高扭矩机器人执行器是一个一体化模组——无刷电机、减速级、反馈装置与驱动器集于同一壳体内——其选型依据是机器人关节必须保持的扭矩,而不是规格面板上最大的那个数值。这个名称带有一道单独的电机规格所不具备的边界:同样卖到这一类机器上的无框套件可能只公布几 Nm 的峰值扭矩,而把轴承、编码器与驱动器留给集成方,而用于髋、膝或肩的一体化高扭矩机器人执行器则公布在 100 Nm 以上。此处比较的两条记录——CubeMars AK80-64 KV80 与 AKH70-48 V1.0 KV41——峰值扭矩分别为 120 与 222 Nm,壳体重量为 850 g 与 1396 g,两者之间的差距源自三项决策,而不是两个品质等级。无框套件与一体化模组之间的边界在 高扭矩无框力矩电机:扭矩从何而来 中被拆解,而同样的工况也在 机器人执行器 品类中作了说明。
快速结论
第一项决策是保持,而不是峰值。机器人关节执行器一生中大部分时间都工作在静态负载附近——手臂握持工具、膝盖承担一部分体重、腿处于支撑相——而描述这一状态的数值是连续扭矩,即额定扭矩。峰值扭矩描述模组在不造成即时损坏的前提下所能做出的短暂偏移,它是一份储备,而不是一个工作点。因此,高扭矩机器人执行器首先依据静态负载进入候选清单,峰值数值则作为加速、触地与平衡恢复的余量来读。
第二项决策是减速级,因为减速比才是把小电机转变成一个关节的东西。此处的两款模组采用 64:1 与 48:1 的减速级,而减速比在改变关节通过齿轮能感受到多少负载的同时,也把输出转速与输出扭矩推向相反的方向。高减速比会放大输出扭矩并降低输出转速。它还可能使关节更难被反向驱动,因为电机侧惯量与传动损耗会影响输出端所感受到的运动。实际的反向驱动能力取决于减速箱设计、摩擦、传动效率、电机特性与控制状态,因此仅凭减速比并不能决定外力移动关节的难易程度。因此,减速比依据工况来选择,而不是依据一个目标数字。读懂一款高扭矩机器人执行器意味着把减速比与绕组一并来读,因为任何一项单独存在都会让这个关节无法定义。一款建立在错误减速比之上的机器人关节执行器,无法在事后通过更换绕组来纠正。
第三项决策是热学方面的,也是最容易被跳过的一项。额定扭矩是一项热学陈述,它是制造商在规定运行与热条件下给出的输出扭矩。它能否在一台特定机器人中持续保持,取决于环境温度、安装、散热、驱动器设置与工况循环等因素,因此在为一个关节按持续负载确定尺寸之前,必须就公布额定值背后的条件与制造商确认。母线电压决定了给定输出功率下需要多少电流,绕组电阻把该电流变成铜损,随后模组通过其壳体把热量散出去。在此处的两条记录上,额定扭矩为 48 Nm 与 74 Nm,而每一个数值都与其旁公布的额定电流绑定——7 A 与 6 A。选择一款高扭矩机器人执行器,就是在选择工况能够安然处于其中的扭矩与电流组合,而对一款机器人关节执行器而言,记录所公布的正是这一组合,而不是单独的扭矩数值。
是什么让一款机器人执行器成为高扭矩
高扭矩是一种输出数值与其获得条件之间的关系,而不是一个模组要么具备要么缺失的等级。对一款高扭矩机器人执行器而言,这一关系陈述在扭矩数值旁边印出的条件中,而不是仅仅在数值本身。三项量承担了其中的大部分:模组连续保持的扭矩、它能短暂达到的扭矩,以及传动链中发生放大的位置。下面三节按此顺序依次说明。
额定扭矩是关节连续保持的数值
额定扭矩是针对规定的母线电压与规定的热条件公布的,它是记录为其旁所列条件所指定的输出扭矩。在该数值上停留到工况所要求的时长,是一个关于模组所装配之机器的问题——环境温度、安装、散热、驱动器设置与工况循环——而不是该数值本身所携带的属性。它的上限由绕组而不是磁体决定:绕组能无限期承载的电流,取决于它所产生的热量离开模组的速度,而模组自身没有主动冷却。在此处的记录上,额定扭矩为 AK80-64 KV80 在 7 A 下的 48 Nm,以及 AKH70-48 V1.0 KV41 在 6 A 下的 74 Nm。这些组合之间的比值差异大于扭矩数值本身的差异,这是一个首要迹象:高扭矩机器人执行器是按组合来选型,而不是仅按扭矩。
还有一项额定扭矩自身并不覆盖的条件:在零转速保持一个姿态的关节仍然会汲取电流,因此仍然会在绕组中产生热量。机械输出功率在静止时为零,所以一个以功率额定值引用的数值并不能界定保持工况。因此,一款整天保持姿态的机器人关节执行器,按额定电流确定尺寸的程度不亚于按额定扭矩。该状态下绕组所能承载的电流,仍由与额定值本身相同的热条件决定——环境温度、安装、散热与工况循环——并进一步受驱动器所能提供与负载所需之量所界定。对一款高扭矩机器人执行器而言,保持工况因此是一个电流问题,但答案是一个针对规定条件组合的数值,而不是一个在每种安装中都成立的量级,而电流才是为驱动器确定尺寸的依据。
峰值扭矩是短暂偏移,而不是工作点
峰值扭矩是与峰值电流以及一个时间窗口一同公布的,记录通常会分别陈述后者,它是关节在一次加速、一次触地或一次修正期间所能达到的扭矩。此处的两条记录公布 120 Nm(19 A)与 222 Nm(18 A)。峰值扭矩应连同峰值电流、偏移的允许持续时间与制造商的运行条件一并评估。一款通过非常大的电流达到高峰值扭矩的机器人关节执行器,会对绕组施加相应较大的热负载,并从驱动器与电池组汲取相应较大的电流,但较低的公称峰值电流本身并不能确立更高的效率或更低的能耗,尤其在所比较的模组在电机设计、减速比与额定工作点上各不相同之时。一款其记录既未陈述峰值电流、也未陈述时间窗口的高扭矩机器人执行器,会使这一偏移无从定义。因此,对于一款会频繁达到其峰值的关节,高扭矩机器人执行器应按峰值电流与偏移持续多久来选择,而不是仅按峰值扭矩数值。
减速级在何处接替绕组
关节处的扭矩并不是转子处的扭矩。减速级把转子扭矩乘以其减速比,并把转子转速除以同一比值,因此一台不大的电机可以通过一个大减速比产生很大的关节扭矩,代价是输出转速。这就是机器制造者可以走的两条路线之间的分野。提高电机自身的扭矩意味着增大其直径、其铁芯长度,因而增大其质量;加入减速则意味着保留电机,并在转速、回差与反向驱动能力上付出代价。一款必须由人反向驱动的机器人关节执行器,与一款必须保持重载的机器人关节执行器,正处在这一选择的两端。高扭矩机器人执行器是这两条路线中的第二条、被打包成一个单元的形式,而随它一同公布的减速比——此处记录上的 64:1 与 48:1——说明了该模组沿着这条路线走了多远。这是一项关于原理的陈述,而不是把这两条记录相互对照的陈述,因为两者各自公布的输出扭矩与电流,也取决于其自身的电机扭矩能力,以及其制造商选择陈述的额定工作点。
决定一款高扭矩机器人执行器的规格
一个一体化模组的公布规格面板所载的行数多于一次选型所需。其中有五项合起来描述了该模组所能服务的关节:两个扭矩数值、减速比、母线及其电流、机械包络,以及连续额定值背后的热学陈述。对一款机器人关节执行器而言,有用的做法是把这五项作为一个集合来读,因为一款满足了其中四项而在第五项上不达标的高扭矩机器人执行器,仍然是错误的模组。下面各节依次说明每一项。
额定扭矩与峰值扭矩
额定扭矩与峰值扭矩回答的是不同的问题,而两者之间的比值并不是一款机器人关节执行器的质量评分。AK80-64 KV80 公布额定 48 Nm 对应峰值 120 Nm,倍数为 2.5,AKH70-48 V1.0 KV41 公布 74 Nm 对应 222 Nm,倍数为 3.0。这些倍数所描述的是静态负载之上公称储备的大小,它是两个规格数字之间的比值,而不是可用控制余量或允许动态性能的度量。一个工况以保持为主的关节,希望额定数值相对负载较高;一个反复加速远端质量的关节,需要这份储备,以及为换取该储备所付出的峰值电流。高扭矩机器人执行器是通过询问工况花掉两者中的哪一个来进入候选清单的。
减速比与输出转速
减速比设定关节转速的直接影响,与其设定其扭矩一样直接。输出转速是电机转速除以减速比,因此 48:1 与 64:1 的模组在其额定点分别达到 28 rpm 与 23/48 rpm,空载时分别达到 35 rpm 与 37/75 rpm。AK80-64 KV80 的两个数值是同一款模组在其记录所覆盖的两个母线电压下的描述。这些输出转速是关节转速,而不是转子转速,一款需要快速远端轴的机器人关节执行器与一款需要重载保持的机器人关节执行器,会想要该列的两端。减速比也是唯一一列同时移动额定扭矩与峰值扭矩的,因为它在输出途中把两者都放大了。
母线电压与连续电流
母线电压是在模组之外选定的,相比于决定扭矩,它更多地决定模组在给定输出功率下所汲取的电流。在给定轴功率水平下,更高的母线通常意味着更低的供电电流,因而更低的铜损,代价是更重的电池组与额定值更高的驱动器。此处两条记录之一仅针对 48 V 公布,另一条则载有一条 24/48 V 记录,并对应列出两个转速与两个空载转速。与额定扭矩一同公布的连续电流是连接两者的数值,而对一款机器人关节执行器而言,它也是为驱动级与线束确定尺寸的数值。高扭矩机器人执行器与它的母线一同公布,两者一并来读。在这些模组上以 48 V 母线运行的更广泛话题,在 48 V 机器人执行器:型号、性能收益与系统约束 中被拆解。
质量、包络与孔径
在有腿机器上,关节处的质量被计费两次,因为它所在的节段必须被其上方各关节承载并加速。此处的两条记录跨越 850 g 与 1396 g,包络为 98 × 61.9 mm 与 90 × 81.5 mm,而形状上的差异与质量上的差异同样重要:61.9 mm 的轴向长度与 81.5 mm 的轴向长度是不同的机械包络,而其中哪一个适合某个给定关节,取决于安装方式、可用空间与载荷路径,而不是仅看轴向长度。一款被装进现有肢体的机器人关节执行器,受其必须适配的形状的约束,不亚于受其质量的约束。孔径是同一列中的第三项决策——此处记录之一公布了一个 7 mm 的中空孔径,用于让线缆穿过关节走线,从而移除了运动肢体上的一段线束回路。高扭矩机器人执行器不能仅按直径来比较。
热工况与连续额定值覆盖了什么
连续额定值是一项关于温度的陈述,弄清楚是哪一个温度是值得的。额定扭矩与峰值扭矩都是关于绕组温度的陈述,两者都不是模组能在任意时长内保持的数值。绝缘等级设定了绕组所能达到的温度,而与模组一同公布的环境范围设定了这一差值的另一端。此处两条记录都公布 H 级绝缘,以及 -20 到 50 度的运行环境范围。这类记录通常不公布的,是所假定的温升、测量时所处的安装条件,以及当模组被螺栓固定到一个把热量从它那里导走的金属结构上而不是置于静止空气中时,该数值如何变化。这些都是属于制造商文档的问题,而一款工况接近其连续数值的高扭矩机器人执行器,值得在关节被确定之前在那里加以确认。
峰值超过 100 Nm 的高扭矩机器人执行器模组对比
此处比较的两条记录是峰值扭矩公布值位于 100 Nm 以上的一体化 CubeMars 模组,作为一套规格列出,并按公布的峰值扭矩排序,使从较轻关节到较重关节的台阶在该列本身中可见。每一个数值都是制造商为该模组公布的数值,没有任何一格是估算或换算而来的。当某条记录不载某个字段时,表格如实说明,而不是填补这一空缺。两者都是同一族关节的候选,各自是一款针对工况中不同点的高扭矩机器人执行器。
| 型号 | 减速比 | 额定扭矩 | 峰值扭矩 | 额定电压 | 额定电流 | 峰值电流 | 额定转速 | 空载转速 | 重量 | 包络 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| AK80-64 KV80 | 64:1 | 48 Nm | 120 Nm | 24/48 V | 7 A | 19 A | 23/48 rpm | 37/75 rpm | 850 g | 98 × 61.9 mm |
| AKH70-48 V1.0 KV41 | 48:1 | 74 Nm | 222 Nm | 48 V | 6 A | 18 A | 28 rpm | 35 rpm | 1396 g | 90 × 81.5 mm |
型号、减速比、额定扭矩、峰值扭矩、额定电压、额定电流、峰值电流、额定转速、空载转速、重量与包络均为制造商为此处所比较的两款一体化模组所公布的值,并按公布的峰值扭矩排序。额定扭矩与额定电流是为连续工况一同公布的一对;峰值扭矩与峰值电流是为短暂偏移公布的一对,而该偏移的持续时间是一项本表不载的单独条件。转速与包络是关节输出侧的数值,而不是转子侧的数值。当某一型号对应显示两个转速时,记录覆盖两个额定电压,并为每一个各公布一个转速,顺序为先 24 V 后 48 V。重量以单一数值公布,为包含其线缆在内的模组重量。没有单独的列重复 KV 数值,因为表中的每个型号名称本身都带有它。
一旦两者同处一页,有两点读法格外突出,而两者都不是扭矩列。第一点是,更大的峰值扭矩并不以更大的电流为代价。AKH70-48 V1.0 KV41 在 18 A 下公布 222 Nm 的峰值扭矩,而 AK80-64 KV80 在 19 A 下公布 120 Nm,因此峰值扭矩几乎翻倍的模组所要求的电流反而略小。这是一项规格观察,而不是一份效率排名:两条记录在电机设计、KV、封装与控制方面各不相同,减速比亦然,而每一个峰值数值都是其制造商公布的额定点,而不是在同一关节扭矩与转速下进行受控试验的结果。48:1 或 64:1 的减速级确实会把转子扭矩乘以减速比,因此对绕组所要求的电流是由转子扭矩而不是由关节扭矩设定的,但减速比只是两条记录拉开差距的原因之一。在一个工况是重载保持而非快速摆动的关节上,这正是决定模组的差别,而它在单独的峰值扭矩列中并不可见。因此,对一款高扭矩机器人执行器而言,电流列是与扭矩列对照着读,而不是在它之后读。
第二点读法是,两条记录在减速比上、而不是在质量上拉开差距。AK80-64 KV80 与 AKH70-48 V1.0 KV41 公布 850 g 与 1396 g,包络为 98 × 61.9 mm 与 90 × 81.5 mm,一个采用 64:1 减速级,另一个采用 48:1 减速级。在不同质量下,两者占据不同的包络类别,提供不同的输出转速,并汲取不同的电流。这是表中最清楚的提醒:质量是封装的结果,而不是对工况的描述,而在两条高扭矩机器人执行器记录之间做选择,取决于关节的算术,而不是重量。
第三点读法涉及这对连续值。与额定扭矩一同公布的额定电流,在较轻模组上为 7 A,在较重模组上为 6 A,而减速比更大的那款模组所要求的电流反而更小。在这个双型号数据集中,AKH70-48 V1.0 KV41 相比 AK80-64 KV80 公布了更高的额定输出扭矩与更低的额定电流,而这些数值描述的是两家制造商各自的额定点,而不是在同一关节扭矩与转速下的受控对比。要对电流消耗、铜损或整体效率做公平比较,将需要可比负载、转速与热条件下的运行数据。公布的一对数值对于为驱动器和电池组确定尺寸仍然有用,它也正是关节的热工况必须被估算而非直接读取的那一点,因为额定电流是一个针对规定条件的数值,而一台特定机器所造成的条件则是一个属于制造商文档的问题。针对这类工况的高扭矩机器人执行器,按记录所公布的那一对来选择,而不是仅按扭矩数值。
CubeMars AK80-64 KV80:在 64:1 下额定 48 Nm
CubeMars AK80-64 KV80 机器人执行器 以 850 g 与 98 × 61.9 mm 开启这一组,采用 64:1 减速级,来自一条 24/48 V 记录,额定 48 Nm、峰值 120 Nm。其额定电流为 7 A,对应峰值电流 19 A,其转速针对两个额定电压各自公布。其记录还载有 0.18 度回差、141.2 Nm/kg 的最大扭矩质量比、4.7 Nm 的反向驱动扭矩,以及一个内部分辨率为 14-bit 的磁编码器。其电压窗口中 24 V 的那一半在这一组中并不常见,这使该记录成为母线未固定时的候选。额定扭矩、额定转速与空载转速在两个电压之间都会变化,因此在选定模组之前,24 V 与 48 V 的数值必须对照关节实际将使用的驱动器与电池组来读。其公布的质量与包络,是一个包络紧凑的关节的起点,它们把该模组置于必须装进一个小关节内部、而不是置于其旁的位置。
CubeMars AKH70-48 V1.0 KV41:在 48:1 下额定 74 Nm
CubeMars AKH70-48 V1.0 KV41 中空轴行星减速执行器 是此处所示系列中的顶端,峰值扭矩 222 Nm、额定 74 Nm,来自一条 48 V 记录上的 48:1 减速级。其额定电流为 6 A,峰值电流为 18 A,这是本组中最大的峰值扭矩所对应的最小峰值电流。对一款高扭矩机器人执行器而言,74 Nm 与 6 A 这一对,是描述一个把肢体保持就位数小时而非片刻的关节的数值。它也是此处唯一带有中空孔径的记录,公布为 7 mm,并且是唯一带有两个编码器的记录——电机侧一个磁编码器,输出侧第二个,均为 21-bit 分辨率。其扭矩密度公布为 159 Nm/kg,回差为 12 arcmin,反向驱动扭矩为 2.22 Nm。低反向驱动扭矩是一项已公布的规格特征,它对于一个意在抵抗外部运动的关节是有用的,但单凭它并不能确立该模组的设计意图或其安全保持负载的能力。48:1 的减速比与 74 Nm 的额定扭矩是描述该记录那一侧的数值,它们必须连同连续额定值背后的热条件一并来读。孔径是把它与另一条记录区分开、以用于运动肢体内部的机器人关节执行器之处,它把该模组推举为有腿机器或重型机械臂轴的候选,而不是就此敲定选择。
用于 100 Nm 关节的准直驱减速级还是行星减速级
一个必须产生大约 100 Nm 的关节,可以由不止一种布置来构建,而在它们之间做选择并不是哪个更好的问题。此处比较的两条记录属于 机器人执行器 品类,且都采用行星减速级。低减速比路线是一个单独的族:准直驱执行器 品类收纳了建立在单一低减速级之上的模组,而那条路线所做的取舍在 准直驱执行器:8:1 减速比带来什么 中被拆解。区分这两条路线的,是放大发生在何处、它在电流上付出什么代价,以及一款机器人关节执行器被允许感受到多少负载。
高减速比行星级在何处胜出
当关节必须长时间保持重载、且在该保持下所汲取的电流必须保持很小时,高减速比级胜出。此处的 48:1 记录公布在 6 A 下额定 74 Nm、在 18 A 下峰值 222 Nm;64:1 记录公布在 7 A 下额定 48 Nm、在 19 A 下峰值 120 Nm。把额定扭矩与峰值扭矩对照随它们一同公布的电流来读,正是两条记录在其公布数值上拉开差距的方式,而这一对的两半都重要:额定数值是保持,峰值数值是储备,而每一个旁边的电流就是绕组在该额定点上付出的代价。对于给定的关节扭矩,更高的减速比可以降低所需的电机扭矩,但由此产生的电流取决于电机的扭矩常数、传动效率与运行条件。这两款不同模组的电流额定值,不应被当作对同一关节扭矩所需电流的受控对比。绕组中更低的电流将意味着更少的铜损,以及从一个没有风扇的壳体中需要带走更少的热量,这正是减速比在保持工况上重要的原因,但其影响的大小无法从此处比较的两个额定点读出来。它放弃的是输出转速,并且放弃了关节被外力移动的能力——48:1 记录公布的反向驱动扭矩为 2.22 Nm,而 64:1 记录为 4.7 Nm,两者都是描述电机还能感受到多少负载的小数字。
减速比对输出转速与热量做了什么
减速比把转速与扭矩推向相反的方向,并通过电流间接地推动热量。因为输出转速是电机转速除以减速比,一个高减速比的关节在电机转速高得多的情况下达到相同的关节转速,而在给定的反电动势与母线电压下,这会限制关节能达到多快。因为输出扭矩是电机扭矩乘以减速比,一个高减速比的关节在电机扭矩低得多、因而电机电流也低得多的情况下达到相同的关节扭矩。公布的转速数值说明了这些模组之间在输出转速上的差异:AKH70-48 V1.0 KV41 列出额定转速 28 rpm 与空载转速 35 rpm,而 AK80-64 KV80 在其 24/48 V 额定值下列出额定 23/48 rpm 与空载 37/75 rpm。除非制造商提供把它们关联到特定工作点的试验数据,这些转速数值应与公布的峰值电流额定值分开来读。它们描述的是不同的机器人关节执行器工况,而不是同一工况的不同等级。高扭矩机器人执行器不是通过询问哪种布置更优越来选择的,而是通过询问关节的工况实际把时间花在这两种组合中的哪一种。
把高扭矩机器人执行器匹配到关节工况
下面三个步骤按把关节工况变成一个候选清单的顺序来应用这些列。这些正是评判一款高扭矩机器人执行器所用的列,按工况约束它们的顺序来取。在此处的记录上,它们还通向 关节模组 应用页面,在那里同样的工况以其自身的筛选属性被描述。
从最差工况的保持开始,而不是巡航工况
最差工况的保持是关节必须在不间断的最长时间内保持在位的静态负载,它设定了连续要求。对膝盖而言,它是关节在单腿支撑期间所承担的那部分体重;对肩而言,它是握持在完全伸展手臂末端的工具;对髋而言,它是两者中较重的一个。这些是起点值,而非固定要求,因为质心、力臂、关节所处的工作姿态以及节段所承载的动态负载,都会改变关节必须产生的扭矩。该数值是与公布的额定扭矩比较,而不是与峰值比较,而随它一同公布的电流,是与驱动器和电池组在同样时长的持续时间内所能提供的量比较的。公布的额定扭矩与峰值扭矩这一对在此按额定那一端来读,而一款按其峰值数值来匹配的机器人关节执行器,在这样一类保持工况下会发热。在此处的记录上,额定数值为 48 Nm 与 74 Nm,而一个最差工况的保持位于其匹配对象之上的关节,无法由后面某个步骤来挽救。
然后是那个扭矩下的转速
转速与扭矩公布在同一项取舍的两侧,因此第二步确定工况所需的关节转速,并读出产生它的减速比。输出扭矩、输出转速、反向驱动能力与热工况是一并读取的,而不是按严格的单向顺序,因此第一步看似已经定下的减速比在此对照工况所需的转速被重新审视。一个必须跟踪快速轨迹的远端轴想要低减速比以及随之而来的输出转速;一个必须缓慢承载负载的近端轴想要高减速比,并接受较低的输出转速。此处的两条记录在空载时达到 35 rpm 与 37/75 rpm,这一范围窄到需要快速远端轴的关节会落在其外。一款在转速要求确定之前就选好减速比的高扭矩机器人执行器,通常将不得不被更换,而不是被重新调校。
然后是热工况循环
第三步是在两款都通过前两步的模组之间做出决定的一步。一个连续保持负载的工况在循环的大部分时间里花掉额定电流;一个反复加速远端质量的工况,花掉峰值电流的频率高于平均值所暗示的。此处的两条记录公布额定电流 7 A 与 6 A,峰值电流 19 A 与 18 A,而这两个数值之间的差距正是一个工况循环要么适配、要么不适配之处。工况循环是最后一列,对一款高扭矩机器人执行器而言,它往往就是在两款通过前两步的模组之间做出决定的那一列。这些记录没有公布的,是连续数值背后的温升、测量它所处的安装条件,以及关节实际将经历的环境。这些都是属于制造商文档的问题,而诚实的做法是把它们放到那里,而不是从一条相邻的记录推断出一个答案。
把这三个步骤应用于本组,得到的是一个候选清单,而不是一个答案:
- 包络紧凑且母线未固定的关节。 AK80-64 KV80 是 64:1 下的 850 g 记录,具有 24/48 V 的窗口,额定 48 Nm 对应峰值 120 Nm。在那些条件匹配之处它是一个候选,而工作点与热工况仍须针对该特定关节加以核对。
- 必须长时间保持重载的关节。 AKH70-48 V1.0 KV41 是 48:1 下的 1396 g 记录,额定在 6 A 下 74 Nm、峰值在 18 A 下 222 Nm,并有一个用于走线的 7 mm 孔径。它在那种工况上是一个候选,而连续额定值背后的热条件,是在关节被确定之前须与制造商确认的要点。
常见问题
Q什么是高扭矩机器人执行器?
高扭矩机器人执行器是一个封装好的关节模组,把无刷电机、减速级,以及——在一体化形式下——反馈装置与驱动器集于同一壳体内,其公布的输出扭矩高于一台小型无框套件所能达到的水平。这个名称描述的是一类产品,而不是一个阈值:本指南中所比较的记录公布 120 Nm 与 222 Nm 的峰值扭矩,而一台同样卖给这些机器的无框定子与转子套件,往往只公布几 Nm,并把轴承、编码器与驱动器留给集成方。使一款高扭矩机器人执行器可被选择的,以及使这一等级的机器人关节执行器可用的,并不是单独的峰值数值,而是位于其下的额定扭矩与额定电流这一对。
Q机器人关节执行器上额定扭矩与峰值扭矩有什么区别?
额定扭矩是制造商为规定的母线电压与环境所指定的输出扭矩,它与与之对应的额定电流一同公布。在该数值上的持续保持取决于额定值背后的热条件——环境、安装、散热与工况循环——因此该数值描述的是一组已定义的条件,而不是无限保持负载的能力。峰值扭矩是模组在一次加速、一次触地或一次平衡修正期间所能达到的短暂偏移,它伴随更大的峰值电流公布,并且在大多数记录中还伴随一个时间窗口。在此处的记录上,这两对分别是 7 A 下的 48 Nm 对应 19 A 下的 120 Nm,以及 6 A 下的 74 Nm 对应 18 A 下的 222 Nm。峰值数值是储备,而不是工作点,而一个按峰值确定尺寸的关节将会发热。
Q执行器扭矩如何匹配到机器人关节工况?
按顺序分三步。第一,关节必须在最长不间断时段内保持的最差工况静态负载,与公布的额定扭矩以及其旁的电流相比较。第二,工况所需的关节转速,与减速比所产生的输出转速相比较,因为扭矩与转速位于同一减速比的两侧。第三,工况循环——关节花多少时间保持、花多少时间加速——与额定电流和峰值电流之间的差距相比较。一款通过全部三个步骤的机器人关节执行器是一个候选;连续数值背后的热条件与测量它所处的安装,是属于制造商文档的单独问题。
Q减速比如何改变一款高扭矩机器人执行器所输出的扭矩?
减速比在通往关节的途中把转子扭矩放大,并把转子转速除以同一系数。因此,一个 48:1 的减速级把不大的电机扭矩转变为一个低输出转速下的大关节扭矩,而一个 64:1 的减速级从类似的电机产生较低的关节扭矩,并达到略高的输出转速。此处的记录以电流而不是以扭矩来展示这套算术:48:1 减速级上 18 A 对应 222 Nm 峰值,而 64:1 减速级上 19 A 对应 120 Nm 峰值。因此,高扭矩机器人执行器不能仅按减速比来比较:在一个模组内部,减速比一次移动三项量——输出扭矩上升、输出转速下降,以及关节能从外部感受到的负载随之下降——但两条记录之间的差异,也取决于各电机自身的扭矩能力、其传动效率、它所被允许的电流,以及其制造商公布的额定工作点。
Q48 V 母线会提高机器人执行器的扭矩吗?
它并不直接提高扭矩;它改变模组所能达到的转速以及它在给定输出功率下所汲取的电流。KV 是每伏转速,因此在固定 KV 下,更高的母线提高了转速上限,而对于给定的轴功率,更高的母线通常意味着更低的供电电流,因而绕组中更低的铜损。上表中的转速列展示了双电压记录的效果:AK80-64 KV80 在其 24/48 V 窗口下公布额定 23/48 rpm 与空载 37/75 rpm。更高的母线所不改变的,是减速比、包络,或模组自身所公布额定扭矩与峰值扭矩,而它带来的是更重的电池组、额定值更高的驱动器,以及一组不同的绝缘与连接器问题。
Q哪些机器人执行器达到 100 Nm 或更高的峰值扭矩?
在本指南所比较的记录中,有两款一体化 CubeMars 模组位于公布的 100 Nm 峰值扭矩之上:AK80-64 KV80 为 120 Nm,AKH70-48 V1.0 KV41 为 222 Nm。每一款都公布有其自身的额定扭矩与峰值扭矩这一对、其自身的电流对、一个减速比与一个包络,而两者覆盖的是不同的关节工况,而不是同一工况的两个台阶——一款 850 g 的 24/48 V 模组,以及一款额定 74 Nm 的 48:1 中空轴模组。一个其静态负载位于该范围顶端之上的关节,超出了这两条记录所覆盖的内容,需要一种不同的布置。
官方资源
CubeMars 为每一款模组发布一个带有其规格面板的官方产品页,而这些页面对于本指南中所引用的每一个数值都是事实来源——例如 AK80-64 KV80 产品页 与 AKH70-48 V1.0 KV41 产品页。上表中的扭矩、电流、转速、减速比、重量与包络数值,就是那些页面为每一款模组所公布的数值。连续额定值背后的温升、某一数值被测量时所在的安装条件、某条记录不载的字段,或一段峰值偏移的长度,是属于制造商文档的问题,而不是一个可以从规格面板推导出来的值。
下一步
若为了形成候选清单而非阅读,平台上有三个工具按顺序完成这项工作。查看完整的 机器人执行器 品类,以看到这些模组与同一系列中较轻的关节并列,使用 选型 按减速比、额定扭矩与公布包络缩小范围,然后在 产品对比 中把候选相互对照。关节模组 应用页面收纳同样的工况及其自身的筛选属性,而 准直驱执行器 品类覆盖低减速比的布置。
另外两篇文章承载了一次关节选型中模组比较所无法解决的部分。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 从内部拆解一体化模组——电机、减速级、反馈与驱动器——是了解壳体内所装之物的参考。48 V 机器人执行器:型号、性能收益与系统约束 沿母线决策一路追踪驱动器、电池组与连接器,这一步位于选定一款高扭矩机器人执行器与让它在一台机器中运行之间。
简版:先确定最差工况的静态负载,因为它是关节长久保持的唯一数值;其次确定减速比,因为减速比同时设定输出扭矩与输出转速,且事后无法调整;第三,把母线与额定电流一并来读,因为母线改变电流,而电流才是绕组必须与之共存的;最后与制造商确认连续数值背后的热条件,因为那是规格面板很少承载的那一列。在本组中,这一顺序在任何单独关节被拿来与另一个相互权衡之前,就把 850 g 的 64:1 记录与 48:1 的中空轴模组区分开来。








