Передовая робототехника для промышленного и бытового применения требует сложных силовых компонентов для соединений и сцеплений, которые должны работать плавно, часто с высоким крутящим моментом и относительно низкой скоростью. Задача усложняется, когда роботизированное приложение также должно выполнять точные движения.В основе большинства ведущих вариантов роботизированных приводов лежат электродвигатели. Это связано с тем, что конструкции с приводом от двигателя сводят к минимуму люфт, трение, вес и инерцию при максимальном КПД, снижении скорости и удельной мощности. Кинематическое устройство и масштаб робота определяют, какой тип двигателя использовать и механические компоненты, такие как зубчатая передачаявляются наиболее подходящими.

Здесь мы опускаем изучение приводов для концевых эффекторов и роботизированного захвата — тема сама по себе сложная — и сосредотачиваемся на лучших вариантах привода с электроприводом для современной коммерчески доступной робототехники.

AGV и автономные мобильные роботы (AMR) обычно требуется использование систем на базе двигателей постоянного тока для их автономной работы на батарейках. Поскольку кинематика довольно традиционна, приводы на их осях (в отличие от их продвинутого и часто проприетарного программного обеспечения и сенсорных систем) довольно распространены в других промышленных приложениях.

Но существуют особые требования: роботизированные приводы, которые поднимают массы, потребляют больше энергии, чем те, которые перемещают грузы горизонтально, поэтому, как и в другой робототехнике (например, в декартовых роботах), приводы вертикального подъема в AGV и AMR обычно работают с высоким крутящим моментом и низкой скоростью через редуктор с высоким передаточным числом. Хотя червячные редукторы здесь менее эффективны, чем в других предложениях, они устойчивы к обратному приводу, поэтому могут помочь предотвратить резкое снижение нагрузки при потенциальных сбоях системы.

Еще одно предостережение заключается в том, что приведение в действие AGV и AMR требует перемещения всей массы робота, поэтому в трансмиссии с приводом от электродвигателя почти всегда присутствует зубчатая передача. Мотор-редукторы превосходно обеспечивают частоту вращения привода и равномерное позиционирование там, где AGV или AMR используют противоскользящее рулевое управление. Рассмотрим колесные оси с сервоприводом Wittenstein iTAS — специально для AGV. Сдвоенные серводвигатели включают в себя винтовые планетарные редукторы с низким люфтом и колеса VULKOLLAN.

В противном случае реечные агрегаты с приводом от двигателя постоянного тока управляют AGV и AMR.

Обратите внимание, что приводы на базе двигателей постоянного тока также приводят в действие более простые самоходные роботы для выполнения небольших задач. Например, большинство роботов Roomba для мытья полов используют набор из пяти электродвигателей постоянного тока с щеточным приводом, использующих в основном пластиковые цилиндрические зубчатые передачи, что позволяет снизить частоту вращения примерно с 3500 до 10 000 оборотов в минуту до скоростей, более подходящих для скорости мытья полов и взбивания щеткой. В аналогичной потребительской или облегченной коммерческой робототехнике, где целью проектирования является повышение эффективности и компактности, приводы могут вместо этого соединять планетарную передачу с двигателями.

Многие коллаборативные роботы (коботы), такие как Universal Robots (UR), используют совместимые приводы для обеспечения мягких и щадящих движений, подходящих для неконтролируемых пространств. Когда привод выполнен в виде последовательного эластичного привода (SEA), податливость обеспечивается простой (хотя и высокотехнологичной) механической пружиной, последовательно соединенной с корпусом электропривода. Хотя такие роботизированные приводы не подходят для роботизированных осей, требующих нанометровой точности без компенсации на основе датчиков, они могут защитить находящийся поблизости персонал от причинения вреда.

Фактически, соответствующие требованиям приводы для робототехники передают меньшую инерцию нагрузки обратно на приводной двигатель и могут даже отсоединять инерцию двигателя от осей во время столкновений с элементами окружающей среды или людьми. Кроме того, они защищают коробки передач, расположенные выше по потоку в трансмиссии, от ударов, одновременно уменьшая влияние люфта на работу конечных исполнительных механизмов.

Некоторые более крупные коботы, которые не могут смириться с потерей полезной нагрузки и производительности ради безопасности, используют программные системы для безопасной работы с персоналом. Они поддерживают управляемость полосы пропускания при использовании элементов управления в реальном времени для обеспечения виртуального или активного соответствия требованиям. Программное обеспечение отслеживает воздействие окружающей среды и замедляет или уменьшает производительность робота-шарнира, чтобы мягко реагировать на внешние воздействия. Помимо обеспечения безопасности, при выполнении задач по уходу за машинами, которые действительно могут повысить производительность.

На некоторых из этих коботов, тензоволновые зубчатые передачи используются для сочленения рук робота. Высокий крутящий момент и нулевой люфт являются ключевыми преимуществами. Узлы с волновыми деформациями делают руки коллаборативных роботов легкими и портативными. Одноступенчатые редукторы 100:1 обеспечивают крутящий момент 120 Нм для всех шести осей робота, обеспечивая полезную нагрузку до 6 кг.

Фактически, другие плоские приводы вскоре могут расширить конструкцию cobot за пределы стандартной для отрасли серии 90-градусных шарнирных соединений, что позволит уменьшить количество точек защемления и увеличить диапазон перемещения шарнира. Например, приводы LiveDrive от Genesis Robotics — это ультратонкие приводы, которые вскоре могут быть применены для поворота шарниров cobot в вертикальное положение; клинья между двигателями могут выступать в качестве поворотных наклонов для обеспечения безопасности, а также механических преимуществ в каждом соединении.

Дельта-роботы (роботы—пауки) используют привод, рассчитанный на скорость до тысяч небольших перемещений в минуту в некоторых случаях, что требуется для приложений «подбирай и размещай», где они часто используются.

Основным преимуществом дельта-роботов является динамическая кинематическая связь, приводимая в действие указанными выше стационарными двигателями. Как и в другой робототехнике, бесщеточные двигатели постоянного тока являются стандартными благодаря своей управляемости, рассеиванию тепла, компактности и относительно малоинерционным роторам. В противном случае используются шаговые двигатели-редукторы с замкнутым контуром (высоковольтные двигатели в паре с зубчатыми головками) или даже безредукторные варианты. Например, в миниатюрных роботизированных ячейках Asyril PocketDelta используются три бесщеточных EC-i 40 двигатели от maxon precision motors для приводных механизмов.

В более крупных дельта-роботах многие производители перешли от использования реечных приводов к сервоприводам на базе планетарных редукторов. В некоторые такие мотор-редукторы предварительно встроены рычаги для уменьшения количества деталей и лучшей очистки.

Вспомогательная робототехника такие устройства, как силовые конечности, программируемые протезы, экзоскелеты и мягкая робототехника, предназначены для людей с ампутированными конечностями, солдат в боевых условиях и персонала промышленных предприятий, подверженного риску перенапряжения и усталости от повторений. Для получения дополнительной информации о технологиях привода для этих робототехнических устройств посетите designworldonline.com и искать экзоскелет. Два растущих рынка стационарной вспомогательной робототехники включают:

Большинство из этих конструкций имеют морфологию (и используют приводные технологии), общую для шестиосевых роботов.

В противном случае ортопедические системы (для реабилитации пациентов) и носимая вспомогательная робототехника используют соответствующие требованиям приводы, такие как SEAs. Это позволяет системам поддаваться воздействию возмущающих факторов и (там, где это полезно) использовать динамику естественного биологического передвижения для повышения эффективности проектирования. Традиционное приведение в действие, которое в противном случае заставляло бы конечности двигаться по заданным траекториям, непригодно, вот почему в этих конструкциях на базе двигателей постоянного тока используются специализированные регуляторы импеданса и обратная связь, позволяющие пользователю перемещаться по не нанесенным на карту пространствам без фиксированного контроля положения.

Еще одна проблема, связанная с приведением в действие силовых конечностей, заключается в том, что регулярная ходьба вызывает повторяющиеся ударные нагрузки в виде ударов пяткой. Большинство типов редукторов повреждаются при ударе, поэтому привод в действие с помощью гидравлической энергии когда-то приводил в действие такую робототехнику. Но сейчас на подъеме находятся двигатели с прямым приводом (которые выдерживают ударные нагрузки) или конструкции с механическим приводом и волновой передачей. Рассмотрим роботизированные экзоскелеты: высокие требования к крутящему моменту требуют высоких передаточных чисел, даже при том, что конструкция должна оставаться компактной. Поэтому некоторые инженеры по экзоскелетам разрабатывают механизмы с волновой деформацией, поскольку они способны удовлетворять требованиям конструкции и плотно интегрироваться в механическую сборку сустава.

Робот-манипулятор для сборки с выборочным соответствием требованиям (Лестница) и полярные роботы подобны декартовым роботам в том смысле, что многие из них используют компоненты для передачи движения и мощности, используемые в неробототехнических приложениях для перемещения. Посещать therobotreport.com подробнее о строительстве SCARAs читайте здесь.

Декартовы роботы — подробно описано в linearmotiontips.com — включают в себя компоненты линейного перемещения, такие как линейные ползуны и направляющие с приводом от двигателя, приводимые в действие ходовым винтом или шариковинтовыми приводами, а также роликовые винты для критических осей. Одно замечание: технологии линейного перемещения, используемые в декартовых роботах, также находят применение в кинематике других роботов. Например, роботизированные передаточные устройства с седьмой осью (RTU) внедряют новые режимы линейного перемещения, которые сочетают длинные ходы с исключительной точностью. Или на шести- и семиосевых роботизированных манипуляторах технологии линейных приводов приводят в действие параллельные тяговые соединения с двигателями, закрепленными в основании, для выдвижения и втягивания снизу или сверху; это обеспечивает лучшую динамику при меньшей инерции сустава и (при наличии нескольких степеней свободы) независимое управление суставом.

Свободные руки, известные как шестиосевые роботы являются ведущими инноваторами. Привод осуществляется с помощью мотор-редукторов на каждом шарнире для вращения оси, которое во многих серийно выпускаемых конструкциях осуществляется с помощью зубчатых ременных приводов. Затем осуществляется обратная связь и управление положением гусеницы, чтобы привести соответствующий шарнир робота к заданному положению конца рычага.

В базах шестиосевых роботов (которым требуется высокий крутящий момент) часто используются двигатели с планетарной или циклоидальной передачей. В более крупных промышленных подразделениях это двигатели переменного тока. В отличие от этого, шестиосевые наручные оси используют все — от мотор-редукторов, основанных на прямозубой передаче (где главной целью является эффективность при низкой цене), до зубчатых передач с волновой деформацией (где точность имеет первостепенное значение). Что касается последнего, то некоторые механизмы с волновой деформацией позволяют роботам совершать быстрые перемещения, не испытывая ударов или пульсаций скорости на выходе, поскольку приводы с нулевым люфтом, основанные на такой передаче, обеспечивают более высокие настройки сервопривода для повышения точности и динамических характеристик.

Рассмотрите серию роботов KR AGILUS от Kuka для быстрой обработки материалов. В этих прецизионных передачах с волновой деформацией крутящий момент увеличивается на 30%, а срок службы — на 40% по сравнению с предыдущими версиями. Это благодаря специально разработанному генератору волн и оптимизированным зубьям с круговым шлицем и гибкой шлицей.

Одна из тенденций заключается в том, что все больше шестиосевых роботов, чем когда-либо, используют приводы на основе бескаркасных двигателей. Роботизированные приводы, основанные на шаговых двигателях, также набирают популярность, поскольку возможность отказаться от зубчатой передачи и внедрение шагового управления с замкнутым контуром могут обеспечить довольно компактное и динамичное приведение робота в действие. Там, где шестиосевые роботы стали особенно крупными — как в случае с массивным ABB IRB 8700, способным маневрировать полезной нагрузкой до 1000 кг, — другая тенденция заключается в объединении двухступенчатых двигателей на каждой оси в один мотор—редукторный привод для каждой степени свободы.