Безрамный двигатель для роботизированного соединения

Безрамный шарнирный двигатель робота , также известный как безрамный моментный двигатель , представляет собой бесщеточный двигатель с прямым приводом сплит-типа, специально разработанный для роботизированных соединений. В отличие от обычных двигателей, в нем отсутствуют корпус, подшипники и выходной вал, а имеются только узлы статора и ротора. Эти компоненты непосредственно интегрируются в корпус шарнира и становятся неотъемлемой частью роботизированного шарнира.

Многие проекты робототехники терпят неудачу не потому, что базовые характеристики двигателя неадекватны, а потому, что инженеры относятся к бескорпусному шарнирному двигателю как к обычному готовому двигателю и упускают из виду требования к проектированию на системном уровне, такие как механическая интеграция, управление температурным режимом и согласование энкодеров. Это может привести к вибрации, перегреву, трению ротор-статор, неточному позиционированию и другим неисправностям.

В этой статье представлено подробное руководство по разработке и экспорту бескаркасных двигателей роботов , в котором сравниваются их с традиционными решениями, а также рассматриваются вопросы выбора двигателя, механической интеграции и экспорта, чтобы помочь производителям робототехники избежать распространенных ошибок при разработке.

Что такое бескаркасный двигатель робота?

Основное определение

Безрамный шарнирный двигатель робота представляет собой специализированный тип бесщеточного моментного двигателя с постоянными магнитами, оптимизированный для применения в роботизированных соединениях.

В отличие от двигателя в сборе, стандартный безрамный двигатель поставляется только с двумя основными компонентами:

• Статорная обмотка в сборе

• Ротор с постоянными магнитами

Он не включает в себя корпус, подшипники, выходной вал или торцевые крышки и поэтому не может работать напрямую как автономный двигатель..

Статор установлен внутри корпуса роботизированного шарнира, а ротор прикреплен к главному выходному валу посредством посадки с натягом или клеевого соединения. Собственный поперечный роликовый подшипник шарнира обеспечивает поддержку вращения, а корпус шарнира действует одновременно как корпус двигателя и основная конструкция для отвода тепла.

Кабели и жгуты проводов могут проходить через большое центральное полое отверстие двигателя, что обеспечивает внутреннюю прокладку кабеля и обеспечивает высокоинтегрированную конструкцию двигателя и соединения.

Бескаркасные шарнирные двигатели с внутренним ротором и внешним ротором

Безрамный шарнирный двигатель с внутренним ротором

В конфигурации с внутренним ротором ротор расположен внутри статора.

К его основным преимуществам относятся:

• Низкая инерция ротора

• Быстрый динамический отклик

• Отличные характеристики ускорения и замедления

• Хорошая пригодность для частых движений старт-стоп.

Эта конфигурация особенно подходит для роботизированных суставов, требующих быстрого и точного движения, таких как плечевые, локтевые, запястные и поясные суставы роботов-гуманоидов..

При том же внешнем диаметре полое отверстие обычно меньше, что делает двигатели с внутренним ротором более подходящими для применений с низким и средним крутящим моментом.

Безрамный шарнирный двигатель с внешним ротором

В конфигурации с внешним ротором ротор окружает статор снаружи.

Поскольку диаметр ротора больше, двигатель с внешним ротором может обеспечивать более высокий непрерывный крутящий момент. Однако инерция его ротора также выше.

Поэтому он хорошо подходит для соединений, подвергающихся высокой нагрузке, таких как:

• Тазобедренные суставы

• Коленные суставы

• Сверхмощные роботизированные соединения

• Несущие соединения

Двигатели с внешним ротором также могут иметь полое отверстие большего размера. Их динамический отклик обычно ниже, чем у конструкций с внутренним ротором, но они особенно подходят для тяжелых коллаборативных роботов и четвероногих роботов..

HOLRY предлагает серии бескаркасных шарнирных двигателей как с внутренним, так и с внешним ротором. Конфигурации намотки, длина стопки ламинатов и конструкция магнитов могут быть настроены в соответствии с различными нагрузками на суставы, охватывая самые разные области применения: от легких роботизированных захватов и ловких рук до суставов человекоподобных роботов с высокими нагрузками.

Бескаркасные шарнирные двигатели роботов в сравнении с традиционными шарнирными приводами

Основные архитектуры совместного привода роботов обычно можно разделить на три категории:

1. Закрытый серводвигатель + редуктор

2. Интегрированный совместный модуль

3. Безрамный шарнирный двигатель

Каждое решение имеет свои преимущества и подходящие сценарии применения.

Решение 1: Обычный закрытый серводвигатель + гармонический привод

Преимущества

• Высоко стандартизированная продукция

• Готов к использованию

• Простая сборка

• Зрелая цепочка поставок

• Короткий цикл разработки прототипа

Ограничения

Двигатель поставляется с собственным корпусом и подшипниками, что увеличивает общий размер и вес.

Муфты могут привести к ошибкам при установке и люфтам. Внутренняя прокладка кабеля также может быть затруднена.

Кроме того, несколько ступеней подшипников и трансмиссии увеличивают потери на трение, что может увеличить общее энергопотребление робота.

Подходящие приложения

Это решение подходит для:

• Общепромышленные коллаборативные роботы

• Проекты с ограниченными ресурсами НИОКР

• Быстрая проверка прототипа

Решение 2. Интегрированный модуль соединения робота

Преимущества

Двигатель, редуктор, энкодер и тормоз интегрированы в один модуль.

Производители роботов могут просто приобрести полный модуль и установить его в робота, что значительно сокращает объем работ по разработке.

Ограничения

• Более высокая стоимость

• Фиксированные размеры

• Ограниченная структурная настройка

• Меньшая гибкость для глубокой механической интеграции

• Зависимость цепочки поставок от производителя модуля

Подходящие приложения

Это решение подходит для проектов малого и среднего объема, где производитель роботов не хочет вкладывать значительные средства в разработку двигателей и суставов.

Решение 3: Бескаркасный двигатель робота

Бескаркасный шарнирный двигатель состоит в основном из статора и ротора , что позволяет производителю робота проектировать окружающую механическую конструкцию в соответствии с конкретным применением.

Ключевые преимущества

1. Высокая плотность крутящего момента и значительное снижение веса.

За счет устранения корпуса двигателя, дополнительных подшипников и других ненужных компонентов бескаркасный двигатель может значительно снизить вес шарнира.

При сопоставимых требованиях к крутящему моменту общий вес шарнира потенциально может быть уменьшен примерно на 30–40% , а механический пакет может быть значительно меньше.

Уменьшение веса робота также помогает:

• Уменьшите нагрузку на суставы

• Низкое энергопотребление

• Увеличьте срок службы батареи

• Повышение безопасности совместной работы человека и робота

2. Большое полое отверстие для внутренней прокладки кабеля.

Кольцевая полая конструкция позволяет кабелям, сигнальным линиям и даже трубкам проходить непосредственно через центр двигателя.

Это помогает избежать внешнего изгиба и износа кабеля, обеспечивая при этом внутреннюю прокладку кабеля через постоянно вращающиеся соединения.

Поэтому большие полые отверстия являются важной конструктивной особенностью суставов гуманоидных роботов..

3. Меньше компонентов трансмиссии и более высокая жесткость системы.

Ротор может быть напрямую соединен с главным валом шарнира, что устраняет необходимость в муфте и снижает ошибки передачи.

Благодаря оптимизированной конструкции магнитной цепи также можно уменьшить зубчатый момент, что приводит к более плавной работе на низких скоростях и снижению вибрации.

Это особенно важно для:

• Ловкие роботизированные руки

• Хирургические роботы

• Высокоточные роботизированные комплексы

4. Настраиваемое управление температурным режимом для непрерывной работы в тяжелых условиях.

Статор может быть установлен непосредственно на корпусе шарнира из алюминиевого сплава, что позволяет самому корпусу действовать как теплоотвод.

Для тяжелых условий эксплуатации в шарнирный корпус также могут быть встроены каналы водяного охлаждения.

Это обеспечивает широкие возможности настройки теплового пути и может превзойти решения с серводвигателями, установленными снаружи, в требовательных приложениях с непрерывной работой.

5. Высокая степень адаптации для международных приложений.

Ключевые параметры двигателя можно настроить, в том числе:

• Внешний диаметр

• Длина стопки ламинирования

• Диаметр полого отверстия

• Напряжение обмотки

• Датчики температуры

• Датчики Холла

Изоляция обмоток и материалы магнитов также могут быть выбраны в соответствии с условиями эксплуатации при высоких, низких температурах и высокой влажности, что помогает соответствовать международным экспортным и сертификационным требованиям, таким как CE..

Неотъемлемые ограничения

1. Более высокие требования к развитию

Производитель робота должен обрабатывать:

• Конструкция полости сустава

• Выбор подшипника

• Инструменты для сборки ротор-статор

• Тепловой расчет

• Интеграция кодировщика

• Механическое выравнивание

Таким образом, безрамные двигатели не идеальны для клиентов, не имеющих достаточных механических и электромеханических инженерных возможностей.

2. Строгие требования к сборке

Воздушный зазор между статором и ротором очень мал.

Плохая концентричность или неправильная сборка могут привести к:

• Трение ротора-статора

• Магнитный урон

• Чрезмерная вибрация

• Повышенный рабочий шум

• Отказ двигателя

Для зарубежных заказчиков, не имеющих возможности точной сборки, эти риски могут быть особенно значительными.

3. Затраты на прототип не всегда могут быть ниже

Хотя сам комплект двигателя может быть экономически эффективным, общая стоимость разработки может увеличиться на этапе прототипа из-за дополнительных требований к:

• Подшипники

• Кодеры

• Инструмент для сборки

• Механическая разработка

• Инженерный труд

Экономическое преимущество безрамных двигателей становится более значительным при переходе к крупносерийному OEM-производству..

Основные области применения бескаркасных двигателей роботов

Гуманоидные роботы

Бескаркасные шарнирные двигатели могут использоваться в:

• Плечи

• локти

• Бедра

• Колени

• Поясные суставы

• Запястья

• Ловкие руки

Двигатели с внутренним ротором обычно предпочтительны для суставов, требующих быстрого динамического реагирования, тогда как двигатели с внешним ротором можно рассматривать для тазобедренных и коленных суставов, подвергающихся высокой нагрузке.

Большие полые отверстия также облегчают внутреннюю прокладку кабелей, что делает безрамные двигатели важной технологией привода для современных роботов-гуманоидов.

Коллаборативные роботы

Безрамные двигатели используются в промышленных совместных роботизированных манипуляторах, где важны легкая конструкция и компактные размеры.

Они помогают снизить общий вес робота, одновременно повышая безопасность и позволяя использовать такие приложения, как:

• Сборка

• Сортировка

• Шлифование

• Погрузочно-разгрузочные работы

Медицинские роботы

Потенциальные приложения включают в себя:

• Хирургические роботы

• Реабилитационные экзоскелеты

• Системы медицинского осмотра

• Прецизионные медицинские поворотные соединения

Эти приложения требуют низкого уровня шума, низкой вибрации, высокой точности, чистоты и безопасности.

Безрамная конструкция также обеспечивает большую гибкость герметичных механических конструкций и может быть адаптирована к международным требованиям к медицинскому оборудованию.

Четвероногие роботы и специализированные роботы-экзоскелеты

Сверхмощные экзоскелеты и роботизированные платформы требуют как высокого крутящего момента, так и общего снижения веса.

Безрамные двигатели могут обеспечивать высокую плотность крутящего момента, воспринимая при этом сложные и постоянно меняющиеся динамические нагрузки.

Прецизионные подвесы и специализированные роботы

Приложения включают в себя:

• Воздушные подвесы

• Осмотр поворотных механизмов

• Системы точного позиционирования

• Специализированное роботизированное оборудование

Эти приложения обычно имеют ограниченное пространство для установки и требуют легких двигателей, способных работать в сложных условиях, таких как вибрация и широкий диапазон температур.

Области применения, в которых безрамные двигатели могут оказаться непригодными

Безрамные двигатели могут быть не лучшим выбором для:

• Простые роботы на производственной линии

• Малосерийные проекты быстрых прототипов

• Проекты без достаточных возможностей механической интеграции

В этих случаях комплектный серводвигатель или интегрированный шарнирный модуль могут обеспечить более быстрый и экономичный путь разработки.

Пять ключевых факторов при выборе шарнирного двигателя для безрамного робота

Отличие непрерывного крутящего момента от пикового крутящего момента

В суставах робота могут наблюдаться:

• Гравитационное удержание грузов

• Непрерывное движение

• Кратковременные ударные нагрузки

• Нагрузки ускорения и замедления

Непрерывный номинальный крутящий момент определяет долгосрочную работоспособность двигателя, тогда как пиковый крутящий момент представляет собой только кратковременный выходной крутящий момент.

Поэтому выбор двигателя должен основываться на реальных профилях движения и условиях эксплуатации.

Для тяжелых условий эксплуатации и экспортных рынков с высокими температурами рекомендуется зарезервировать примерно 20–30 % запаса прочности по крутящему моменту..

Выбор двигателя только по его максимальному крутящему моменту может привести к перегреву и размагничиванию постоянных магнитов во время непрерывной работы.

Выберите конфигурацию правого внутреннего или внешнего ротора

Для суставов, требующих:

• Быстрое движение

• Частая работа старт-стоп.

• Высокий динамический отклик

например, запястья, локти и плечи, обычно предпочтительнее двигатели с внутренним ротором .

Для соединений с высокой нагрузкой, требующих высокого крутящего момента, таких как бедра и колени, следует оценить двигатели с внешним ротором .

Необходимо также проверить требуемый диаметр полого отверстия, чтобы обеспечить достаточное пространство для кабелей и проводки.

Сопоставьте инерцию ротора с шарниром

Динамические характеристики сустава во многом зависят от согласования инерции.

Ловким роботизированным рукам требуются малоинерционные двигатели для точных и деликатных движений.

Соединения, нагруженные тяжелыми нагрузками, требуют соответствующего инерционного согласования для сохранения устойчивости.

Плохое согласование инерции может привести к:

• Чрезмерное воздействие

• Колебания

• Плохая эффективность управления

• Сложный ввод в эксплуатацию

Управление температурным режимом и адаптация к окружающей среде

Это особенно важно для международного экспорта.

Безрамный двигатель не имеет собственной полноценной системы охлаждения. Рассеяние тепла во многом зависит от корпуса шарнира робота.

Для тропических рынков с высокими температурами необходимо усилить тепловой путь.

В условиях низких температур необходимо проверить низкотемпературные характеристики постоянных магнитов.

Для сред с высокой влажностью необходимо тщательно оценить требования к изоляции и защите обмоток.

Двигатель, который хорошо показал себя во время отечественных испытаний прототипа, может столкнуться с серьезными отказами после экспорта, поскольку адаптация к окружающей среде не была должным образом учтена.

Согласование электрических компонентов и компонентов обратной связи

Безрамный двигатель обычно не включает в себя энкодер.

Поэтому производителю робота необходимо выбрать и интегрировать соответствующий кольцевой энкодер..

Драйвер двигателя должен поддерживать управление крутящим моментом и быть настроен с учетом электрических параметров двигателя, включая:

• Сопротивление

• Индуктивность

• Обратная ЭДС

• Константы двигателя

• Характеристики датчика температуры

HOLRY может предоставить полные файлы электрических параметров двигателя и спецификации датчиков температуры, чтобы помочь зарубежным клиентам завершить интеграцию системы и ввод в эксплуатацию.

Распространенные ошибки при интеграции безрамных двигателей

Ошибка 1: предположение, что безрамный двигатель может работать сразу после подключения драйвера

Бескорпусный двигатель состоит только из статора и ротора и не включает в себя подшипники, опорные конструкции или компоненты обратной связи.

Его нельзя просто подключить к драйверу и включить.

Сначала система должна выполнить:

• Механическая сборка

• Калибровка концентричности

• Установка энкодера

• Проверка воздушного зазора

• Конфигурация параметров управления

Некоторые зарубежные клиенты ошибочно рассматривают бескорпусные двигатели как полноценные двигатели и питают их напрямую, что может привести к трению ротора и статора и повреждению постоянных магнитов.

Ошибка 2: выбор двигателя только на основе пикового крутящего момента

Пиковый крутящий момент, указанный в таблице данных, обычно представляет собой кратковременную возможность.

Соединения робота могут постоянно выдерживать силу тяжести и нагрузки, поэтому постоянный крутящий момент часто важнее пикового крутящего момента..

Выбор двигателя, основанный только на пиковом крутящем моменте, может привести к постоянному перегреву и снижению крутящего момента во время фактической эксплуатации.

Ошибка 3: игнорирование требований по концентричности ротор-статор

Поскольку воздушный зазор между ротором и статором мал, неправильный монтажный инструмент или чрезмерная ошибка соосности могут привести к трению и повреждению двигателя.

Затраты на ремонт за рубежом могут быть чрезвычайно высокими.

Поэтому поставщики должны предоставить:

• Инструкции по сборке на английском языке

• Характеристики воздушного зазора

• Требования к концентричности

• Монтажные чертежи

• Рекомендуемые процедуры сборки

Ошибка 4: относиться к выбору прототипа как к выбору для массового производства

Разработка прототипа ориентирована в первую очередь на скорость и гибкость.

Массовое производство требует дополнительной оценки:

• Согласованность партии

• Выход продукции

• Стабильность процесса

• Контроль качества

• Возможность долгосрочных поставок

Некоторые поставщики могут производить прототипы, но не могут поддерживать стабильное крупносерийное производство.

Ошибка 5: прямой экспорт конфигурации отечественного прототипа

Различные международные рынки имеют разные:

• Температура окружающей среды

• Уровни влажности

• Условия электроснабжения

• Требования безопасности

• Требования к сертификации

Поэтому напряжение двигателя, изоляция, материалы магнитов и тепловая конструкция могут потребовать адаптации к целевому рынку.

Конфигурация отечественного прототипа не должна автоматически рассматриваться как конфигурация, готовая к экспорту.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос 1: Всегда ли необходимо использовать бескаркасный двигатель робота с гармоническим приводом?

О: Не обязательно.

Некоторые легкие шарниры с прямым приводом могут работать без редуктора.

Однако во многих суставах гуманоидных и коллаборативных роботов используются гармонические приводы для увеличения конечного выходного крутящего момента и снижения требуемого крутящего момента двигателя.

Вопрос 2. Имеются ли в бескаркасных шарнирных двигателях тормоза и энкодеры?

О: Стандартные безрамные двигатели обычно не оснащены тормозами или энкодерами.

Это компоненты системного уровня, выбранные в соответствии с требованиями робота.

HOLRY может предоставить условия для установки и интеграции датчиков, чтобы производители роботов могли выбрать подходящий энкодер и компоненты тормоза.

Вопрос 3: Какие технические документы следует запрашивать зарубежным покупателям?

О: зарубежные покупатели должны запросить:

• Технические характеристики двигателя

• Кривые крутящего момента и скорости

• Характеристики воздушного зазора ротор-статор

• Требования к концентричности

• Электрические параметры обмотки

• Характеристики датчика температуры

• Инструкция по сборке на английском языке

• Монтажные чертежи

• Соответствующие документы по экспортной сертификации

Эти документы позволяют существенно снизить риски интеграции и ввода в эксплуатацию.

Вопрос 4: Что может HOLRY настроить для бескаркасных двигателей роботов?

О: HOLRY поддерживает настройку:

• Внешний диаметр

• Длина стопки ламинирования

• Диаметр полого отверстия

• Напряжение обмотки

• Конфигурация постоянного магнита

• Датчики температуры

• Датчики Холла

HOLRY также может поддерживать:

• Разработка прототипа

• Мелкосерийное пробное производство

• Крупносерийное OEM-производство

Вопрос 5. Каковы наиболее распространенные причины выхода из строя бескаркасного шарнирного двигателя?

Ответ: Наиболее распространенными причинами являются:

1. Недостаточная тепловая конструкция, приводящая к перегреву и размагничиванию.

2. Несоосность ротора и статора, вызывающая трение

3. Неправильный расчет нагрузки и недостаточный запас крутящего момента.

4. Несоответствие параметров энкодера и драйвера двигателя

5. Неправильные процедуры сборки

6. Недостаточная экологическая адаптация для зарубежных рынков

Заключение

HOLRY специализируется на исследованиях, разработках и производстве бескаркасных двигателей для роботов, предлагая как стандартные, так и индивидуальные решения.

В наш портфель продукции входят бескорпусные двигатели с внутренним и внешним ротором для следующих применений:

• Ловкие роботизированные руки

• Суставы гуманоидного робота

• Совместное роботизированное оружие

• Медицинские роботы

• Четвероногие роботы

• Специализированные роботизированные системы

HOLRY также предоставляет полную техническую документацию на английском языке для поддержки зарубежных OEM-клиентов на протяжении всего жизненного цикла продукта, от разработки прототипа и тестирования до массового производства.

Если вы в настоящее время выбираете приводной двигатель для роботизированного соединения, свяжитесь с технической командой HOLRY, указав ваши требования к нагрузке на соединение, доступное пространство для установки, профиль движения и целевой экспортный рынок, чтобы получить бесплатную оценку выбора двигателя.