Linjära ställdon vs roterande ställdon: det grundläggande valet för humanoida robotleder

Den robotledsmodulenär den centrala hårdvaran i humanoida robotar, och delas för närvarande huvudsakligen in i två huvudkategorier: roterande och linjära. I konstruktionen av humanoida robotar innebär valet ofta avvägningar baserade på applikationsscenario och tillverkningskostnad.

Den grundläggande skillnaden mellan linjära och roterande aktuatorer

Roterande aktuator: Flera lösningar med växelreducerare uppfyller funktionskraven för humanoidkroppen

• En roterande aktuator består av en motor (ramlös vridmomentmotor), en växelreducerare (harmonic drive, planetväxelreducerare, cykloidstiftsväxelreducerare), sensorer (vridmomentsensor), en encoder och lager (korsrullager, vinkelkontaktkullager).

• Precisions-planetväxelreducerare: Lämplig för kroppsdelar med hög belastning och stark påverkan; tillverkningsprocessen är relativt mogen. När det gäller bearbetningsteknik och utrustning kan den uppgraderas till lösningar med högprecisa CNC-verktygsmaskiner.

• Cykloidstiftsväxelreducerare: Har en struktur som kombinerar ett primärt planetsteg och ett sekundärt cykloidstiftssteg, vilket möjliggör flexibel justering för att uppfylla kraven för olika kroppsdelar. Det finns en trend mot acceleration i design och iteration av nya modeller, där vissa tillverkare utvecklar riktade lättviktsprocesser.

• Harmonic Drive-reducerare: En högprecis, lättviktsreducerare som lämpar sig för positioner som humanoiders övre lemmar. Innovationer i tillverkningsprocesser omfattar användning av finskärning för kärnkomponenter i reduceraren och tillverkning av delar till mikroreducerare.

Linjär aktuator: Motor + linjära komponenter - hur tryck/drag möjliggör robotrörelse + belastning?

En linjär aktuator består av en motor (ramlös vridmomentmotor), en skruv (planetrullskruv, kulskruv) och sensorer (vridmomentsensor).

På grund av befintliga bearbetningssvårigheter använder mikroreducerare för fingerviga händer främst blyskruvar eller kulskruvar. Större aktuatorer kan använda lösningar med planetrullskruv.

Kulskruvstekniken är relativt mogen; svårigheten i bearbetningen ligger i bearbetningen av mutterns invändiga löpbana, särskilt att undvika sliphjulsinterferens i muttrar med stor stigning.

Planetrullskruvar kategoriseras i standardtyp, inverterad typ etc. Bearbetningsprocesser omfattar slipning och svarvning som ersättning för slipning.

Skillnader i applikationsscenarier för linjära och roterande aktuatorer

• Roterande aktuatorer möjliggör rotation kring en enda axel och ger roterande rörelseutgång, vilket gör att humanoida robotar kan utföra olika roterande rörelser i olika vinklar. De används vanligtvis i leder som kräver högt vridmoment, såsom axelleder, midjan och höftleder.

• Kostnadsperspektiv: Inom den roterande aktuatorn står harmonic drive, vridmomentsensor och ramlös vridmomentmotor för relativt höga kostnadsandelar, cirka 36.0%, 30.0% respektive 13.5%, vilket tillsammans utgör cirka 79.5% av den roterande aktuatorns kostnad.

• Linjära aktuatorer omvandlar motorns roterande rörelse till linjär rörelseutgång och erbjuder god stödprestanda och lastbärande kapacitet. De används främst i scenarier med höga belastningar och små rotationsvinklar, såsom knän, armbågar och anklar.

• Kostnadsperspektiv: I linjära aktuatorer står planetrullskruv, kraftsensor och ramlös vridmomentmotor för relativt höga kostnadsandelar, cirka 64.2%, 16.1% respektive 7.2%, vilket tillsammans utgör cirka 87.5% av den linjära aktuatorns kostnad.

Fördelar och nackdelar med linjära och roterande aktuatorer

Roterande aktuatorer: Produktionen och användningen av roterande aktuatorer är relativt mogen och har validerats på den globala marknaden. De är lämpliga för storvinkliga rotationsleder som axlar och höfter. De erbjuder hög transmissionseffektivitet, och deras transmissionsnoggrannhet kan uppfylla kraven för de flesta humanoida robotar. Jämfört med linjära aktuatorer har roterande aktuatorer starkare dynamiska egenskaper och en hög grad av integration.

Linjära aktuatorer: Planetrullskruven i linjära aktuatorer kan enkelt uppnå bibehållen styvhet och transmissionsfrihet från backlash genom förspända muttrar. På grund av linje/ytkontakt bibehåller planetrullskruvar god styvhet, vilket är mer fördelaktigt för övre lemmarnas finmotoriska och stabila operationer.

Linjära aktuatorer har dock svagare dynamiska egenskaper: På grund av det höga reduktionsförhållandet är utgångshastigheten relativt låg vid samma effekttäthet, och passbandet är smalt, vilket inte är gynnsamt för att uppnå rörelser med hög dynamik (jämfört med leder med planetväxelreducerare eller hydrauliska drivningar).

Dessutom är systemintegrationen relativt låg och kostnaderna höga. Ledänden kan inte uppfatta externa krafter genom strömslingemetoden; kraftstyrning måste förlita sig på en extra kraftsensor installerad vid ledänden, vilket resulterar i lägre systemintegration och högre kostnader.För närvarande medför den RVI (inverterad planetrullskruv)-konfiguration som används av Tesla betydande utmaningar inom bearbetningsteknik.

Både linjära och roterande aktuatorer har sina egna fördelar när det gäller rörelseform, strukturella egenskaper, prestandaparametrar och applikationsscenarier. För närvarande är roterande aktuatorer, särskilt roterande aktuatorer med harmonic drive, fortfarande det dominerande valet på marknaden. Att välja rätt aktuator är ett nyckelbeslut inom forskning och utveckling av humanoida robotar.