Chọn động cơ BLDC cho robot bốn chân: mô-men, tốc độ và giới hạn nhiệt

Một chân không phải là một cánh tay tình cờ chĩa xuống mặt đất. Một cánh tay robot được định cỡ theo một tải trọng và một thời gian chu kỳ, và phần lớn thời gian nó hoặc đang chuyển động hoặc đang chờ; một chân của Robot bốn chân mang khối lượng của cỗ máy qua từng bước, dành phần lớn bước đó để giữ mô-men trong khi hầu như không quay, rồi phải đảo chiều vài lần mỗi giây mà không bao giờ được nguội đi. Ba sự thật đó lấy danh sách động cơ thông thường - mô-men, tốc độ, kích thước bao, khối lượng - và sắp xếp lại nó, bởi ràng buộc quyết định liệu một cỗ máy có thể chạy nước kiệu trong hai mươi phút không phải là mô-men đỉnh mà một khớp có thể đạt tới trong một phần nhỏ của giây, mà là lượng nhiệt mà cuộn dây đã tích tụ trước khi trạng thái quá độ tiếp theo ập đến. Vì vậy, chọn một động cơ BLDC cho các khớp robot bốn chân bắt đầu từ dáng đi, đi qua ba loại mô-men mà một chân đòi hỏi, và đến giới hạn nhiệt sau cùng, bởi đó mới là nơi chu kỳ làm việc thực sự được quyết định.

Trả lời nhanh

Một chân robot bốn chân đòi hỏi ở động cơ khớp của nó ba điều mà một cỗ máy chạy bánh hoặc đế cố định không đòi hỏi. Ở pha chống đỡ, khớp đỡ trọng lượng cơ thể trong khi quay chậm, đó là một nhiệm vụ mô-men liên tục với gần như không có công suất cơ học rời khỏi trục và do đó gần như không có sự hỗ trợ nào từ luồng khí hay chuyển động trong việc đưa nhiệt ra khỏi cuộn dây. Khi tiếp đất và đạp đất, chính khớp đó nhận một xung lực gấp vài lần tải đứng yên, đi qua hộp giảm tốc và đảo chiều theo từng bước. Và thường có mười hai bộ truyền động như vậy bên trong một vỏ thân, cùng lấy điện từ một bộ pin, nên một con số tính theo từng khớp phải được đọc cùng với việc mười một khớp còn lại đang làm gì ở cùng thời điểm. Do đó, một động cơ khớp cho robot bốn chân được chọn từ lớp Bộ truyền động robot - động cơ, tầng hành tinh, thiết bị phản hồi và driver trong một vỏ bắt bu lông duy nhất - bởi lựa chọn thay thế, một bộ không vỏ trần, để đội ngũ tích hợp tự giải bài toán tải va đập, độ kín và đường thoát nhiệt từ đầu.

Danh sách rút gọn dưới đây đọc năm bộ truyền động CubeMars gắn với ứng dụng Robot bốn chân như một tập thông số duy nhất, sắp từ một bộ 380 g đến một bộ 960 g. Ranh giới phân tách chúng trên thực tế không phải là cột mô-men mà là dòng điện định mức bên cạnh nó, bởi dòng điện định mức là thứ mà một chân phải trả liên tục, và khoảng cách giữa mô-men định mức và mô-men đỉnh quyết định còn lại bao nhiêu dự trữ cho trạng thái quá độ khi dự trữ đó đã bị tiêu một phần.

Một chân robot bốn chân đòi hỏi gì ở động cơ khớp

Ba ràng buộc dưới đây không phải là những tính năng được thêm lên trên một đặc tả động cơ thông thường. Chúng chuyển ràng buộc chủ đạo ra khỏi đầu ra cực đại và đặt vào đầu ra duy trì, đó là lý do một danh sách rút gọn chỉ dựa trên mô-men đỉnh có xu hướng tạo ra một cỗ máy có thể đứng lên, bước vài bước rồi gục xuống.

Bốn chân chia sẻ tải cho đến khi một chân không còn chia sẻ nữa

Một robot bốn chân đang đứng yên chia trọng lượng của nó ra bốn chân, nên mô-men đứng yên ở mỗi đầu gối đại khái bằng một phần tư khối lượng của cỗ máy tác dụng qua cánh tay đòn của chân. Bức tranh dễ chịu đó thay đổi ngay khi cỗ máy chuyển động. Ở chạy nước kiệu - dáng đi mà hầu hết nền tảng có chân dùng khi chạy nhanh - các cặp chéo nhau cùng nhấc lên và cùng tiếp đất, và có những khoảng thời gian chỉ còn hai bàn chân trên mặt đất, còn ở dáng đi thường thì có những khoảng thời gian còn ba chân. Ngay cả trong tư thế chạy nước kiệu đứng yên, tải cũng không được chia đều, bởi những chân gần khối tâm hơn mang nhiều hơn và sự phân bố trước - sau phụ thuộc vào vị trí của tải trọng và bộ pin. Hệ quả đối với động cơ là mô-men làm việc trong một bước không phải một phần tư trọng lượng cỗ máy; nó dao động giữa khoảng một phần ba và hơn một nửa tùy theo dáng đi và từng thời điểm, và đỉnh của dao động đó là trạng thái quá độ mà khớp phải chịu đựng hai lần mỗi chân mỗi bước. Một ngân sách được xây trên trường hợp bốn chân tĩnh không đủ thận trọng để hữu ích, và sự dao động giữa chống đỡ chia sẻ và chống đỡ đơn lẻ chính là điều phân biệt nhiệm vụ của một chân robot bốn chân với nhiệm vụ của một khớp chỉ phải giữ phần của chính nó.

Pha chống đỡ là trạng thái đứng yên, còn pha vung là một gia tốc

Mỗi khớp trong một chân trải qua hai nửa chu kỳ khá khác nhau. Ở pha chống đỡ, bàn chân ở trên mặt đất và thân máy di chuyển qua nó; đầu gối gập và duỗi một chút, nên tốc độ góc của khớp thấp trong khi mô-men khớp cao và được duy trì. Ở pha vung, bàn chân ở trong không khí và không có gì được đỡ, nên mô-men giảm xuống mức mà quán tính của chính chân đòi hỏi trong khi tốc độ góc tăng lên mức mà nhịp bước yêu cầu để đặt bàn chân trước khi tiếp đất. Một bộ phân tách được dựng từ hai nửa đó có một đặc tính khó chịu từ góc nhìn của động cơ: nửa mô-men cao lại là nửa tốc độ thấp. Công suất cơ học là mô-men nhân với tốc độ, nên ở pha chống đỡ khớp cung cấp rất ít công suất cơ học hữu ích trong khi hút dòng điện gần mức tối đa - và trong một cuộn dây, bình phương dòng điện nhân với điện trở là nhiệt, bất kể có phần nào trong đó tới được trục đầu ra hay không. Vì vậy pha chống đỡ là trường hợp nhiệt, còn pha vung hầu như không phải là một sự kiện nhiệt.

Tiếp đất và nhảy đến như những xung lực xuyên qua hộp giảm tốc

Một cỗ máy chạy nước kiệu dành một phần mỗi bước ở trên không, và mỗi lần tiếp đất chuyển động lượng thẳng đứng thành một đỉnh lực ở bàn chân lan lên qua hệ khâu tới khớp. Điều tương tự xảy ra theo chiều ngược lại khi đạp đất và một lần nữa trong một cú nhảy hoặc một bước phục hồi. Những đỉnh lực đó gấp vài lần tải đứng yên và chúng đến khi hộp số đã mang tải, nghĩa là chúng đi qua răng bánh răng trước khi động cơ nhìn thấy chúng đã bị chia cho tỷ số và bị giảm thêm bởi độ tuân thủ mà tầng đó có. Hai điều suy ra từ đó. Thứ nhất, cột mô-men đỉnh của động cơ không phải là giới hạn quan trọng ở đây, bởi một tầng hành tinh được định mức cho các tải va đập lặp lại là một mặt hàng khác với một tầng được định mức cho đầu ra êm. Thứ hai, trình tự có ý nghĩa: một giá trị đỉnh được công bố cho một động cơ nguội ở đầu phép thử không phải cùng giá trị đó ở phút thứ mười của một bài chạy nước kiệu, khi chính khớp đó đã tích nhiệt từ mọi pha chống đỡ trước đó và độ tắt dần từ kết cấu chân ấm hơn và mềm hơn so với ban đầu.

Mười hai mô-đun nằm trong một vỏ thân

Một robot bốn chân thông thường có ba khớp được dẫn động trên mỗi chân - dạng ra hoặc khép vào ở hông, gập hoặc duỗi ở hông, và gập hoặc duỗi ở đầu gối - nên mười hai bộ truyền động chia sẻ một khung, một bộ pin và một thể tích nhiệt. Sự nhân bản đó thay đổi cách đọc mọi con số tính theo từng bộ. Một dòng điện định mức trông khiêm tốn với một mô-đun sẽ lớn gấp mười hai lần ở bộ pin, và mức tiêu thụ liên tục ở mức đó là một con số về thời lượng hoạt động cũng như về nhiệt. Nhiệt thải vào một vỏ thân kín sẽ tích tụ, bởi mười hai mô-đun ấm làm tăng nhiệt độ môi trường cục bộ cho tất cả chúng, và định mức của mọi bộ phía sau đều ngầm giả định môi trường mà nhà sản xuất đã thử nghiệm. Và một cách đơn giản hóa thiết kế phổ biến - dùng cùng một mô-đun cho khớp gập hông và đầu gối vì nó giảm một nửa số lượng phụ tùng dự phòng - sẽ nhân bất kỳ quyết định nào ở cấp từng bộ, dù tốt hơn hay xấu hơn, lên tám trong số mười hai trục.

Mô-men: ba con số mà một chân thực sự cần

Ba đại lượng mô-men riêng biệt xuất hiện trong một đặc tả khớp của robot bốn chân và chúng thường xuyên bị nhầm lẫn với nhau. Giữ chúng tách biệt là phần lớn công việc định cỡ một chân.

Mô-men giữ trong pha chống đỡ đặt ra yêu cầu liên tục

Con số đầu tiên là thứ mà khớp cần phần lớn thời gian: mô-men để mang phần khối lượng của chính cỗ máy qua pha chống đỡ, có cộng thêm tải trọng và lấy cánh tay đòn ở tư thế xấu nhất chứ không phải ở tư thế đứng. Con số này được so với mô-men định mức đã công bố, tức mô-men mà một động cơ có thể giữ vô thời hạn trong khi cuộn dây vẫn nằm trong cấp cách điện của nó. Trên năm bộ dưới đây, mô-men định mức đã công bố chạy từ 3 Nm đến 18 Nm, và vì đây là các mô-đun tích hợp nên con số đã là con số phía đầu ra sau hộp giảm tốc. Cái bẫy ở dòng này là đọc mô-men định mức so với thời điểm xấu nhất của bước thay vì so với giá trị trung bình trên cả bước; một khớp đáp ứng được đỉnh của dao động chống đỡ bằng con số định mức của nó là quá lớn cho chín mươi phần trăm nhiệm vụ còn lại và nặng hơn mức cần thiết.

Mô-men đỉnh là một phần dự trữ đã bị tiêu một phần

Con số thứ hai là trạng thái quá độ: tiếp đất, đạp đất, một cú nhảy, một lần phục hồi sau trượt, hoặc bước lên một bó vỉa bất ngờ. Con số này được so với mô-men đỉnh đã công bố, tức mô tả mức mà động cơ có thể tạo ra trong một khoảng thời gian ngắn trước khi hoặc driver chạm giới hạn dòng điện của nó, hoặc nam châm bắt đầu mất điểm làm việc. Trong tập này, khoảng cách giữa hai con số là nhất quán - bội số đỉnh trên định mức nằm giữa khoảng 2.4 và khoảng 3.0, theo phép tính số học từ hai cột đã công bố - nên không thể chọn giữa các bộ chỉ dựa trên khoảng cách đó. Điều quan trọng hơn là bao nhiêu phần của khoảng cách đó còn sống sót qua vận hành liên tục. Một chân đã chạy nước kiệu hai mươi phút đã dùng hết phần lớn dư địa nhiệt của nó, nên dự trữ còn lại cho lần tiếp đất tiếp theo nhỏ hơn con số trên trang giấy, và mức giảm đó phụ thuộc vào một cửa sổ chu kỳ làm việc mà các hồ sơ bên dưới không công bố.

Mật độ mô-men bị tính phí hai lần ở đầu gối

Con số thứ ba là con số không tốn gì để đọc và tốn tất cả nếu đọc sai. Mô-men đỉnh đã công bố trên mỗi đơn vị khối lượng trên năm bộ này chạy từ khoảng 23.7 Nm/kg ở bộ 380 g đến khoảng 50 Nm/kg ở bộ 960 g, còn mô-men định mức trên mỗi đơn vị khối lượng từ khoảng 7.9 Nm/kg đến khoảng 18.8 Nm/kg - cả hai đều là phép tính số học trên các cột đã ghi nhận, và cả hai đều tăng đều theo kích thước. Hình dạng đi lên đó rất hấp dẫn, bởi nó gợi ý rằng bộ lớn hơn đơn giản là bộ tốt hơn. Không phải vậy, vì hai lý do. Thứ nhất, các giá trị đỉnh đến qua những tỷ số khác nhau, và một tỷ số mua mô-men bằng cách tiêu tốn tốc độ; Bộ truyền động gần như trực tiếp: tỷ số 8:1 mang lại gì cho thấy sự đánh đổi đó từ chiều ngược lại. Thứ hai, và đặc thù với một chân, khối lượng đặt ở đầu gối bị hông phía trên mang và tăng tốc qua từng bước, nên một mô-đun ở đầu gối trả phí khối lượng của nó hai lần: một lần như quán tính mà hông phải di chuyển, và một lần như mô-men mà hông phải đỡ. Trên một cỗ máy mà đầu gối và hông đã dùng cùng một mô-đun, việc thêm khối lượng cho cả hai là quyết định ăn vào ngân sách tải trọng nhanh nhất.

Độ rơ và việc xung lực đi đâu

Độ rơ đã công bố là con số thường bị bỏ qua nhất ở một chân, và cũng là con số đáng đọc nhất. Nền tảng ghi nó bằng độ chuyển động mất đi ở đầu ra, và trong tập này nó chạy từ 0.2° đến 0.38°, với một hồ sơ hoàn toàn không mang giá trị nào. Con số đó đặt ra mức mà khớp có thể di chuyển dưới tải trước khi chuỗi bánh răng khép kín, và trong một lần tiếp đất thì đó là khác biệt giữa ước lượng của bộ điều khiển về vị trí bàn chân và vị trí thực của nó. Một giá trị chặt phải trả giá ở chỗ khác - thường là ở hiệu suất và ở khả năng chịu va đập - nên cách đọc hữu ích không phải "nhỏ nhất là tốt nhất" mà là "nhỏ nhất mà vẫn chịu được xung lực tiếp đất lặp lại". Hồ sơ AK70-10 KV100 mang giá trị chặt nhất trong tập này ở 0.2°; hồ sơ AK60-6 V3.0 KV80 không mang giá trị nào, và khoảng trống đó thuộc về danh sách câu hỏi bằng văn bản gửi nhà sản xuất chứ không thuộc về một giả định.

Tốc độ: đọc con số đã công bố ở đúng phía của hộp giảm tốc

Tốc độ là chỗ dễ đọc sai nhất ở một mô-đun tích hợp, bởi cùng một cột mang hai ý nghĩa khác nhau tùy theo nó được đo ở phía nào của tầng giảm tốc, và hồ sơ thường không nói rõ là phía nào. Có một phép kiểm tra giải quyết được điều đó.

Con số nằm ở phía nào của tầng giảm tốc, và cách kiểm tra

KV là một hằng số phía động cơ: tốc độ rôto trên mỗi vôn điện áp bus, trước mọi giảm tốc. Nhân nó với điện áp nguồn định mức, chia cho tỷ số giảm tốc đã công bố, và kết quả phải rơi đúng hoặc gần tốc độ không tải đã công bố. Với cả năm bộ dưới đây thì đúng như vậy. AK60-6 V3.0 KV80 cho 80 nhân 24 V, chia 6:1, tức 320 rpm so với giá trị công bố 320 rpm, và phép nhân tương tự với 48 V cho 640 rpm so với giá trị công bố 640 rpm. AK80-8 KV60 cho 60 nhân 48 V chia 8:1, tức 360 rpm so với giá trị công bố 360 rpm. AK10-9 V2.0 KV60 cho 160 rpm và 320 rpm ở 24 V và 48 V so với các giá trị công bố đúng bằng những con số đó, còn AK70-10 KV100 và AK80-9 V3.0 KV100 rơi trong khoảng vài phần trăm của giá trị tương ứng. Vì vậy các cột tốc độ đã công bố của những mô-đun này là các giá trị phía đầu ra, đã được chia cho tỷ số, và điều tương tự đúng với tốc độ định mức bên cạnh chúng. Một yêu cầu về khớp viết bằng độ mỗi giây có thể được so trực tiếp với chúng bằng cách nhân số vòng trên phút với sáu.

Nhịp bước đòi hỏi gì ở tốc độ khớp

Chuyển một bước thành một yêu cầu cho khớp chủ yếu là chuyện khớp đi được bao xa và có bao lâu để đi. Pha vung có hạn chót gắt hơn: bàn chân phải được đặt trước khi tiếp đất, và ở nhịp trên khoảng hai bước mỗi giây thì thời gian để làm việc đó dưới nửa giây khá nhiều. Độ dịch chuyển của đầu gối và hông trong pha vung thường là hàng chục độ chứ không phải những con số ba chữ số mà một cánh tay có thể dùng, nên yêu cầu rút ra thường được đáp ứng thoải mái ngay cả bởi những bộ chậm hơn - AK10-9 V2.0 KV60 công bố 109 rpm định mức ở 24 V, tức khoảng 654 độ mỗi giây, và ngay cả con số đó cũng vượt mức mà hầu hết dáng đi thường đòi hỏi ở một đầu gối. Ngoại lệ là phục hồi: trượt khỏi một bó vỉa, đỡ một cú vấp, hoặc thực hiện một cú nhảy đều đòi hỏi một độ dịch chuyển nhanh hơn nhiều, và đó chính là trường hợp quyết định đầu trên của cột tốc độ. Đọc theo năm hồ sơ, tốc độ đầu ra ở mức định mức chạy từ khoảng 654 độ mỗi giây ở bộ 960 g đến khoảng 2940 độ mỗi giây ở bộ 380 g trên 48 V, tức một hệ số bốn lần rưỡi và gần như hoàn toàn được giải thích bởi tỷ số mà mỗi bộ mang.

Vì sao nhanh hơn phải trả bằng mô-men

Tỷ số nằm giữa rôto và đầu ra chính là thứ gắn kết hai yêu cầu lại, và nó gắn kết chúng theo hai hướng ngược nhau: mô-men đầu ra đến từ mô-men động cơ nhân với tỷ số và với hiệu suất của tầng, trong khi tốc độ đầu ra đến từ tốc độ động cơ chia cho tỷ số. Một khớp cần cả mô-men lẫn tốc độ nhiều hơn mức một mô-đun cho trước cung cấp thì không thể lấy chúng từ mô-đun đó; nó cần một tỷ số khác, một điện áp bus khác, hoặc một bộ khác. Năm bộ dưới đây cho thấy điều đó như một quy luật. Bộ 6:1 là bộ nhanh nhất và ít đậm đặc mô-men nhất. Các bộ 9:1 và 10:1 nằm ở giữa trên cả hai trục. Cặp đạt mô-men định mức cao nhất làm được điều đó với cùng một tầng 9:1 như một bộ nhẹ hơn nhiều, nghĩa là mô-men đến từ một động cơ lớn hơn chứ không phải từ một tỷ số lớn hơn - đó là lý do nó nặng 960 g và hút 10.6 A để tạo 18 Nm, trong khi bộ cùng dòng nhẹ hơn của nó hút 3.8 A để tạo 3 Nm.

Giới hạn nhiệt: điều quyết định một dáng đi chạy được bao lâu

Hành vi nhiệt là ràng buộc phân tách một khớp chạy được trên bàn thử với một khớp chạy được suốt một ca làm việc, và đây là phần của một đặc tả robot bốn chân thường xuyên bị bỏ trống nhất. Năm quan sát sau đây chống đỡ cho nó.

Không có công suất cơ học không có nghĩa là không có nhiệt

Quay lại pha chống đỡ: khớp đang tạo mô-men ở tốc độ thấp, nên đầu ra cơ học nhỏ, vậy mà dòng điện trong các pha vẫn gần giới hạn liên tục. Trong một cuộn dây không chổi than, tổn thất quan trọng là tổn thất đồng, và tổn thất đồng do dòng điện quyết định, không do bao nhiêu phần của dòng điện đó đang làm việc hữu ích. Vì vậy pha chống đỡ là khoảng thời gian mà gần như toàn bộ điện năng đi vào động cơ rời đi dưới dạng nhiệt, và hiệu suất - đầu ra hữu ích trên đầu vào - sụp về không đúng vào lúc cỗ máy dựa vào khớp mạnh nhất. Do đó, bất kỳ mô hình nhiệt nào suy ra nhiệt từ công cơ học sẽ dự đoán thiếu một cách nghiêm trọng, và đại lượng thay thế đúng khi không có con số điện trở nhiệt là dòng điện liên tục mà hồ sơ công bố.

Dòng điện định mức là con số nhiệt làm việc

Đọc theo cách đó, các cột dòng điện cung cấp nhiều thông tin hơn cả hai cột mô-men. Dòng điện định mức đã công bố trên năm bộ chạy từ 3.8 A đến 12 A, và chia mỗi giá trị cho mô-men định mức của chính nó cho một chi phí thô tính bằng ampe trên newton-mét đầu ra liên tục - khoảng 1.27 A/Nm ở AK60-6 V3.0 KV80, khoảng 1.33 A/Nm ở AK80-9 V3.0 KV100, khoảng 0.69 A/Nm ở AK80-8 KV60, khoảng 0.87 A/Nm ở AK70-10 KV100 và khoảng 0.59 A/Nm ở AK10-9 V2.0 KV60. Cả năm giá trị đều là phép tính số học trên hai cột đã công bố và cả năm đều ở phía đầu ra, nên chúng mang theo hiệu suất của từng tầng bên trong chứ không tách riêng nó ra. Dù vậy, độ trải rộng gần bằng hệ số hơn hai một chút, và nó không bám theo khối lượng: bộ nhẹ nhất nằm trong nhóm có chi phí dòng điện trên newton-mét cao nhất, đó là dấu hiệu của một tỷ số thấp đang buộc chính động cơ làm công việc mà một tỷ số cao hơn sẽ làm với đòn bẩy lớn hơn. Với một cỗ máy chạy pin, cột này quy đổi trực tiếp thành thời lượng hoạt động, và với một cỗ máy có dây, nó quy đổi thành lượng nhiệt phải thoát ra khỏi thân máy.

Mười hai khớp cùng rút từ một ngân sách

Nhân cột công suất định mức với mười hai cho ra bậc độ lớn mà một cỗ máy phải hoạch định quanh nó, và câu trả lời không dễ chịu. Cả mười hai trục đứng ở đầu ra định mức liên tục sẽ hút khoảng 888 W nếu mọi bộ đều là AK60-6 V3.0 KV80 74 W, khoảng 2760 W nếu chúng là các bộ 230 W, khoảng 4416 W nếu chúng là AK80-9 V3.0 KV100, và khoảng 5160 W nếu chúng là AK10-9 V2.0 KV60. Không robot bốn chân nào duy trì được mức đó, và những con số này không phải là dự đoán - chúng là thang đo để đọc chu kỳ làm việc thực, và chúng giải thích vì sao chu kỳ làm việc thực tế của gần như mọi cỗ máy đã triển khai thực địa chỉ là một phần nhỏ của định mức liên tục với những lần vượt ngắn. Phép tính tương tự áp cho khối lượng thì ít đáng lo hơn và hữu ích hơn: mười hai bộ ở mức 490 g cộng lại thành 5.88 kg riêng bộ truyền động, trước kết cấu, pin và tải trọng, đó là lý do đầu nhẹ của bảng này tồn tại.

Mô-men đỉnh đưa vào một cuộn dây đã ấm là một con số nhỏ hơn

Sự tương tác giữa hai cửa sổ mô-men là nơi giới hạn nhiệt thực sự cắn vào. Một giá trị mô-men đỉnh là một phát biểu về một động cơ khởi đầu trong dải nhiệt độ môi trường của nó; chính khớp đó sau ba mươi giây chạy nước kiệu có một cuộn dây gần giới hạn cách điện hơn, và phần biên giữa nhiệt độ hiện tại của nó và giới hạn đó chính là phần còn lại cho trạng thái quá độ. Vì nhiệt trong pha chống đỡ là liên tục và lặp lại theo từng bước, một chân đạt tới một mức nhiệt ổn định chứ không hồi phục giữa các bước, và mức ổn định đó đạt được trong vài phút chứ không phải trong một giờ. Hệ quả thực tế đối với một động cơ BLDC cho các khớp robot bốn chân là cột đỉnh phải được giảm định mức cho vận hành ở trạng thái ổn định, và mức giảm định mức bao nhiêu chính là điều phải hỏi nhà sản xuất, bởi không hồ sơ nào trong năm hồ sơ này công bố một cửa sổ chu kỳ làm việc, một giả định về nhiệt độ môi trường hay một điều kiện lắp đặt cho các con số nhiệt của nó.

Nhiệt thực sự thoát ra ở đâu

Một mô-đun tích hợp chỉ có một đường thoát nhiệt: dẫn nhiệt qua vỏ của chính nó vào bất cứ thứ gì nó được bắt bu lông lên. Không có quạt, không có luồng khí đáng kể bên trong một chân kín, và trong pha chống đỡ cũng không có chuyển động tự sinh để phân tán nhiệt. Hệ quả thực tế là cùng một bộ truyền động hành xử như hai sản phẩm khác nhau tùy theo nó được bắt bu lông vào một vỏ polymer mỏng hay được kẹp vào một khối đầu gối nhôm đã gia công đóng vai trò tản nhiệt, và khác biệt đó đủ lớn để chi phối lựa chọn. Đây là yêu cầu duy nhất trong hướng dẫn này được đáp ứng hoàn toàn bên ngoài động cơ, và đó cũng là lý do các con số nhiệt của nhà sản xuất - lấy trên một giàn thử, trong không khí tĩnh, với một cách lắp đặt mà đội ngũ tích hợp sẽ không tái tạo lại - không thể được coi là dự đoán nếu không có một cuộc trao đổi.

Năm bộ truyền động CubeMars như một tập thông số duy nhất

Bảng dưới đây đọc năm bộ truyền động robot CubeMars như một tập thông số duy nhất, sắp theo khối lượng, bởi khối lượng là trục mà một chân được thiết kế theo: mỗi gam thêm vào ở đầu gối đều phải trả ở hông phía trên nó. Mọi giá trị đều là giá trị nhà sản xuất đã công bố lấy từ hồ sơ sản phẩm của nền tảng này, và mọi giá trị dẫn xuất trong phần văn bản xung quanh đều được ghi nhãn là phép tính số học. Lưu ý rằng hai trong năm bộ công bố điểm làm việc cho cả 24 V lẫn 48 V, và rằng các giá trị tốc độ đã công bố là ở phía đầu ra - đã được chia cho tỷ số giảm tốc, như trình bày ở trên.

Tỷ số giảm tốc, mô-men định mức và đỉnh, dòng điện định mức, tốc độ đầu ra tại mô-men định mức và khối lượng theo công bố, cho năm bộ truyền động robot CubeMars gắn với ứng dụng Robot bốn chân. Mô-men định mức là giá trị liên tục trong giới hạn nhiệt của động cơ; mô-men đỉnh là một giá trị trong khoảng thời gian ngắn. Một giá trị tốc độ đơn lẻ nghĩa là bộ 48 V; các giá trị thành cặp là 24 V rồi 48 V. Cửa sổ chu kỳ làm việc, giả định về nhiệt độ môi trường, điều kiện lắp đặt và điện trở nhiệt đằng sau cả hai giá trị mô-men nằm trong bảng dữ liệu của nhà sản xuất chứ không trong hồ sơ, và điều tương tự cũng đúng với giá trị độ rơ của AK60-6 V3.0 KV80.

Ba điều nổi bật khi đọc năm bộ cùng nhau. Thứ nhất là thứ tự mô-men bám theo thứ tự khối lượng rất ít. Bộ 570 g công bố mô-men định mức nhiều hơn bộ 621 g và mô-men đỉnh gần bằng, bởi tầng 8:1 và định mức 230 W của nó nằm khác với tầng 10:1 và định mức 230 W của bộ bên cạnh; hai bộ có cùng công suất rơi vào những phần khác nhau của đường cong mô-men - tốc độ vì tỷ số khác nhau. Vì vậy chỉ khối lượng là một đại lượng thay thế kém cho năng lực trong dòng sản phẩm này, và cột tỷ số mới là thứ giải thích điều đó.

Thứ hai là điều mà cột dòng điện nói về chi phí trên mỗi newton-mét. Hai bộ đậm đặc mô-men nhất - bộ 570 g và bộ 960 g - cũng là hai bộ rẻ nhất trên mỗi newton-mét mô-men liên tục, ở khoảng 0.69 A/Nm và khoảng 0.59 A/Nm, trong khi bộ nhẹ nhất nằm trong nhóm đắt nhất với khoảng 1.27 A/Nm. Quy luật bám theo tỷ số chứ không theo kích thước: một tỷ số cao cho phép một động cơ nhỏ giữ một mô-men cho trước với ít dòng điện hơn, và khoản tiết kiệm đó không miễn phí, vì nó phải trả bằng tốc độ đầu ra và bằng lượng tải mà mỗi lần tiếp đất đưa qua tầng giảm tốc.

Thứ ba là phép tính công suất và tốc độ không khớp hoàn toàn ở hai trong năm bộ. Nhân mô-men định mức với tốc độ định mức rồi quy đổi cho một giá trị nằm trong khoảng một phần trăm của công suất định mức đã công bố ở ba bộ - AK80-9 V3.0 KV100 ở 368 W, AK10-9 V2.0 KV60 ở 430 W, và AK60-6 V3.0 KV80 ở 74 W so với điểm làm việc 24 V của nó - nhưng lại cao hơn giá trị đã công bố khoảng 11 phần trăm ở AK80-8 KV60 và cao hơn khoảng 17 phần trăm ở AK70-10 KV100 trên 48 V. Hai khoảng chênh cuối không phải là sai sót trong phép tính; chúng là dấu hiệu rằng công suất định mức, mô-men định mức và tốc độ định mức trong các hồ sơ đó được lấy trong những điều kiện khác nhau, và đó chính xác là loại điều cần được viết thành văn bản gửi nhà sản xuất trước khi định cỡ một khớp theo chúng.

Đọc năm bộ dọc theo một chân

Một chân robot bốn chân là một chuỗi ngắn, và yêu cầu thay đổi dọc theo nó: khớp dạng ra và khép vào di chuyển ít với mô-men thấp nhưng nằm ở đầu trên của chuỗi, nơi khối lượng của chúng bị mang; khớp gập hông mang trọng lượng cơ thể và dẫn dắt bước đi; đầu gối kết hợp cả hai nhiệm vụ và nhận lấy lần tiếp đất. Năm bộ chia nhau dọc theo chuỗi đó.

Đầu 380 g: dạng ra và khép vào

AK60-6 V3.0 KV80 là bộ nhỏ nhất ở đây với 380 g trong một vỏ đường kính 79 mm, dài 43 mm, và công bố 3 Nm định mức cùng 9 Nm mô-men đỉnh qua một tầng 6:1 trên 24 V hoặc 48 V, với 233 rpm định mức và 320 rpm không tải ở đầu ra trên 24 V hoặc 490 rpm định mức và 640 rpm không tải trên 48 V. Công suất định mức của nó là 74 W và dòng điện định mức là 3.8 A, với dòng điện đỉnh được công bố là 10.3 A ở 24 V và 11.2 A ở 48 V. Như một trục nghiêng hoặc trục xoay ở hông, nó phù hợp chặt chẽ với vai trò đó trên giấy: nó là bộ nhẹ nhất ở đây, nó nhanh nhất với khoảng cách rộng ở khoảng 2940 độ mỗi giây đầu ra định mức trên 48 V, và một khớp dạng ra chỉ di chuyển vài chục độ với một tải khiêm tốn. Những điều cần lưu ý là hai điều đã nêu - chi phí dòng điện trên newton-mét cao nhất trong tập ở khoảng 1.27 A/Nm, và việc không có giá trị độ rơ đã công bố. Không điều nào loại bỏ nó; cả hai đều là những câu hỏi cần khép lại trước khi đặt hàng.

Lớp 490 g: đầu gối và gập hông trên một cỗ máy nhẹ

AK80-9 V3.0 KV100 nặng 490 g trong một vỏ đường kính 98 mm chỉ dài 38.5 mm - bộ ngắn nhất trong tập, điều này quan trọng ở nơi hai mô-đun nằm hai bên một khâu đùi - và công bố 9 Nm định mức cùng 22 Nm mô-men đỉnh qua một tầng 9:1 trên 48 V, với 390 rpm định mức và 570 rpm không tải ở đầu ra, 368 W công suất định mức, 12 A dòng điện định mức và 0.25° độ rơ. Với 490 g ở đường kính 98 mm, nó là ứng viên tự nhiên cho cặp gập hông và đầu gối trên một cỗ máy trong khoảng hai mươi đến bốn mươi kilôgam, nơi mô-men chống đỡ nằm trong 9 Nm và bước đi không cần phải nhanh. Điều cần lưu ý là dòng điện: 12 A định mức là cao nhất trong tập này, và mười hai bộ như vậy chạy đồng thời về lý thuyết sẽ hút 4416 W, nên một cỗ máy dựng trên bộ này cần một bộ pin và một thiết kế nhiệt được đặc tả cùng nhau chứ không phải kế thừa.

Lớp 570 g: nơi chu kỳ làm việc, chứ không phải kích thước bao, quyết định

AK80-8 KV60 nằm ở 570 g trong một vỏ đường kính 98 mm, dài 43.9 mm và công bố 10 Nm định mức cùng 25 Nm mô-men đỉnh qua một tầng 8:1 trên 48 V, với 243 rpm định mức và 360 rpm không tải ở đầu ra, 230 W công suất định mức, 6.9 A dòng điện định mức và 0.38° độ rơ. Đọc bên cạnh những bộ lân cận, nó là mục cân bằng nhất trong bảng và là bộ mà việc chọn nó xoay quanh chu kỳ làm việc chứ không phải kích thước bao. Nó công bố mô-men định mức nhiều hơn một chút so với bộ 621 g bên dưới trong khi hút ít dòng điện hơn một chút, và nó đạt mô-men đó qua một tỷ số ngắn hơn, nên nó giữ được nhiều tốc độ đầu ra hơn - 243 rpm so với 310 rpm trên cùng một bus, nhưng chỉ từ 230 W so với 230 W của bộ kia, và đó chính là cặp đôi tạo ra khoảng chênh khớp nêu ở trên. Ở nơi một nền tảng muốn dùng một mã linh kiện duy nhất cho cả hông và đầu gối và sẵn sàng tự gia công các khối lắp đặt của mình, đây là bộ đáng tính giá trước tiên.

Lớp 621 g: tầng giảm tốc chặt nhất trong tập

AK70-10 KV100 là một bộ 621 g trong vỏ đường kính 89 mm, dài 50.25 mm, công bố 8.3 Nm định mức cùng 24.8 Nm mô-men đỉnh qua một tầng 10:1 trên 24 V hoặc 48 V, với 148 rpm định mức và 240 rpm không tải ở đầu ra trên 24 V hoặc 310 rpm định mức và 480 rpm không tải trên 48 V. Công suất định mức là 230 W và dòng điện định mức là 7.2 A. Đặc điểm phân biệt của nó trong tập này là 0.2° độ rơ, giá trị chặt nhất ở đây, và tầng 10:1 của nó là tầng cao nhất - hai điều đó cùng chỉ về một cỗ máy mà bộ điều khiển dựa vào việc biết bàn chân đang ở đâu mà không đo trực tiếp. Nó cũng mang tỷ lệ giữa mô-men đỉnh và mô-men định mức rộng nhất trong tập này cùng với bộ nhẹ nhất, ở khoảng 3.0, nên nó có dự trữ quá độ danh nghĩa lớn nhất; liệu dự trữ đó có sống sót qua vận hành liên tục hay không là một trong những câu hỏi mà hồ sơ để ngỏ. Nhà sản xuất công bố một đoạn phim giới thiệu về bộ này trong robot động, được nhúng bên dưới.

Đầu 960 g: một cỗ máy nặng, hay một tải trọng nặng

AK10-9 V2.0 KV60 là bộ lớn nhất ở đây với 960 g trong vỏ đường kính 98 mm, dài 61.7 mm, công bố 18 Nm định mức cùng 48 Nm mô-men đỉnh qua một tầng 9:1 trên 24 V hoặc 48 V, với 109 rpm định mức và 160 rpm không tải ở đầu ra trên 24 V hoặc 228 rpm định mức và 320 rpm không tải trên 48 V. Công suất định mức là 430 W, dòng điện định mức 10.6 A và dòng điện đỉnh 29.8 A, với 0.33° độ rơ và hai encoder, tức cách bố trí cho phép một kênh đọc rôto và một kênh khác đọc đầu ra qua tầng giảm tốc. Nó tạo mô-men theo cách khác bốn bộ còn lại: thay vì một tỷ số cao hơn, nó dùng một động cơ lớn hơn ở cùng tỷ số 9:1, và do đó nó giữ được nhiều tốc độ đầu ra hơn mức một bộ tỷ số cao có cùng mô-men sẽ giữ. Sự kết hợp đó phù hợp với một cỗ máy trong lớp sáu mươi kilôgam, một nền tảng mang tay máy hoặc đầu cảm biến, hoặc bất kỳ chân nào mà hông phải duỗi nhanh dưới tải - nhưng ở 960 g thì một bộ mười hai chiếc cộng lại thành 11.52 kg bộ truyền động trước mọi thứ khác, và đó là con số thường khiến nhà thiết kế quay lại phần giữa của bảng này.

Những nền tảng robot bốn chân mà các bộ truyền động chân này phù hợp

Cả năm bộ đều được liên kết trên ToBMS với ứng dụng Robot bốn chân, điều đó phản ánh mức độ hẹp của nhiệm vụ: các khớp chân của robot bốn chân với ràng buộc chủ đạo là tải chống đỡ lặp lại chứ không phải đầu ra đỉnh.

Nền tảng kiểm tra và khảo sát

Nhóm đông nhất trong số các robot bốn chân đã triển khai thực địa ngày nay đi trong các khu công nghiệp - nhà máy lọc dầu, trạm biến áp, công trường xây dựng, boong ngoài khơi - mang theo camera, camera nhiệt hoặc cảm biến khí. Nhiệm vụ chậm, liên tục và dài: một cỗ máy có thể đứng trên chân suốt một giờ liền, thường xuyên đứng yên để đọc đồng hồ đo, và leo cầu thang hoặc bước qua các bó cáp. Đó gần như chính xác là hồ sơ chống đỡ - đứng yên mô tả ở trên, điều này khiến mô-men định mức và dòng điện định mức, chứ không phải mô-men đỉnh, trở thành các con số định cỡ, và khiến phần giữa của bảng này - các bộ 490 g và 570 g - trở thành điểm khởi đầu thông thường khi cỗ máy nằm trong dải hai mươi đến bốn mươi kilôgam.

Nền tảng nghiên cứu và học thuật

Nghiên cứu vận động bằng chân cần những khớp có thể bị ra lệnh mạnh lúc này và bị dẫn động ngược lúc sau, với phản hồi đã công bố để khép vòng điều khiển, và nó có xu hướng ưu tiên thứ được ghi chép đầy đủ hơn là thứ được tối ưu chặt chẽ hơn. Cả năm bộ đều công bố driver FOC, KV, Ke và số cặp cực, và AK10-9 V2.0 KV60 còn mang hai encoder, nên có thể đọc được cả hai phía của tầng 9:1. Ở nơi một dự án đang xây dựng phần điều khiển chứ không phải xây dựng sản phẩm, phần ghi chép đó đáng giá hơn mười phần trăm mật độ mô-men cuối cùng.

Máy có chân nông nghiệp và ngoài trời

Nền đất nông nghiệp là điều kiện phục vụ khắc nghiệt nhất ở đây: đất mềm, dốc, mảnh vụn và ẩm ướt, tất cả đều đẩy mô-men chống đỡ theo cách khó dự đoán và đòi hỏi độ kín ở khớp. Những điều kiện đó chống lại bộ nhỏ nhất trong tập này, khi con số 3 Nm định mức của nó để lại ít biên khi một bàn chân lún xuống, và ủng hộ các bộ 570 g và 621 g với mô-men định mức cao hơn cho một mức tiêu thụ dòng điện tương đương. Đây cũng là nhiệm vụ mà độ rơ đã công bố khẳng định giá trị của nó, bởi một chân bước lên nền đất không bằng phẳng không được phép giả định rằng bàn chân đã tiếp đất đúng nơi bộ điều khiển mong đợi.

Nền tảng bánh - chân và lai

Một lớp ngày càng phát triển gắn một bánh xe vào đầu mỗi chân, lăn trên nền phẳng và bước qua chướng ngại vật. Nhiệm vụ chia thành hai: những giai đoạn dài mô-men rất thấp trong khi lăn, xen kẽ bởi những trạng thái quá độ ngắn và mạnh khi cỗ máy bước. Điều đó ủng hộ một bộ có các giá trị liên tục mạnh và cửa sổ đỉnh trên định mức rộng rãi hơn là một bộ được tối ưu cho một trong hai thái cực, và kinh nghiệm thu được ở phía bánh xe của dòng sản phẩm chuyển sang đây rất tốt - các ứng dụng Robot bánh xe và AGV bao quát đầu đó của nhiệm vụ.

Một trình tự định cỡ cho một chân robot bốn chân

Ba bước mang phần lớn quyết định, theo thứ tự này, bởi mỗi bước thu hẹp những gì bước tiếp theo phải đáp ứng.

Chốt chu kỳ làm việc của dáng đi trước mô-men

Viết ra, trước mọi mã model: khối lượng cỗ máy kể cả tải trọng, tư thế chân xấu nhất và cánh tay đòn của nó, dáng đi và nhịp bước, tỷ lệ pha chống đỡ, và có bao nhiêu chân đặt xuống ở thời điểm xấu nhất. Từ những điều đó, suy ra mô-men chống đỡ liên tục ở mỗi khớp, trạng thái quá độ đỉnh khi tiếp đất và đạp đất, và độ dịch chuyển khớp mà mỗi pha đòi hỏi. Chính bộ ba đó - liên tục, quá độ, độ dịch chuyển - được so với ba cột trong bảng này, và bỏ qua cột giữa là cách một cỗ máy kết thúc với những chân giữ được tư thế nhưng thất bại khi tiếp đất.

Chốt bus và tổng trên mười hai khớp thứ hai

Chọn điện áp bus trước khi so sánh các bộ, bởi một số bộ công bố những giá trị khác nhau ở 24 V và 48 V và phép so sánh thay đổi hình dạng tùy theo giá trị nào được áp dụng: AK60-6 V3.0 KV80 tăng gần gấp đôi tốc độ đầu ra giữa hai mức, còn AK70-10 KV100 và AK10-9 V2.0 KV60 thay đổi theo hệ số tương tự hoặc nhỏ hơn. Sau đó cộng dòng điện định mức của bộ đã chọn trên cả mười hai trục và kiểm tra nó so với khả năng xả liên tục của bộ pin và so với khả năng thải nhiệt của thân máy. Một bộ thắng trong phép so sánh từng khớp có thể thua trong phép so sánh hệ thống chỉ ở bước này.

Ghi định mức và cơ sở của nó thành văn bản

Hỏi nhà sản xuất, với bộ đã vào danh sách rút gọn: giá trị mô-men đỉnh có thể được giữ trong bao lâu và có thể lặp lại bao thường xuyên; mô-men định mức và công suất định mức giả định nhiệt độ môi trường nào và cách lắp đặt nào; giới hạn dòng điện đỉnh trong driver được đặt ở mức nào; giá trị độ rơ đã công bố là giá trị lớn nhất hay giá trị điển hình; và điện trở nhiệt từ cuộn dây tới vỏ là bao nhiêu. Bốn trong năm hồ sơ dưới đây hoàn toàn không công bố cửa sổ chu kỳ làm việc, hai hồ sơ khớp không hoàn hảo giữa các cột công suất, mô-men và tốc độ của chính chúng, và một hồ sơ không mang giá trị độ rơ nào, nên không câu hỏi nào trong số này là câu hỏi tu từ.

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 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, và năm bộ truyền động trong hướng dẫn này được ghi tài liệu riêng, bao gồm AK80-8 KV60 và AK10-9 V2.0 KV60. 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

Bài đồng hành gần gũi nhất với hướng dẫn này là Động cơ BLDC cho robot hình người: cách khớp mô-men, tốc độ và kích thước, đọc tám bộ khác trong cùng dòng sản phẩm đối chiếu với một chuỗi khớp hai chân - đối trọng hữu ích ở đây, bởi một robot hình người cũng phải giữ thăng bằng và cũng có một pha chống đỡ, và đọc hai bài cùng nhau sẽ tách được những ràng buộc thuộc về máy có chân nói chung khỏi những ràng buộc thuộc riêng về bốn chân. Bộ truyền động robot: cách chọn bộ truyền động tích hợp cho khớp robot bao quát nhóm mà lựa chọn này lấy từ đó, và Cách chọn mô-đun khớp: năm bộ truyền động CubeMars từ 190 g đến 1.4 kg tiếp cận cùng phần cứng đó từ khớp đã lắp ráp thay vì từ dáng đi.

Ở nơi cuộc thảo luận chuyển riêng sang tỷ số, Bộ truyền động gần như trực tiếp: tỷ số 8:1 mang lại gì trình bày điều mà một tầng tỷ số thấp thay đổi ở quán tính phản hồi, độ trong suốt và khả năng dẫn động ngược, tức sự đánh đổi ẩn bên trong cột tỷ số của mọi bảng ở đây. 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, 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 robot bốn chân, Robot hình người, Robot bánh xe, Mô-đun khớp và Bộ xương ngoài. Nhóm Bộ truyền động robot chứa cả năm bộ được so sánh ở đây, và trang CubeMars tập hợp phần còn lại của dải sản phẩm.