DD-motor kontra harmonisk växel för leder i kollaborativa robotar: Vilken är bäst?

Introduktion

Samarbetande robotar är utformade för att arbeta i miljöer där människor och robotar delar samma arbetsyta. Detta skapar andra krav på robotledsdesign jämfört med konventionella industrirobotar.

En samarbetande robotled måste ge tillräckligt vridmoment och positioneringsnoggrannhet samtidigt som den bibehåller kompakta dimensioner, låg vikt, jämn rörelse, responsiv kontroll och lämplig kraftinteraktion.

Detta gör valet av robotledsöverföring särskilt viktigt.

Två tekniker som kan övervägas för kollaborativa robotfogar är DD-motorn (direktdriven motor) och den harmoniska reduceraren . En DD-motor driver fogen direkt utan ett mekaniskt reduktionssteg, medan en harmonisk reducerare kombinerar en höghastighetsservomotor med en precisionstransmission med hög utväxling.

Ingen av teknikerna är universellt bättre. Den mer praktiska frågan är vilken lösning som ger rätt balans mellan momenttäthet, bakåtkörbarhet, dynamisk respons, ledstorlek, styvhet, termisk prestanda och kontrollkrav för en viss kollaborativ robot.

Den här artikeln jämför DD-motorer och harmoniska reducerare för samarbetande robotkopplingar och förklarar när varje teknik kan vara ett bättre val.

Vad behöver en samarbetande robotled?

Innan man jämför DD-motorer och harmoniska reducerare är det viktigt att förstå kraven för en samarbetande robotkoppling.

Till skillnad från en enkel roterande mekanism måste en robotled upprepade gånger accelerera, retardera, vända riktning och bibehålla en exakt position samtidigt som den bär en rörlig länk och nyttolast.

Fogen behöver därför hantera flera krav samtidigt.

Momenttätheten är viktig eftersom ställdonet behöver generera tillräckligt med vridmoment utan att göra robotarmen alltför tung.

Lågt glapp är värdefullt för att bibehålla positioneringsnoggrannhet och förutsägbar rörelse.

Bakåtkörbarhet blir viktig när roboten behöver reagera naturligt på yttre krafter.

Dynamisk respons påverkar hur snabbt roboten kan accelerera, retardera och reagera på förändringar i rörelse.

Styvhet påverkar robotens förmåga att bibehålla sin kommenderade position under belastning.

Termisk prestanda är också viktig eftersom samarbetande robotar ofta arbetar under långa perioder i kompakta ledhus.

Dessa krav kan leda till olika överföringsval beroende på robotarkitekturen.

Hur fungerar en harmonisk reducerare i en kollaborativ robotled?

En harmonisk reducerare kombineras normalt med en servomotor för att bilda en högpresterande robotledsdrift.

Motorn arbetar med relativt hög hastighet, medan den harmoniska transmissionen ger ett högt utväxlingsförhållande och omvandlar motorns uteffekt till den rörelse med lägre hastighet och högre vridmoment som krävs av robotleden.

Den kompakta transmissionsstrukturen gör att en relativt liten motor kan generera ett mycket högre utgående vridmoment vid leden.

Detta är en av de främsta anledningarna till att harmoniska reducerare övervägs i stor utsträckning för robotfogar.

En harmonisk reducerare kan också ge mycket lågt glapp, vilket är värdefullt för applikationer som kräver exakt positionering och koordinerad fleraxlig rörelse.

För kollaborativa robotar kan denna kombination av högt utväxlingsförhållande, kompakt storlek, lågt glapp och hög momenttäthet vara särskilt användbar för axel-, armbågs- och andra lastbärande leder.

En harmonisk reducerare är dock fortfarande en mekanisk transmission.

Dess dynamiska beteende, effektivitet, vridningsegenskaper och bakåtkörningsförmåga beror på den specifika reducerarens konstruktion, utväxlingsförhållande, belastning och driftsförhållanden.

Därför bör ingenjörer utvärdera hela förbandet snarare än att anta att varje harmonisk reducerare ger samma prestanda.

Hur fungerar en DD-motor i en kollaborativ robotled?

En DD-motor har ett annat tillvägagångssätt.

Istället för att placera en reduktionsmekanism mellan motorn och robotleden, driver motorn direkt uteffekten.

Eftersom det inte finns något konventionellt mekaniskt reduktionssteg kan systemet ha färre transmissionskomponenter.

Detta kan ge flera fördelar.

Avsaknaden av ett mekaniskt reduktionssteg eliminerar glapp i samband med transmissionen och kan skapa ett direkt samband mellan motormoment och ledrörelse.

DD-motorer kan också ge utmärkt dynamisk respons.

När leden behöver snabb acceleration, retardation eller frekventa riktningsförändringar kan direktdrift vara attraktiv eftersom det finns färre mekaniska transmissionselement mellan motorn och lasten.

En annan viktig egenskap är backkörbarhet.

En direktdriven led kan generellt vara enklare att backdriva än en led med hög utväxling, vilket gör DD-motorer intressanta för applikationer där kraftinteraktion och följsam rörelse är viktiga.

Begränsningen är vridmomentet.

Eftersom det inte finns någon reduktionsmekanism som multiplicerar motorns vridmoment, måste DD-motorn själv generera det erforderliga ledmomentet.

För en kollaborativ robotkoppling med högt vridmoment kan detta kräva en större motor med större aktiv diameter och större termisk kapacitet.

Harmonisk reducerare kontra DD-motor för samarbetsrobotars ledmoment

Momentdensiteten är en av de viktigaste skillnaderna mellan de två metoderna.

Med en harmonisk reducerare behöver motorn inte direkt generera det slutliga fogavmomentet. Reducermekanismen ökar utgångsmomentet samtidigt som rotationshastigheten minskas.

Detta gör det enklare att skapa en kompakt koppling med högt vridmoment.

En DD-motor måste producera det erforderliga utgångsmomentet direkt.

För leder med lågt vridmoment behöver detta inte vara en betydande begränsning.

Men allt eftersom det erforderliga ledmomentet ökar, kan motorstorleken, strömstyrkan och de termiska kraven öka avsevärt.

Av denna anledning kan harmonisk transmission vara attraktiv för samarbetande robotfogar som behöver högt vridmoment inom ett begränsat mekaniskt område.

DD-motorer blir mer intressanta när det erforderliga vridmomentet är måttligt och konstruktionen lägger större vikt vid direktdrift, hög dynamisk respons och bakåtkörning.

Vilken ger bättre bakåtkörning: DD-motor eller harmonisk reducerare?

Bakåtkörbarhet är särskilt viktig inom kollaborativ robotik.

En robot kan behöva upptäcka externa krafter, reagera på kontakt och operera säkert runt människor.

En högväxlad växellåda kan motstå yttre rörelser eftersom lasten måste driva motorn genom växellådan.

En DD-motor har inte samma reduktionsmekanism.

Lasten är direkt kopplad till motorn, vilket kan göra att leden naturligt reagerar på yttre krafter.

Detta är ett av de starkaste argumenten för DD-motorer i kraftkänsliga robotapplikationer.

Detta betyder dock inte att harmoniska robotleder inte kan stödja kraftkontroll.

En harmonisk koppling kan använda högupplöst pulsgivare, motorströmsinformation eller en integrerad momentsensor för att stödja kraft- och momentstyrning.

Den faktiska prestandan beror därför på den fullständiga fogarkitekturen.

För applikationer som kräver mycket känslig kraftinteraktion bör ingenjörer utvärdera inte bara transmissionstypen utan även pulsgivarkonfigurationen, momentavkänningen, styralgoritmen och den mekaniska friktionen.

Vilken är mer kompakt för samarbetande robotleder?

Kompakthet är ett annat område där harmoniska reducerare kan ha en fördel.

En harmonisk reducerare kan ge ett högt reduktionsförhållande i ett relativt litet paket

Detta gör att motor och transmission kan integreras i ett kompakt ledhus.

För en sexaxlig kollaborativ robot kan detta vara viktigt eftersom varje led bidrar till robotens totala storlek och vikt.

Att minska massan på de uppströms belägna lederna kan också minska det vridmoment som krävs från lederna längre ner i robotarmen.

En DD-motor kan eliminera reduceraren, men det betyder inte nödvändigtvis att hela fogen blir mindre.

Motorn behöver producera det erforderliga vridmomentet direkt, så en DD-motor med högt vridmoment kan kräva en relativt stor diameter.

Därför resulterar borttagning av reduceraren inte automatiskt i en mindre robotfog.

Den korrekta jämförelsen bör baseras på hela ställdonshöljet, inklusive motor, lager, hölje, pulsgivare och kylstruktur.

Harmonisk reducerare kontra DD-motor för robotfognoggrannhet

Båda teknikerna kan stödja högprecisionsrobotfogar, men de uppnår det på olika sätt.

Harmoniska reducerare är attraktiva eftersom de kan ge extremt lågt glapp och ett högt reduktionsförhållande.

Detta gör dem lämpliga för tillämpningar där exakt vinkelpositionering är viktig.

DD-motorer eliminerar mekanisk reduktionsglapp helt och hållet.

Avsaknaden av glapp i växellådan garanterar dock inte högre systemnoggrannhet.

Den slutliga robotfogens noggrannhet påverkas också av:

• Kodarens upplösning

• Lagernoggrannhet

• Motorstyrning

• Strukturell deformation

• Termisk expansion

• Mekanisk styvhet

För en kollaborativ robot måste dessa faktorer utvärderas tillsammans.

En DD-motor med utmärkt kodareåterkoppling men otillräcklig strukturell styvhet kanske inte överträffar en välkonstruerad harmonisk koppling.

På samma sätt kan en harmonisk reducerare med lågt glapp inte kompensera för dålig pulsgivareåterkoppling eller överdriven strukturell deformation.

Vilken är bättre för snabb samarbetsrobotrörelse?

DD-motorer har en naturlig fördel när höghastighets kontinuerlig rotationsrörelse och snabb dynamisk respons är viktiga.

Eftersom motorn driver lasten direkt finns det inget reduktionssteg som behöver överföra rörelsen.

Detta kan vara värdefullt i applikationer som kräver frekvent acceleration och retardation.

Harmoniska reducerare kan också stödja snabb robotrörelse, men den maximala utgångshastigheten begränsas av transmissionen och valt utväxlingsförhållande.

För samarbetande robotleder som behöver hög utgångshastighet men relativt lågt vridmoment kan DD-motorer därför vara ett attraktivt alternativ.

För leder som kräver högt vridmoment vid relativt låg utgångshastighet kan harmonisk transmission vara en mer praktisk lösning.

Harmonisk reducerare kontra DD-motor för samarbetsinriktad robotkraftkontroll

Kraftkontroll blir allt viktigare inom kollaborativ robotik.

Tillämpningar som montering, polering, insättning, inspektion och interaktion mellan människa och robot kräver att roboten reagerar på kontaktkrafter snarare än att bara följa en fördefinierad positionsbana.

DD-motorer är naturligtvis attraktiva för dessa applikationer eftersom motorn är direkt ansluten till utgången.

Det mekaniska sambandet mellan motormoment och ledmoment är relativt direkt.

Emellertid kan en harmonisk koppling även utformas för kraftstyrda tillämpningar.

Till exempel kan en integrerad robotled använda en utgångskodare eller momentsensor för att få mer direkt information om ledrörelse eller vridmoment.

Detta kan avsevärt förbättra styrsystemets förmåga att skilja mellan rörelse på motorsidan och faktisk utgångsrörelse.

För högpresterande kollaborativa robotleder bör frågan därför inte bara vara:

DD-motor eller harmonisk reducerare?

En bättre fråga är:

Hur noggrant kan hela leden mäta och styra utgångsmomentet?

Harmoniska kopplingsmoduler kan integrera mer än reduceraren

En modern robotledmodul är inte bara en harmonisk reducerare.

En komplett gemensam modul kan integrera:

• Servomotor

• Harmonisk reducerare

• Kodare

• Förare

• Broms

• Momentsensor

• Hus

• Lager

Denna integrationsnivå kan minska det tekniska arbete som krävs för att bygga en robotkoppling.

För tillverkare av kollaborativa robotar kan en integrerad harmonisk kopplingsmodul också ge ett mer standardiserat mekaniskt och elektriskt gränssnitt.

Detta kan vara användbart vid utveckling av flera robotmodeller med olika nyttolastkapacitet.

Den största fördelen är inte bara själva harmoniska reduceraren, utan möjligheten att integrera transmissions-, motor-, sensor- och styrkomponenter i ett kompakt ställdon.

När ska man välja en harmonisk reducerare för en kollaborativ robot?

En harmonisk reducerare är värd att överväga när den kollaborativa robotleden kräver en kombination av högt vridmoment, kompakta dimensioner och lågt glapp.

Den kan vara särskilt lämplig för leder där ställdonet behöver bära betydande belastning samtidigt som det förblir relativt lätt.

Typiska tillämpningar kan inkludera:

• Samarbetande robotarmar

• Sexaxliga kollaborativa robotar

• Humanoida robotleder

• Mobila manipulatorer

• Precisionsrobotarmar

För dessa tillämpningar kan den harmoniska transmissionen ge en praktisk balans mellan momenttäthet, precision och paketstorlek.

Reduceraren bör dock väljas utifrån faktiskt vridmoment, hastighet, lasttröghet, arbetscykel och termiska förhållanden snarare än att helt enkelt välja det högsta tillgängliga reduktionsförhållandet.

När ska man välja en DD-motor för en kollaborativ robot?

En DD-motor kan vara mer lämplig när direktdrift och hög dynamisk respons är de primära konstruktionskraven.

Typiska överväganden inkluderar:

• Hög bakåtkörbarhet

• Snabb acceleration och retardation

• Kontinuerlig rotation

• Direkt momentreglering

• Låg mekanisk transmissionskomplexitet

DD-motorer kan vara särskilt attraktiva för utvalda handledsleder, kraftkänsliga mekanismer och specialiserade samarbetande robotarkitekturer.

De kan vara mindre attraktiva när fogen kräver mycket högt vridmoment i ett extremt kompakt hölje.

I dessa fall kan den extra motorstorlek som krävs för att generera vridmomentet direkt bli en betydande konstruktionsbegränsning.

DD-motor vs. harmonisk reducerare: Vilken är bättre för olika robotleder?

Den bästa tekniken kan också variera mellan olika axlar på samma robot.

En axel- eller basled behöver generellt högt vridmoment eftersom den stöder en stor del av robotens struktur och nyttolast.

En harmonisk kopplingsmodul kan därför vara attraktiv för dessa positioner.

En armbågsled behöver också betydande vridmoment och kompakthet, vilket gör harmonisk transmission till ett praktiskt alternativ i många utföranden.

Handledsleder har ofta olika krav.

Lägre vikt, hög hastighet och dynamisk respons kan bli viktigare, så en DD-motor kan vara värd att utvärdera beroende på robotarkitekturen.

Det här innebär att en robottillverkare inte nödvändigtvis behöver använda exakt samma ställdonsarkitektur för varje led.

Olika ledpositioner kan ha olika krav på vridmoment, hastighet, tröghet och kraftkontroll.

Hur man väljer mellan en DD-motor och en harmonisk reducerare för en cobot

Urvalet kan förenklas genom att utvärdera de faktiska designprioriteringarna.

Om förbandet kräver hög momenttäthet, kompakta dimensioner, högt reduktionsförhållande och mycket lågt glapp är en harmonisk reducerare ofta en stark kandidat.

Om leden prioriterar direktdrift, bakåtkörning, hög dynamisk respons och låg mekanisk transmissionskomplexitet, kan en DD-motor vara mer attraktiv.

Om applikationen kräver mycket responsiv kraftkontroll bör båda teknikerna utvärderas tillsammans med sensorarkitekturen.

En momentsensor, dubbel kodningskonfiguration och lämplig servostyrning kan ha en betydande inverkan på robotledens slutliga prestanda.

Slutsats: DD-motor eller harmonisk reducerare för kollaborativa robotar?

Det finns ingen universell vinnare mellan en DD-motor och en harmonisk reducerare.

En harmonisk reducerare är generellt mer attraktiv när en samarbetande robotkoppling kräver hög momenttäthet, kompakta dimensioner, lågt glapp och ett högt reduktionsförhållande.

En DD-motor blir mer attraktiv när direktdrift, bakåtkörning, hög dynamisk respons och kontinuerlig rotationsrörelse är de primära kraven.

För många kompakta samarbetande robotarmar erbjuder harmoniska ledmoduler en praktisk kombination av vridmoment, precision och integration. För specialiserade leder som betonar direkt kraftinteraktion och dynamisk respons kan DD-motorer ge viktiga fördelar.

Den viktigaste punkten är att utvärdera hela robotleden, inte bara motorn eller reducerväxeln.

Motormoment, utväxling, pulsgivarens återkoppling, bärförmåga, strukturell styvhet, termisk prestanda, kraftavkänning och styrarkitektur bidrar alla till slutprestandan.

För robottillverkare som utvecklar kollaborativa robotar kan den rätta lösningen därför vara en harmonisk ledmodul för axlar med högt vridmoment och en direktdriven arkitektur för utvalda höghastighets- eller kraftkänsliga leder, beroende på robotens mekaniska och styrande krav.

HONPINE tillhandahåller harmoniska reducerare, harmoniska roterande ställdon, robotledmoduler och DD-motorlösningar för olika robotrörelsekrav, vilket gör det möjligt för ingenjörer att välja lämplig transmissionsarkitektur beroende på den faktiska applikationen.