48 V 母线并不会让机器人执行器变得更强。在本平台收录的 CubeMars 模组中,每一条同时公布 24 V 与 48 V 额定值的记录,都为两个电压列出相同的额定扭矩与相同的额定电流,只在转速这一列上出现分化,其中 48 V 的数值约为 24 V 的两倍。这一条规律本身就重新组织了整个议题。48 V 母线是机器层面的电气决策,它换来的是转速与母线电流余量,而不是扭矩,而决定它究竟能否被使用的那些约束并不在执行器内部,而在驱动器、电池组与线束之中。当前在机器人执行器与准直驱执行器两个栏目中收录的二十一款一体化执行器里,有十六款接受 48 V 母线,而不能接受的五条记录都局限于 24 V。本指南涵盖哪些型号兼容、更高的母线会改变关节里的什么、收益到哪里为止,以及围绕它的周边系统必须如何设计。

快速结论

本平台当前收录的二十一款一体化执行器中,有十六款接受 48 V 母线,分布于两个产品栏目。在 CubeMars 的记录中,把一款双额定模组运行在 48 V,会把转速上限提升到约 24 V 数值的两倍,而额定扭矩、峰值扭矩与额定电流保持不变,因为扭矩由绕组电流决定,而在两种电压下,同样的扭矩都对应同样的绕组电流。更高的母线还换来转速范围顶端的余量,在那里,反电动势原本会限制驱动器能够输出的电流量。它换不来的是持续扭矩,因为该数值受绕组的散热路径与工作制约束。这些约束是系统层面的,而不是模组层面的:驱动器自身的输入电压窗口、减速过程中回馈能量被吸收的方式、绝缘与连接器做法,以及向母线供电的电池组、充电器与电池管理配置。下文各节按此顺序展开:执行器内部改变了什么、这一改变价值几何、为容纳它要付出什么代价、哪些型号受影响,以及如何把一款型号与一个关节匹配起来。

48 V 究竟改变了机器人执行器内部的什么

母线不是执行器的属性。它是机器的属性,而模组只是它的负载之一。正确阅读一条 48 V 机器人执行器记录,意味着要把制造商在型号支持不止一种母线时所公布的两列分开来看,并且精确判断母线变动时哪些数值会移动。对于一台把电机、减速级、驱动器与反馈集于一体的一体化模组,这种分化比初看时更窄。

母线在模组之外选定

机器人执行器看到的是一个直流母线和一个控制接口。减速比、轴承布置、外形包络或安装孔位,都与此母线是 48 V 还是更低电压无关。母线所设定的是驱动器可用的电压,并通过驱动器设定在给定电流下仍能继续把电流驱动进绕组所需的转速。因此这项选择属于机器架构师,与电池组拓扑、充电器选择以及模组所处外壳的热预算并列。一份公布两种母线额定值的执行器数据表,并不是在提供两款产品,而是在两个工作点上报告同一款产品。

一种母线,两组公布额定值:一条 24/48 V 记录意味着什么

此处当前收录的一体化执行器中有五款带有双母线额定值,而非单一额定值:AK10-9 V2.0 KV60、AK60-6 V3.0 KV80、AK70-10 KV100、AK80-64 KV80 与 AKA60-6 KV80。它们的记录用斜杠分隔公布两个额定转速与两个空载转速,在每一例中,这一对都是前为 24 V 数值、后为 48 V 数值。同一批记录只公布一个额定扭矩、一个额定电流与一个峰值扭矩。这种不对称,就是规格表中一行所讲述的全部内容:模组所做的电功是电流的函数,而给定扭矩所需的电流并不随母线而变。

双额定值并不单纯是年份或版本的问题。AK10-9 V3.0 KV60 是较晚的修订版,只公布单一的 48 V 额定值,而更早的 AK10-9 V2.0 KV60 则两者兼有。较晚的修订版还公布了更高的峰值扭矩,53 Nm 对 48 Nm,且质量略低。母线支持与机械修订版必须从记录中读取,而不能从型号编号推断。

扭矩与电流保持不变,而转速列出现分化

所公布的成对数值足够一致,足以把这一效应作为一条规律而非一种印象来陈述。AK10-9 V2.0 KV60 在 24 V 下额定 109 rpm、在 48 V 下额定 228 rpm,空载转速分别为 160 rpm 与 320 rpm。AK70-10 KV100 从额定 148 rpm 提升到 310 rpm,从空载 240 rpm 提升到 480 rpm。AK80-64 KV80 这一 64:1 单元从额定 23 rpm 提升到 48 rpm,从空载 37 rpm 提升到 75 rpm。AKA60-6 KV80 从额定 200 rpm 翻倍到 400 rpm,从空载 320 rpm 翻倍到 640 rpm,而 AK60-6 V3.0 KV80 从 233 rpm 到 490 rpm,从 320 rpm 到 640 rpm。在这五款中,无论额定点还是空载点,48 V 数值都落在约 24 V 数值的两倍到约二点一倍之间。

与此相对,这五款中没有一款在两个数值列之间改变其额定扭矩、峰值扭矩或额定电流。AK60-6 V3.0 KV80 在两种母线上都额定 3 Nm 与 3.8 A,在两种母线上峰值都为 9 Nm;峰值电流这一对是 10.3 A 与 11.2 A,二者之近,使得这点微小差异更可能来自测量或取整惯例,而不是不同的绕组极限。实际后果是,绕组在给定扭矩下于任一母线上产生的热量相同,每牛米的铜损不变,因而持续扭矩的热极限完全相同。任何指望 48 V 母线能从同一款模组中解锁更大持续扭矩的想法,读的都是错的那一列。

不会移动的部分:减速比与外形包络

母线电压同样不触及机械记录。一款 48 V 机器人执行器与同一款在更低母线电压下运行的模组拥有相同的减速比、相同的回差等级、相同的外径、相同的叠厚与相同的质量,因为这些量没有一个是与电气相关的。AK80-8 KV60 无论在母线决策的哪一侧,都保持 8:1 与 98 mm × 43.9 mm。AKH70-48 V1.0 KV41 在 90 mm 直径、81.5 mm 长的机身内保持 48:1。这对设计顺序很重要:外形包络与减速比可以在电池组拓扑确定之前就固定下来,而日后从 24 V 转到 48 V 也不会重新打开机械设计。

在 48 V 母线上运行机器人执行器的性能收益

更高母线的收益常被描述为效率,而这种说法掩盖了收益真正出现在哪里。在一体化模组中,绕组电流由关节被要求输出的扭矩决定,而减速级与驱动器处在该绕组与母线之间。母线所控制的是所需电流仍能被推送的转速,以及为了输送给定机械功率,必须有多少电流流经机器自身的布线。

在相同 KV 下,转速上限随母线成比例变化

电机处的转速由绕组的转速常数与可用于向其中驱动电流的电压决定。在保持绕组不变的情况下把母线电压加倍,会提升空载上限,而减速级把这一上限除下来,传到关节处。这在所公布的成对数值中直接可见,而无需任何计算:AK10-9 V2.0 KV60 从空载 160 rpm 到 320 rpm,AK70-10 KV100 从 240 rpm 到 480 rpm,AKA60-6 KV80 从 320 rpm 到 640 rpm。在关节处,减速比固定的模组因此看到可用转速翻倍。对于一个工作制以跟踪转速而非保持扭矩为主的关节,这就是一款契合需求的模组与一款不契合的模组之间的差别。这也是一款双额定模组可以被指定用于某个平台的原因——该平台预期会从一个更低电压的样机电池组,迁移到一个 48 V 的量产电池组,而无需更换执行方案。

同样的电流输送更多功率

机械功率是扭矩与转速的乘积。如果一款模组把给定电流、因而给定扭矩保持到更高转速,那么来自同一电流的可用机械功率就按比例上升。这才是效率论证中诚实的形态:并不是说绕组在 48 V 下变得更高效,而是说同样的热预算,以绕组电流来表示,被转换成更多的输出功率,因为工作点可以在驱动器电压耗尽之前,被沿转速轴推得更远。当关节同时需要扭矩与转速、而非二者之一时,更高的母线就抬高了二者乘积的上限。

电流节省出现在哪里:线束与电池组

这种节省是真实的,但它出现在机器层面,而非模组内部。对于给定的机械功率,电压加倍的母线所取用的电流约为一半,而母线电流正是决定电缆、连接器及其周围保护件规格的量。在一台由共用母线向若干执行器供电的机器上,这一下降会贯穿共享线束、配电板与电池组自身的放电通路传播。在线路较长、或许多关节由单一母线供电的场合,它最为重要;在短距离的单关节台架构建中则最不重要。它也改变了电池组的形态:同样多的能量以更小的每电芯组电流输送,从而把负载分摊到一串串联电芯上,而不是集中在一处。

转速范围顶端峰值窗口的余量

峰值扭矩是一个短时窗口数值,而在转速下达到它,要求驱动器先克服旋转电机产生的反电动势,之后任何电流才能流动。更高的母线为此留下更多电压,因此峰值扭矩窗口在转速范围中能保持可及的位置更靠上。这是一项与空载转速上限不同的收益,而且它常常是机器转向更高母线的实际原因:关节在稳态下并不需要转得更快,但它需要在已经快速运动时输出一次短促的扭矩爆发。一款双额定模组在两种母线上报告相同的峰值扭矩,而更高的母线才使该数值在转速范围的上端、而非仅在接近堵转处可及。

更高的母线换不来什么

48 V 母线不会提升额定扭矩、不会改变减速比、不会减少给定输出扭矩下产生的热量,也不会改变回差等级或轴承额定值。它同样不会改变模组所公布的工作环境温度范围,而这一范围在整个系列内都是同一项陈述。对于以低速对抗重力的保持扭矩为主的工作制,模组从更高母线中得不到任何收益,而额外的电压调节、保护与绝缘工作就是没有回报的成本。母线决策应当基于转速—扭矩工作制的形态,而不是基于电压更高总体更好的假设。

决定 48 V 是否可用的系统约束

由于母线属于机器,使用它的约束大多也是机器约束。其中一些公布在产品记录上,可以直接读取;另一些取决于驱动器自身的文档与电池组设计,必须在系统层面确认。下面的清单把两者分开。

驱动器的输入电压窗口

模组的驱动器是看到母线的部件,因此该驱动器的允许输入窗口是第一道关口。产品记录陈述这些模组内置了针对过流、过压与欠压以及过温的保护,这意味着驱动器在监测它所处的母线,而不是在宽范围内接受任何电压。规格中的额定电压数值是一个工作点,而不是允许的最大值。当设计意图是让模组运行在充电循环的顶端,或当电池组可以在机器通电时被充电时,该特定模组与固件的允许输入窗口及保护阈值,应当在电池组被指定之前,对照制造商的最新文档加以确认。

回馈、母线瞬变以及回馈能量的去向

任何使负载减速的关节都会反向驱动其电机,而被反向驱动的电机变成发电机,向母线回馈能量而非从中取用。在仅由电池供电的母线上,这部分能量有处可去。在台架电源上,或在线路很长、电容有限的母线上,回馈能量可能在减速持续期间把母线推高到其稳态水平之上,而这一瞬变就变成一个系统设计问题,而非模组问题:电容取值、制动布置与电源的响应都进入计算。相关的数值不是额定母线电压,而是某个特定减速曲线所回馈的能量,后者取决于负载惯量、关节转速与工作制。那条曲线必须从机器推导出来,而不能从执行器记录中读取。

绝缘、连接器与 60 V 直流界限

电气安全框架通常把标称 48 V 直流母线视为落在按安全特低电压处理的范围内,低于若干国家和国际标准中出现的 60 V 直流阈值,这也是该电压在移动机器上广受欢迎的原因之一。适用的标准及其本地实施仍是主导文件,而该阈值适用于实际最大母线电压,而非标称数值。模组自身接口处的热与电流额定值是另外的问题,而为某台机器规定的连接器与布线做法,应当遵循模组制造商为该接口公布的内容,而不是关于电压等级的泛泛假设。

电池组、充电器与 BMS 的后果

标称 48 V 母线通常由一串串联的锂离子电芯构成,而该串的满充电压位于标称数值之上,这是电芯化学的属性,而不是任何执行器的规格。由此产生两个后果。第一,下游的一切都必须能承受充电范围的顶端,而不只是标称水平。第二,电池组的电池管理系统、其充电曲线与放电截止,共同定义了执行器实际看到的东西,包括减速关节所产生的短暂偏移期间。当执行器的允许窗口与电池组的工作范围公布在不同的文件中时,二者的交集才是设计窗口,把这个交集写下来,比假设标称数值会对齐更值得。

热行为与工作制

持续扭矩的热极限属于绕组,以及热量离开绕组所走的路径,它并不随母线而变。一个在更低母线上热学上处于边缘的关节,在 48 V 下仍然处于边缘,因为给定扭矩下的电流、因而铜损都不变。更高的母线所改变的,是铜损与由此可得的机械输出之间的分配。在以低速长保持相为主、或大部分时间接近额定扭矩的工作制上,热设计是约束瓶颈,母线决策是次要的。在以快速、轻载运动为主的工作制上,转速上限反而成为瓶颈,母线决策就是首要的。

已公布文档仍未回答的问题

并非关闭一项系统设计所需的每一个数字都会出现在产品页上。驱动器的允许输入窗口与保护阈值、模组在特定减速曲线下的行为、模组长时间运行在转速范围顶端时所适用的扭矩降额,以及特定工作制下的持续扭矩,都是系统问题,而不是产品页上公布的数值。它们是可以回答的,制造商的控制文档与技术支持是正确的来源,但它们应当在电池组与线束被冻结之前得到确认。把额定电压数值当作允许母线、把峰值扭矩数值当作可用扭矩,是 48 V 设计被错误选型的最常见方式。

48 V 机器人执行器:规格对比矩阵

下表把机器人执行器栏目当前收录的每一款 48 V 机器人执行器作为一套规格来读,按公布的额定扭矩排序,使从轻载关节到承载关节的过渡在这一列本身中可见。每一个数值都是制造商为该型号公布、且本平台在产品记录中保存的值。额定电压按公布值显示,因此一条双额定记录会以两个电压等级出现。

型号额定电压额定扭矩峰值扭矩减速比重量外形尺寸
AK60-6 V3.0 KV8024/48 V3 Nm9 Nm6:1380 gØ79 × 43 mm
AKA60-6 KV8024/48 V3 Nm9 Nm6:1460 gØ80 × 51.2 mm
AK80-6 KV10048 V6 Nm12 Nm6:1485 gØ98 × 38.5 mm
AK70-10 KV10024/48 V8.3 Nm24.8 Nm10:1621 gØ89 × 50.25 mm
AK70-9 V3.0 KV6048 V8.5 Nm29.2 Nm9:1540 gØ89 × 49 mm
AK80-9 V3.0 KV10048 V9 Nm22 Nm9:1490 gØ98 × 38.5 mm
AK80-8 KV6048 V10 Nm25 Nm8:1570 gØ98 × 43.9 mm
AK10-9 V2.0 KV6024/48 V18 Nm48 Nm9:1960 gØ98 × 61.7 mm
AK10-9 V3.0 KV6048 V18 Nm53 Nm9:1940 gØ98 × 61.7 mm
AKA10-9 KV6048 V18 Nm53 Nm9:11060 gØ100 × 70 mm
AK60-39 V3.0 KV8048 V24 Nm72 Nm39:1750 gØ79 × 67 mm
AK80-64 KV8024/48 V48 Nm120 Nm64:1850 gØ98 × 61.9 mm
AKH70-16 V1.0 KV4148 V26 Nm78 Nm16:1879 gØ90 × 60.5 mm
AKH70-48 V1.0 KV4148 V74 Nm222 Nm48:11396 gØ90 × 81.5 mm

额定电压、额定扭矩、峰值扭矩、减速比、质量与外形尺寸均为制造商公布值,适用于机器人执行器栏目当前收录、且接受 48 V 母线的机型,按额定扭矩排序。额定扭矩是绕组热极限之内的持续值;峰值扭矩是短时窗口值。单一电压数值意味着单母线模组;成对数值意味着该模组在两个电压等级下均有公布,相应的转速与功率数值也各自单独公布。外形尺寸给出外径 × 机身长度,不含轴、线缆与连接器的外伸部分。

沿着扭矩列而非电压列读这张矩阵时,有两件事格外突出。第一,达到 48 V 的这些模组并非一个独立的产品家族:它们从 79 mm 机身内的 3 Nm 单元,一直延伸到 1396 g 的 74 Nm 单元,而两款 6:1 模组位于表的底端,在 24 Nm 记录与 48 Nm 记录之间出现了一个 24:1 的扭矩台阶。第二,在这一栏目中,母线支持近乎普遍。当前收录的十八条记录中,有十四条接受 48 V;不接受的四条都处于量程的轻载端,且各自只公布单一的 24 V 额定值。因此围绕 48 V 构建的机器,从同一家制造商处拥有广泛的关节尺寸选择,而不是一份狭窄的候选清单。

把这张表当作候选清单来读,也显示出为什么单凭电压是一个糟糕的筛选条件。AK60-6 V3.0 KV80 与 AKA60-6 KV80 公布相同的额定与峰值扭矩、相同的减速比与相同的母线支持,差别主要在封装:AKA 单元重 80 g、长 8.2 mm,直径略小。AK10-9 V3.0 KV60 与 AKA10-9 KV60 同样公布完全相同的扭矩与减速比数值,质量相差 120 g。这些选择关乎结构与集成,而不是母线,应当依据机械需求来做出。

按工作制、而非按电压来读这十六款

由于在该栏目中母线支持近乎普遍,缩小清单的实用方式是依据每款模组所适合的工作制。下面的分组依照公布的扭矩与减速比,而非电压,因为关节需求正是针对这两个数值来书写的。

6:1 的一对:AKA60-6 KV80 与 AK60-6 V3.0 KV80

两款模组都公布 3 Nm 额定与 9 Nm 峰值,减速比为 6:1,且都接受 48 V。低减速比使它们成为 48 V 组中相对其输出扭矩最快的关节:AK60-6 V3.0 KV80 在 24 V 下公布空载 320 rpm、在 48 V 下 640 rpm,AKA60-6 KV80 公布同样的一对数值。在 48 V 母线上,任一单元在关节侧达到的转速,都是表中任何更高减速比模组所无法企及的。二者的差别在封装与质量:AK60-6 V3.0 KV80 较轻,为 380 g,机身 79 mm × 43 mm,而 AKA60-6 KV80 为 460 g,机身 80 mm × 51.2 mm。两者都适合需要在轻载下快速运动的远端轴,也都不适合必须保持大静止扭矩的轴。

量程中段的 8:1、9:1 与 10:1

有四款模组占据这一 48 V 区段,而跨度比减速比数值所暗示的更宽。AK80-9 V3.0 KV100 在 490 g、98 mm × 38.5 mm 的机身内,以 9:1 公布 9 Nm 额定与 22 Nm 峰值。AK80-8 KV60 在 570 g、98 mm × 43.9 mm 的机身内,以 8:1 公布 10 Nm 与 25 Nm。AK70-10 KV100 在 621 g、89 mm × 50.25 mm 的机身内,以 10:1 公布 8.3 Nm 与 24.8 Nm,而 AK70-9 V3.0 KV60 在 540 g 内以 9:1 公布 8.5 Nm 与 29.2 Nm。如此接近的减速比是一个微调范围,而不是一组截然不同的运行工况,区段内的选择通常取决于外形包络、质量,以及关节在其量程顶端需要多少转速。当峰值扭矩比持续扭矩更重要时,AK70-9 V3.0 KV60 是值得关注的一款,因为其 29.2 Nm 峰值是四款中最高的,且质量最低。

重载关节:AK60-39 V3.0 KV80、AK80-64 KV80、AKA10-9 KV60 与 AK10-9 V3.0 KV60

在 18 Nm 额定之上,表分为两种思路。AK10-9 V3.0 KV60 与 AKA10-9 KV60 都走高减速比路线,为 9:1,公布 18 Nm 额定与 53 Nm 峰值,质量分别为 940 g 与 1060 g;更高的母线才使 9:1 的减速比在关节侧转速上可用,因为 320 rpm 的 48 V 空载数值正是一款 9:1 模组所能提供的。AK60-39 V3.0 KV80 与 AK80-64 KV80 走另一条路,通过减速级用转速换扭矩:39:1 在 750 g 内给出 24 Nm 额定与 72 Nm 峰值,64:1 在 850 g 内给出 48 Nm 额定与 120 Nm 峰值,空载转速在 24 V 下为 37 rpm、在 48 V 下为 75 rpm。当关节必须长时间对抗重力保持负载时,正是靠减速比而非母线买来的这种每单位电流的扭矩在起作用。

中空轴:AKH70-16 V1.0 KV41 与 AKH70-48 V1.0 KV41

这两款中空轴模组的区别在减速比,而不在母线,而型号编号容易引起误读,值得澄清。AKH70-48 V1.0 KV41 中的 48 是 48:1 的减速比,而不是 48 V 额定值;同一款模组分 48 V 公布,AKH70-16 V1.0 KV41 亦然,为 16:1。两者都运行在相同的 41 KV 绕组上。AKH70-16 V1.0 KV41 在 879 g 内公布 26 Nm 额定与 78 Nm 峰值,AKH70-48 V1.0 KV41 在 1396 g、机身长 81.5 mm 内公布 74 Nm 与 222 Nm。使这一对与众不同的,是内孔:中空轴让线缆穿过关节,这改变的是多关节肢段的线束架构,而不是关节的扭矩。48:1 单元是此处当前收录的扭矩最高的 48 V 模组,而 16:1 单元是某个关节的中间台阶——它需要内孔,却不想要 48:1 减速比所带来的极低输出转速。

两款准直驱模组:AKE80-8 KV30 与 AKE90-8 KV35

另一类为这一比较贡献 48 V 模组的栏目是准直驱执行器,而它的两款 48 V 成员在影响系统设计的方式上表现得与 AK 系列不同。AKE80-8 KV30 以 8:1 在 570 g、87 mm × 32 mm 的机身内公布 12 Nm 额定与 30 Nm 峰值,AKE90-8 KV35 以 8:1 在 1400 g、107.5 mm × 43.5 mm 的机身内公布 55 Nm 额定与 170 Nm 峰值。两者都围绕 8:1 的减速比构建,这是该家族的标志性特征,也是这一组被单独处理的原因:低减速比让关节保持响应性与可反向驱动能力,而扭矩来自电机,而不是来自深减速级。该家族的第三款成员 AKE60-8 KV80 只公布 24 V,这就是它尽管身处同一栏目、却不出现在 48 V 比较中的原因。

系统设计的要点在于:制造商的对比表把 AKE 模组列为不含驱动板,而 AK 与 AKH 模组列为含驱动板,且 AKE80-8 KV30 的配件包里包含一块单独的传感磁体,而非驱动电子件。这是系统层面的差异,而不是能力上的差异:该模组仍然公布 FOC 驱动方式与相同的螺栓式集成方式,但驱动与其电压窗口处在模组之外、落在机器自身的电子件中,因此输入窗口、保护布置与线束都必须由集成方来规定。AK 系列把驱动器封装在外形包络之内,AKE 系列则把这项决策移到机器一侧。特定模组的布置,包括它所期望的反馈电子件,应当在电气架构被冻结之前,对照制造商的最新文档加以确认。

为一个关节同时设计 24 V 与 48 V

这五款双额定模组提供了一项具体的工程选项,值得精确陈述。一台机器可以围绕一款绕组在两种电压等级下都有公布的模组来指定,随后在样机阶段运行在更低母线、在量产阶段运行在更高母线,而全程保持相同的减速比、相同的外形包络、相同的质量与相同的额定扭矩。改变的仅仅是转速上限与给定电流下可用的功率。下表列出这五款所公布的成对转速,也就是这一改变的全部内容。

型号额定电压额定转速 (24 V)额定转速 (48 V)空载转速 (24 V)空载转速 (48 V)减速比
AK10-9 V2.0 KV6024/48 V109 rpm228 rpm160 rpm320 rpm9:1
AK60-6 V3.0 KV8024/48 V233 rpm490 rpm320 rpm640 rpm6:1
AK70-10 KV10024/48 V148 rpm310 rpm240 rpm480 rpm10:1
AK80-64 KV8024/48 V23 rpm48 rpm37 rpm75 rpm64:1
AKA60-6 KV8024/48 V200 rpm400 rpm320 rpm640 rpm6:1

额定转速、空载转速与减速比均为制造商公布值,适用于机器人执行器栏目当前收录的双额定模组,24 V 与 48 V 数值分列。额定转速是额定扭矩下的输出侧数值;空载转速是输出侧上限。在每一条记录中,两列共用同一个额定扭矩、同一个峰值扭矩与同一个额定电流,这正是使这一对可作为一套机械规格、两个电气工作点使用的原因。

把 48 V 机器人执行器与关节匹配起来

避免返工的流程很短,且在任何型号编号出现之前就已开始。母线是最后几项决策之一,而不是第一项,因为它只改变一款机械角色已经固定的模组的电气工作点。

先确定工作制,再确定母线

关节需求是一个转速与一个扭矩,各自附带一个持续时间。对抗重力的持续扭矩、用于接住或落地的短时窗口,以及运动曲线在其量程顶端所需的关节转速,是三个不同的数字,而模组要同时依据三者来选。只有在它们被写下来之后,母线决策才变得可以回答:如果持续扭矩数值主导选择,则减速比与散热路径在起作用,母线是次要的;如果量程顶端的转速才是需求所紧张的,则母线是杠杆,而一款双额定模组让这一选项保持开放。把峰值扭矩数值写下来却不写它的持续时间,是关节被过度指定规格的最常见方式,因为峰值扭矩是短时窗口额定值,而不是可用扭矩。

接着确定内孔与安装外形

一旦工作制固定,机械需求就在公布相似扭矩的候选之间做出决定。两款额定与峰值扭矩数值相同的模组,可能相差一百多克以及数毫米机身长度,而在多关节肢段中,这一差异会在每一个更靠近基座的关节处再次被计费。当线缆必须穿过关节、而不是绕行时,中空轴选项会改变整条肢段的线束架构,而 AKH 模组的 7 mm 内孔才是相关的尺寸,而不是它的扭矩。质量、外形包络与内孔依据机械需求确定,且不受母线影响,这就是先把它们定下来会让电压决策保持自由的原因。

确认已公布文档未携带的数值

当候选清单缩减到一两个之后,还剩下一组简短的问题,而它们属于制造商,而不是属于规格表。驱动器的允许输入电压窗口及其保护阈值、在转速范围顶端、于工作制实际所需的持续时间内能够保持的扭矩、模组在机器将产生的减速曲线下的行为,以及一款不带集成驱动器的模组所期望的反馈布置。本平台上的记录携带公布值,而超出这些的一切,制造商仍是真值来源。

48 V 机器人执行器的应用领域

48 V 母线往往出现在机器由电池供电、且有不止一个关节由共用电源供电的场合。这一规律值得作为电气架构、而非产品栏目来读,因为同一款模组会出现在多种机器类型中。

电池供电的足式与轮式平台

足式平台与轮式移动底座承载自身能量,并将其分配到若干关节。跨共享线束的电流节省,以及更高母线在关节处提供的转速,都值得拥有,而一条减速的腿会向为其他关节供电的同一母线回馈能量,这就是电池组及其周围保护布置属于设计的一部分、而非事后补充的原因。矩阵中段与重载段的 48 V 模组,通常是髋与膝轴的候选,而 6:1 的一对服务于更快、更轻的关节。

协作机械臂与操作机

一条协作机械臂把若干模组集中到一条短运动链上,其中远端的质量在上方每一个关节处被再次计费。此处电流节省不如转速上限重要,因为机械臂的工作制以跟踪与到达为主,而不是以高扭矩下的长保持相为主。中空轴模组通过让线缆穿过关节、而非绕行,改变了那条运动链的线束架构。对这一类机器,相关的对照文章是协作机械臂用 BLDC 电机:应当看哪些参数。

外骨骼与康复硬件

可穿戴硬件增加了一项执行器记录中不会出现的要求:关节在被人的动作反向驱动、而非被指令驱动时,必须表现良好。这使减速比与模组的反向驱动行为成为核心,这就是为什么 8:1 的准直驱家族与 AK 系列的低减速比一端一起被列入这一类,也是为什么母线决策跟随面向佩戴者的行为,而不是引领它。更广的选择范围阐述于外骨骼用 BLDC 电机:无框力矩电机还是集成执行器。

移动操作与野外硬件

当一台机器把移动底座与一条机械臂组合在一起时,母线必须由同一电源服务于尺寸与工作制极为不同的关节,而最大关节所取用的电流决定了共享路径的规格。正是在这种情况下,更高母线的电流节省最有价值,也正是在这种情况下,上一节的约束集合——从驱动器的输入窗口,经电池组与充电器,到保护布置——必须在整台机器范围内解决,而不是在单个模组之内。

常见问题

QAKH70-48 V1.0 KV41 这类型号名中的 48 是指 48 V 吗?

不是。在那条记录中,破折号后面的数字是减速比,因此 AKH70-48 V1.0 KV41 是一款 48:1 的模组,而同一款模组公布的额定电压是 48 V。它的同类 AKH70-16 V1.0 KV41 是同一 41 KV 绕组上的 16:1 模组,同样公布为 48 V。母线额定值与减速比是记录中各自独立的字段,把型号编号当作电压来读,会导致比较一些并非互为替代的模组。

Q对机器人执行器而言,48 V 母线比 24 V 更好吗?

取决于关节所缺的是哪一个数值。在双额定记录上,48 V 工作点大约把转速上限翻倍,而额定扭矩、峰值扭矩与额定电流保持不变,因此受转速限制的工作制获益很多,受对抗重力的持续扭矩限制的工作制则一无所获。成本一侧是系统层面的:驱动器窗口、保护阈值、绝缘与连接器做法,以及必须容纳充电范围顶端的电池组与充电器布置。这一决策属于工作制,而不属于电压。

Q双额定模组可以先运行在 24 V 下、之后再转到 48 V 吗?

双额定值正是为此而设。一款在两种电压等级下都有公布的模组,在两个工作点之间保持相同的减速比、外形包络、质量、额定扭矩、峰值扭矩与额定电流;改变的仅仅是转速列与给定电流下可用的功率。因此,一台机器可以先在更低母线上做样机、再迁移到更高母线,而不必重新打开机械设计,前提是驱动器和电池组从一开始就按更高电压等级指定,而不是日后升级。

Q为什么一条记录公布两个转速数值,却只公布一个扭矩数值?

因为扭矩由绕组中的电流产生,而给定输出扭矩所需的电流无论母线电压如何都相同。因此在这类记录上,额定与峰值电流都是单一数值,额定与峰值扭矩随之亦然。转速才是母线所控制的量:它设定工作点在被驱动器电压耗尽之前,能沿转速轴被推多远。一个扭矩值配一对转速值,就是一款模组在两个母线等级下、而非作为两款不同模组被表征的标志。

Q在 48 V 母线上,持续扭矩由什么决定?

由绕组以及热量离开绕组所走的路径,连同工作制,与在任何其他母线上完全相同。由于给定扭矩下的电流不随母线而变,该扭矩下的铜损也不变,因此一个在更低母线上热学上处于边缘的关节,在 48 V 下仍然处于边缘。更高的母线所改变的,是这部分损耗与可用机械输出之间的比例,因为同样的电流可以被保持到更高转速。

Q更高的母线对线束与电池组带来什么改变?

对于给定的机械功率,母线电流随电压升高而下降,而母线电流正是决定电缆、连接器及其周围保护件规格的量。在一台由单一母线向若干关节供电的机器上,这一下降会贯穿共享线束与配电通路传播,并改变负载在电池组串联电串上的分布方式。模组自身的内部电流由它所输出的扭矩决定,并不会因更高母线而降低,因此节省出现在机器的布线中,而不是在执行器内部。

官方资源

CubeMars 为每款执行器发布官方产品页,载有其完整规格、图纸与控制文档,而这些页面仍是此处所引用每一个数值的真值来源——例如 AK70-10 KV100 产品页、AK80-64 KV80 产品页 与 AKH70-48 V1.0 KV41 产品页。产品页未携带的细节,包括驱动器的允许输入窗口、其保护阈值以及特定工作制下所适用的降额,应当在指定电池组之前,与制造商的最新文档确认。本平台在产品记录中保存这些公布值,并使其保持可发现、可比较;制造商仍是设计层面的真值来源。

下一步看什么

若目标是初筛而非通读,平台上的三个工具依次发挥作用。浏览完整的机器人执行器栏目,把所有型号及其规格并排查看;用选型按扭矩、电压与质量筛选;再把候选机型放入产品对比。若关节需要的是结构上的柔顺而非刚性,准直驱执行器栏目是顺理成章的下一站,而支撑该家族的减速比论证阐述于准直驱执行器:8:1 减速比带来什么。

另有两篇文章承载了这一主题中母线决策并未解决的部分。机器人执行器:如何为机器人关节选择合适的一体化执行器 梳理了一款一体化模组的内部结构,以及决定一次挑选的那些规格轴。关节模组怎么选:从 190 g 到 1.4 kg 的五款 CubeMars 执行器 按关节位置追踪同样的这些模组,从腕部一直到重载髋部,是在机械需求已经确定、关节尺寸却尚未确定时合适的配套读物。

简而言之:先确定关节的工作制,其次确定内孔与外形包络,然后依据工作制实际所缺的那个数值来决定母线。48 V 母线换来转速与电流余量,而把扭矩留在原处;除此之外的一切,从驱动器窗口到电池组,都是应当在硬件下单之前写下来的系统决策。