Động cơ BLDC cho robot hình người: cách khớp mô-men, tốc độ và kích thước

Robot hình người là một bài toán mô-men trải khắp mọi khớp được dẫn động trên cơ thể, và ba con số mô tả từng khớp đó - khớp phải giữ bao nhiêu mô-men, phải di chuyển nhanh đến đâu, và chi có thể mang bao nhiêu khối lượng - không độc lập với nhau. Thay đổi một con số thì hai con số còn lại cũng thay đổi theo. Vì vậy, chọn một động cơ BLDC cho robot hình người nghĩa là tìm ra điểm mà ba đường cong giao nhau ở từng khớp, rồi kiểm tra xem hồ sơ đã công bố có thực sự ủng hộ điểm đã chọn hay không. Chọn sai thứ tự thì cỗ máy hoặc không thể đứng vững, hoặc không thể nhấc chính bàn chân của mình lên.

Trả lời nhanh

Ba đại lượng này gắn với nhau qua hai biến: tỷ số giảm tốc giữa động cơ và khớp, và điện áp bus mà động cơ chạy trên đó. Một tỷ số thấp như 6:1 giữ cho khớp nhanh và có thể dẫn động ngược, nhưng đòi hỏi một động cơ lớn để tạo ra mô-men hữu ích; một tỷ số cao như 64:1 tạo ra mô-men lớn từ một động cơ nhỏ nhưng đánh đổi tốc độ và phần lớn khả năng để một tải bên ngoài đẩy khớp. Tỷ số được chọn theo chu kỳ làm việc của khớp, khối lượng suy ra từ tỷ số và mô-men, còn mô-men đỉnh đã công bố là một tuyên bố trong khoảng thời gian ngắn và không nên dùng làm con số làm việc.

Trên ToBMS, nhóm ứng dụng Robot hình người tập hợp các bộ truyền động tích hợp CubeMars phục vụ khớp robot hình người, từ một bộ 262 g với tầng 10:1 đến một bộ trục rỗng 1396 g với mô-men đỉnh công bố 222 Nm. Hướng dẫn này trình bày cách mô-men, tốc độ và kích thước được khớp với nhau theo từng khớp, và đọc tám bộ trong số đó như một tập thông số duy nhất.

Vì sao một khớp robot hình người là một bài toán đánh đổi giữa mô-men, tốc độ và kích thước

Một nền tảng robot hình người khác biệt với các loại máy khác ở chỗ kết cấu và tải trọng của nó là cùng một đối tượng. Một cánh tay công nghiệp được neo cố định, các khâu của nó chỉ phải mang quán tính của chính chúng và dụng cụ, còn phần đế có thể làm nặng tùy mức khách hàng chấp nhận. Robot hình người phải mang bộ truyền động, pin và điện tử của nó trên chính những chi làm việc, và những chi đó còn phải được di chuyển đủ chính xác để giữ thăng bằng. Mỗi gam thêm vào đầu gối là một gam mà hông phải vung theo, và mỗi gam thêm vào hông là một gam mà mắt cá chân phải bù lại.

Chu kỳ làm việc đến trước mọi mã model

Con số đầu tiên trong một đặc tả khớp không phải là mô-men. Đó là mô tả về việc khớp làm gì trong một chu kỳ: nó giữ một tải tĩnh trong bao lâu, nó chuyển động ngược trọng lực trong bao lâu, nó tăng tốc bao nhiêu lần, và nó dành bao nhiêu phần thời gian đó ở tốc độ thấp dưới tải. Một khớp hông đang đứng giữ một phần khối lượng cơ thể trong nhiều phút mà gần như không chuyển động. Một khớp đầu gối đang bước hấp thụ một va chạm trong vài chục mili giây rồi vung tự do. Một khớp khuỷu trong tác vụ thao tác có thể dành phần lớn ca làm việc để giữ một dụng cụ ở góc gần như không đổi. Đây là ba bài toán nhiệt và điện từ khác nhau, và chúng được giải bằng những điểm khác nhau trên mặt phẳng mô-men - tốc độ.

Pha chống đỡ và pha vung đòi hỏi hai đầu đối lập của đường cong

Một khớp chân luân phiên giữa hai nhiệm vụ. Ở pha chống đỡ, khớp gần như đứng yên dưới một tải có thể vượt quá trọng lượng cơ thể, đó là một yêu cầu mô-men với gần như không có thành phần tốc độ. Ở pha vung, chính khớp đó phải đi qua một góc lớn một cách nhanh chóng với gần như không tải, đó là một yêu cầu tốc độ với gần như không có thành phần mô-men. Một động cơ duy nhất phải thỏa mãn cả hai, và tỷ số giảm tốc là yếu tố quyết định cách phân chia thỏa hiệp. Tỷ số cao phục vụ pha chống đỡ và gây bất lợi cho pha vung; tỷ số thấp làm ngược lại. Chính sự luân phiên này, chứ không phải bất kỳ một con số đơn lẻ nào, khiến các khớp chân của một cỗ máy hai chân khó đặc tả hơn một trục tương đương trong một cánh tay công nghiệp cố định, và đây là điều đầu tiên cần xem xét khi các khớp robot hình người của một nền tảng mới đang được phân chia giữa các lớp bộ truyền động.

Quán tính phản hồi mới là thứ mà vòng điều khiển thực sự chống lại

Giữa động cơ và đầu ra của khớp là hộp giảm tốc, và hộp giảm tốc chia quán tính của rôto cho bình phương của tỷ số trên đường ra. Vì vậy, một tỷ số cao mang đến cho bộ điều khiển một quán tính biểu kiến rất nhỏ tại khớp, khiến việc điều khiển vị trí trở nên dễ dàng và việc điều khiển lực trở nên khó khăn, bởi khớp không còn nhận biết được mình đang đẩy vào thứ gì. Một tỷ số thấp phản hồi nhiều quán tính rôto hơn ra đầu ra, khiến khớp cảm nhận được thế giới và dẫn động ngược một cách có thể dự đoán, và đó là lý do các khớp truyền động gần như trực tiếp với tầng 8:1 hoặc 9:1 được dùng ở nơi robot phải tiếp xúc với vật thể chưa biết hoặc với con người. Chính tỷ số đặt ra mô-men và tốc độ cũng đặt ra hành vi này, nên đây không phải là một chi tiết cơ khí có thể sửa sau bằng phần mềm.

Phục hồi thăng bằng là một trạng thái quá độ mà cửa sổ định mức phải bao phủ

Thăng bằng hai chân được duy trì bằng các mô-men hiệu chỉnh được tác dụng trong vòng một phần nhỏ của giây sau một nhiễu động, và độ lớn của những hiệu chỉnh đó có thể gấp vài lần mô-men cần thiết để đứng yên. Đây là trạng thái quá độ mà mô-men đỉnh đã công bố của một khớp phải bao phủ, và đó là lý do trong tập bộ truyền động ToBMS hiện tại tỷ số giữa đỉnh và định mức lên tới khoảng ba lần ở một số mẫu. Một khớp chỉ được đặc tả theo tải tĩnh của nó sẽ giữ được một tư thế đứng rồi thất bại khi phải phục hồi sau một cú đẩy, mà trong một nền tảng robot hình người thì đó là một cú ngã chứ không phải một chu kỳ bị bỏ lỡ.

Cách tỷ số giảm tốc chuyển tốc độ thành mô-men

Tỷ số giảm tốc là con số hữu ích nhất trong một đặc tả khớp robot hình người, bởi nó ánh xạ mọi đại lượng ở phía động cơ sang phía khớp theo một cách cố định. Khi đã biết tỷ số, tốc độ của khớp là tốc độ của động cơ chia cho nó, mô-men của khớp là mô-men của động cơ nhân với nó, và các giá trị đã công bố của hai bên có thể được đối chiếu với nhau.

Tốc độ khớp là tốc độ động cơ chia cho tỷ số

Mọi tốc độ được nêu cho một bộ truyền động tích hợp đều là tốc độ đầu ra, tức con số mà khớp nhìn thấy. Bộ AK80-6 KV100 nặng 485 g với tầng 6:1 công bố 800 rpm khi không tải, trong khi bộ AK80-64 nặng 850 g với tầng 64:1 công bố 37 rpm trên bus 24 V - một hệ số khoảng hai mươi hai lần về tốc độ đầu ra, được tạo ra bởi sự khác biệt về tỷ số chứ không phải bởi sự khác biệt về chất lượng động cơ. Với một khớp, vòng trên phút là một đơn vị bất tiện, nên đáng để quy đổi: 1 rpm là 6 độ mỗi giây, điều đó khiến bộ 800 rpm trở thành một khớp 4800 độ mỗi giây khi không tải và bộ 64:1 thành một khớp 222 độ mỗi giây tại cùng điểm đó. Một khớp hông phải vung qua 60 độ trong 300 ms đang yêu cầu 200 độ mỗi giây đầu ra liên tục, và chỉ riêng yêu cầu đó đã loại bỏ một phần lớn đầu tỷ số cao của bất kỳ dải bộ truyền động nào.

Mô-men được nhân với cùng tỷ số đó, trừ đi phần mà hệ bánh răng lấy đi

Phép nhân là có thật nhưng không miễn phí. Một tầng 6:1 biến 6 Nm ở động cơ thành khoảng 36 Nm tại khớp sau khi trừ ma sát và tổn thất trong phần ăn khớp của bánh răng, và một tầng 64:1 biến 0.75 Nm thành khoảng 48 Nm theo cùng phép tính. Đó là lý do những bộ nặng nhất trong một dải không tự động là những bộ mạnh nhất: bộ AK60-39 V3.0 nặng 750 g công bố 72 Nm mô-men đỉnh qua một tầng 39:1, trong khi bộ AK80-64 nặng 850 g công bố 120 Nm qua một tầng 64:1, nên chênh lệch khối lượng 100 g mua được lợi thế mô-men 67 phần trăm bởi chính tỷ số đang làm việc. Tỷ số cũng đặt ra mức phạt về hiệu suất, bởi mỗi tầng giảm tốc bổ sung tiêu tốn một tỷ lệ phần trăm nhỏ của công suất đi qua nó và đóng góp thêm vào độ rơ.

KV nhân với điện áp bus đặt ra tốc độ ở phía động cơ

KV là hằng số phía động cơ: đó là tốc độ rôto quay được trên mỗi vôn điện áp bus đặt vào, trước hộp giảm tốc. Nhân KV với điện áp bus rồi chia cho tỷ số sẽ cho một ước lượng về tốc độ đầu ra khi không tải, và ước lượng đó có thể được đối chiếu với giá trị đã công bố như một phép kiểm tra số học trên hồ sơ. Với AK45-10 V3.0 KV75 trên 24 V qua 10:1, 75 nhân 24 rồi chia 10 cho 180 rpm so với giá trị công bố 180 rpm. Với AK60-6 V1.1 KV140 trên 24 V qua 6:1, ước lượng là 560 rpm so với giá trị công bố 560 rpm; với AK80-6 KV100 trên 48 V qua 6:1 là 800 rpm so với 800 rpm; và với AK70-9 V3.0 KV60 cùng AK10-9 V3.0 KV60, cả hai trên 48 V qua 9:1, là 320 rpm so với 320 rpm trong cả hai trường hợp. Sự tương ứng không phổ quát - AKH70-48 V1.0 KV41 trên 48 V qua 48:1 ước lượng 41 rpm so với giá trị công bố 35 rpm - và đó chính xác là lý do tốc độ đầu ra đã công bố, chứ không phải một giá trị suy ra từ KV, là con số để thiết kế dựa theo.

Tỷ số cao mua mô-men và tiêu tốn khả năng dẫn động ngược

Hai hiệu ứng chống lại một khớp khi tỷ số của nó tăng lên. Thứ nhất là quán tính phản hồi tại đầu ra giảm theo bình phương của tỷ số, nên khớp trở nên dễ ra lệnh hơn và khó cảm nhận hơn. Thứ hai là ma sát: một hộp giảm tốc nhiều tầng chống lại mô-men tác dụng từ phía đầu ra, và ở tỷ số cao, lực cản đó có thể đủ lớn để khớp không còn chuyển động khi một người hoặc một bề mặt đẩy nó. Trong tập này, các bộ tỷ số thấp hơn công bố các tỷ số 6:1, 9:1 và 10:1, trong khi các bộ chịu tải chạy ở 39:1, 48:1 và 64:1, và sự chia tách giữa hai nhóm đó đi theo câu hỏi liệu khớp được kỳ vọng tạo tiếp xúc tuân thủ hay giữ một tải lớn một cách êm ái. Độ rơ là thông số đi kèm và đi theo hướng ngược lại: các bộ trong tập này công bố giá trị trong khoảng 0.18 đến 0.55°, và một tỷ số thấp hơn cùng một giá trị độ rơ chặt là sự kết hợp mang lại cho khớp đặc tính cảm giác cứng rắn dưới áp lực bàn tay trong khi vẫn có thể bị đẩy.

Khớp mô-men: định mức, đỉnh và cửa sổ đằng sau mỗi giá trị

Mô-men là trục mà trên đó hầu hết các quyết định về khớp robot hình người được đưa ra đầu tiên, và cũng là trục mà trên đó phần lớn chúng bị đưa ra sai đầu tiên. Ba con số riêng biệt xuất hiện trong hồ sơ của nhà sản xuất, và chúng trả lời ba câu hỏi khác nhau.

Mô-men đỉnh là một cửa sổ, không phải một năng lực

Mô-men đỉnh mô tả mức mà bộ truyền động có thể tạo ra trong một khoảng thời gian ngắn - thường là thời gian cần để tăng tốc một chi hoặc để chặn một nhiễu động - mà không vượt quá giới hạn dòng điện của driver hay khử từ bất cứ thứ gì. Đây là con số đúng cho một sự kiện phục hồi thăng bằng hoặc cho khoảnh khắc đầu tiên của một động tác nâng, và là con số sai cho bất cứ thứ gì phải lặp lại. Trong tập này, tỷ lệ đỉnh trên định mức chạy từ 2.0 ở AK80-6 đến 3.4 ở AK70-9 V3.0, nên hai bộ truyền động có cùng mô-men định mức có thể khác nhau hơn một nửa về trạng thái quá độ mà chúng sẽ cung cấp. Chỉ đọc cột đỉnh sẽ làm sụp đổ sự khác biệt đó và tạo ra một danh sách rút gọn sẽ quá nhiệt trong vận hành liên tục.

Mô-men định mức bị giới hạn bởi đường thoát nhiệt của cuộn dây

Mô-men định mức là một phát biểu về nhiệt. Đó là mô-men mà bộ truyền động có thể giữ vô thời hạn trong khi cuộn dây vẫn nằm trong cấp cách điện của nó, và do đó nó phụ thuộc vào cách nhiệt rời khỏi stator - qua vỏ máy, vào kết cấu gắn, và ra khỏi vỏ của chính khớp. Đó là lý do giá trị định mức thấp hơn ở một vỏ kín nhỏ so với một vỏ lớn đối với cùng một động cơ, và là lý do mô-men định mức của một khớp ở đầu cánh tay là một vấn đề khác với chính khớp đó khi bắt bu lông vào một giá đỡ hông có khối nhiệt lớn phía sau. Các giá trị định mức trong tập này chạy từ 2.5 Nm ở đầu 262 g đến 74 Nm ở đầu 1396 g, và con số định mức là con số nên được so với tải trung bình của khớp chứ không phải với trường hợp xấu nhất của nó. Một phép kiểm tra số học thường khép vòng lặp ở đây là mô-men định mức nhân với tốc độ định mức tính bằng radian trên giây, so với công suất định mức đã công bố: AK60-6 V1.1 cho 3 Nm ở 420 rpm tương ứng 132 W so với giá trị công bố 130 W, AK70-9 V3.0 cho 231 W so với 231 W, AK60-39 V3.0 cho 176 W so với 176 W, và AK10-9 V3.0 cho 443 W so với 442 W. Ở những chỗ hai giá trị không khớp, sự khác biệt thường có thể bắt nguồn từ điện áp bus mà tại đó tốc độ được nêu.

Mô-men giữ khi đứng yên là một câu hỏi về dòng điện

Một khớp đứng yên dưới tải không thực hiện công bằng không từ góc nhìn của cuộn dây. Driver phải đẩy dòng điện vào các pha để giữ vị trí, và tổn thất đồng sinh ra cũng giống như khi khớp chuyển động chậm. Vì vậy, một robot hình người đang đứng có một mức tiêu thụ điện năng khi đứng tỷ lệ với mô-men giữ của mọi khớp chịu tải trong tư thế đó, và dòng điện tại điểm làm việc định mức là con số quan trọng: trong tập này dòng điện định mức chạy từ 1.9 A ở AK45-10 V3.0 trên 24 V đến 10.7 A ở AK10-9 V3.0 trên 48 V. Trên một nền tảng chạy pin, mức tiêu thụ đó được trả bằng thời lượng pin, và đó là lý do một tư thế có thể được giữ bằng một điểm dừng cơ khí là điều đáng để thiết kế hướng tới.

Mật độ mô-men đọc theo khối lượng mà khớp phải mang

Mật độ mô-men là con số kết nối trục mô-men với trục kích thước, và nó chỉ có ý nghĩa khi nêu rõ cả khối lượng lẫn loại mô-men được dùng. Trên tám bộ dưới đây, mô-men đỉnh công bố trên kilôgam nằm trong khoảng từ khoảng 24.5 Nm/kg ở AK60-6 V1.1 nặng 368 g đến khoảng 159 Nm/kg ở AKH70-48 V1.0 nặng 1396 g, trong khi mô-men định mức trên kilôgam chạy từ khoảng 8.2 Nm/kg đến khoảng 53 Nm/kg trên cùng hai bộ đó. Cả hai đều là phép tính số học từ các giá trị đã ghi nhận. Độ trải rộng lớn không phải là một sự ngẫu nhiên của chất lượng sản xuất: đó là điều mà tỷ số tạo ra, bởi các bộ tỷ số cao hơn tạo ra mô-men từ một động cơ nhỏ hơn quay nhanh hơn, và khối lượng hộp giảm tốc thêm vào là nhỏ so với khối lượng mà động cơ nhỏ hơn tiết kiệm được.

Khớp tốc độ tại khớp, không phải tại rôto

Các yêu cầu tốc độ trong một robot hình người thường được phát biểu dưới dạng một góc cần đi qua trong một khoảng thời gian cho trước, và hiếm khi được phát biểu đúng ngay từ đầu. Việc chuyển đổi từ yêu cầu của khớp sang đặc tả của bộ truyền động đi qua tỷ số, và tỷ số được chọn vì lý do mô-men, nên hai ràng buộc phải được giải cùng nhau thay vì tuần tự.

Pha vung đặt ra yêu cầu tốc độ của chân

Một chân đang bước phải đưa bàn chân về phía trước qua một khoảng đầu gối khoảng 60 đến 90 độ trong 300 đến 400 ms, điều đó đòi hỏi 150 đến 300 độ mỗi giây tốc độ khớp liên tục trong pha vung và ít hơn thế trên toàn bộ chu kỳ dáng đi. Trong tám bộ dưới đây, dải đó được phục vụ bởi lớp 485 g và 540 g ở 6:1 và 9:1, với tốc độ định mức đã công bố là 603 rpm và 260 rpm tương ứng khoảng 3618 và 1560 độ mỗi giây - một biên dự trữ lớn, và đó là điều cho phép vòng vận tốc của khớp tăng tốc và giảm tốc trong pha vung thay vì chạy ở một tốc độ không đổi. Các bộ tỷ số cao không bị loại khỏi chân, nhưng chúng được dùng ở nơi khớp gần mặt đất và đường truyền tải chịu sự chi phối của chống đỡ thay vì vung.

Bám quỹ đạo và vươn tới đặt ra yêu cầu của cánh tay

Yêu cầu tốc độ của một cánh tay được đặt ra bởi quỹ đạo mà nó phải đi theo, chứ không phải bởi một động tác đơn lẻ. Các tác vụ thao tác - vươn tới một điểm, đi theo một bề mặt, bắt một vật được ném tới - cần bám vị trí và vận tốc liên tục, và con số liên quan là khả năng tăng tốc của khớp ở khoảng giữa dải của nó chứ không phải tốc độ không tải ở cuối dải. Cánh tay cũng dễ tính hơn về khối lượng so với chân, bởi vai mang khuỷu và cổ tay nhưng toàn bộ chuỗi không phải được tăng tốc ngược trọng lực ở mỗi bước. Sự kết hợp đó khiến khoảng giữa của một dải là nơi hợp lý để bắt đầu một đặc tả cánh tay: trong tập này, AK70-9 V3.0 nặng 540 g ở 9:1 cung cấp 260 rpm định mức và 29.2 Nm mô-men đỉnh, đủ bao phủ một khớp khuỷu hoặc một khớp vai pitch trong một khung nhỏ gọn.

Tốc độ không tải là một trần mà vòng điều khiển hiếm khi chạm tới

Tốc độ không tải đã công bố là tốc độ đầu ra tại điện áp bus khi không tải và không có can thiệp của bộ điều khiển. Một khớp thực tế không chạm tới điểm đó, bởi ngay khi nó phải giữ hoặc tăng tốc bất cứ thứ gì thì điểm làm việc dịch ngược lại trên đường mô-men - tốc độ, và bởi vòng vận tốc giới hạn lệnh. Công dụng thực tế của giá trị không tải là một giới hạn trên khi kiểm tra tính khả thi của tốc độ yêu cầu: một yêu cầu khớp 200 độ mỗi giây nằm thoải mái trong trần 4800 độ mỗi giây và nằm gần một cách khó chịu với trần 222 độ mỗi giây. Ở nơi yêu cầu nằm sát trần, khớp sẽ dành cả vòng đời của nó ở dòng điện cao, và hệ quả nhiệt thuộc về phép tính chu kỳ làm việc chứ không phải một chú thích cuối trang.

Khớp kích thước: kích thước bao, lỗ xuyên trục và cái giá của khối lượng ở phần xa

Kích thước là trục do động học của một nền tảng robot hình người đặt ra, và là trục có ít chỗ thỏa hiệp nhất. Một bộ truyền động không vừa không gian giữa hai khâu thì không thể được làm cho vừa bằng bất kỳ mức tinh chỉnh nào, và một bộ truyền động quá nặng ở sai vị trí trong chuỗi sẽ thay đổi động lực học của cỗ máy chứ không chỉ ngân sách khối lượng của nó.

Khối lượng ở phần xa bị tính phí lại ở mọi khớp phía trên nó

Một gam ở bàn chân bị mắt cá chân, đầu gối và hông tăng tốc ở mỗi lần vung, nên cái giá của nó được trả ba lần mỗi bước. Cùng một gam đó ở hông chỉ được trả một lần. Đây là lập luận để đặt bộ nhỏ nhất, nhẹ nhất có thể làm được việc ở đầu xa và dành khối lượng cho những khớp phải tạo ra mô-men lớn nhất, và điều đó thể hiện rõ trong cách bố trí của tập này: các bộ 262 g và 368 g mang mô-men định mức 2.5 Nm và 3 Nm cho công việc ở cổ tay, bàn tay và mắt cá chân, trong khi các bộ 940 g và 1396 g mang định mức 18 Nm và 74 Nm cho hông và đầu gối. Đảo ngược cách bố trí đó - đặt một bộ truyền động lớn ở một khớp xa để lấy dư địa - khiến các khớp gần thân phải làm việc vất vả hơn trong suốt phần đời còn lại của cỗ máy.

Lỗ luồn cáp và tuổi thọ bó dây bên trong một chi

Một khớp robot hình người quay, và mọi thứ phải vượt qua chuyển động quay đó - nguồn điện, dây cảm biến, đôi khi cả chất lỏng hoặc không khí - hoặc đi qua một vành trượt, qua một vòng dây phục vụ phải chịu được hàng triệu chu kỳ uốn, hoặc đi xuyên qua chính bộ truyền động. AKH70-48 V1.0 KV41 nặng 1396 g là một bộ truyền động hành tinh trục rỗng, nghĩa là đường đi của cáp chạy qua tâm khớp thay vì vòng quanh nó, loại bỏ hoàn toàn vòng dây phục vụ khỏi kích thước bao của khớp. Ở nơi không có lỗ xuyên trục, vòng dây phải được thiết kế cho một bán kính uốn và một tuổi thọ chu kỳ đáng để kiểm tra so với thời hạn phục vụ dự kiến của cỗ máy. Vì vậy, cột kích thước bao trong bảng dưới đây không chỉ là một đường kính để lắp vừa; đường kính 90 mm và chiều dài 81.5 mm của bộ trục rỗng chỉ có ý nghĩa khi đi cùng với lỗ xuyên qua nó.

Các lớp đường kính, chiều dài và hình dạng mà một khung có thể nhận

Các bộ truyền động tích hợp tụ thành các lớp đường kính bởi hộp giảm tốc và động cơ chia sẻ cùng một trục. Trong tập này, các đường kính là 53 mm, 79 mm, 89 mm, 90 mm và 98 mm, còn chiều dài chạy từ 38.5 mm đến 81.5 mm. Đường kính thường là ràng buộc khó hơn, bởi mặt cắt ngang của một khâu được đặt ra bởi kết cấu phải mang tải, trong khi chiều dài thường có thể được hấp thụ vào chính chiều dài của khâu. Một khớp phải nằm bên trong đùi cần một khối dẹt và rộng; một khớp nằm ở mặt ngoài của một giá đỡ hông có thể nhận một khối dài hơn. Giao diện gắn quan trọng không kém kích thước: một bộ truyền động bắt bu lông vào một tấm ở một đầu và dẫn động một khâu ở đầu kia sẽ áp đặt một đường truyền tải đi xuyên qua vỏ của chính nó, và độ cứng của vỏ sau đó trở thành một phần độ cứng của khớp, đến lượt nó đặt ra cách cỗ máy hành xử dưới các va chạm khi bước.

Tám bộ truyền động CubeMars cho khớp robot hình người, như một tập thông số duy nhất

Bảng dưới đây đọc tám bộ truyền động robot CubeMars như một tập thông số duy nhất, sắp theo khối lượng đã công bố, bởi khối lượng là trục mà một nền tảng robot hình người được thiết kế theo, và bởi dải tỷ số trải khắp tám bộ đó bao phủ toàn bộ bài toán đánh đổi mô-men - tốc độ từ một mô-đun xa 262 g đến một khớp trục rỗng 1396 g. Mọi giá trị đều là giá trị nhà sản xuất đã công bố; mọi giá trị dẫn xuất trong văn bản đều được ghi nhãn là phép tính số học.

Mô-men định mức và đỉnh, điện áp nguồn, tỷ số giảm tốc, khối lượng và kích thước bao theo công bố của nhà sản xuất. Mô-men định mức là giá trị liên tục trong giới hạn nhiệt của bộ truyền động; mô-men đỉnh là một giá trị trong khoảng thời gian ngắn. AKH70-48 V1.0 là một bộ trục rỗng, nên kích thước bao của nó được nêu kèm một lỗ luồn cáp xuyên qua trục.

Khi đọc như một tập, tám bộ mô tả một thang mô-men từ 7 Nm đến 222 Nm mô-men đỉnh đã công bố trên một dải khối lượng từ 262 g đến 1396 g, và thang đó không có cùng hình dạng với thứ tự khối lượng. Trên điểm 540 g, thứ tự không còn bám theo khối lượng: 72 Nm của AK60-39 V3.0 nặng 750 g nhường chỗ cho 120 Nm của AK80-64 nặng 850 g, rồi bộ 850 g vượt mô-men so với AK10-9 V3.0 nặng hơn 940 g bởi tầng 64:1 của nó đánh đổi tốc độ để lấy so với 9:1. Bất kỳ ai đọc bảng chỉ theo khối lượng sẽ chọn sai bộ; cột tỷ số phải được đọc cùng với các cột mô-men.

Mật độ mô-men nói lên cùng một điểm bằng một con số duy nhất. Mô-men đỉnh công bố trên kilôgam, vốn là phép tính số học từ hai cột đã ghi nhận, chạy từ khoảng 24.5 Nm/kg ở bộ 368 g và khoảng 24.7 Nm/kg ở bộ 485 g đến khoảng 141 Nm/kg ở bộ 850 g và khoảng 159 Nm/kg ở bộ 1396 g. Độ trải sáu lần là do tỷ số đang làm việc: các bộ tỷ số cao tạo ra mô-men từ một động cơ nhỏ, nhanh và trả giá bằng tốc độ đầu ra, trong khi các bộ tỷ số thấp tạo ra nó trực tiếp và giữ được tốc độ. Mô-men định mức trên kilôgam kể cùng câu chuyện trong một dải hẹp hơn, từ khoảng 8.2 Nm/kg ở đầu 368 g đến khoảng 53 Nm/kg ở đầu trục rỗng, và đó là con số hữu ích hơn trong hai con số khi khớp sẽ giữ một tải trong nhiều phút một lúc thay vì vài mili giây.

Tốc độ giảm khi tỷ số tăng, và nó giảm theo một cách đáng để phát biểu bằng độ thay vì bằng vòng quay. Quy đổi tốc độ đầu ra không tải và định mức đã công bố ở mức 6 độ mỗi giây trên mỗi rpm, tám bộ trải khoảng 4800 độ mỗi giây tốc độ đầu ra không tải ở đầu 6:1 xuống 222 độ mỗi giây ở đầu 64:1, với tốc độ định mức chạy từ khoảng 3618 độ mỗi giây xuống khoảng 138 độ mỗi giây trên cùng các bộ đó. Một khớp hông phải vung 60 độ trong 300 ms đang yêu cầu 200 độ mỗi giây, nằm trong nửa tỷ số thấp của bảng và gần với trần của nửa tỷ số cao. Phép so sánh đó, được thực hiện trước khi chọn model, là điều giữ cho một thiết kế không rơi vào tình thế phải giải thích một cái chân chậm.

Đọc tám bộ từ mắt cá chân đến hông

Các khớp của một nền tảng robot hình người tạo thành một chuỗi từ các trục xa ở cổ tay và mắt cá chân đến hông và đầu gối, và yêu cầu di chuyển đơn điệu dọc theo chuỗi đó: mô-men tăng, tốc độ giảm, và khối lượng có thể chi trả tăng theo khoảng cách của khớp tới mặt đất. Tám bộ dưới đây ánh xạ lên chuỗi đó thành bốn nhóm.

Đầu 262 g và 368 g: các trục cổ tay, bàn tay và mắt cá chân

Các bộ nhỏ nhất trong tập này mang những nhiệm vụ mô-men thấp, tốc độ vừa phải. AK45-10 V3.0 KV75 nặng 262 g trong một vỏ đường kính 53 mm, dài 45.2 mm, quay một tầng 10:1 cho 2.5 Nm định mức và 7 Nm mô-men đỉnh trên bus 24 V, và công bố tốc độ đầu ra 120 rpm định mức và 180 rpm không tải với 0.3° độ rơ. Công suất định mức đã công bố của nó là 39 W và dòng điện định mức là 1.9 A, điều đó giữ cho hệ dây vào một khâu xa nhỏ trở nên đơn giản. AK60-6 V1.1 KV140 chuyển sang đường kính 79 mm và 368 g cho 3 Nm định mức và 9 Nm đỉnh qua một tầng 6:1, và động cơ KV140 của nó trên 24 V tạo ra 420 rpm định mức và 560 rpm không tải, đây là đầu ra nhanh nhất trong nhóm này ở khoảng 3360 độ mỗi giây khi không tải. Sự kết hợp đó - tỷ số thấp, mô-men khiêm tốn, tốc độ đầu ra cao - là sự kết hợp phù hợp với một mắt cá chân phải định vị lại nhanh dưới bàn chân, hoặc một cổ tay phải thực hiện những hiệu chỉnh nhỏ và nhanh. Giá trị độ rơ 0.55° là giá trị lỏng nhất được công bố trong nhóm này, đó là hệ quả được kỳ vọng của một tỷ số thấp đi cùng một động cơ nhanh.

Khoảng giữa 485 g và 540 g: bám quỹ đạo ở khuỷu và đầu gối nhanh

Khoảng giữa của tập là nơi cánh tay và các khớp chân nhanh hơn nằm. AK80-6 KV100 là một bộ 485 g có đường kính 98 mm và chiều dài 38.5 mm, tạo ra 6 Nm định mức và 12 Nm mô-men đỉnh ở tỷ số 6:1 trên bus 48 V, với 603 rpm định mức và 800 rpm không tải ở đầu ra cùng công suất định mức đã công bố 340 W. Tỷ lệ đỉnh trên định mức 2.0 của nó là chặt nhất trong tập, điều đó khiến nó là bộ nên chọn khi chu kỳ làm việc gần với liên tục hơn là quá độ. AK70-9 V3.0 KV60 là cùng ý tưởng đó nhưng tăng một bậc về tỷ số: 540 g trong một vỏ đường kính 89 mm, dài 49 mm, một tầng 9:1, 8.5 Nm định mức và 29.2 Nm mô-men đỉnh ở 48 V, 260 rpm định mức và 320 rpm không tải, 231 W công suất định mức và 0.3° độ rơ. Bội số đỉnh trên định mức 3.4 của nó là rộng nhất trong tập, nên nó là bộ phù hợp hơn ở nơi trạng thái quá độ là trường hợp thiết kế và tải liên tục khiêm tốn. Cả hai bộ đều có những triển khai được ghi nhận: nhà sản xuất đã công bố một nghiên cứu điển hình về AK80-6 trong một nền tảng nghiên cứu, được nhúng bên dưới.

Lớp 750 g và 940 g: hông, đầu gối và tải một chân chống đỡ

Đây là lớp mang cả cỗ máy. AK60-39 V3.0 KV80 là một bộ 750 g trong vỏ đường kính 79 mm, dài 67 mm, biến tầng 39:1 của nó thành 24 Nm định mức và 72 Nm mô-men đỉnh ở 48 V, với 70 rpm định mức và 98 rpm không tải ở đầu ra, 176 W công suất định mức và 0.25° độ rơ. AK10-9 V3.0 KV60 nặng 940 g trong vỏ đường kính 98 mm, dài 61.7 mm và ghép một tầng 9:1 với một bố trí hai encoder cho 18 Nm định mức và 53 Nm mô-men đỉnh ở 48 V, với 235 rpm định mức và 320 rpm không tải ở đầu ra cùng công suất định mức đã công bố 442 W tại dòng điện định mức 10.7 A. Hai bộ đưa ra cùng một lập luận từ hai hướng ngược nhau: bộ 39:1 mua mô-men bằng tỷ số và từ bỏ tốc độ đầu ra, trong khi bộ 9:1 giữ được tốc độ và cần một động cơ lớn hơn để tạo ra mô-men. Một khớp hông phải giữ tải một chân chống đỡ rồi duỗi ra nhanh sẽ thiên về cách bố trí thứ hai; một khớp đầu gối gần mặt đất và hiếm khi phải di chuyển nhanh sẽ thiên về cách thứ nhất. Độ rơ được công bố cho bộ 39:1 là 0.25°; hồ sơ của bộ 9:1 trong tập này không mang một giá trị độ rơ, và khoảng trống đó thuộc về danh sách câu hỏi cho nhà sản xuất chứ không thuộc về một giả định.

Đầu nặng ở 48:1 và 64:1: nơi tốc độ được tiêu tốn có chủ đích

Phần trên cùng của bảng dành cho những khớp mà tốc độ đầu ra là một số hạng mà nhà thiết kế sẵn sàng hy sinh. AK80-64 KV80 nặng 850 g trong vỏ đường kính 98 mm, dài 61.9 mm và tạo ra 48 Nm định mức và 120 Nm mô-men đỉnh qua một tầng 64:1, chấp nhận cả 24 V lẫn 48 V; tốc độ đầu ra đã công bố của nó là 23 rpm định mức và 37 rpm không tải trên 24 V, hoặc 48 rpm định mức và 75 rpm không tải trên 48 V, với 0.18° độ rơ, chặt nhất trong tập này. AKH70-48 V1.0 KV41 là bộ nặng nhất với 1396 g trong vỏ đường kính 90 mm, dài 81.5 mm, và nó tạo ra 74 Nm định mức và 222 Nm mô-men đỉnh qua một tầng 48:1 trên bus 48 V, với 28 rpm định mức và 35 rpm không tải ở đầu ra cùng 0.2° độ rơ. Trục rỗng của nó là đặc điểm phân biệt nó với phần còn lại: đường đi của cáp xuyên qua trục, và đó là điều cho phép chế tạo một khớp hông hoặc một đầu gối nặng mà không cần một vòng dây phục vụ quanh khớp. Cả hai bộ đều rơi vào mức vài trăm độ mỗi giây ở đầu ra, phù hợp với một đầu gối chịu tải hoặc một hông được giằng, và loại chúng khỏi mọi khớp phải hoàn thành một pha vung trong vài trăm mili giây. Nhà sản xuất đã công bố một thử nghiệm tải cho bộ trục rỗng, được nhúng bên dưới; hồ sơ thông số đầy đủ của nó nằm trên trang sản phẩm của nhà sản xuất.

Những nền tảng robot hình người mà các động cơ khớp này phù hợp

Mọi bộ trong bảng này đều được liên kết trên ToBMS với cùng một ứng dụng, điều đó phản ánh mức độ hẹp của nhiệm vụ: nhóm ứng dụng Robot hình người bao quát những cỗ máy mà các khớp là ràng buộc thiết kế chính chứ không phải một phụ kiện của một kết cấu cố định.

Nền tảng nghiên cứu hai chân và toàn thân

Các nền tảng nghiên cứu được chế tạo để gắn thiết bị đo và dựng lại, nên đặc tả khớp được viết xoay quanh khả năng điều khiển và tính lặp lại chứ không phải tuổi thọ phục vụ. Tỷ số thấp và trung bình chiếm ưu thế ở đây, bởi một khớp có thể bị dẫn động ngược là một khớp có thể được nghiên cứu bằng tay và có mô-men có thể được ước lượng từ dòng điện động cơ mà không cần thêm cảm biến. Các tỷ lệ đỉnh trên định mức đã công bố ở khoảng giữa của bảng này phù hợp chính xác với kiểu sử dụng đó: một nguyên mẫu dành phần lớn vòng đời của nó ở một phần nhỏ mô-men định mức và đôi khi ở một bội số của nó.

Máy có chân và máy bánh - chân

Những cỗ máy biết đi, và những cỗ máy lăn trên bánh gắn vào các chân có khớp, đưa khớp qua dải điều kiện tải rộng nhất trong ứng dụng này: tốc độ gần bằng không ở mô-men cao trong pha chống đỡ, tốc độ cao ở mô-men thấp trong pha vung, và tải va đập ở cả hai đầu. Câu hỏi liên quan là liệu hồ sơ đã công bố có bao quát trường hợp va đập hay không, mà trong tập này thì có đối với con số mô-men đỉnh và không có đối với tải sốc đến qua kết cấu. Khoảng trống đó được khép lại với nhà sản xuất chứ không phải với một bảng dữ liệu.

Thiết bị hỗ trợ và phục hồi chức năng

Ở nơi một cỗ máy di chuyển một chi thuộc về một con người, khớp phải giữ một tải và đi theo một chuyển động cùng lúc, và các nghiên cứu điển hình đã công bố cho hai bộ trong bảng này đến từ chính bối cảnh đó. Các bộ tỷ số cao làm nhiệm vụ giữ, còn các bộ tỷ số thấp hoặc độ rơ thấp làm nhiệm vụ đi theo, đó là lý do các thiết bị hỗ trợ thường trộn hai lớp tỷ số trên cùng một chi thay vì đặc tả một bộ cho toàn bộ chuỗi.

Thao tác, điều khiển từ xa và các nền tảng khéo léo

Cánh tay trên một nền tảng robot hình người thừa hưởng các ràng buộc của cơ thể mà chúng gắn vào: khối lượng khiêm tốn ở cổ tay, nhu cầu làm việc trong những không gian phi cấu trúc, và một vòng điều khiển phải chịu được tiếp xúc. Khoảng giữa của bảng này - các bộ 485 g và 540 g ở 6:1 và 9:1 trên bus 48 V - là nhóm thỏa mãn những ràng buộc đó mà không cần khối lượng của đầu chịu tải, và là nhóm mà một model duy nhất có thể phục vụ nhiều hơn một khớp trong cánh tay.

Một trình tự lựa chọn cho một khớp robot hình người

Thứ tự của ba bước này quan trọng hơn chi tiết bên trong bất kỳ bước nào, bởi mỗi bước thu hẹp tập hợp mà bước tiếp theo phải xem xét.

Chốt chu kỳ làm việc và tải trường hợp xấu nhất của khớp trước tiên

Xác lập mô-men giữ ở tư thế mà cỗ máy dành phần lớn thời gian của nó, mô-men cần thiết trong trạng thái quá độ mà việc phục hồi thăng bằng hoặc nâng đòi hỏi, và tỷ lệ thời gian dành cho mỗi trường hợp. Con số thứ nhất định cỡ trường hợp nhiệt và do đó là mô-men định mức; con số thứ hai định cỡ khẳng định đỉnh; và tỷ lệ giữa chúng quyết định liệu khớp thuộc về đầu thấp của bảng hay đầu cao. Không có gì về model có thể được quyết định trước điều này, bởi cùng một yêu cầu mô-men có thể được đáp ứng bởi một động cơ nhỏ với tỷ số cao và một động cơ lớn với tỷ số thấp, và hai câu trả lời đó hành xử khác nhau tại khớp.

Chốt bus, lỗ xuyên trục và kích thước bao lắp đặt thứ hai

Điện áp bus đi theo kiến trúc nguồn của cỗ máy chứ không đi theo bộ truyền động, nên nó cần được xem như một ràng buộc cố định: các bộ trong tập này chạy trên 24 V, trên 48 V, hoặc cả hai, và một bộ chỉ 48 V không thể dùng trên một nền tảng 24 V dù mô-men của nó khớp tốt đến đâu. Kích thước bao đi theo khâu: đường kính trước, chiều dài sau, và - ở nơi khớp là một hông hoặc một đầu gối có cáp băng qua - lỗ xuyên qua trục cùng lúc. Một danh sách rút gọn vượt qua hai bộ lọc này thường đủ nhỏ để so sánh một cách tử tế.

Tra vấn những con số mà hồ sơ để ngỏ

Hồ sơ đã công bố cho lớp bộ truyền động này tốt về mô-men, tốc độ, tỷ số và khối lượng, và mỏng hơn về những con số quyết định cách một khớp hành xử chứ không phải cách nó hoạt động. Bộ câu hỏi cần mang đến nhà sản xuất thì ngắn.

• Độ rơ đo tại đầu ra cho đúng bộ và phiên bản cụ thể, và liệu giá trị đó là giá trị lớn nhất hay giá trị điển hình.
• Cửa sổ chu kỳ làm việc gắn với con số mô-men đỉnh: bao lâu, bao thường xuyên, và với cách tản nhiệt nào.
• Hiệu suất qua toàn bộ tầng giảm tốc, và nó giảm ở đâu tại tốc độ đầu ra thấp dưới mô-men cao.
• Dòng điện liên tục và mức tăng nhiệt của vỏ đi kèm với nó trong chính cách lắp đặt của cỗ máy.
• Bất kỳ định mức sốc hay va đập nào, đây là con số mà ứng dụng này cần và là con số thường vắng mặt nhất.

Ở nơi một giá trị vắng mặt trong hồ sơ, nó thuộc về biên thiết kế chứ không thuộc về một giả định, và việc đánh giá cần được ghi thành văn bản trước khi đặt mua khớp.

Câu hỏi thường gặp

Nguồn tài liệu chính thức

CubeMars công bố tài liệu sản phẩm cho các dải bộ truyền động được tập hợp trong mục Tài liệu của nền tảng, và mỗi model có một trang sản phẩm chính thức mang đầy đủ thông số, đường cong hiệu suất và bản vẽ lắp đặt - dải sản phẩm của nhà sản xuất là điểm vào. Nhà sản xuất vẫn là nguồn chân lý cho các đường cong mô-men, định mức nhiệt, cơ sở độ rơ và cấu hình driver; ToBMS giữ cho lớp khám phá có thể tìm kiếm và so sánh, và các giá trị được dùng trong hướng dẫn này là những giá trị đã công bố được lưu trong hồ sơ sản phẩm của nền tảng.

Bước tiếp theo

Đối tác ở cấp nhóm cho hướng dẫn này là Bộ truyền động robot: cách chọn bộ truyền động tích hợp cho khớp robot, đọc năm bộ tích hợp trong số này đối chiếu với nhau như các linh kiện, và Cách chọn mô-đun khớp: năm bộ truyền động CubeMars từ 190 g đến 1.4 kg, lấy mô-đun khớp làm đơn vị thiết kế. Hướng dẫn này thay vào đó bắt đầu từ chính robot: nó đi đến cùng lớp bộ truyền động bằng con đường chuỗi khớp, chu kỳ làm việc và ngân sách khối lượng, đó là con đường nên đi khi câu hỏi là một robot hình người cần gì chứ không phải model nào lớn hơn.

Hai con đường liền kề đáng đi theo ở nơi lớp khớp thay đổi. Ở nơi một khớp phải được dẫn hướng bằng tay hoặc nơi phải quyết định ranh giới giữa một bộ không vỏ và một mô-đun kín, Động cơ BLDC cho bộ xương ngoài: bộ mô-men không vỏ hay bộ truyền động tích hợp trình bày so sánh đó một cách trực tiếp, và nhóm Động cơ mô-men xoắn không vỏ bao quát những bộ stator và rôto mà các trục bàn tay khéo léo thường được chế tạo từ đó. Ở nơi một tỷ số thấp được chọn vì tính tuân thủ chứ không vì tốc độ, Bộ truyền động gần như trực tiếp: tỷ số 8:1 mang lại gì bao quát dải Bộ truyền động gần như trực tiếp trên cơ sở đó.

Để có bối cảnh rộng hơn về cách các lớp động cơ liên quan với nhau, Động cơ BLDC: hướng dẫn đầy đủ về chủng loại, thông số và cách chọn đặt bộ truyền động tích hợp vào giữa các nhóm khác. Để lập danh sách rút gọn thay vì nghiên cứu, hãy lọc các ứng viên theo mô-men, tỷ số, điện áp, khối lượng và kích thước bao trong Lựa chọn rồi đặt chúng cạnh nhau trong So sánh sản phẩm; các lớp khớp liên quan được nhóm trong các ứng dụng Mô-đun khớp, Bộ xương ngoài, Robot bốn chân và Robot phục hồi chức năng của nền tảng. Nhóm Bộ truyền động robot chứa tám bộ được so sánh ở đây.