้ ขณะที่หนึ่งกรัมเดียวกันที่อยู่ปลายสุดของเข่าถูกเร่งและชะลอในทุกย่างก้าว นี่คือเหตุผลที่ปลายเบาของช่วงไร้เฟรมสำคัญกว่าที่ตัวเลขแรงบิดบอกไว้ RO50 KV108 Lite หนัก 105 g และ RI30 KV260 หนัก 40 g และทั้งสองไม่แบกชุดลดรอบ ชุดตลับลูกปืน หรือไดรฟ์เข้าไปในข้อต่อ

ความแข็งเกร็ง แบ็คแลช และความรู้สึกของข้อต่อ

ข้อต่อไร้เฟรมแบบขับตรงไม่มีการประกบเฟือง จึงไม่นำแบ็คแลชของตัวเองเข้ามา แอคชูเอเตอร์แบบผสานรวมแบกแบ็คแลชของขั้นดาวเคราะห์ไว้ และค่าที่บันทึกไว้ในช่วงนี้อยู่ระหว่าง 0.15 ถึง 0.22 แบ็คแลชในข้อต่อที่สึกจะปรากฏเป็นฮิสเทอรีซิสระหว่างโปรไฟล์การช่วยที่สั่งไปกับสิ่งที่ผู้สวมใส่รับรู้ และทำให้กฎการควบคุมใด ๆ ที่ประเมินแรงบิดเอาต์พุตจากความคลาดเคลื่อนของตำแหน่งซับซ้อนขึ้น มันยังรองรับผลที่ละเอียดกว่าอีกชั้น ขั้นลดรอบขยายความเฉื่อยของ rotor ขึ้นราวกำลังสองของอัตราทดที่เอาต์พุต โมดูลที่มีชุดเกียร์จึงสะท้อนความเฉื่อยมากกว่าข้อต่อขับตรงที่แรงบิดเอาต์พุตเท่ากัน และความเฉื่อยสะท้อนเป็นหนึ่งในเทอมที่ตัดสินว่าข้อต่อให้ความรู้สึกโปร่งใสเพียงใด

ความร้อนของขดลวดไปที่ใด

แรงบิดต่อเนื่องคือข้อความเกี่ยวกับความร้อน และเส้นทางความร้อนต่างกันอย่างชัดเจนระหว่างสองเส้นทาง stator ไร้เฟรมมักถูกขันยึดตรงเข้ากับลิงก์โลหะ โครงสร้างแขนขาจึงกลายเป็นส่วนหนึ่งของตัวระบายความร้อน แรงบิดพิกัดที่ผู้ผลิตให้จึงตั้งอยู่บนเงื่อนไขที่ผู้ออกแบบต้องทำซ้ำให้ได้ แอคชูเอเตอร์แบบปิดผนึกระบายความร้อนผ่านเรือนของตัวเองออกไปยังสิ่งที่มันถูกติดตั้งไว้ ซึ่งสะดวกแต่ตายตัว ในอุปกรณ์สวมใส่ กรณีทางความร้อนซับซ้อนขึ้นอีกเพราะข้อต่อมักถูกปกคลุมด้วยเสื้อผ้าหรือปลอกรัด ค่าแรงบิดสูงสุดอธิบายสภาวะชั่วขณะ ไม่ใช่กรณีการยึดท่าไว้ และงานพยุงท่าทางอาจเรียกแรงบิดพิกัดต่อเนื่องเป็นนาที ๆ

พื้นที่ตามแนวรัศมีเทียบกับพื้นที่ตามแนวแกน

สองเส้นทางล้มเหลวคนละทิศทางในเชิงเรขาคณิต หน่วย inrunner ในช่วงนี้ ได้แก่ RI50 KV100 และ RI80 V2.0 KV75 แบก rotor ไว้ภายใน stator ความยาวตามแนวแกนจึงถูกกำหนดโดยชุดซ้อน และขนาดตามแนวรัศมีถูกกำหนดโดยเส้นผ่านศูนย์กลางตัวเรือน กลไกต่างหาก ไม่ใช่มอเตอร์ ที่ตัดสินว่าชุดประกอบจะลึกเท่าใด โมดูลปิดผนึกเกือบทั้งหมดมีรูปทรงแบนราบ โดยมีขั้นลดรอบซ้อนอยู่ตามแนวแกนมอเตอร์ และซีรีส์ AKE มีความยาวตามแนวแกน 25 mm ถึง 43.5 mm เทียบกับเส้นผ่านศูนย์กลาง 69 mm ถึง 107.5 mm ข้อต่อที่ติดตั้งด้านข้างขนานกับแกนทางกายวิภาค ซึ่งเป็นการจัดวางปกติที่เข่าและสะโพก ได้ประโยชน์จากรูปทรงนั้น ขณะที่เรือนที่แคบและลึกไม่ได้

อะไรที่ย้ายกลับเข้ามาอยู่ฝั่งทีม

ข้อกำหนดข้อสุดท้ายไม่ค่อยถูกเขียนลงเป็นลายลักษณ์อักษร และบ่อยครั้งตัดสินผลลัพธ์ แอคชูเอเตอร์แบบผสานรวมย้ายการออกแบบเชิงกล การเลือกตลับลูกปืน การติดตั้ง encoder และชุดอิเล็กทรอนิกส์ไดรฟ์ ออกจากโครงการเข้าไปหาผู้ผลิต ชุดไร้เฟรมย้ายทั้งสี่อย่างเข้ามา และย้ายความสมดุลของ rotor การประกอบเข้ากับเพลา การปรับแนว encoder และความรับผิดชอบต่อสิ่งที่ชุดประกอบทำที่อุณหภูมิต่าง ๆ เข้ามาด้วย สำหรับโปรโตไทป์เพียงตัวเดียว คอลัมน์ที่สองนี้มีราคาแพง แต่ในงานปริมาณมาก หรือในกรณีที่เรขาคณิตของข้อต่อคือตัวผลิตภัณฑ์ มันอาจเป็นทางเดียวที่จะไปถึงเป้าหมาย

ชุดไร้เฟรมกับแอคชูเอเตอร์แบบผสานรวมวางเทียบกัน

ตารางนี้รวบรวมเจ็ดหน่วยที่มีบันทึกไว้จากสองสถาปัตยกรรม เรียงตามมวล ค่าแรงบิดและมวลเป็นไปตามที่เผยแพร่ในบันทึกสินค้าของ ToBMS แต่ละรายการ

ชุดไร้เฟรมทั้งสี่รายการอยู่ในหมวด มอเตอร์แรงบิดไร้เฟรม ของ ToBMS ส่วนสามหน่วยปิดผนึกอยู่ใน แอคชูเอเตอร์หุ่นยนต์ และ แอคชูเอเตอร์ QDD คอลัมน์อัตราทดเว้นว่างไว้สำหรับชุดไร้เฟรม เพราะอัตราทดไม่ใช่สมบัติของมอเตอร์ มันคือขั้นใดก็ตามที่ผู้ออกแบบขันยึดเข้าไป ไม่มีค่ากำลังพิกัดบันทึกไว้สำหรับหน่วย AKE ในบันทึกของ ToBMS จึงไม่ระบุค่าดังกล่าวที่นี่ มิติโครงขนาดระบุไว้ในเนื้อความแทนที่จะอยู่ในตาราง เพื่อให้จำนวนคอลัมน์อ่านได้

รูปแบบแรกคือรูปแบบที่บทความนี้ตั้งใจให้เห็นชัด อ่านไล่ลงตามมวล โมดูลปิดผนึก 260 g ให้แรงบิดพิกัดมากกว่ามอเตอร์เปล่า 411 g และ 710 g ที่อยู่เหนือและใต้มัน นั่นไม่ใช่ข้อกล่าวอ้างว่ามอเตอร์ตัวใดดีกว่า หากเป็นสิ่งที่ขั้นลดรอบทำ แรงบิดพิกัดของมอเตอร์ไร้เฟรมเป็นค่าที่เพลามอเตอร์ ส่วนแรงบิดพิกัดของโมดูลปิดผนึกเป็นค่าที่เพลาเอาต์พุตซึ่งวัดหลังชุดเกียร์ ตัวเลขสองตัวนี้อยู่คนละฝั่งของอัตราทด และเทียบกันไม่ได้หากไม่ระบุว่าเป็นการอ้างถึงฝั่งใด

รูปแบบที่สองคือการแยกตามแรงดัน หน่วยที่เบาที่สุดสามหน่วยบันทึกแรงดันเดียว คือ 24 V สำหรับ RO50 KV108 Lite, RI50 KV100 ที่พิกัดฐานของมัน และ AKE60-8 KV80 และมีเพียง RI50 KV100 เท่านั้นที่ยังรับ 36 V และ 48 V ได้ด้วย จาก 485 g ขึ้นไป ทุกหน่วยในตารางบันทึก 48 V ซึ่งเป็นตัวเลขที่ตัดสินชุดแบตเตอรี่ ไม่ใช่มอเตอร์ สำหรับอุปกรณ์สวมใส่ เรื่องนี้มักถูกตัดสินตั้งแต่เนิ่น ๆ เพราะมันตามเคมีของแบตเตอรี่และชุดคอนเนกเตอร์ที่เลือกไว้แล้วสำหรับเสื้อผ้า ไม่ใช่ตามมอเตอร์

รูปแบบที่สามคือมอเตอร์เปล่าแต่ละตัวต่างกันน้อยเพียงใดในเรื่องความเร็วเอาต์พุต หน่วยไร้เฟรมในที่นี้บันทึกความเร็วพิกัดระหว่าง 1090 rpm และ 2100 rpm ก่อนการลดรอบใด ๆ ขณะที่หน่วยปิดผนึกบันทึก 150 rpm ถึง 603 rpm หลังการลดรอบของตัวเอง ความเร็วที่ข้อต่อ ไม่ใช่ที่เพลามอเตอร์ คือตัวเลขที่ตรงกับงานวิจัยทางชีวกลศาสตร์ และในฝั่งไร้เฟรมจะทราบได้ก็ต่อเมื่อเลือกอัตราทดเรียบร้อยแล้ว

อ่านการเปรียบเทียบนี้อย่างเป็นธรรม

มีสามปริมาณที่ถูกอ้างถึงข้ามทั้งสองสถาปัตยกรรมราวกับว่าหมายถึงสิ่งเดียวกัน พวกมันไม่ได้หมายถึงสิ่งเดียวกัน และแต่ละตัวจะพลิกอันดับเมื่อแยกนิยามออกจากกัน

แรงบิดต่อกิโลกรัมคือสองปริมาณที่ต่างกัน

การหารแรงบิดพิกัดด้วยมวลให้ตัวเลขที่ดูเทียบกันได้ทั่วทั้งตาราง แต่เทียบกันไม่ได้จริง ในฝั่งมอเตอร์ของอัตราส่วน ค่าที่บันทึกไว้คือประมาณ 2.9 Nm/kg สำหรับ RO50 KV108 Lite, 3.2 Nm/kg สำหรับ RI50 KV100, 3.5 Nm/kg สำหรับ RI80 V2.0 KV75 และ 5.6 Nm/kg สำหรับ RO100 KV55 ในฝั่งเอาต์พุต เลขคณิตชุดเดียวกันให้ค่าพิกัดประมาณ 19 Nm/kg สำหรับ AKE60-8 KV80, 21 Nm/kg สำหรับ AKE80-8 KV30 และ 12 Nm/kg สำหรับ AK80-6 KV100 และเพิ่มเป็น 48, 53 และ 25 Nm/kg ตามลำดับเมื่อใช้แรงบิดสูงสุด ทั้งหมดนี้เป็นค่าที่คำนวณขึ้นในที่นี้โดยหารแรงบิดที่บันทึกด้วยมวลที่บันทึก สองกลุ่มต่างกันราวสี่ถึงหกเท่า และความต่างนั้นไม่สามารถใช้เป็นระยะเผื่อการออกแบบได้เลย มันคืออัตราทดที่เขียนออกมาในรูปความหนาแน่น

ความเร็วถูกวัดคนละฝั่งของชุดลดรอบ

ค่าความเร็วที่บันทึกไว้ยืนยันความไม่สมมาตรแบบเดียวกัน AKE60-8 KV80 หมุนที่ 180 rpm พิกัด และ 240 rpm ไม่มีโหลดที่เอาต์พุต ซึ่งคิดเป็นราว 1080 และ 1440 องศาต่อวินาที ส่วน AKE80-8 KV30 บันทึกไว้ที่ 150 และ 195 rpm หรือราว 900 และ 1170 องศาต่อวินาที AK80-6 KV100 ที่มีขั้น 6:1 เร็วกว่า บันทึกไว้ที่ 603 rpm พิกัด และ 800 rpm ไม่มีโหลด หรือราว 3620 และ 4800 องศาต่อวินาทีที่เอาต์พุต หน่วยไร้เฟรมบันทึกความเร็วมอเตอร์สูงกว่าหนึ่งอันดับ ขนาด RO100 KV55 หมุนที่ 2000 rpm พิกัด หรือราว 12000 องศาต่อวินาที แต่ความเร็วนั้นจะมาถึงข้อต่อก็ต่อเมื่อการออกแบบใช้การขับตรงหรือการลดรอบที่ตื้นมาก การแปลงทั้งหมดในที่นี้คูณ rpm ที่บันทึกด้วยหก และเป็นค่าที่ได้มาจากการคำนวณ ไม่ใช่ค่าที่เผยแพร่

กระแสเป็นเรื่องของขั้นกำลัง

กระแสพิกัดและกระแสสูงสุดถูกบันทึกไว้สำหรับทุกหน่วยในการเปรียบเทียบนี้ และมันไม่ได้อธิบายเฉพาะตัวมอเตอร์ AKE60-8 KV80 และ AKE80-8 KV30 ต่างก็บันทึก 4.8 A พิกัด และ 12 A สูงสุด ขณะที่ให้แรงบิดพิกัด 5 Nm และ 12 Nm ตามลำดับ ซึ่งเป็นผลของแรงดันบัสที่ต่างกัน ไม่ใช่ของขดลวด RO100 KV55 บันทึก 20 A พิกัด และ 62 A สูงสุด ค่ากระแสของชุดไร้เฟรมอ้างถึงขดลวด ส่วนชุดสาย ไดรฟ์ และการออกแบบทางความร้อนล้วนจัดหาโดยทีมวิศวกรรม งบกระแสจึงต้องสร้างขึ้นเอง ไม่ใช่ทราบได้ทันที ในกรณีที่มีบอร์ดไดรฟ์รวมมาด้วย อย่างในหน่วยปิดผนึก กระแสที่บันทึกไว้ก็เป็นข้อความเกี่ยวกับความสามารถของบอร์ดนั้นด้วย

สี่ชุดไร้เฟรมสำหรับข้อต่อสวมใส่

ช่วงไร้เฟรมครอบคลุม 20 g ถึง 710 g และสี่หน่วยในนั้นครอบคลุมกรณีสวมใส่ตั้งแต่ข้อต่อปลายทางถึงข้อต่อใกล้ลำตัว

RI50 KV100 และ RO50 KV108 Lite ปลายที่เบาและเร็ว

RI50 KV100 เป็น inrunner ที่ส่งมาสำหรับระบบ 24 V ถึง 48 V แรงบิดพิกัด 0.58 Nm และแรงบิดสูงสุด 1.67 Nm กำลังพิกัด 66 W หนัก 180.8 g ในตัวเรือน 54 mm ลึก 27 mm พร้อมความเร็วพิกัดที่บันทึกไว้ 1090 rpm ที่ 24 V ภาพรวมของมันระบุโครงกระดูกภายนอกไว้โดยตรง เคียงกับหุ่นยนต์สี่ขาและข้อต่อแขนหุ่นยนต์ เลขคณิตที่ทำให้มันน่าสนใจสำหรับข้อต่อคือสิ่งที่ตารางซ่อนไว้ ใส่ขั้น 8:1 แล้วแรงบิดพิกัดจะกลายเป็นราว 4.6 Nm ที่ราว 136 rpm ก่อนหักการสูญเสียในชุดลดรอบ ซึ่งใกล้กับเอาต์พุตของโมดูลปิดผนึก 260 g ที่อัตราทดเดียวกัน มอเตอร์เปล่าเบากว่าโมดูล ชุดลดรอบ ตลับลูกปืน encoder และไดรฟ์คือส่วนต่าง และทั้งหมดนั้นย้ายเข้ามาในโครงการ

RO50 KV108 Lite อยู่ที่ปลายเบาสุดของเส้นทางเดียวกันที่ 105 g ในตัวเรือน 61.7 mm × 14.5 mm ด้วยแรงบิดพิกัด 0.3 Nm และแรงบิดสูงสุด 0.9 Nm บนบัส 24 V และกำลังพิกัด 66 W รายละเอียดสองอย่างสำคัญในงานสวมใส่ ตัวเรือน 61.7 mm ของมันหนาเพียง 14.5 mm และการอ้างถึงเพลากลวงขนาดใหญ่ในคำอธิบายของตัวมันเองชี้ไปที่การเดินสายผ่านแกนข้อต่อ ทั้งสองหน่วยไม่มีการป้อนกลับในตัวเอง ตัวแปร RO40 KV140 และ RO50 KV108 Lite ระบุชัดว่าส่งมาโดยไม่มี Hall sensor และบันทึกของ ToBMS ไม่มีฟิลด์ข้อกำหนด encoder เลย อุปกรณ์ป้อนกลับจึงเป็นการตัดสินใจในการออกแบบในฝั่งไร้เฟรม เช่นเดียวกับที่มันเป็นสมบัติตายตัวในฝั่งปิดผนึก

RI80 V2.0 KV75 ตรงกลางของช่วง inrunner

RI80 V2.0 KV75 ขยับขึ้นไปที่แรงบิดพิกัด 1.45 Nm และแรงบิดสูงสุด 4.1 Nm จากตัวเรือน 85 mm น้ำหนัก 411 g ด้วยกำลังพิกัด 172 W บนบัส 24/36/48 V ที่เลือกได้ และความเร็วพิกัด 1135 rpm ที่ 24 V ภาพรวมของมันระบุหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ โครงกระดูกภายนอก หุ่นยนต์สี่ขา และโมดูลข้อต่อขนาดหนัก บันทึกระบุกระแสสูงสุด 27.6 A และกระแสพิกัด 9.4 A พร้อมกำลังพิกัด 172 W ต่างจากหน่วยปิดผนึก ไม่มีค่ากำลังพิกัดที่หายไปในที่นี้ งบกำลังไฟต่อเนื่องจึงเริ่มต้นจากบันทึกได้อย่างน้อย

RO100 KV55 เมื่อข้อต่อกลายเป็นเรือนเอง

RO100 KV55 เป็นหน่วยที่ใหญ่ที่สุดในการเปรียบเทียบนี้ แรงบิดพิกัด 4 Nm และแรงบิดสูงสุด 12 Nm กำลังพิกัด 838 W ที่ 48 V หนัก 710 g ในตัวเรือน 113.5 mm × 36.2 mm 21 คู่ขั้ว พร้อมกระแสพิกัดและกระแสสูงสุดที่ 20 A และ 62 A มันเป็นภาพประกอบที่ชัดที่สุดของข้อแลกเปลี่ยนหลักในบทความนี้ ในฐานะข้อต่อขับตรง มันให้แรงบิด 4 Nm ต่อเนื่องโดยไม่มีการประกบเฟือง และจึงไม่มีแบ็คแลชจากการลดรอบเข้ามา และหมุนที่ 2000 rpm พิกัด หรือราว 12000 องศาต่อวินาที ซึ่งเป็นความเร็วเอาต์พุตที่มากกว่าหน่วยที่มีชุดเกียร์ใด ๆ ในตาราง ในทางกลับกัน มันหนัก 710 g เพื่อผลิตแรงบิดพิกัดที่น้อยกว่าโมดูลปิดผนึก 260 g เล็กน้อย และต้องใช้ชุดตลับลูกปืน encoder และไดรฟ์ที่โมดูลปิดผนึกมีอยู่แล้ว มันเป็นคำตอบที่ถูกต้องเมื่อข้อต่อต้องแข็งเกร็ง เร็ว และเงียบ และเป็นคำตอบที่ผิดเมื่อมวลที่แขนขาเป็นตัวนำ

สามแอคชูเอเตอร์แบบผสานรวม โดยหนึ่งตัวมีกรณีการติดตั้งจริงที่บันทึกไว้

ฝั่งปิดผนึกของการเปรียบเทียบนี้ครอบคลุมตำแหน่งข้อต่อเดียวกันด้วยงานผสานรวมเพียงเศษเสี้ยว ในราคาที่ต้องยอมรับโครงขนาด แบ็คแลช และการลดพิกัดทางความร้อนของผู้ผลิต

AKE60-8 KV80 โมดูลปิดผนึกที่เล็กที่สุดในการเปรียบเทียบนี้

AKE60-8 KV80 หนัก 260 g ในตัวเรือน 69 mm × 25 mm ให้แรงบิดพิกัด 5 Nm และแรงบิดสูงสุด 12.5 Nm ผ่านขั้น 8:1 บนบัส 24 V ที่ 180 rpm พิกัด และ 240 rpm ไม่มีโหลด พร้อม 4.8 A พิกัด และ 12 A สูงสุด และแบ็คแลชที่บันทึกไว้ 0.15 ภาพรวมของมันวางตำแหน่งไว้ที่ข้อต่อฮิวแมนนอยด์และข้อต่อโครงกระดูกภายนอกขนาดกะทัดรัด มีสองลักษณะที่แยกมันออกจากชุดไร้เฟรมที่มันเข้าแทนที่ที่ข้อต่อปลายทาง มันเป็นหน่วยเดียวในการเปรียบเทียบนี้ที่ใช้พิกัด 24 V เดียว และ 14 คู่ขั้วของมันต่างจาก 21 คู่ขั้วที่บันทึกไว้ในโมดูลที่ใหญ่กว่า ซึ่งเปลี่ยนข้อกำหนดการคอมมิวเทชัน การผสมมันกับหน่วยใกล้ลำตัวที่ 48 V หมายถึงระบบจ่ายไฟสองชุด

AK80-6 KV100 โมดูลในงานประกอบโครงกระดูกภายนอกที่มีบันทึกไว้

AK80-6 KV100 เป็นหน่วยเดียวในที่นี้ที่มีบันทึกการใช้งานจริงบนแพลตฟอร์มสวมใส่ มันใช้การลดรอบ 6:1 เพื่อไปถึงแรงบิดพิกัด 6 Nm และแรงบิดสูงสุด 12 Nm ด้วยกำลังพิกัด 340 W ที่ 48 V ที่ 603 rpm พิกัด และ 800 rpm ไม่มีโหลด พร้อม 9.7 A พิกัด และ 20 A สูงสุด หนัก 485 g ในตัวเรือน 98 mm × 38.5 mm และบันทึกแบ็คแลชไว้ 0.22 ภาพรวมของมันระบุโครงกระดูกภายนอกและหุ่นยนต์สี่ขา และผู้ผลิตได้เผยแพร่การสาธิตหน่วยนี้ขับเคลื่อนโครงกระดูกภายนอกขาส่วนล่างแบบสองข้างที่พัฒนาขึ้นที่ Georgia Institute of Technology สำหรับทีมที่กำลังชั่งน้ำหนักเส้นทางผสานรวม นั่นคือจุดข้อมูลที่ชุดไร้เฟรมในการเปรียบเทียบนี้เทียบไม่ได้ โมดูลนี้ถูกใช้งานในแอปพลิเคชันจริงแล้ว

AKE80-8 KV30 เมื่อความต้องการคือแรงบิดสูงสุด 30 Nm

AKE80-8 KV30 ยกฝั่งปิดผนึกขึ้นไปที่แรงบิดพิกัด 12 Nm และแรงบิดสูงสุด 30 Nm จาก 570 g ในตัวเรือน 87 mm × 32 mm บนบัส 48 V ที่ 150 rpm พิกัด และ 195 rpm ไม่มีโหลด พร้อม 4.8 A พิกัด และ 12 A สูงสุด และแบ็คแลชที่บันทึกไว้ 0.15 เท่ากัน ภาพรวมของมันวางไว้ที่โครงกระดูกภายนอก หุ่นยนต์ฟื้นฟู และข้อต่อแบบขา และข้อกำหนดของมันเองอ้างถึงตัวเลขความหนาแน่นแรงบิดโดยตรง มันคือจุดที่เส้นทางผสานรวมเลิกเป็นตัวเลือกกะทัดรัด และเริ่มเป็นตัวเลือกที่ทรงพลัง ไม่มีสิ่งใดในครึ่งไร้เฟรมของตารางไปถึงแรงบิดสูงสุด 30 Nm ได้โดยไม่ใช้ชุดลดรอบ และมอเตอร์เปล่าที่ใหญ่ที่สุดที่นั่นผลิตแรงบิดสูงสุด 12 Nm จาก 710 g

แต่ละเส้นทางถูกใช้ที่ใดในที่สุด

เจ็ดหน่วยเดียวกันปรากฏข้ามหมวดงานสวมใส่หลายประเภท และการแบ่งระหว่างเส้นทางตามข้อต่อ ไม่ใช่ตามแพลตฟอร์ม

การช่วยเดินแบบมีกำลังและการแบกน้ำหนัก

อุปกรณ์ช่วยเหลือแบบสะโพก-เข่า-ข้อเท้าเป็นกรณีใช้งานหลักของโมดูลปิดผนึก และรูปแบบคือจากใกล้ลำตัวไปยังปลายทาง หน่วยที่แน่นที่สุดที่สะโพก หน่วยกลางที่เข่า และหน่วยที่เบาที่สุดที่ข้อเท้า เหตุผลคือต้นทุนเมตาบอลิกสะสมของมวลที่อยู่ปลายทาง ไม่ใช่ความต้องการแรงบิดของแต่ละข้อต่อแยกกัน แอคชูเอเตอร์โครงกระดูกภายนอก มักถูกเลือกจากปลายทางย้อนกลับมา ด้วยเหตุผลนี้เอง และชุดไร้เฟรมเข้ามาในภาพที่ข้อเท้าและเข่า ซึ่งแขนขาสามารถถูกกลึงให้แบก stator ได้ และเรขาคณิตของข้อต่อคุ้มค่าที่จะถือไว้เอง

แท่นฟื้นฟูในคลินิก

แท่นติดตั้งอยู่กับที่ย้ายแบตเตอรี่ออกจากตัวผู้สวมใส่ ซึ่งผ่อนทั้งข้อโต้แย้งเรื่องมวลและการตัดสินใจเรื่องแรงดันบัสในคราวเดียว สิ่งที่เหลือคือความราบรื่น ความเที่ยงตรงของแรง และว่าข้อต่อทำตัวอย่างไรกับผู้ป่วยที่อาจช่วยมันไม่ได้เลย เส้นทางไร้เฟรมเหมาะกับกรณีนี้เป็นอย่างดี เพราะ stator สามารถขันยึดเข้ากับโครงขนาดใหญ่ที่ลงกราวด์และทำหน้าที่เป็นตัวระบายความร้อนไปด้วย และเพราะการขับตรงเลี่ยงฮิสเทอรีซิสของแบ็คแลชที่ทำให้การประเมินแรงบิดซับซ้อน โมดูลปิดผนึกก็ปรากฏที่นี่เช่นกัน ภาพรวมของมันระบุการฟื้นฟูเคียงกับโครงกระดูกภายนอก และสาขา หุ่นยนต์ฟื้นฟู ที่กว้างกว่าครอบคลุมอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิด

อินเทอร์เฟซแขนส่วนบนและมือ

การช่วยเหลือไหล่และข้อศอกทำให้ปัญหาการจัดวางที่ยากที่สุดในงานสวมใส่กระจุกตัวอยู่ที่เดียว ข้อต่อที่ต้องการความช่วยเหลืออยู่ใกล้ลำตัว และอะไรก็ตามที่ติดตั้งบนนั้นจะถูกต่อต้านทันที หน่วยไร้เฟรมที่ต่ำกว่า 100 g เป็นตัวเลือกที่ลงตัว และ RI30 KV260 ที่มีรู 17 mm ตอบโจทย์การเดินสายผ่านแกนไหล่โดยตรง ในกรณีที่อุปกรณ์ต้องการความช่วยเหลือครอบคลุมหลายองศาอิสระของร่างกายส่วนบน สาขา หุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ ที่กว้างกว่าครอบคลุมคลาสข้อต่อเดียวกันในรูปแบบอื่น และการเลือก โมดูลข้อต่อ ขยายเส้นทางปิดผนึกให้ไกลออกไปอีก

รายการตรวจสอบการเลือก

เส้นทางมักถูกตรึงไว้ก่อนมอเตอร์มานานแล้ว เพราะเรขาคณิตของ ข้อต่อโครงกระดูกภายนอก และเส้นทางชุดสายรอบ ๆ มันถูกออกแบบโดยอิงคำตอบนั้น การตรวจสอบเหล่านี้ควรทำก่อนจุดตรึงนั้น

ตรึงข้อต่อก่อนมอเตอร์

1. เขียนลงไปว่าอัตราทดเป็นตัวแปรการออกแบบหรือเป็นค่าที่กำหนดมา หากเป็นค่าที่กำหนดมา เส้นทางผสานรวมก็ตัดสินใจไปแล้ว หากเป็นตัวแปร ตัวเลขแรงบิดไร้เฟรมใด ๆ ก็ไม่มีความหมายจนกว่าจะมีอัตราทดผูกไว้
2. กำหนดงบแบ็คแลชและสิ่งที่มันซื้อได้ การขับตรงไม่นำแบ็คแลชจากการประกบเฟืองเข้ามา ขั้นดาวเคราะห์ในช่วงนี้บันทึกไว้ 0.15 ถึง 0.22 และหน่วยของฟิลด์นั้นไม่สม่ำเสมอทั่วช่วงแอคชูเอเตอร์ที่กว้างกว่า โปรดยืนยันว่าเป็นลิปดาหรือองศา ที่แรงบิดเท่าใด กับผู้ผลิต
3. ตรึงข้อกำหนดแรงบิดต่อเนื่องเทียบกับกรณีการยึดท่า ไม่ใช่กรณีชั่วขณะ และเทียบกับแรงบิดพิกัด ตลอดระยะเวลาที่ยึดไว้ทั้งหมด

อะไรที่ย้ายกลับเข้ามาอยู่ฝั่งทีม

1. เขียนรายการทุกชิ้นส่วนที่ชุดไร้เฟรมไม่มี ทั้งชุดตลับลูกปืน encoder การประกอบเพลา เรือน เส้นทางความร้อน และไดรฟ์ แล้วตีราคาเวลาทางวิศวกรรม ไม่ใช่แค่ตัวชิ้นส่วน
2. ตรวจพื้นผิวติดตั้งของ stator เทียบกับพิกัดทางความร้อน ค่าพิกัดบนเอกสารข้อมูลตั้งอยู่บนสมมติฐานเรื่องเส้นทางความร้อนที่การออกแบบต้องจัดหาให้จริง
3. ตัดสินว่าใครรับผิดชอบความสมดุลของ rotor การปรับแนว encoder และพฤติกรรมของชุดประกอบที่อุณหภูมิต่าง ๆ แล้วเขียนลงในนิยามอินเทอร์เฟซ

ปิดช่องว่างของบันทึกกับผู้ผลิต

1. AKE60-8 KV80 และ AKE80-8 KV30 ไม่บันทึกค่ากำลังพิกัดเลย งบกำลังไฟต่อเนื่องสำหรับโมดูลปิดผนึกจึงต้องมาจากเอกสารข้อมูล ส่วน AK80-6 KV100 มีบันทึกไว้ที่ 340 W
2. ไม่มีมิติเพลา รู หรือเกลียวที่บันทึกไว้สำหรับซีรีส์ปิดผนึกในการเปรียบเทียบนี้ รูปแบบการขันสลักและแขนคานจึงสรุปจากบันทึกเพียงอย่างเดียวไม่ได้
3. RI80 V2.0 KV75 บันทึกกระแสสูงสุด 27.6 A และกระแสพิกัด 9.4 A ช่วงเวลาภาระงานเบื้องหลังตัวเลขกระแสสูงสุดควรยืนยันกับข้อกำหนดของผู้ผลิตก่อนกำหนดขนาดขั้นกำลังจากค่านั้น

คำถามที่พบบ่อย

แหล่งข้อมูลทางการ

CubeMars เผยแพร่หน้าข้อกำหนดสำหรับมอเตอร์และโมดูลแต่ละรุ่น และหน้าเหล่านั้น ไม่ใช่บทสรุปจากบุคคลที่สาม คือเอกสารอ้างอิงสำหรับพิกัดทางความร้อน รายละเอียดการป้อนกลับ แบบแปลนเชิงกล และเฟิร์มแวร์ปัจจุบัน หน้าผู้ผลิตสำหรับหน่วยที่กล่าวถึงในที่นี้คือ RI50 KV100 RI80 V2.0 KV75 และ RO100 KV55 ในฝั่งไร้เฟรม และ AKE60-8 KV80 AK80-6 KV100 และ AKE80-8 KV30 ในฝั่งปิดผนึก ในจุดที่บันทึกของ ToBMS เงียบ ได้แก่ กำลังพิกัด มิติอินเทอร์เฟซ ข้อกำหนดการป้อนกลับ และหน่วยของแบ็คแลช หน้าเหล่านั้นหรือเอกสารข้อมูลที่เกี่ยวข้องคือจุดที่ใช้ปิดช่องว่างนั้น

ไปต่อที่ไหน

หากต้องการก้าวจากการอ่านไปสู่รายการคัดเลือกสั้น ๆ เครื่องมือสามอย่างทำงานตามลำดับ ชุดไร้เฟรมอยู่ในหมวด มอเตอร์แรงบิดไร้เฟรม ส่วนหน่วยปิดผนึกอยู่ใน แอคชูเอเตอร์หุ่นยนต์ และ แอคชูเอเตอร์ QDD ตัวเลือกสามารถกรองตามแรงบิด แรงดัน และมวลได้ใน การเลือก และหน่วยที่เลือกไว้สามารถนำมาเทียบกันได้ใน เปรียบเทียบผลิตภัณฑ์

คู่มือ ToBMS สี่ฉบับแตกแขนงออกไปจากตรงนี้ มอเตอร์แรงบิดไร้เฟรม: การเลือกชุด stator และ rotor สำหรับข้อต่อหุ่นยนต์ ครอบคลุมช่วง stator และ rotor ทั้งหมด แอคชูเอเตอร์โครงกระดูกภายนอก: แอคชูเอเตอร์ QDD CubeMars สามรุ่นตั้งแต่ 260 g ถึง 1.4 kg พาเส้นทางอัตราทดต่ำแบบปิดผนึกผ่านสะโพก เข่า และข้อเท้า แอคชูเอเตอร์ QDD: สิ่งที่อัตราทด 8:1 มอบให้ อธิบายว่าขั้นลดรอบเองเปลี่ยนอะไร และ วิธีเลือกโมดูลข้อต่อ: แอคชูเอเตอร์ CubeMars ห้ารุ่นตั้งแต่ 190 g ถึง 1.4 kg ครอบคลุมตระกูลปิดผนึกที่กว้างกว่ารอบ ๆ หน่วยเหล่านี้ สำหรับการเปรียบเทียบที่เกินกว่าช่วงเดียว มอเตอร์ BLDC สำหรับหุ่นยนต์โครงกระดูกภายนอก รวบรวมรายการที่บันทึกไว้ทั่วทั้งช่วงผลิตภัณฑ์

เวอร์ชันสั้น ตัดสินก่อนว่าอัตราทดเป็นค่าที่กำหนดมาหรือเป็นตัวแปร เพราะคำตอบเดียวนี้เลือกเส้นทาง หากเป็นค่าที่กำหนดมา แอคชูเอเตอร์แบบผสานรวมตัดสินใจไปแล้ว และงานที่เหลือคือจัดแขนขาให้เข้ากับโครงขนาด แบ็คแลช และการลดพิกัดทางความร้อนของมัน หากเป็นตัวแปร ให้เทียบเฉพาะตัวเลขฝั่งมอเตอร์กับตัวเลขฝั่งมอเตอร์ เติมอัตราทดให้ทั้งสองฝั่งก่อนเทียบแรงบิด และนับชุดตลับลูกปืน encoder และไดรฟ์เป็นส่วนหนึ่งของต้นทุนตัวเลือกไร้เฟรม