İnsansı Robot için BLDC Motorlar: Tork, Hız ve Boyut Nasıl Eşleştirilir

Bir insansı robot, gövdedeki her tahrikli ekleme dağılmış bir tork problemidir ve bu eklemlerin her birini tanımlayan üç sayı - tutması gereken tork miktarı, ne kadar hızlı hareket etmesi gerektiği ve uzvun taşıyabileceği kütle - birbirinden bağımsız değildir. Biri değiştirildiğinde diğer ikisi onu izler. Bu nedenle bir insansı robot için BLDC motor seçmek, sırayla her eklem için üç eğrinin kesiştiği noktayı bulmak ve ardından yayımlanan kaydın gerçekten seçilen noktayı destekleyip desteklemediğini kontrol etmek anlamına gelir. Sıralama yanlış kurulursa makine ya ayağa kalkamaz ya da kendi ayaklarını kaldıramaz.

Hızlı yanıt

Üç büyüklük iki değişkenle birbirine bağlıdır: motor ile eklem arasındaki redüksiyon oranı ve motorun çalıştığı veri yolu gerilimi. 6:1 gibi düşük bir oran eklemi hızlı ve geri tahrik edilebilir tutar ancak işe yarar tork üretmek için büyük bir motor gerektirir; 64:1 gibi yüksek bir oran küçük bir motordan büyük tork üretir ancak hızdan ve eklemin dış bir yük tarafından itilebilme yeteneğinin büyük bölümünden vazgeçer. Oran, eklemin görevine göre seçilir; kütle orandan ve torktan çıkar; yayımlanan tepe tork ise çalışma değeri olarak kullanılmaması gereken kısa pencereli bir iddiadır.

ToBMS'te İnsansı Robot uygulaması, insansı eklemlere hizmet eden CubeMars entegre aktüatörlerini bir araya getirir: 10:1 kademeli 262 g'lık bir üniteden 222 Nm yayımlanmış tepe torklu 1396 g'lık içi boş milli üniteye kadar. Bu rehber, tork, hız ve boyutun eklem eklem nasıl eşleştirildiğini ortaya koyar ve bu ünitelerden sekizini tek bir spesifikasyon kümesi olarak okur.

Bir İnsansı Eklem Neden Tork, Hız ve Boyut Arasında Bir Ödünleşimdir

Bir insansı platform, yapısı ile taşıdığı yükün aynı nesne olması bakımından diğer makinelerden ayrılır. Endüstriyel bir kol sabitlenmiştir, baklaları yalnızca kendi eylemsizliğini ve takımı taşımak zorundadır ve tabanı müşterinin tolere edebileceği kadar ağır yapılabilir. Bir insansı robot ise aktüatörlerini, bataryasını ve elektroniğini işi yapan uzuvların üzerinde taşımak zorundadır ve bu uzuvlar dengeyi sağlayacak kadar hassas hareket ettirilmelidir. Dize eklenen her gram, kalçanın sallaması gereken bir gramdır; kalçaya eklenen her gram ise ayak bileğinin telafi etmesi gereken bir gramdır.

Görev, herhangi bir model numarasından önce gelir

Bir eklem spesifikasyonundaki ilk sayı bir tork değildir. Eklemin bir çevrim boyunca ne yaptığının tanımıdır: statik bir yükü ne kadar süre tuttuğu, yerçekimine karşı ne kadar süre hareket ettiği, ne sıklıkla hızlandığı ve bu sürenin ne kadarını yük altında düşük hızda geçirdiği. Ayakta duran bir kalça, vücut kütlesinin bir bölümünü neredeyse hiç hareket etmeden dakikalarca tutar. Yürüyen bir diz, bir darbeyi birkaç on milisaniye içinde soğurur ve ardından serbestçe sallanır. Bir kavrama görevindeki dirsek, bir vardiyanın çoğunu bir takımı neredeyse sabit bir açıda tutarak geçirebilir. Bunlar birbirinden farklı üç termal ve elektromanyetik problemdir ve tork-hız düzleminde farklı noktalarla çözülürler.

Destek fazı ile salınım fazı eğrinin zıt uçlarını ister

Bir bacak eklemi iki görev arasında gidip gelir. Destek fazında eklem, vücut ağırlığını aşabilecek bir yük altında neredeyse hareketsizdir; bu, neredeyse hiç hız bileşeni olmayan bir tork gereksinimidir. Salınım fazında aynı eklem, neredeyse yüksüz olarak büyük bir açıyı hızla katetmek zorundadır; bu da neredeyse hiç tork bileşeni olmayan bir hız gereksinimidir. Tek bir motor her ikisini de karşılamak zorundadır ve ödünleşimin nasıl bölüneceğine redüksiyon oranı karar verir. Yüksek oran destek fazına hizmet eder ve salınım fazını cezalandırır; düşük oran bunun tersini yapar. İki ayaklı bir makinenin bacak eklemlerini sabit bir endüstriyel koldaki benzer bir eksene kıyasla tanımlamayı zorlaştıran şey herhangi bir tek değer değil, bu değişimdir; yeni bir platformun insansı robot eklemleri aktüatör sınıfları arasında bölünürken ilk bakılacak şey de budur.

Kontrol döngüsünün gerçekte mücadele ettiği şey yansıyan eylemsizliktir

Motor ile eklem çıkışı arasında redüktör yer alır ve redüktör, çıkışa doğru rotorun eylemsizliğini oranın karesine böler. Bu nedenle yüksek bir oran, denetleyiciye eklemde çok küçük bir görünür eylemsizlik sunar; bu da konum kontrolünü kolay, kuvvet kontrolünü zor kılar çünkü eklem artık neye karşı bastığını ayırt edemez. Düşük bir oran rotor eylemsizliğinin daha fazlasını çıkışa yansıtır; bu, eklemin dünyayı hissetmesini ve öngörülebilir biçimde geri tahrik edilmesini sağlar ve bir robotun bilinmeyen nesnelerle ya da bir insanla temas kurması gereken yerlerde 8:1 veya 9:1 kademeli yarı doğrudan tahrik eklemlerinin kullanılmasının nedenidir. Torku ve hızı belirleyen aynı oran bu davranışı da belirler; dolayısıyla yazılımda sonradan düzeltilebilecek bir mekanik ayrıntı değildir.

Denge kurtarma, nominal pencerenin kapsaması gereken bir geçici durumdur

İki ayaklı denge, bir bozulmadan sonra saniyenin çok küçük bir kesri içinde uygulanan düzeltici torklarla korunur ve bu düzeltmelerin büyüklüğü hareketsiz durmak için gereken torkun birkaç katı olabilir. Bir eklemin yayımlanmış tepe torkunun kapsaması gereken geçici durum budur ve güncel ToBMS aktüatör setinde tepe değerin nominal değere oranı bazı modellerde kabaca üç kata ulaşmasının nedeni de budur. Yalnızca statik yüküne göre tanımlanmış bir eklem, ayakta duruşu korur ama ardından bir itmeye karşı toparlanamaz; bu da bir insansı platformda kaçırılan bir çevrim değil, bir düşüştür.

Redüksiyon Oranı Hızı Torka Nasıl Çevirir

Redüksiyon oranı, bir insansı eklem spesifikasyonundaki en yararlı tek sayıdır çünkü motor tarafındaki her büyüklüğü eklem tarafına sabit bir biçimde eşler. Oran bilindiğinde eklemin hızı motorun hızının ona bölümü, torku ise motorun torkunun onunla çarpımıdır ve ikisi için yayımlanan değerler birbirine karşı kontrol edilebilir.

Eklem hızı, motor hızının orana bölümüdür

Entegre bir aktüatör için verilen her hız bir çıkış hızıdır; yani eklemin gördüğü değerdir. 6:1 kademeli 485 g'lık AK80-6 KV100 yüksüz durumda 800 rpm yayımlar; 64:1 kademeli 850 g'lık AK80-64 ise 24 V veri yolunda 37 rpm yayımlar - bu, motor kalitesindeki bir farktan değil orandaki bir farktan kaynaklanan, çıkış hızında yaklaşık yirmi iki katlık bir farktır. Bir eklem için dakikadaki devir elverişsiz bir birimdir, bu yüzden çevirmeye değer: 1 rpm saniyede 6 derecedir; bu da 800 rpm'lik üniteyi yüksüz durumda saniyede 4800 derecelik, 64:1 ünitesini ise aynı noktada saniyede 222 derecelik bir eklem yapar. 300 ms'de 60 derece sallanması gereken bir kalça, saniyede 200 derece sürekli çıkış ister ve bu tek gereksinim herhangi bir aktüatör yelpazesinin yüksek oranlı ucunun büyük bir bölümünü eler.

Tork aynı oranla çarpılır, dişli sisteminin aldığı kadarı düşülür

Çarpma gerçektir ama bedava değildir. 6:1'lik bir kademe motordaki 6 Nm'ı, sürtünme ve dişli kavrama kayıpları düşüldükten sonra eklemde kabaca 36 Nm'a çevirir; 64:1'lik bir kademe ise aynı aritmetikle 0.75 Nm'ı kabaca 48 Nm'a çevirir. Bir yelpazedeki en ağır ünitelerin otomatik olarak en güçlüler olmamasının nedeni budur: 750 g'lık AK60-39 V3.0, 39:1'lik bir kademe üzerinden 72 Nm tepe tork yayımlar; 850 g'lık AK80-64 ise 64:1'lik bir kademe üzerinden 120 Nm yayımlar; yani 100 g'lık bir kütle farkı yüzde 67'lik bir tork avantajı satın alır çünkü işi oran yapmaktadır. Oran aynı zamanda verim cezasını da belirler; çünkü eklenen her redüksiyon kademesi, içinden geçen gücün küçük bir yüzdesini alır ve boşluğa kendi katkısını ekler.

KV ile veri yolu geriliminin çarpımı motor tarafındaki hızı belirler

KV motor tarafındaki sabittir: redüktörden önce, uygulanan her volt veri yolu gerilimi başına rotorun döndüğü hızdır. KV'yi veri yolu gerilimiyle çarpıp orana bölmek, çıkış yüksüz hızı için bir tahmin verir ve bu tahmin, kayıt üzerinde bir aritmetik çapraz kontrol olarak yayımlanan değere karşı kontrol edilebilir. 24 V'ta 10:1 üzerinden çalışan AK45-10 V3.0 KV75 için 75'in 24 ile çarpılıp 10'a bölünmesi, yayımlanan 180 rpm'a karşı 180 rpm verir. 24 V'ta 6:1 üzerinden AK60-6 V1.1 KV140 için tahmin, yayımlanan 560 rpm'a karşı 560 rpm'dir; 48 V'ta 6:1 üzerinden AK80-6 KV100 için 800 rpm'a karşı 800 rpm'dir; ve her ikisi de 48 V'ta 9:1 üzerinden çalışan AK70-9 V3.0 KV60 ile AK10-9 V3.0 KV60 için her iki durumda da 320 rpm'a karşı 320 rpm'dir. Bu örtüşme evrensel değildir - 48 V'ta 48:1 üzerinden AKH70-48 V1.0 KV41, yayımlanan 35 rpm'a karşı 41 rpm tahmin eder - ki bu tam da, tasarımda esas alınması gereken sayının KV'den türetilen bir değer değil yayımlanmış çıkış hızı olduğunun nedenidir.

Yüksek oran tork satın alır ve geri tahrik edilebilirliği harcar

Oran yükseldikçe bir ekleme karşı çalışan iki etki vardır. Birincisi, çıkıştaki yansıyan eylemsizliğin oranın karesiyle düşmesidir; böylece ekleme komut vermek kolaylaşır ve onu hissetmek zorlaşır. İkincisi sürtünmedir: çok kademeli bir redüktör, çıkış tarafından uygulanan torka direnç gösterir ve yüksek oranlarda bu direnç, bir kişi ya da bir yüzey eklemi ittiğinde eklem artık hareket etmeyecek kadar büyük olabilir. Bu kümede düşük oranlı üniteler 6:1, 9:1 ve 10:1 oranlarını yayımlarken yük taşıyan üniteler 39:1, 48:1 ve 64:1'de çalışır ve bu iki grup arasındaki ayrım, eklemin uyumlu temas mı kuracağı yoksa büyük bir yükü sessizce mi tutacağı sorusunu izler. Boşluk ise eşlik eden spesifikasyondur ve ters yönde hareket eder: bu kümedeki üniteler 0.18 ile 0.55° arasında değerler yayımlar ve sıkı bir boşluk değeriyle birlikte düşük bir oran, bir ekleme el basıncı altında rijit hissedip yine de itilebilme özelliğini veren bileşimdir.

Torku Eşleştirmek: Nominal, Tepe ve Her Birinin Ardındaki Pencere

Tork, çoğu insansı eklem kararının ilk verildiği ve çoğunun ilk kez yanlış verildiği eksendir. Bir üreticinin kaydında üç ayrı sayı görünür ve bunlar üç farklı soruyu yanıtlar.

Tepe tork bir yetenek değil, bir penceredir

Tepe tork, aktüatörün kısa bir aralıkta - tipik olarak bir uzvu hızlandırmak ya da bir bozulmayı durdurmak için gereken sürede - sürücünün akım sınırını aşmadan ve hiçbir şeyi demanyetize etmeden ne üretebileceğini tanımlar. Bir denge kurtarma olayı veya bir kaldırmanın ilk anı için doğru değerdir; yinelenmesi gereken her şey için ise yanlış değerdir. Bu kümede tepe/nominal oranı AK80-6'da 2.0'dan AK70-9 V3.0'da 3.4'e kadar gider; yani aynı nominal torka sahip iki aktüatör, verecekleri geçici durumda yarıdan fazla farklılık gösterebilir. Yalnızca tepe sütununu okumak bu farkı ortadan kaldırır ve sürekli hizmette aşırı ısınacak bir kısa liste üretir.

Nominal tork, sargının termal yoluyla sınırlıdır

Nominal tork bir termal ifadedir. Aktüatörün, sargı yalıtım sınıfı içinde kalarak süresiz tutabileceği torktur ve bu nedenle ısının statordan nasıl ayrıldığına bağlıdır - gövde üzerinden, montaj yapısına ve eklemin kendi muhafazasından uzağa. Aynı motor için nominal değerin küçük ve sızdırmaz bir gövdede büyük bir gövdeye kıyasla daha düşük olmasının ve bir kolun ucundaki bir eklemin nominal torkunun, arkasında büyük bir termal kütle bulunan bir kalça braketine cıvatalanmış aynı eklemden farklı bir mesele olmasının nedeni budur. Bu kümedeki nominal değerler 262 g'lık uçtaki 2.5 Nm'dan 1396 g'lık uçtaki 74 Nm'a kadar gider ve karşılaştırılması gereken sayı, eklemin en kötü durumuna değil ortalama yüküne karşı olan nominal değerdir. Burada döngüyü sık sık kapatan bir aritmetik kontrol, nominal torkun saniyedeki radyan cinsinden nominal hızla çarpımının yayımlanan nominal güce karşı kontrol edilmesidir: AK60-6 V1.1, 420 rpm'de 3 Nm için 132 W verirken yayımlanan değer 130 W'tır; AK70-9 V3.0, 231 W'a karşı 231 W; AK60-39 V3.0, 176 W'a karşı 176 W; ve AK10-9 V3.0, 443 W'a karşı 442 W verir. İkisi birbirini tutmadığında fark genellikle hızın hangi veri yolu geriliminde verildiğine kadar izlenebilir.

Durur hâlde tutma torku bir akım meselesidir

Yük altında hareketsiz duran bir eklem, sargının bakış açısından sıfır iş yapmıyor demektir. Sürücü, konumu tutmak için fazlara akım basmak zorundadır ve bunun sonucundaki bakır kaybı, eklem yavaşça hareket ediyormuş gibi aynıdır. Bu nedenle ayakta duran bir insansı, duruştaki her yüklü eklemin tutma torkuyla ölçeklenen bir duruş güç çekişine sahiptir ve önemli olan değer, nominal çalışma noktasındaki akımdır: bu kümede nominal akım, 24 V'ta AK45-10 V3.0'daki 1.9 A'dan 48 V'ta AK10-9 V3.0'daki 10.7 A'ya kadar gider. Bataryayla çalışan bir platformda bu çekiş dayanıklılıktan karşılanır ve mekanik bir dayanakla tutulabilen bir duruşun tasarlanmaya değer olmasının nedeni budur.

Tork yoğunluğunun eklemin taşımak zorunda olduğu kütleye göre okunması

Tork yoğunluğu, tork eksenini boyut eksenine bağlayan değerdir ve ancak hem kütleyi hem de hangi torkun kullanıldığını belirttiğinde anlamlıdır. Aşağıdaki sekiz ünite genelinde yayımlanmış kilogram başına tepe tork, 368 g'lık AK60-6 V1.1'de yaklaşık 24.5 Nm/kg'dan 1396 g'lık AKH70-48 V1.0'da yaklaşık 159 Nm/kg'a kadar değişir; kilogram başına nominal tork ise aynı iki ünitede yaklaşık 8.2 Nm/kg ile yaklaşık 53 Nm/kg arasında gider. İkisi de kayıtlı değerlerden yapılan aritmetiktir. Geniş aralık, üretim kalitesinin bir tesadüfü değildir: oranın yaptığı şeydir; çünkü yüksek oranlı üniteler torklarını daha hızlı dönen daha küçük bir motordan üretir ve ek redüktör kütlesi, küçük motorun tasarruf ettiği kütleye kıyasla küçüktür.

Hızı Rotorda Değil Eklemde Eşleştirmek

Bir insansı robotta hız gereksinimleri genellikle belirli bir sürede kat edilecek bir açı olarak ifade edilir ve ilk seferde nadiren doğru ifade edilir. Bir eklem gereksiniminden aktüatör spesifikasyonuna dönüşüm orandan geçer ve oran tork nedenleriyle seçildiği için iki kısıt sırayla değil birlikte çözülmelidir.

Bacağın hız gereksinimini salınım fazı belirler

Yürüyen bir bacak, ayağı diz açısı boyunca kabaca 60 ila 90 derecelik bir aralıkta 300 ila 400 ms içinde ileri getirmek zorundadır; bu, salınım sırasında saniyede 150 ila 300 derece sürekli eklem hızı ister ve tüm yürüyüş döngüsü boyunca bundan biraz daha azını ister. Aşağıdaki sekiz ünitede bu bant, 6:1 ve 9:1 oranlarındaki 485 g ve 540 g sınıfı tarafından karşılanır; bu sınıfın yayımlanmış nominal hızları 603 rpm ve 260 rpm olup sırasıyla yaklaşık 3618 ve 1560 dereceye karşılık gelir - geniş bir pay, ki eklemin hız döngüsünün sabit bir hızda çalışmak yerine salınım içinde hızlanıp yavaşlamasına izin veren de budur. Yüksek oranlı üniteler bacaklardan dışlanmaz ancak eklemin yere yakın olduğu ve yük yoluna salınımdan çok desteğin hâkim olduğu yerlerde kullanılırlar.

İzleme ve erişme, kolun hız gereksinimini belirler

Bir kolun hız gereksinimi, izlemek zorunda olduğu yörünge tarafından belirlenir; tek bir hareket tarafından değil. Kavrama görevleri - bir noktaya erişme, bir yüzeyi izleme, atılan bir nesneyi yakalama - sürekli konum ve hız izleme gerektirir ve ilgili değer, eklemin ucundaki yüksüz hızı değil aralığının ortası boyunca ivmelenme kabiliyetidir. Kollar kütle konusunda bacaklara göre daha bağışlayıcıdır çünkü omuz dirseği ve el bileğini taşır ama tüm zincirin her adımda yerçekimine karşı hızlandırılması gerekmez. Bu bileşim, bir aralığın ortasını kol spesifikasyonu için makul bir başlangıç noktası yapar: bu kümede 9:1 oranındaki 540 g'lık AK70-9 V3.0, 260 rpm nominal ve 29.2 Nm tepe tork sunar; bu da kompakt bir gövdede bir dirseği ya da bir omuz pitch eksenini karşılar.

Yüksüz hız, döngünün nadiren ulaştığı bir tavandır

Yayımlanan yüksüz hız, veri yolu geriliminde yüksüz ve denetleyici müdahalesi olmadan elde edilen çıkış hızıdır. Gerçek bir eklem bu noktaya ulaşmaz; çünkü herhangi bir şeyi tutması ya da hızlandırması gerektiği anda çalışma noktası tork-hız doğrusu boyunca geri kayar ve hız döngüsü komutu sınırlar. Yüksüz değerin pratik kullanımı, gereken hızın uygulanabilirliği kontrol edilirken bir üst sınır olmasıdır: saniyede 200 derecelik bir eklem gereksinimi, saniyede 4800 derecelik bir tavanın rahatça içinde ve saniyede 222 derecelik bir tavana rahatsız edecek kadar yakındır. Gereksinim tavana yakın oturduğunda eklem ömrünü yüksek akımda geçirir ve termal sonuç bir dipnotta değil görev hesabında yer almalıdır.

Boyutu Eşleştirmek: Gövde Ölçüsü, Delik ve Distal Kütlenin Maliyeti

Boyut, bir insansı robot platformunun kinematiğinin belirlediği eksendir ve en az ödünleşimin mümkün olduğu eksendir. İki bakla arasındaki boşluğa sığmayan bir aktüatör, ne kadar ayar yapılsa da sığdırılamaz ve zincirde yanlış yere konmuş çok ağır bir aktüatör, yalnızca kütle bütçesini değil makinenin dinamiğini değiştirir.

Distal kütle, üstündeki her eklemde yeniden ücretlendirilir

Ayaktaki bir gram, her salınımda ayak bileği, diz ve kalça tarafından hızlandırılır; bu yüzden maliyeti adım başına üç kez ödenir. Kalçadaki aynı gram ise bir kez ödenir. İşi yapabilecek en küçük ve en hafif üniteyi distal uca koymak ve kütleyi en büyük torkları üretmesi gereken eklemlere ayırmak için öne sürülen gerekçe budur ve bu, kümenin yerleşiminde görülebilir: 262 g ve 368 g üniteler el bileği, el ve ayak bileği işleri için 2.5 Nm ve 3 Nm nominal tork taşırken 940 g ve 1396 g üniteler kalça ve dizler için 18 Nm ve 74 Nm nominal tork taşır. Bu düzenin ters çevrilmesi - pay için distal bir ekleme büyük bir aktüatör konması - proksimal eklemleri makinenin ömrünün geri kalanında daha çok çalıştırır.

Uzuv içindeki kablo delikleri ve kablo demeti ömrü

Bir insansı eklem döner ve bu dönüşü katetmesi gereken her şey - güç, sensör kablolaması, bazen sıvı ya da hava - ya bir kayar halkadan, ya milyonlarca esneme çevrimine dayanması gereken bir servis döngüsünden, ya da aktüatörün kendisinden geçer. 1396 g'lık AKH70-48 V1.0 KV41, içi boş milli bir planet aktüatördür; bu, kablo güzergâhının eklemin çevresinden değil merkezinden geçtiği anlamına gelir ve servis döngüsünü tamamen eklemin gövde ölçüsünden çıkarır. Bir deliğin mevcut olmadığı yerlerde döngü, bükülme yarıçapı ve çevrim ömrü için tasarlanmalıdır; bunları makinenin amaçlanan hizmetine karşı kontrol etmeye değer. Bu nedenle aşağıdaki tablodaki gövde ölçüsü sütunu yalnızca sığdırılacak bir çap değildir; içi boş milli ünitenin 90 mm çapı ve 81.5 mm uzunluğu ancak içinden geçen delikle birlikte anlam taşır.

Çap sınıfları, paket yüksekliği ve bir gövdenin alabileceği düzen

Entegre aktüatörler, redüktör ile motor aynı ekseni paylaştığı için çap sınıflarında toplanır. Bu kümede çaplar 53 mm, 79 mm, 89 mm, 90 mm ve 98 mm'dir; uzunluklar ise 38.5 mm'den 81.5 mm'ye kadar gider. Çap genellikle daha zor kısıttır çünkü bir baklanın kesitini yükü taşıması gereken yapı belirler; uzunluk ise sıklıkla baklanın kendi uzunluğuna yedirilebilir. Bir uyluğun içinde yer alması gereken bir eklem ince ve geniş bir paket ister; bir kalça braketinin dışında duran bir eklem ise daha uzun bir paketi alabilir. Montaj arayüzü de boyut kadar önemlidir: bir ucunda bir plakaya cıvatalanan ve diğer ucunda bir baklayı tahrik eden bir aktüatör, kendi gövdesi üzerinden bir yük yolu dayatır ve gövdenin rijitliği böylece eklemin rijitliğinin bir parçası hâline gelir; bu da makinenin yürümenin darbeleri altında nasıl davrandığını belirler.

İnsansı Eklemler için Sekiz CubeMars Aktüatörü, Tek Bir Spesifikasyon Kümesi Olarak

Aşağıdaki tablo, sekiz CubeMars robotik aktüatörünü tek bir spesifikasyon kümesi olarak okur; yayımlanmış kütleye göre sıralanmıştır çünkü kütle, bir insansı platformun üzerine mühendislik yapıldığı eksendir ve bu sekiz üniteye yayılan oran aralığı, 262 g'lık distal bir modülden 1396 g'lık içi boş milli ekleme kadar tüm tork-hız ödünleşimini kapsar. Her değer üreticinin yayımlanmış değeridir; metindeki her türetilmiş değer aritmetik olarak etiketlenmiştir.

Üretici tarafından yayımlandığı şekilde nominal ve tepe tork, besleme gerilimi, redüksiyon oranı, kütle ve gövde ölçüsü. Nominal tork, aktüatörün termal sınırları içindeki sürekli değerdir; tepe tork ise kısa pencereli bir değerdir. AKH70-48 V1.0 içi boş milli bir ünitedir, bu nedenle gövde ölçüsü eksenden geçen bir kablo deliğiyle birlikte verilmiştir.

Tek bir küme olarak okunduğunda, sekiz ünite 262 g ile 1396 g'lık bir kütle aralığında 7 Nm ile 222 Nm yayımlanmış tepe tork arasında bir tork merdiveni tanımlar ve merdivenin şekli kütle sıralamasıyla aynı değildir. 540 g noktasının üzerinde sıralama kütleyi izlemeyi bırakır: 750 g'lık AK60-39 V3.0'un 72 Nm'ı yerini 850 g'lık AK80-64'ün 120 Nm'ına bırakır ve ardından 850 g'lık ünite, 64:1'lik kademesi 9:1'e karşı hızdan vazgeçtiği için daha ağır olan 940 g'lık AK10-9 V3.0'dan daha fazla tork üretir. Tabloyu yalnızca kütleye göre okuyan herkes yanlış üniteyi seçer; oran sütunu tork sütunlarıyla birlikte okunmalıdır.

Tork yoğunluğu aynı noktayı tek bir sayıyla anlatır. Kayıtlı iki sütundan aritmetikle elde edilen yayımlanmış kilogram başına tepe tork, 368 g'lık ünitede yaklaşık 24.5 Nm/kg ve 485 g'lık ünitede yaklaşık 24.7 Nm/kg'dan, 850 g'lık ünitede yaklaşık 141 Nm/kg ve 1396 g'lık ünitede yaklaşık 159 Nm/kg'a kadar gider. Altı katlık aralık, işi oranın yapmasıdır: yüksek oranlı üniteler torklarını küçük ve hızlı bir motordan üretir ve bunun bedelini çıkış hızıyla öderken düşük oranlı üniteler torku doğrudan üretir ve hızlarını korur. Kilogram başına nominal tork aynı hikâyeyi daha dar bir aralıkta anlatır; 368 g'lık uçta yaklaşık 8.2 Nm/kg'dan içi boş milli uçta yaklaşık 53 Nm/kg'a kadar ve eklem bir yükü milisaniyeler boyunca değil de dakikalarca tutacaksa iki değerden daha yararlı olanı budur.

Oran yükseldikçe hız düşer ve bu düşüş, devir yerine derece cinsinden ifade etmeye değer biçimde gerçekleşir. Yayımlanmış yüksüz ve nominal çıkış hızları rpm başına saniyede 6 dereceyle çevrildiğinde, sekiz ünite 6:1 ucunda yaklaşık saniyede 4800 derece yüksüz çıkış hızından 64:1 ucunda saniyede 222 dereceye kadar uzanır; nominal hızlar ise aynı ünitelerde yaklaşık saniyede 3618 dereceden yaklaşık saniyede 138 dereceye kadar iner. 300 ms'de 60 derece sallanması gereken bir kalça saniyede 200 derece ister; bu, tablonun düşük oranlı yarısının içinde ve yüksek oranlı yarısının tavanına yakındır. Model seçilmeden önce yapılan bu karşılaştırma, bir tasarımı yavaş bir bacağı açıklamak zorunda kalma konumundan uzak tutan şeydir.

Sekizini Ayak Bileğinden Kalçaya Doğru Okumak

Bir insansı platformun eklemleri, el bilekleri ve ayak bileklerindeki distal eksenlerden kalça ve dize uzanan bir zincir oluşturur ve gereksinim bu zincir boyunca tek yönlü hareket eder: tork artar, hız düşer ve karşılanabilecek kütle, eklemin yerden uzaklığıyla birlikte artar. Aşağıdaki sekiz ünite bu zincire dört grupta oturur.

262 g ve 368 g ucu: el bileği, el ve ayak bileği eksenleri

Bu kümedeki en küçük üniteler düşük torklu, orta hızlı görevleri taşır. AK45-10 V3.0 KV75, 53 mm çapında ve 45.2 mm uzunluğundaki bir gövdede 262 g ağırlığındadır; 24 V veri yolunda 2.5 Nm nominal ve 7 Nm tepe tork için 10:1'lik bir kademeyi çevirir ve 0.3° boşlukla 120 rpm nominal ve 180 rpm yüksüz çıkış hızı yayımlar. Yayımlanmış nominal gücü 39 W ve nominal akımı 1.9 A'dır; bu da küçük bir distal baklaya giden kablolamayı basit tutar. AK60-6 V1.1 KV140 ise 6:1'lik bir kademe üzerinden 3 Nm nominal ve 9 Nm tepe için 79 mm çapa ve 368 g'a geçer ve 24 V'taki KV140 motoru 420 rpm nominal ve 560 rpm yüksüz üretir; bu, yüksüz durumda yaklaşık saniyede 3360 dereceyle bu gruptaki en hızlı çıkıştır. Bu bileşim - düşük oran, ölçülü tork, yüksek çıkış hızı - bir ayağın altında hızla yeniden konumlanması gereken bir ayak bileğine ya da küçük ve hızlı düzeltmeler yapması gereken bir el bileğine uyan bileşimdir. 0.55°'lik boşluk değeri bu grupta yayımlanan en gevşek değerdir; bu da hızlı bir motorla birlikte düşük bir oranın beklenen sonucudur.

485 g ve 540 g ortası: dirsek izleme ve hızlı dizler

Kümenin ortası, kolun ve daha hızlı bacak eklemlerinin bulunduğu yerdir. AK80-6 KV100, 98 mm çapında ve 38.5 mm uzunluğunda 485 g'lık bir ünitedir; 48 V veri yolunda 6:1 oranında 6 Nm nominal ve 12 Nm tepe tork üretir; 603 rpm nominal ve 800 rpm yüksüz çıkışa ve yayımlanmış 340 W nominal güce sahiptir. 2.0'lık tepe/nominal oranı kümedeki en sıkı orandır; bu da onu görev geçici durumdan çok sürekliliğe yakın olduğunda seçilecek ünite yapar. AK70-9 V3.0 KV60 ise aynı fikrin oranda bir basamak yukarısıdır: 89 mm çapında ve 49 mm uzunluğunda bir gövdede 540 g, 9:1'lik bir kademe, 48 V'ta 8.5 Nm nominal ve 29.2 Nm tepe tork, 260 rpm nominal ve 320 rpm yüksüz, 231 W nominal güç ve 0.3° boşluk. 3.4'lük tepe/nominal katı kümedeki en geniş olandır; bu yüzden tasarım durumunun geçici durum ve sürekli yükün ölçülü olduğu yerlerde daha uygun ünitedir. Her iki ünitenin de belgelenmiş kullanımları vardır: üretici, bir araştırma platformundaki AK80-6 için aşağıya gömülü bir vaka çalışması yayımlamıştır.

750 g ve 940 g sınıfı: kalçalar, dizler ve tek destek yükü

Makineyi taşıyan sınıf budur. AK60-39 V3.0 KV80, 79 mm çapında ve 67 mm uzunluğundaki bir gövdede 750 g'lık bir ünitedir ve 39:1'lik kademesini 48 V'ta 24 Nm nominal ve 72 Nm tepe torka çevirir; 70 rpm nominal ve 98 rpm yüksüz çıkış, 176 W nominal güç ve 0.25° boşlukla. AK10-9 V3.0 KV60 ise 98 mm çapında ve 61.7 mm uzunluğundaki bir gövdede 940 g ağırlığındadır ve 9:1'lik bir kademeyi çift enkoder düzeniyle eşleştirerek 48 V'ta 18 Nm nominal ve 53 Nm tepe tork verir; 235 rpm nominal ve 320 rpm yüksüz çıkışa ve 10.7 A nominal akımda yayımlanmış 442 W nominal güce sahiptir. İki ünite aynı savı zıt yönlerden ortaya koyar: 39:1'lik ünite torkunu oranla satın alır ve çıkış hızından vazgeçer; 9:1'lik ünite ise hızını korur ve torku üretmek için daha büyük bir motora ihtiyaç duyar. Tek destek yükünü tutup ardından hızla uzanması gereken bir kalça ikinci düzeni destekler; yere yakın olan ve nadiren hızlı hareket etmesi gereken bir diz ise birinciyi destekler. 39:1'lik ünite için boşluk 0.25° olarak yayımlanmıştır; bu kümedeki 9:1'lik ünitenin kaydı bir boşluk değeri taşımaz ve bu boşluk bir varsayımda değil üreticiye sorulacak sorular kümesinde yer almalıdır.

48:1 ve 64:1'deki ağır uç: hızın bilerek harcandığı yer

Tabloda en üst sıra, çıkış hızının tasarımcının feda etmeye razı olduğu bir terim olduğu eklemler içindir. AK80-64 KV80, 98 mm çapında ve 61.9 mm uzunluğundaki bir gövdede 850 g ağırlığındadır ve 64:1'lik bir kademe üzerinden 48 Nm nominal ve 120 Nm tepe tork üretir; 24 V ya da 48 V kabul eder; yayımlanmış çıkış hızı 24 V'ta 23 rpm nominal ve 37 rpm yüksüz, 48 V'ta ise 48 rpm nominal ve 75 rpm yüksüzdür; bu kümedeki en sıkı olan 0.18° boşlukla birlikte. AKH70-48 V1.0 KV41 ise 90 mm çapında ve 81.5 mm uzunluğundaki bir gövdede 1396 g ile en ağır ünitedir ve 48 V veri yolunda 48:1'lik bir kademe üzerinden 74 Nm nominal ve 222 Nm tepe tork üretir; 28 rpm nominal ve 35 rpm yüksüz çıkışa ve 0.2° boşluğa sahiptir. Onu geri kalanından ayıran özellik içi boş milidir: kablo güzergâhı eksenden geçer; bu da bir kalçanın ya da ağır bir dizin, eklemin çevresinde bir servis döngüsü olmadan kurulmasını sağlayan şeydir. İki ünite de çıkışta saniyede düşük yüzlerce dereceye oturur; bu, yük taşıyan bir dize ya da desteklenmiş bir kalçaya uyar ve bir salınımı birkaç yüz milisaniyede tamamlaması gereken her eklemin dışında bırakır. Üretici, içi boş milli ünitenin aşağıya gömülü bir yük testini yayımlamıştır; ünitenin tam spesifikasyon kaydı üreticinin ürün sayfasındadır.

Bu Eklem Motorlarının Uyduğu İnsansı Platformlar

Bu tablodaki her ünite ToBMS'te aynı uygulamayla ilişkilendirilmiştir; bu da görevin ne kadar dar olduğunu yansıtır: İnsansı Robot uygulaması, eklemleri sabit bir yapının aksesuarı değil birincil tasarım kısıtı olan makineleri kapsar.

İki ayaklı araştırma ve tüm gövde platformları

Araştırma platformları ölçümlendirilmek ve yeniden kurulmak üzere inşa edilir; bu yüzden eklem spesifikasyonu hizmet ömrü etrafında değil kontrol edilebilirlik ve yinelenebilirlik etrafında yazılır. Burada düşük ve orta oranlar baskındır çünkü geri tahrik edilebilen bir eklem elle incelenebilen ve torku ek bir sensör olmadan motor akımından kestirilebilen bir eklemdir. Bu tablonun ortasındaki yayımlanmış tepe/nominal oranları tam da bu kullanım desenine uyar: bir prototip ömrünün çoğunu nominal torkun bir kesrinde, ara sıra da onun bir katında geçirir.

Bacaklı ve tekerlekli bacaklı makineler

Yürüyen makineler ve mafsallı bacaklara monte edilmiş tekerlekler üzerinde yuvarlanan makineler, bu uygulamada eklemi en geniş yük koşulları aralığından geçirir: destek sırasında yüksek torkta sıfıra yakın hız, salınım sırasında düşük torkta yüksek hız ve her iki uçta darbe yükleri. İlgili soru, yayımlanmış kaydın darbe durumunu hiç kapsayıp kapsamadığıdır; bu kümede tepe tork değeri için kapsar, yapı üzerinden gelen şok yüklemesi içinse kapsamaz. Bu boşluk bir veri sayfasıyla değil üreticiyle kapatılır.

Yardımcı ve rehabilitasyon donanımı

Bir makinenin bir kişiye ait bir uzvu hareket ettirdiği yerlerde eklem, aynı anda hem bir yükü tutmak hem de bir hareketi izlemek zorundadır ve bu tablodaki iki ünite için yayımlanan vaka çalışmaları tam da böyle bir ortamdan gelir. Tutmayı yüksek oranlı üniteler, izlemeyi ise düşük oranlı ya da düşük boşluklu üniteler yapar; bu nedenle yardımcı cihazlar tüm zincir için tek bir ünite belirlemek yerine sıklıkla aynı uzuvda iki oran sınıfını karıştırır.

Kavrama, teleoperasyon ve becerikli platformlar

Bir insansı platformdaki kollar, bağlı oldukları gövdenin kısıtlarını devralır: el bileğinde ölçülü kütle, yapılandırılmamış alanlarda çalışma ihtiyacı ve temasa tolerans göstermesi gereken bir kontrol döngüsü. Bu tablonun ortası - 48 V veri yolunda 6:1 ve 9:1 oranlarındaki 485 g ve 540 g üniteler - bu kısıtları yük taşıyan ucun kütlesi olmadan karşılayan gruptur ve kol içinde tek bir modelin birden fazla ekleme hizmet edebildiği grup da budur.

Bir İnsansı Eklem için Seçim Sırası

Bu üç adımın sırası, herhangi birinin içindeki ayrıntıdan daha önemlidir çünkü her adım, bir sonrakinin değerlendirmek zorunda olduğu kümeyi daraltır.

Önce eklemin görevi ve en kötü durum yükü

Makinenin zamanının çoğunu geçirdiği duruşta tutma torku, denge kurtarma ya da kaldırmanın gerektirdiği geçici durum sırasında gereken tork ve her birinde geçirilen zaman kesri belirlenir. İlk sayı termal durumu ve dolayısıyla nominal torku boyutlandırır; ikincisi tepe iddiasını boyutlandırır; aralarındaki oran ise eklemin tablonun düşük ucuna mı yoksa yüksek ucuna mı ait olduğuna karar verir. Bundan önce model hakkında hiçbir şeye karar verilemez çünkü aynı tork gereksinimi hem yüksek oranlı küçük bir motor hem de düşük oranlı büyük bir motor tarafından karşılanır ve bu iki yanıt eklemde farklı davranır.

İkinci olarak veri yolu, delik ve montaj gövde ölçüsü

Veri yolu gerilimi aktüatörü değil makinenin güç mimarisini izler, dolayısıyla sabit bir kısıt olarak ele alınmalıdır: bu kümedeki üniteler 24 V'ta, 48 V'ta ya da her ikisinde çalışır ve yalnızca 48 V'luk bir ünite, torku ne kadar iyi uysa da 24 V'luk bir platformda kullanılamaz. Gövde ölçüsü baklayı izler: önce çap, sonra uzunluk ve - eklem, üzerinden kablo geçen bir kalça ya da diz olduğunda - aynı zamanda eksenden geçen delik. Bu iki filtreden geçen bir kısa liste genellikle düzgün karşılaştırılabilecek kadar küçüktür.

Kaydın açık bıraktığı sayıların sorgulanması

Bu aktüatör sınıfı için yayımlanmış kayıt tork, hız, oran ve kütle konusunda iyidir; bir eklemin nasıl performans gösterdiğinden çok nasıl davrandığını belirleyen sayılarda ise daha zayıftır. Üreticiye götürülecek sorular kümesi kısadır.

• Belirli ünite ve sürüm için çıkışta ölçülen boşluk ve değerin bir maksimum mu yoksa tipik bir değer mi olduğu.
• Tepe tork değerine bağlı görev penceresi: ne kadar süreyle, ne sıklıkla ve hangi soğutmayla.
• Tam redüksiyon kademesi boyunca verim ve yüksek tork altında düşük çıkış hızında nereye düştüğü.
• Sürekli akım ve makinenin kendi montaj düzeninde buna eşlik eden gövde sıcaklık artışı.
• Bu uygulamanın ihtiyaç duyduğu ve en sık eksik olan değer olan her türlü şok ya da darbe derecelendirmesi.

Bir değer kayıtta yoksa, bir varsayımda değil tasarım payında yer almalıdır ve değerlendirme, eklem sipariş edilmeden önce yazılı olmalıdır.

Sıkça sorulan sorular

Resmî kaynaklar

CubeMars, platformun Kaynaklar bölümü altında toplanan aktüatör serileri için ürün dokümantasyonu yayımlar ve her modelin tam spesifikasyonunu, performans eğrisini ve montaj çizimini taşıyan resmî bir ürün sayfası vardır - giriş noktası üreticinin ürün yelpazesidir. Tork eğrileri, termal derecelendirmeler, boşluk dayanağı ve sürücü yapılandırması için doğruluk kaynağı üretici olarak kalır; ToBMS keşif katmanını aranabilir ve karşılaştırılabilir tutar ve bu rehberde kullanılan değerler platformun ürün kayıtlarında tutulan yayımlanmış değerlerdir.

Sonraki adım

Bu rehberin kategori düzeyindeki karşılığı Robotik Aktüatörler: Robot Eklemleri İçin Doğru Entegre Aktüatör Nasıl Seçilir yazısıdır ve bu entegre ünitelerden beşini bileşen olarak birbirine karşı okuyan Eklem modülü nasıl seçilir: 190 g'dan 1.4 kg'a beş CubeMars aktüatör yazısı, tasarım birimi olarak eklem modülünü alır. Bu rehber ise robottan başlar: aynı aktüatör sınıfına eklem zinciri, görev çevrimi ve kütle bütçesi üzerinden varır; soru hangi modelin daha büyük olduğu değil de bir insansı robotun neye ihtiyaç duyduğu olduğunda izlenecek yol budur.

Eklem sınıfının değiştiği yerlerde iki komşu güzergâh izlemeye değerdir. Bir eklemin elle yönlendirilmesi gerektiğinde ya da çerçevesiz bir kit ile sızdırmaz bir modül arasındaki sınırın kararlaştırılması gerektiğinde, Dış İskelet için BLDC Motorları: Çerçevesiz Tork Motoru mu, Entegre Aktüatör mü karşılaştırmayı doğrudan ortaya koyar ve Çerçevesiz Tork Motorları kategorisi, becerikli el eksenlerinin genellikle üzerine kurulduğu stator ve rotor kitlerini kapsar. Düşük bir oran hız için değil uyum için seçildiğinde, Yarı Doğrudan Tahrik Aktüatörleri: 8:1 Oranın Sağladığı bu temelde Yarı Doğrudan Tahrik Aktüatörleri yelpazesini kapsar.

Motor sınıflarının birbiriyle nasıl ilişkili olduğuna dair daha geniş bağlam için, BLDC Motorlar: Fırçasız DC Motor Türleri, Özellikleri ve Seçimi İçin Rehber entegre aktüatörü diğer kategoriler arasına yerleştirir. Araştırmak yerine kısa liste çıkarmak için adaylar tork, oran, gerilim, kütle ve gövde ölçüsüne göre Seçim'de süzülür ve ardından Ürün Karşılaştırma'da birbirine karşı konur; ilgili eklem sınıfları platformun Eklem Modülü, Dış İskelet, Dört Ayaklı Robot ve Rehabilitasyon Robotu uygulamalarında gruplanmıştır. Robotik Aktüatörler kategorisi burada karşılaştırılan sekiz üniteyi barındırır.