Robotledsmotor med dubbla givare: Så minskar du glapp i en harmonisk växel och förbättrar positionsnoggrannheten

Introduktion

En robotledsmotor är inte bara en motor kombinerad med en växellåda. I en högpresterande robotled samverkar motormoment, reduktionsväxellåda, pulsgivarens återkoppling, mekanisk styvhet, styralgoritmer och utmatningsnoggrannhet för att bestämma den slutliga rörelseprestandan.

Detta blir särskilt viktigt när en harmonisk reducerare används inuti robotledsmotorn.

Harmoniska reducerare används ofta i robotkopplingar eftersom de ger ett högt reduktionsförhållande, kompakta dimensioner, hög momentdensitet och mycket lågt glapp. Emellertid missförstås ofta ett tekniskt påstående på marknaden: en harmonisk reducerare har inte bokstavligen noll glapp.

Många tillverkare beskriver harmoniska reducerare som att de har "noll glapp" i marknadsföringssyfte. Ur ett tekniskt perspektiv är det mer korrekt att beskriva dem som att de har extremt låg glapp eller att ett glapp som närmar sig noll under specificerade driftsförhållanden.

Även när det mekaniska glappet är extremt litet kan den faktiska utgångspositionen för en robotled fortfarande påverkas av transmissionsfel, elastisk deformation, vridningseftergivlighet, lastvariationer, lagerdeformation, monteringstolerans och andra faktorer.

Det är här återkopplingsarkitekturen för robotledsmotorn blir avgörande.

En enda kodare på motorsidan talar om för regulatorn hur motorn roterar. En arkitektur med dubbla kodare lägger till en extra mätpunkt på utgångssidan, vilket gör att regulatorn kan förstå vad som faktiskt händer efter reduktionsmekanismen.

För högprecisions- och högdynamiska robotar kan denna skillnad ha en betydande inverkan på positionering, banspårning, kraftkontroll och rörelsestabilitet.

Harmonisk reducer-motreaktion är extremt låg, men den är inte bokstavligen noll

Populariteten hos harmoniska reducerare inom robotik är nära relaterad till deras förmåga att uppnå en transmissionsstruktur med mycket lågt glapp i ett kompakt paket.

Till skillnad från konventionella reducerväxlar använder harmonisk transmission en flexibel spline, en cirkulär spline och en våggenerator för att uppnå höga reduktionsförhållanden genom kontrollerad elastisk deformation.

Denna arkitektur gör det möjligt för tillverkare att minimera mekaniskt spelrum mellan de ingripande komponenterna.

Som ett resultat kan harmoniska reducerare uppnå extremt små glappnivåer jämfört med många konventionella reduceringsmekanismer.

Extremt lågt glapp bör dock inte automatiskt beskrivas som absolut nollglapp.

I verkliga mekaniska system kan flera faktorer bidra till avvikelser i utgångsläget. Dessa kan inkludera tillverkningstoleranser, monteringsförhållanden, förspänning, slitage, temperatur, lastriktning, elastisk deformation och förändringar i driftsförhållanden.

Därför bör ingenjörer som utvärderar en robotledmotor skilja mellan tre olika koncept:

Bakslag, som hänvisar till mekaniskt spel eller förlorad rörelse i samband med omvänd rörelse.

Sändningsfel, som beskriver skillnaden mellan teoretiskt och faktiskt överföringsbeteende.

Elastisk deformation, som uppstår när transmissionen och den mekaniska strukturen deformeras under vridmoment och extern belastning.

Dessa effekter är relaterade, men de är inte identiska.

Denna skillnad är särskilt viktig när en robot måste upprätthålla hög positioneringsnoggrannhet samtidigt som den bär en föränderlig last.

Varför lågt glapp inte automatiskt betyder hög noggrannhet i utdata?

Det är frestande att anta att en harmonisk reducerare med extremt lågt glapp automatiskt kommer att producera en lika noggrann robotförbindning.

I praktiken är den mekaniska transmissionen bara en del av den kompletta rörelsekedjan.

Betrakta en robotledsmotor bestående av en motor, en harmonisk reducerare och en motorsidig kodare.

Kodaren mäter motoraxelns rotationsläge. Styrenheten kan därför avgöra om motorn har nått det inställda läget.

Men motoraxeln är inte robotledens slutliga utgång.

Mellan motorn och robotlänken finns den harmoniska transmissionen, lagren, huset, utgångsflänsen och den mekaniska strukturen. Under varierande belastningar kan varje komponent bidra till den slutliga utgångspositionen.

Till exempel, när roboten accelererar snabbt, stannar plötsligt, ändrar riktning eller applicerar en yttre kraft, förändras vridmomentet som överförs genom leden avsevärt.

Motorsidans kodare kan indikera att motorn har nått det kommenderade läget, medan utgångsflänsen kan uppleva en liten men mätbar skillnad orsakad av transmissionen och den mekaniska strukturen.

Det är därför motorpositionsåterkoppling och utgångspositionsåterkoppling inte nödvändigtvis är samma sak.

För krävande robotapplikationer behöver ingenjörer i allt högre grad beakta hela återkopplingskedjan snarare än att enbart fokusera på motorkodarens upplösning.

Vad en enskild kodare kan och inte kan berätta?

En konventionell robotledmotor kan använda en kodare på motorsidan.

Denna konfiguration har flera fördelar. Den är relativt enkel, kompakt, kostnadseffektiv och tillräcklig för många tillämpningar.

Motorsidans pulsgivare förser regulatorn med viktig information om motorposition och hastighet. Den kan stödja kommutering, hastighetsreglering, positionsreglering och andra servofunktioner.

Den mäter dock inte direkt den faktiska vinkelpositionen för den utgående axeln.

Denna skillnad blir viktigare ju mer reduktionsförhållandet ökar.

Styrenheten kan beräkna det teoretiska utgångsläget från motorläget och utväxlingsförhållandet, men det beräknade läget baseras fortfarande på antagandet att transmissionen beter sig exakt som förväntat.

Under verkliga driftsförhållanden kan växellådan uppleva elastisk deformation eller andra positionsavvikelser.

För robotar som endast kräver måttlig precision kanske detta inte utgör en betydande begränsning.

För högprecisionsrobotarmar, humanoida robotar, medicinska robotar, kraftstyrda manipulatorer och andra system som kräver mycket responsiv rörelse blir dock skillnaden mellan beräknad utgångsposition och faktisk utgångsposition mycket viktigare.

Hur förändrar dubbla kodare återkopplingsarkitekturen?

En robotledmotor med dubbel kodare placerar en kodare på motorsidan och en annan på utgångssidan.

De två kodarna observerar olika delar av rörelsekedjan.

Motorsidans pulsgivare ger främst information om motorns position och hastighet.

Utgångskodaren mäter direkt positionen för ledutgången.

Styrenheten kan sedan jämföra de två återkopplingssignalerna för att förstå hur överföringen beter sig.

Detta betyder inte att den andra kodaren magiskt tar bort mekaniskt glapp.

Istället ger den något som en enda kodare inte kan ge: direkt information om den faktiska utgångspositionen.

Denna ytterligare återkoppling kan hjälpa styrsystemet att identifiera och kompensera för positionsskillnader orsakade av transmissionsegenskaper och lastberoende deformation.

För en robotledsmotor skapar detta en mer komplett sluten styrarkitektur.

Dubbla kodare hjälper till att separera motorrörelse från faktisk ledrörelse

Den största fördelen med dubbla kodare är inte bara "högre upplösning".

Det är mer fullständig feedback.

Med endast en motorsidig kodare vet styrenheten huvudsakligen:

Hur mycket motorn har roterat.

Med en utgångskodare kan styrenheten också bestämma:

Hur mycket robotledens utgång faktiskt har roterat.

Denna skillnad blir värdefull när roboten utsätts för dynamiska belastningar.

Under acceleration, retardation, riktningsomkastning eller extern kontakt kan transmissionssystemet bete sig annorlunda än en ideal stel mekanisk modell.

Skillnaden mellan mätningar på motorsidan och utgångssidan ger användbar information om detta beteende.

För högpresterande robotledsmotorer kan denna ytterligare information stödja mer exakt positionskontroll och bättre kompensationsstrategier.

Det kan också förbättra systemets förmåga att bibehålla banans noggrannhet när ledbelastningen ändras.

Varför är detta viktigare för högdynamiska robotar?

Kravet på återkoppling på utgångssidan blir allt viktigare i takt med att robotrörelser blir snabbare och mer dynamiska.

En långsamt rörlig robot som utför relativt enkla rörelser kan tolerera små avvikelser i överföringen.

En höghastighetsrobot som utför kontinuerlig banspårning har mycket mindre tolerans.

Detsamma gäller för robotar som ofta ändrar riktning eller interagerar med sin omgivning.

Humanoida robotar är ett särskilt bra exempel.

Människoliknande robotar ändrar kontinuerligt ledbelastningar medan de går, balanserar, sträcker sig, manipulerar föremål och interagerar med omgivningen.

Knä, fotled, höft, axel, armbåge och handled fungerar inte under konstant belastning.

Ledmotorn måste kunna hantera ständigt förändrade vridmoment- och positionskrav.

I sådana system kan det hända att enbart förlita sig på motorsidans återkoppling inte ger tillräcklig information om det faktiska utgångstillståndet.

En arkitektur med två pulsgivare ger regulatorn ytterligare en mätpunkt närmare den faktiska mekaniska utsignalen.

Dubbla kodare är särskilt värdefulla när precision och belastning ändras samtidigt

Positionsnoggrannheten blir mer utmanande när roboten måste bibehålla precisionen under varierande belastningar.

Tänk dig en robotarm som rör sig från ett obelastat tillstånd till att hålla en tung komponent.

Det kommenderade ledens position kan förbli oförändrad, men vridmomentet som appliceras på transmissionen ändras avsevärt.

Det mekaniska systemet reagerar på detta vridmoment.

Även om den harmoniska reduceraren har extremt lågt glapp, är transmissions- och strukturkomponenterna inte oändligt styva.

Liten elastisk deformation kan därför påverka den faktiska utgångspositionen.

En ensam pulsgivare på motorsidan kan inte direkt observera denna avvikelse på utgångssidan.

Ett system med dubbel kodare kan.

Detta gör dubbel återkoppling särskilt värdefull för tillämpningar som precisionsmontering, robotpolering, medicinsk manipulation, avancerade forskningsrobotar och högpresterande kollaborativa robotar.

Varför är kodarens upplösning inte densamma som robotledens noggrannhet?

En annan vanlig missuppfattning när det gäller val av robotkopplingsmotor är att ett högre antal kodningsbitar automatiskt ger en mer exakt robotkoppling.

Det gör det inte.

Kodarens upplösning beskriver hur fint kodaren kan dela upp rotationspositionen.

Systemets faktiska noggrannhet beror på en mycket större kombination av faktorer.

Dessa inkluderar pulsgivarens noggrannhet, installationstolerans, excentricitet, temperaturvariation, mekaniskt transmissionsfel, strukturell styvhet, kalibrering, styralgoritmer och belastningsförhållanden.

Till exempel eliminerar inte ökning av kodarens upplösning på motorsidan nödvändigtvis deformation på utgångssidan.

Det är därför som det inte säkert ger den förväntade förbättringen av robotens faktiska noggrannhet att bara ersätta en 17-bitars kodare med en kodare med högre upplösning.

För krävande applikationer bör ingenjörer utvärdera hela återkopplingsarkitekturen snarare än att enbart fokusera på kodarupplösning.

Absoluta kodare och dubbla kodare löser olika problem

Absolutkodare och dubbla kodare diskuteras ibland som om de vore konkurrerande teknologier.

De löser faktiskt olika problem.

En absolutgivare bestämmer axelns absoluta vinkelposition.

En arkitektur med två kodare bestämmer positionen för två olika punkter inom den mekaniska transmissionen.

En robotledsmotor kan därför använda absoluta kodare och dubbel återkoppling samtidigt.

Till exempel kan en absolut pulsgivare på motorsidan ge korrekt information om motorposition efter påslag, medan en pulsgivare på utgångssidan ger direkt återkoppling från robotledens utgång.

Denna kombination kan minska behovet av mekanisk målsökning samtidigt som den förbättrar fullständigheten hos positionsåterkopplingssystemet.

För humanoida och kollaborativa robotar, där frekvent mekanisk målsökning kan vara obekvämt eller oönskat, kan denna arkitektur vara särskilt användbar.

När ska en robotledmotor använda dubbla kodare?

Inte alla robotleder kräver dubbla kodare.

Beslutet bör baseras på robotens faktiska prestandakrav.

Om applikationen har relativt låg hastighet, låg belastning och tolererar måttliga positioneringsfel, kan en enda pulsgivare på motorsidan ge en lämplig balans mellan prestanda, komplexitet och kostnad.

Dubbla kodare blir dock alltmer attraktiva när roboten kräver hög positioneringsnoggrannhet under dynamiska belastningar.

De är särskilt relevanta när leden måste stödja exakt banspårning, frekventa riktningsförändringar, variabla belastningar, kraftinteraktion eller avancerad sluten styrning.

Den viktiga frågan är därför inte:

"Behöver alla robotar dubbla kodare?"

Den bättre frågan är:

"Behöver den här roboten direkt feedback från den faktiska ledutgången?"

Om svaret är ja, förtjänar en robotledsmotor med dubbel kodare att övervägas noga.

Rollen av integrerade robotledmotorer

Kodararkitekturen är bara en del av en modern robotkoppling.

Traditionella robotkonstruktioner kombinerar ofta en servomotor, separat harmonisk reducerare, extern kodare, extern drivenhet, broms och flera kablar.

Denna metod ger flexibilitet, men den kan också öka storleken, vikten, ledningskomplexiteten och integrationsarbetsbelastningen för hela kopplingen.

En integrerad robotledmotor kombinerar flera av dessa komponenter i en enda kompakt modul.

Beroende på arkitekturen kan modulen integrera motor, harmonisk reducerare, pulsgivarsystem, drivenhet, broms, momentsensor och kommunikationsgränssnitt.

Detta förändrar den tekniska uppgiften från att designa varje fogkomponent separat till att välja en lämplig integrerad fogarkitektur för roboten.

För robottillverkare som utvecklar specialiserade robotarmar, humanoida robotar, kollaborativa robotar, medicinsk utrustning och precisionsautomationssystem kan detta avsevärt förenkla mekanisk och elektrisk integration.

Hur närmar sig HONPINE designen av dubbelkodare för robotledmotorer?

HONPINE utvecklar integrerade robotledmoduler för applikationer där motorprestanda, transmission, återkoppling, mekanisk integration och styrning behöver fungera som ett system.

Istället för att behandla den harmoniska reduceraren som en isolerad transmissionskomponent integrerar HONPINE reduceraren med motor, kodare, drivning och andra funktionella element enligt kraven från olika robotarkitekturer.

TCHL-serien fokuserar på mycket kompakta robotkopplingar där vikt, installationsutrymme, återkoppling och momentavkänning är särskilt viktiga. Dess integrerade momentsensor och flexibla anslutningsarkitektur gör den lämplig för applikationer som kräver kompakta kraftmedvetna kopplingar.

HAG-serien erbjuder ett bredare utbud av moment- och konfigurationsalternativ, med högupplösta absoluta pulsgivare, dubbel pulsgivare som tillval, momentavkänning, bromsning och industriell kommunikation. Detta gör den lämplig för applikationer som sträcker sig från kollaborativa robotar och humanoida leder till industriella robotarmar och precisionsautomation.

HPJM-PRO-serien är konstruerad för högpresterande robot- och automationsapplikationer som kräver hög momenttäthet, integrerad drivelektronik, exakt återkoppling och kompakt mekanisk integration.

Den viktiga poängen är att dessa plattformar inte är avsedda att tvinga alla robotar in i samma gemensamma arkitektur.

Olika robotsystem har olika krav på vridmoment, hastighet, vikt, noggrannhet, avkänning, bromsning, kommunikation och installation.

Lämplig ledmotorarkitektur bör därför väljas i enlighet med robotens faktiska mekaniska krav och styrkrav.

Från lågt glapp till fullständig återkoppling

Utvecklingen av robotfogteknik går bortom den enkla frågan om huruvida en reducerare har lågt glapp.

För nästa generations robotsystem måste ingenjörer beakta hela rörelsekedjan.

En harmonisk reducerare kan ge extremt lågt glapp och höga reduktionsförhållanden.

En högupplöst kodare kan ge exakt vinkelmätning.

En kraftfull motor kan generera högt vridmoment och dynamisk acceleration.

Men dessa komponenter når bara sin fulla potential när den mekaniska transmissionen, återkopplingssystemet, styrarkitekturen och den strukturella designen är korrekt matchade.

Det är därför robotledsmotorer med dubbla kodare blir en viktig lösning för applikationer där den faktiska utgångspositionen är lika viktig som motorpositionen.

Målet är inte att påstå att en dubbelkodare "eliminerar" glapp i harmonisk reducering.

Målet är att mäta den faktiska ledutgången mer exakt och ge regulatorn den information som krävs för att kompensera för transmissionsrelaterade fel och lastberoende deformation.

Det är en mycket mer meningsfull teknisk fördel.

Att välja rätt motorarkitektur för robotled

När man väljer en robotledmotor bör ingenjörer utvärdera mer än nominellt vridmoment och utväxlingsförhållande.

Återkopplingsarkitekturen bör beaktas samtidigt som den mekaniska transmissionen.

För applikationer som kräver kompakta dimensioner och låg vikt kan en integrerad ledmotor minska utrymmet som upptas av separata motor-, reducer-, driv- och ledningskomponenter.

För applikationer som kräver hög positioneringsnoggrannhet kan återkoppling på utgångssidan vara viktigare än att bara öka motorpulsgivarens upplösning.

För tillämpningar som involverar fysisk kontakt, kraftstyrd montering, polering eller interaktion mellan människa och robot kan integrerad momentavkänning ge ytterligare ett viktigt lager av återkoppling.

För vertikala leder kan en integrerad broms förbättra säkerheten vid effektbortfall.

För distribuerade robotarkitekturer kan integrerade EtherCAT-, CANopen- eller andra kommunikationsgränssnitt förenkla integration på systemnivå.

Den bästa robotledsmotorn är därför inte nödvändigtvis den med högst specifikation i en kategori.

Det är den vars mekaniska transmission, återkopplingsarkitektur, avkänningskapacitet, drivsystem och fysiska dimensioner matchar robotens faktiska krav.

Slutsats

Harmoniska reducerare är fortfarande en av de viktigaste transmissionsteknikerna för högpresterande robotkopplingar eftersom de kombinerar kompakta dimensioner, höga reduktionsförhållanden, hög momenttäthet och extremt lågt glapp.

Extremt låg motreaktion bör dock inte förväxlas med bokstavligen noll motreaktion.

Ännu viktigare är att lågt mekaniskt glapp ensamt inte garanterar perfekt utgångspositionering under dynamiska belastningar.

I takt med att robotar blir snabbare, lättare, mer följsamma och mer interaktiva blir sambandet mellan motorposition och faktisk ledutgång allt viktigare.

En enda pulsgivare mäter motorsidan.

En arkitektur med två kodare ger direkt feedback från utgångssidan.

Denna ytterligare information gör det möjligt för styrsystemet att bättre förstå transmissionens beteende och kompensera för positionsavvikelser orsakade av mekaniska egenskaper och förändrade belastningar.

Av denna anledning är robotledmotorer med dubbla kodare särskilt värdefulla i högprecisions- och högdynamiska robotapplikationer.

HONPINE erbjuder flera integrerade plattformar för robotledmotorer, inklusive TCHL, HAG och HPJM-PRO, vilket gör det möjligt för robottillverkare att välja olika kombinationer av motorprestanda, harmonisk transmission, pulsgivaråterkoppling, momentavkänning, drivintegration, bromsning och kommunikation enligt deras applikationskrav.

Framtiden för robotledsdesign handlar inte bara om att uppnå "noll glapp" på ett specifikationsblad.

Det handlar om att bygga ett mätbart, kontrollerbart och integrerat rörelsesystem som levererar den erforderliga prestandan under verkliga driftsförhållanden.