Hur väljer man harmoniska ledaktuatorer för en robotarm med 7 frihetsgrader？

Hej, jag heter Theodore Li och är teknisk chef på HONPINE. I den här artikeln förklarar jag hur man väljerharmoniska ledaktuatorerför en robotarm med sju frihetsgrader.

En robotarm med sju frihetsgrader, eller 7-DOF, har en extra frihetsgrad utöver de sex som vanligtvis krävs för att styra ett ändverktygs position och orientering i tredimensionellt utrymme. Denna extra frihetsgrad kallas kinematisk redundans.

Med lämplig mekanisk konstruktion och styralgoritmer ger denna redundans större rörelseflexibilitet, stödjer hinderundvikande och singularitetsundvikande samt möjliggör följsamma rörelser som liknar en mänsklig arms.

Dessa funktioner gör 7-DOF-robotarmar värdefulla för forskning och utveckling inom medicinsk robotik, precisionsmontering, flexibel bearbetning och arbete i krävande miljöer.

Hur bör man då välja ledmoduler för en 7-DOF-robotarm?

Hur väljer man harmoniska ledaktuatorer för en 7-DOF-robotarm?

Anpassa varje aktuator efter ledens lastkrav

Inom samma aktuatorserie ger en större byggstorlek vanligtvis högre utgående vridmoment och kan bära högre ledlaster. Aktuatorn bör dock väljas utifrån kraven för den enskilda leden, snarare än enbart efter modellnumret.

I många robotarmskonfigurationer måste leder längre från ändverktyget bära nyttolasten tillsammans med fler av armens nedströmskomponenter. Därför kräver dessa leder ofta högre utgående vridmoment.

Axelleden är ett typiskt exempel. Eftersom den bär en stor del av armen och arbetar på ett betydande avstånd från ändverktygslasten väljs ofta en större harmonisk ledaktuator för denna position.

Handledsleder kräver däremot noggrann hänsyn till handledens böjning och rotation, verktygslaster samt den sammanlagda massan hos den distala enheten. Mindre och lättare ledmoduler är ofta lämpliga när de kan uppfylla kraven på vridmoment och rörelse.

Urvalsprincipen är att beräkna lastkraven för varje led och anpassa aktuatorn därefter – inte bara att använda samma modul i hela armen.

Exempel: HONPINE TCHL harmoniska robotaktuatorer

För att illustrera detta tillvägagångssätt, överväg en 7-DOF-robotarmskonfiguration som använder harmoniska robotaktuatorer i HONPINE TCHL-serien.

I detta exempel använder axeln enTCHL 20-ledmodul, medan handleden använder en TCHL 14-ledmodul.

TCHL 14 har en kompakt och lätt konstruktion med en ihålig struktur och en kanal för kabeldragning. Dessa egenskaper gör den lämplig för handleds- och robotnackeenheter med begränsat utrymme, där minskning av den distala massan är ett viktigt konstruktionsmål.

Denna konfiguration illustrerar urvalsmetoden; den är inte en universell rekommendation för alla 7-DOF-robotarmar.

Varför kräver kirurgiska 7-DOF-robotarmar mer avancerade harmoniska ledmoduler?

En redundant konstruktion med sju frihetsgrader, i kombination med lämpliga tekniker för rörelseplanering och hinderundvikande, ger en kirurgisk robotarm större frihet att manövrera inom ett begränsat arbetsområde.

Denna flexibilitet hjälper systemet att uppfylla positionerings- och åtkomstkraven vid komplexa kirurgiska ingrepp.

Robotarmens funktioner som diskuteras här omfattar även handstyrd rörelse, motordriven drift, API-baserad fjärrstyrning samt automatisk identifiering och kompensering av nyttolast.

Att stödja dessa funktioner ställer höga krav på ledsensorik, styrrespons och systemintegration.

Vridmomentsavkänning och responsiv kraftstyrning

För den kraftstyrda kirurgiska armkonfiguration som diskuteras här är integrerade vridmomentsensorer med hög precision en viktig del av ledmodulens konstruktion.

Dessa sensorer ger återkoppling för kraftkänslig styrning och kollisionsdetektering. Prestandavärdena som beskrivs för denna tillämpning omfattar en kraftstyrningsnoggrannhet på 0.5 N och en styruppdateringsfrekvens över 1,000 Hz.

Den avsedda kapaciteten är en respons på millisekundnivå på kontaktkrafter, vilket stöder känsliga uppgifter som införing och kontrollerad skruvdragning.

Dessa värden måste kopplas till en definierad konfiguration och testmetod. De bör inte betraktas som specifikationer som delas av varje ledmodul eller varje komplett robotarm.

Vridmomentstyrning med hög bandbredd och följsam rörelse

Kraftstyrning med hög bandbredd kan sammanfattas som:

Sluten vridmomentstyrning med hög bandbredd + följsamma styralgoritmer

Målet är att göra systemets vridmoments- eller kraftrespons tillräckligt snabb och exakt för den avsedda uppgiften.

En integrerad vridmomentsensor med hög upplösning ger den återkoppling som krävs för denna styrmetod. Den fullständiga responsen beror också på hur avkänning, aktivering och styralgoritmer integreras.

Redundansbaserad rörelseplanering och hinderundvikande

Redundansbaserat hinderundvikande kan beskrivas genom tre nyckelelement:

Kinematisk redundans + nollrumsprojektion + hierarkisk optimering av uppgiftsprioritet

Den extra frihetsgraden ger armen fler möjligheter att justera sin konfiguration samtidigt som den erforderliga uppgiften för ändverktyget upprätthålls.

Rörelseplanering kan samordna flera mål med olika prioritet, till exempel:

1. Respektera ledgränser för att stödja säker drift.

2. Minimera onödig ledrörelse och ledhastighet, med energieffektivitet som ett optimeringsmål.

3. Upprätthålla en lämplig armkonfiguration och hantera närhet till singulariteter.

När tillräcklig redundant rörelse finns tillgänglig har styrenheten större frihet att hantera sekundära uppgifter som hinderundvikande. Huruvida alla mål kan uppfyllas beror fortfarande på tillgängligt arbetsområde, ledgränser och uppgiftsbegränsningar.

HONPINE HAG-seriens harmoniska ledmoduler

För krävande rörelsestyrningstillämpningar erbjuder HONPINE harmoniska ledmoduler i HAG-serien.

HAG-serien är avsedd för tillämpningar som kräver exakt rörelsestyrning och avancerad kraftavkänning. Safe Torque Off (STO) finns tillgängligt som en valfri funktion, beroende på vald modell och konfiguration.

Detta alternativ kan övervägas som en del av hela robotsystemets säkerhetskonstruktion. Det bör inte i sig tolkas som en bekräftelse på att en ledmodul eller robotarm är godkänd för en specifik medicinsk tillämpning.

Vid utvärdering av enHAG harmonisk ledmodul, bekräfta den erforderliga sensorprestandan, styrgränssnitten och tillgängliga säkerhetsfunktioner för den specifika konfigurationen.

Läs mer om harmoniska aktuatorer för 7-DOF-robotarmar

Valet av enharmonisk ledaktuatorbörjar med att förstå vad varje led behöver utföra. Axel-, armbågs- och handledsleder kan ha olika krav på vridmoment, vikt, installationsutrymme, avkänning och styrning.

Kontakta HONPINE för mer information om harmoniska rotationsaktuatorer och ledmoduler för 7-DOF-robotarmar.