Định cỡ Bộ truyền động khớp siêu nhỏ Φ30mm cho tải trọng khuỷu tay robot hình người

Khớp khuỷu tay của robot hình người phải làm nhiều việc hơn là nâng một vật thể. Nó cần hỗ trợ trọng lượng của cẳng tay, duy trì khả năng kiểm soát khi cánh tay duỗi ra, tăng tốc mượt mà khi di chuyển và phản ứng nhất quán khi tải trọng thay đổi. Những yêu cầu này làm cho kích thước bộ truyền động trở thành một phần quan trọng trong thiết kế cánh tay robot, đặc biệt khi không gian lắp đặt sẵn có và tổng trọng lượng cánh tay bị hạn chế.

Việc chọn một bộ truyền động chỉ dựa trên định mức mô-men xoắn cực đại của nó có thể dẫn đến bộ truyền động có kích thước nhỏ, trọng lượng không cần thiết hoặc hiệu suất chuyển động kém. Các kỹ sư cần xem xét hình dạng của cánh tay, sự phân bố khối lượng, tốc độ di chuyển dự định và thời lượng của mỗi thao tác trước khi chọn cấu hình truyền động phù hợp.

Bộ truyền động khớp siêu nhỏ Φ30mm được thiết kế cho các ứng dụng tải từ trung bình đến cao, với khả năng đầu ra ở cấp độ Newton mét và độ cứng kết cấu cao. Đối với các nhà phát triển robot hình người, việc đánh giá bộ truyền động này bắt đầu bằng một câu hỏi thực tế: khuỷu tay thực sự cần cung cấp bao nhiêu mô-men xoắn trong các điều kiện vận hành đòi hỏi khắt khe nhất?

Xác định tải trọng tác dụng lên khuỷu tay robot hình người

Khớp khuỷu tay thường hỗ trợ một số bộ phận, bao gồm cấu trúc cẳng tay, cụm cổ tay, bộ phận tác động cuối và bất kỳ vật thể nào được xử lý. Mỗi thành phần đóng góp vào tổng tải trọng, nhưng tác dụng của nó lên khuỷu tay phụ thuộc vào khối lượng và khoảng cách của nó với trục khớp.

Ba loại tải trọng nên được đưa vào tính toán ban đầu.

Đầu tiên là tải trọng kết cấu. Cẳng tay, cổ tay, dụng cụ cơ giới, hệ thống dây điện và các bộ phận khác đều góp phần tạo nên khối lượng mà khuỷu tay phải di chuyển. Ngay cả khi robot không mang vật thể bên ngoài, trọng lượng của cánh tay của nó có thể tạo ra một yêu cầu mô-men xoắn đáng kể.

Thứ hai là tải trọng. Một robot hình người được thiết kế để nhặt các bộ phận nhỏ có thể hoạt động với một dụng cụ kẹp tương đối nhẹ, trong khi một robot xử lý các vật thể lớn hơn phải có cấu hình tải khác. Các kỹ sư nên xác định tải trọng dự định tối đa thay vì chỉ dựa vào trọng lượng trung bình của vật thể.

Thứ ba là tải động. Khi cánh tay tăng tốc, giảm tốc hoặc đổi hướng, khuỷu tay phải thắng quán tính quay bên cạnh mômen hấp dẫn và ma sát cơ học. Do đó, chuyển động nhanh có thể cần nhiều mô-men xoắn hơn đáng kể so với việc định vị chậm, có kiểm soát.

Những tải trọng này cần được đánh giá cùng nhau. Khớp hoạt động tốt trong quá trình biểu diễn không tải có thể không cung cấp đủ hiệu suất khi cẳng tay được mở rộng và mang tải trọng tối đa được chỉ định.

Tính mô-men xoắn hấp dẫn của khớp khuỷu

Bước đầu tiên hữu ích là ước tính mô-men xoắn do trọng lực tạo ra. Đối với một bộ phận có khối tâm lệch khỏi trục khớp, mô men quay hấp dẫn có thể được biểu thị bằng:

Mô-men xoắn = Khối lượng × Gia tốc trọng trường × Khoảng cách vuông góc

Ở đây, khối lượng được đo bằng kilôgam, gia tốc trọng trường xấp xỉ 9,81 m/s2 và khoảng cách vuông góc được đo bằng mét. Mô-men xoắn thu được được biểu thị bằng newton-mét (N·m).

Hãy xem xét một ví dụ đơn giản trong đó cụm cánh tay kết hợp và tải trọng có khối lượng 1,2 kg, với khối tâm tổng hợp của chúng nằm cách trục khuỷu tay 0,15 m. Khi cánh tay nằm ngang, mô men quay hấp dẫn gần đúng là:

1,2 × 9,81 × 0,15 = 1,77 N·m

Kết quả này biểu thị mômen quay hấp dẫn đối với khối lượng tổng hợp giả định và vị trí khối tâm. Nó không bao gồm gia tốc, ma sát, tổn thất truyền động hoặc biên độ thiết kế bổ sung.

Ví dụ này cũng minh họa tại sao chỉ riêng khối lượng tải là không đủ để xác định kích thước bộ truyền động. Một vật nhẹ hơn đặt xa khuỷu tay hơn có thể tạo ra một mô-men xoắn tương tự như một vật nặng hơn được giữ gần khớp hơn.

Định hướng chung cũng quan trọng. Khi cẳng tay quay, khoảng cách vuông góc giữa trục khớp và lực hấp dẫn thay đổi. Mô men quay hấp dẫn cực đại có thể xảy ra khi cánh tay gần như nằm ngang, tùy thuộc vào sự phân bổ khối lượng và phạm vi chuyển động.

Để ước tính kích thước ban đầu, các kỹ sư nên tính toán mô-men xoắn trên các góc khớp liên quan và xác định vị trí tạo ra nhu cầu cao nhất.

Bao gồm gia tốc và quán tính quay

Mômen quay hấp dẫn chỉ là một phần yêu cầu vận hành của khuỷu tay. Robot hình người cũng phải tăng tốc cho cánh tay và tải trọng của nó trong quá trình di chuyển.

Đối với chuyển động quay, mô men quán tính có thể xấp xỉ bằng:

Mômen quán tính = Mômen quán tính × Gia tốc góc

Mômen quán tính mô tả cách phân bổ khối lượng xung quanh trục quay, trong khi gia tốc góc mô tả tốc độ quay của khớp thay đổi nhanh như thế nào.

Tổng mômen đầu ra cần thiết có thể được ước tính là:

Mô-men xoắn cần thiết = Mô-men xoắn hấp dẫn + Mô-men quán tính + Mô-men xoắn ma sát

Mối quan hệ đơn giản hóa này rất hữu ích cho việc định cỡ sơ bộ, mặc dù một mô hình hoàn chỉnh cũng có thể cần tính đến khớp nối giữa các khớp, hiệu suất truyền động, độ giãn nở và các hiệu ứng động khác.

Ví dụ, một khuỷu tay chuyển động chậm giữa hai vị trí có thể bị chi phối bởi tải trọng hấp dẫn. Một khớp liên tục nâng, dừng, đảo hướng và hạ thấp một vật thể có thể phải chịu nhu cầu mô-men xoắn nhất thời lớn hơn.

Do đó, các kỹ sư nên xác định cấu hình chuyển động đại diện trước khi chọn bộ truyền động. Các thông số liên quan bao gồm phạm vi góc, tốc độ tối đa, khả năng tăng tốc, giảm tốc, tần số chu kỳ và khoảng thời gian giữ yên.

Cấu hình chuyển động thực tế cũng giúp phân biệt các đỉnh mô-men xoắn trong thời gian ngắn với mô-men xoắn cần thiết trong suốt quá trình hoạt động bình thường.

So sánh mô-men xoắn liên tục với mô-men xoắn thời gian ngắn

Sau khi tính toán tải hoàn tất, bước tiếp theo là so sánh kết quả với thông số hiệu suất của bộ truyền động. Hai giá trị đáng được quan tâm đặc biệt: mô men xoắn liên tục và mô men xoắn ban đầu.

Mô-men xoắn liên tục có liên quan khi bộ truyền động phải hoạt động theo yêu cầu cơ học liên tục. Giá trị cho phép phụ thuộc vào các điều kiện do nhà sản xuất chỉ định, bao gồm tốc độ vận hành, môi trường nhiệt và chu kỳ làm việc. Mối nối liên tục giữ tải hoặc di chuyển trong thời gian dài phải được đánh giá theo giới hạn vận hành liên tục hiện hành.

Mô-men xoắn ban đầu mô tả khả năng hoạt động trong thời gian ngắn liên quan đến việc khởi động hoặc vượt qua một tải đòi hỏi khắt khe, tùy theo thông số kỹ thuật của sản phẩm. Nó không nên được coi là mức mà bộ truyền động có thể cung cấp vô thời hạn.

Bộ truyền động khớp siêu nhỏ Φ30mm có mô-men xoắn liên tục được chỉ định lên tới 1500 mN·m và mô-men xoắn ban đầu lên tới 2200 mN·m. Những số liệu này cung cấp điểm khởi đầu hữu ích để so sánh bộ truyền động với tải khuỷu được tính toán.

Để tham khảo, 1500 mN·m bằng 1,5 N·m, trong khi 2200 mN·m bằng 2,2 N·m. Trong ví dụ 1,77 N·m đơn giản hóa ở trên, chỉ riêng mômen hấp dẫn đã vượt quá mômen xoắn liên tục cực đại đã nêu. Do đó, ví dụ này sẽ yêu cầu đánh giá chi tiết hơn thay vì giả định rằng bộ truyền động là phù hợp.

Sự so sánh này rất quan trọng vì mô men xoắn ban đầu cực đại trên mức tải tính toán không chứng minh được rằng khớp nối có thể chịu được tải trọng đó. Các kỹ sư phải xác định xem nhu cầu mô-men xoắn thực tế có còn nằm trong định mức liên tục thích hợp hay không và liệu các đỉnh nhất thời có được phép trong các điều kiện vận hành quy định hay không.

Nếu nhu cầu quá cao, các phản ứng thiết kế có thể xảy ra bao gồm giảm tải trọng, di chuyển trọng tâm đến gần khớp hơn, thay đổi hình dạng cánh tay, điều chỉnh cấu hình chuyển động hoặc đánh giá cấu hình bộ truyền động khác.

Đánh giá tỷ số truyền và tốc độ đầu ra

Tỷ số truyền ảnh hưởng đến mối quan hệ giữa tốc độ động cơ và mômen đầu ra. Tỷ số giảm tốc cao hơn thường cung cấp mô-men xoắn đầu ra lớn hơn cho một mô-men xoắn động cơ nhất định, đồng thời giảm tốc độ đầu ra. Hiệu suất thực tế còn phụ thuộc vào hiệu suất truyền động, đặc tính động cơ và điều kiện vận hành.

Mẫu thiết bị truyền động VAXOR X30S-UZ/BZ30/50-MH-3 có sẵn với tỷ số truyền là 30 và 50. Các cấu hình này cung cấp các điểm khởi đầu khác nhau để cân bằng mô-men xoắn đầu ra và tốc độ khớp.

Đối với khuỷu tay hình người, tỷ lệ chính xác phụ thuộc vào cách sử dụng robot. Một cánh tay được thiết kế để thao tác có kiểm soát có thể ưu tiên mô-men xoắn vừa đủ và vị trí ổn định, trong khi cánh tay dành cho các cử chỉ nhanh hơn hoặc chuyển động thường xuyên có thể yêu cầu chú ý kỹ hơn đến tốc độ và phản ứng động.

Các kỹ sư nên so sánh tốc độ đầu ra và mô-men xoắn có sẵn tại các điểm vận hành được yêu cầu thay vì cho rằng tỷ lệ cao hơn luôn được ưu tiên hơn. Cũng cần xem xét ảnh hưởng của bộ giảm tốc đến quán tính, phản ứng cơ học và hành vi chuyển động tổng thể.

Khi nhiều khớp di chuyển cùng nhau, khuỷu tay phải được đánh giá là một phần của cánh tay hoàn chỉnh. Sự thay đổi về tốc độ hoặc gia tốc của khuỷu tay có thể ảnh hưởng đến yêu cầu chuyển động của vai và cổ tay, đặc biệt khi robot đi theo quỹ đạo phối hợp.

Xem xét tích hợp trọng lượng, điện áp và điều khiển

Khả năng mô-men xoắn của bộ truyền động chỉ là một phần của thiết kế cơ khí. Trọng lượng của nó ảnh hưởng đến tải trọng do các khớp nối phía thượng nguồn mang theo, trong khi các yêu cầu về điện và truyền thông của nó ảnh hưởng đến sự tích hợp hệ thống.

Bộ truyền động Φ30mm có trọng lượng quy định là 123–133 g và dải điện áp hoạt động là 12–18 V. Khi đánh giá thiết bị, các kỹ sư nên sử dụng trọng lượng của cấu hình liên quan và bao gồm phần cứng lắp đặt, cáp, đầu nối và các bộ phận khác trong tính toán tổng khối lượng chuyển động.

Điều này đặc biệt quan trọng đối với cánh tay hình người có nhiều khớp được kích hoạt. Khối lượng bổ sung gần khuỷu tay có thể làm tăng mô-men xoắn cần thiết từ vai, tạo ra hiệu ứng xếp tầng trên cánh tay.

Khả năng tương thích điện nên được kiểm tra cùng một lúc. Nguồn điện phải duy trì trong phạm vi điện áp được chỉ định trong điều kiện vận hành thực tế và công suất hiện tại của nó phải hỗ trợ nhu cầu thực tế của bộ truyền động trong quá trình tăng tốc và các sự kiện tải cao khác. Chỉ riêng khả năng tương thích về điện áp không chứng minh được rằng hệ thống điện là đủ.

Bộ truyền động cũng sử dụng bộ mã hóa từ tính tuyệt đối và hỗ trợ giao tiếp CAN FD. Bộ mã hóa cung cấp phản hồi vị trí, trong khi CAN FD hỗ trợ liên lạc với hệ thống điều khiển tương thích. Các kỹ sư nên xác minh cấu hình giao diện, thời gian gửi tin nhắn, yêu cầu phản hồi, xử lý lỗi và khả năng tương thích của bộ điều khiển trong quá trình tích hợp.

Những bước kiểm tra này giúp đảm bảo rằng bộ truyền động đã chọn có thể được tích hợp vào kiến ​​trúc robot dự định mà không coi thông số kỹ thuật cơ học của nó là sự đảm bảo hiệu suất cấp hệ thống hoàn chỉnh.

Xác thực lựa chọn thông qua thử nghiệm đại diện

Các phép tính phân tích cung cấp điểm khởi đầu, nhưng robot hình người đang hoạt động sẽ đưa ra các biến số trong thế giới thực mà một mô hình đơn giản hóa có thể không nắm bắt được đầy đủ.

Trước khi đưa ra thiết kế cuối cùng, các kỹ sư nên kiểm tra bộ truyền động trong một cụm khớp nối đại diện. Thử nghiệm phải phản ánh hình dạng cánh tay dự định, phạm vi tải trọng, tốc độ di chuyển, khả năng tăng tốc và chu kỳ vận hành.

Một số phép đo có thể giúp xác nhận lựa chọn:

• Mô-men xoắn đầu ra: Xác nhận rằng mối nối có thể đáp ứng các điều kiện tải yêu cầu mà không vượt quá giới hạn vận hành áp dụng.

• Hành vi nhiệt độ: Theo dõi nhiệt độ trong các chu kỳ đại diện để xác định các hạn chế nhiệt tiềm ẩn.

• Kiểm soát vị trí: Đánh giá khả năng lặp lại định vị và phản hồi trong các chuyển động có tải.

• Phản ứng động: Kiểm tra hành vi tăng tốc, giảm tốc, lùi và dừng.

• Độ ổn định của giao tiếp: Xác minh rằng việc trao đổi lệnh và phản hồi vẫn đáng tin cậy trong các điều kiện kiểm soát dự định.

• Độ ổn định cơ học: Kiểm tra độ cứng lắp, độ rung và chuyển động không mong muốn khi chịu tải.

Việc thử nghiệm phải bao gồm các điều kiện vận hành dự kiến ​​đòi hỏi khắt khe nhất chứ không chỉ các chuyển động không tải ngắn hạn. Nếu khuỷu tay phải chịu tải trong thời gian dài, hoạt động liên tục phải được đưa vào kế hoạch xác nhận.

Sau đó, kết quả có thể hướng dẫn các điều chỉnh về giới hạn tải trọng, cấu hình chuyển động, tỷ số truyền, bố trí cơ học hoặc cấu hình bộ truyền động trước khi thiết kế tiến tới tích hợp rộng hơn.

Làm việc với giải pháp Micro-Drive tích hợp

Việc lựa chọn bộ truyền động cho khuỷu tay hình người liên quan đến hiệu suất của động cơ, cơ chế giảm tốc, phản hồi vị trí, thiết kế kết cấu và cân nhắc trong quá trình sản xuất. Việc đánh giá các yếu tố này cùng nhau có thể giúp xác định sớm các vấn đề tích hợp trong quá trình phát triển dễ dàng hơn.

Được thành lập vào năm 2024 và có trụ sở chính tại Tô Châu, Trung Quốc, VAXOR phát triển các bộ truyền động khớp vi mô và động cơ không lõi siêu vi cho robot, dụng cụ chính xác, thiết bị y tế và thiết bị thông minh. Phương pháp công nghệ của nó kết hợp thiết kế động cơ hướng trục, cuộn dây PCB/FPCB, thiết kế điện từ được tối ưu hóa và cơ chế giảm thiểu thu nhỏ.

Đội ngũ đa ngành của công ty làm việc trong các lĩnh vực thiết kế động cơ, sản xuất chính xác, điều khiển robot và kỹ thuật kết cấu, với kinh nghiệm trải rộng từ việc xác nhận nguyên mẫu, sản xuất thử nghiệm và giao hàng theo lô. Trọng tâm kỹ thuật này phù hợp với các nhóm phát triển cần đánh giá giải pháp truyền động vi mô không chỉ dựa trên mục tiêu mô-men xoắn mà còn dựa trên các yêu cầu về đóng gói cơ khí, tích hợp điều khiển và sản xuất.

Đối với các nhà phát triển robot hình người, mục tiêu thực tế là thiết lập mối quan hệ rõ ràng giữa tải trọng được tính toán của khớp, khả năng vận hành đã được xác minh của bộ truyền động và cấu hình chuyển động dự định của robot.

Phần kết luận

Việc định cỡ bộ truyền động cho khuỷu tay robot hình người đòi hỏi phải đánh giá một cách có hệ thống về mômen hấp dẫn, quán tính quay, gia tốc, nhu cầu vận hành liên tục và ảnh hưởng của khối lượng bộ truyền động lên phần còn lại của cánh tay. Tỷ số truyền, phản hồi của bộ mã hóa, khả năng tương thích về điện và các yêu cầu liên lạc cũng phải phù hợp với thiết kế tổng thể.

Bộ truyền động khớp siêu nhỏ Φ30mm , model X30S-UZ/BZ30/50-MH-3, cung cấp mô-men xoắn liên tục lên tới 1500 mN·m, mô-men xoắn ban đầu lên tới 2200 mN·m, tỷ số truyền 30 và 50, bộ mã hóa từ tính tuyệt đối và giao tiếp CAN FD. Các thông số kỹ thuật này cung cấp cơ sở để đánh giá bộ truyền động trong các khớp nối robot có tải trọng từ trung bình đến cao, nhưng mức độ phù hợp cuối cùng phụ thuộc vào hiệu suất đầu ra và điều kiện vận hành cần thiết.

Bằng cách tính toán tải trước khi chọn bộ truyền động và xác nhận khớp nối hoàn chỉnh trong các điều kiện đại diện, các kỹ sư có thể đưa ra quyết định đáng tin cậy hơn về kích thước bộ truyền động và tích hợp cánh tay hình người. VAXOR cung cấp các giải pháp truyền động vi mô cho các nhóm phát triển làm việc hướng tới các hệ thống robot nhỏ gọn, được điều khiển và tích hợp cơ học.