Машины с роботизированной коробкой передач: 6 правил, о которых мало кто знает :: Autonews

Авто с роботизированными коробками (РКПП): отличия от традиционных КПП

Коробка-робот представляет собой механическую трансмиссию, у которой функции выключения сцепления и переключения скоростей полностью автоматизированы. Все действия выполняются по команде электронного блока управления (ЭБУ), установленного непосредственно поверх корпуса основного агрегата.

Общее устройство

Конструктивно блок состоит из 2-х основных элементов: электронный узел (сервопривод) и гидравлическая система управления. Благодаря такой конструкции процесс переключения скоростей и сцепления происходит в автоматическом режиме, без участия водителя. Принцип действия коробки аналогичен работе механики (МКПП). Однако, роботом вместо человека управляют автоматика и гидравлика.

Основные отличия РКПП от автомата

Оба варианта трансмиссии предназначены для выполнения одной главной задачи – освобождение водителя от необходимости контролировать скоростной режим и подстраиваться под него посредством включения/переключения определенной передачи.

Конструктивно данные механизмы имеют существенные отличия, что отражается на обслуживании и эксплуатации агрегатов:

• В коробке-автомате одним из основных рабочих элементов является трансмиссионное масло. РКПП также использует масло, но только для смазки деталей. Расход у робота в несколько раз меньше, а периодичность замены – реже.
• Автомобиль, оснащенный роботизированной КП, обеспечивает более высокую разгонную динамику, а в процессе эксплуатации потребляет меньше топлива. Автомат гораздо тяжелее по массе и крупнее по габаритам, и эти параметры также влияют на скорость переключения передач (очевидные преимущества у робота).
• Езда на авто с АКПП более комфортна. Скорости включаются мягче, а коробка-робот не способна гасить резкие рывки.
• С РКПП при необходимости можно перейти на ручной режим управления. Но переключать передачи придется последовательно: с 4 на 3, с 3 на 2 и т. д. (перескакивать, например, с 4 сразу на 2 уже нельзя). На автомате в принципе нет такой возможности.
• Ремонтные работы и техническое обслуживание у робота проще и дешевле.
• АКПП считается более надежной и безотказной в эксплуатации.

Преимущества и недостатки робота

Плюсы РКПП:

1. Простая конструкция.
2. Экономичное обслуживание.
3. Уменьшенный расход топлива.
4. Более высокий коэффициент полезного действия.

Минусы в работе РКПП:
При переключении передач ощущаются рывки (особенно в момент начала движения).

1. В случае длительной остановки или отката автомобиля на подъеме требуется каждый раз переводить рычаг переключения передач в нейтральное положение.
2. Роботизированная коробка может повести себя непредсказуемо при езде в сложных дорожных условиях и повышенных эксплуатационных нагрузках.
3. Замедленное (эффект «задумчивости) переключение передач.

Подведем итог

В плане экономичности робот превосходит АКПП, а вот по уровню комфорта значительно уступает. Стоимость техобслуживания и ремонта у РКПП более выгодная, при этом параметры надежности и долговечности у коробок приблизительно одинаковые. В тяжелых дорожных условиях оба агрегата могут не справиться с возросшей нагрузкой и выйти из строя.

Роботизированная коробка передач автомобиля — устройство и как работает

Роботизированная коробка передач автомобиля — разновидность полуавтоматических КПП, которая объединяет черты механической коробки и автоматической. Расскажем что такое коробка — робот, как работает и в чем преимущество перед другими типами трансмиссии.

Что это такое

Вместо третьей педали, которую нужно выжать для переключения скоростей с механической коробкой передач, в авто с роботизированной коробкой передач две педали. Роль третьей педали играет целая система сенсоров, передатчиков и исполнительных механизмов, которые при помощи бортового компьютера переключают коробку без участия водителя и сцепления. Компьютер синхронизирует работу деталей коробки, а некоторые электронные системы способны научиться распознавать стиль вождения водителя и предугадывать его действия. У роботизированной КПП ручка переключения скоростей находится там же, где и ручка механической коробки, но вместо Ж-образного переключения, ручка переключается только вперед или назад.

Как работает

Работает следующим образом. При переключении ручки передач и нажатии педали газа сенсоры передают информацию в блок управления, который в свою очередь передает сигнал в коробку передач. Сенсоры коробки передач также сообщают в блок информацию о действующей скорости и новом требовании переключения скоростей.

Блок управления синхронизирует информацию, полученную от сенсоров, и выбирает оптимальную скорость и время переключения скоростей и обеспечивает слаженность работы механизмов коробки передач. При этом принимается в расчет скорость вращения двигателя, работа кондиционера, показатели спидометра.

Бортовой компьютер роботизированной КПП управляет гидромеханикой, который смыкает или размыкает сцепление. Этот процесс происходит синхронно с действием водителя, переключающего ручку скоростей. Гидромеханический блок использует жидкость из тормозной системы для запуска гидравлического цилиндра, обеспечивающего движение актуатора.

В чём преимущество

Электроника реагирует быстрее человека и более точно, поэтому «выжать» сцепление можно без участия водителя. Для парковки автомобиля, обратного хода или нейтрального положения трансмиссии водитель должен предварительно выжать обе педали одновременно, после этого можно выбрать один из трех вариантов.

Сцепление нужно только, чтобы машина пришла в движение. Для быстрого переключения скорости на более высокую необходимо убрать ногу с педали газа, чтобы двигатель сбавил обороты для подходящей скорости. Для этого ручка передачи скоростей должна стоять на нужной позиции.

Преселективная роботизированная коробка передач DSG в автомобилях Volkswagen

Специалисты компании Volkswagen создали новую, уникальную коробку переключения скоростей DSG (Direct Shift Gearbox), которая по своим техническим характеристикам намного превосходит существующие образцы.

В настоящее время преселективные роботизированные коробки передач DSG второго поколения устанавливаются на большинство моделей Volkswagen: Golf, Passat B8,Passat СС, Tiguan, Jetta.

Использование этой коробки передач позволяет почувствовать комфорт и удобство при переключении. Данная коробка сочетает в себе все современные технологии трансмиссий различных типов. Переключение скоростей осуществляется вручную, но за весь процесс отвечает электроника и различные автоматизированные механизмы.

Отличительной особенностью работы коробки является то, что во время переключения передач не изменяется поток мощности. Плавность работы такого агрегата по достоинству оценят как любители загородной быстрой езды, так и владельцы автомобилей, передвигающиеся преимущественно в городской черте.

Особенности работы коробки-робота

Коробка передач DSG может эксплуатироваться в двух режимах — спортивном и нормальном.

Спортивный режим. Данный режим предусматривает более длительное раскручивание при переходе на повышенные скорости и быстрый переход на пониженные передачи. Такой режим является предпочтительным при скоростной езде. Имеется функция Tiptronik, которая позволяет производить управление передачами в ручном режиме.

Всем, кто любит спортивный тип езды, можно использовать переключатели-лепестки, смонтированные на руле. Такие лепестки позволяют почувствовать мощь автомобиля и от души насладиться спортивной ездой.

Нормальный режим. Такой режим является привычным для всех автомобилистов и может использоваться при передвижении по городу или для небыстрого, экономного вождения.

Устройство DSG

6-ступенчатая коробка DSG имеет два, независимых друг от друга блока трансмиссий. Благодаря такой конструкции, происходит поочередное сцепление с двигателем, в зависимости от включенной в данный момент передачи. Для управления используется двойное сцепление, которое состоит из пары муфт, которые установлены в едином корпусе.

Одно сцепление отвечает за работу 1, 3, 5 передачи, второе за 2, 4, 6 передачу. Каждый блок оснащен отдельным приводным валом, передающий вращающее действие на колеса. Передача осуществляется с помощью дифференциала.

КПД роботизированных коробок передач

Применение схемы двойного сцепления в коробках DSG, при сравнении с АКП, имеющей гидротрансформатор, позволяет в значительной мере увеличить КПД. Интеллектуальная система коробки в сочетании с небольшой массой, позволяет значительно понизить расход топлива. Оценить все положительные качества данной коробки можно на автомобилях Passat CC, Golf GTI, Passat Variant.

Интеллектуальный блок управления

Коробка снабжена встроенным блоком, который проводит анализ оборотов двигателя, скорости движения, нажим на педаль газа.

На основе полученных данных автоматически выбирается необходимая передача или момент перехода на другую передачу. Это обеспечивает плавность движения и снижает нагрузку на двигатель.

Описание принципов работы роботизированной КПП DCT Хендай

Рассмотрим DCT автомобилей Hyundai: принцип работы, характерные особенности, плюсы и минусы.

Роботизированная трансмиссия — новшество из мира спортивных автокаров

Роботизированная КП (DCT Хендай) — преселиктивная коробка передач, попавшая на любительский рынок в модифицированном виде относительно недавно из автоспорта, оснащенная прямым включением и двумя сцеплениями, на которые возложены разные функции:

• Контроль над нечетными передачами.
• Контроль над четными передачами.

Сравнительно быстрый и, что немаловажно, плавный разгон, в процессе которого скорости переключаются в доли секунды — главные особенности роботизированной трансмиссии автомобиля Hyundai. Кроме этого, сочетание комфортного управления транспортным средством, которое дает автомат, с неоспоримым экономичным режимом и динамикой от МКП — так же отличительная характеристика роботизированной КП, относящиеся к достоинствам этой трансмиссии.

К преимуществам так же можно отнести следующее:

• дешевле автоматической КП;
• небольшая масса робота;
• некоторые модели Hyundai оснащены подрулевыми лепестками — альтернатива традиционному рычагу переключения скоростей, что позволяет быстро поставить необходимую передачу, а значит предать динамичности транспортному средству.

Корейские кроссоверы премиум класса — например, Hyundai Tucson (2016 года), при желании автолюбителя могут комплектоваться 7-ступенчатой роботизированной коробкой с двойным сцеплением и подрулевыми лепестками (несмотря на название, они расположены сразу за рулем). Данная система КПП идет исключительно с силовой установкой мощностью в 175 лошадиных сил.

Категорически противопоказаны пробуксовки, страдает плавность переключения скоростей, при даже кратковременной остановке необходимо переходить в нейтральное положение. Это очевидные недостатки роботизированной коробки. К ним же следует присовокупить дороговизну устройства, как при приобретении, так и в последующем обслуживании и ремонте.

Идеальной коробки передач не существует. Поэтому, выбирая, необходимо расставлять приоритеты. То есть, что предпочтительней: динамика, стоимость, экономичность или комфорт. Определившись, проще осуществить правильный выбор относительно трансмиссии.

Роботизированные коробки от именитых производителей авто

Не каждый водитель может получить настоящее удовольствие от поездки на автомобиле с автоматической коробкой передач. Постоянные запаздывания с переключением, желание вручную подстегнуть двигатель и отсутствие наслаждения каждой лошадиной силой агрегата – эти факторы присутствуют во многих автоматах.

Именно поэтому мировые производители стремятся разрабатывать новые решения. Одним из альтернативных вариантов КПП стали роботизированные коробки передач с механической природой. Устроены коробки по типу классической механики, а переключением передач занимается интеллектуальная компьютерная система. Рассмотрим самые популярные и успешные на сегодняшний день разработки мировых лидеров автомобильного рынка.

PowerShift – робот от американо-немецкой корпорации Ford

Коробка PowerShift появилась в предложении малолитражек Ford, производимых в Германии, не так давно. Но агрегат уже успел вызвать разносторонние отзывы покупателей автомобилей. Учитывая достаточно простую систему работы коробки, многие водители называют технологию несовершенной и предпочитают покупать машины с механикой.

Мы не будем вдаваться в технические подробности работы этого устройства. Достаточно знать, что переключения и техника вождения очень похожи на механику. Основные преимущества робота PowerShift следующие:

• мягкость и плавность работы;
• отсутствие привычных для механики рывков при переключении;
• простая и долговечная конструкция;
• недорогое обслуживание устройства.

Такой робот требует ровно столько же ухода, сколько и обычная механическая коробка. Но есть в PowerShift и недостатки. При движении в пробках и медленной городской поездке агрегат приходится сильно раскручивать, чтобы получить резкое ускорение.

DSG – техническое совершенство от Volkswagen

Если агрегат разработан немецкой корпорацией Volkswagen, можно сразу говорить о техническом совершенстве. В ассортименте компании на сегодняшний день присутствует два робота: с 7 и 6 ступенями переключения. Интересно, что 6-диапазонная коробка DSG считается более технологичной и дорогой и устанавливается на премиальный сегмент автомобилей.

Конструкция роботизированной коробки передач DSG на порядок сложнее, чем у корпорации Ford. Ее обслуживание возможно только на профессиональных станциях, что и формирует единственный минус коробки. В остальном одни лишь плюсы:

• экономия топлива в сравнении с механикой на 1-1.5 литра;
• отсутствие звуковых и физических эффектов переключения передач;
• одинаково эффективная работа с дизельными и бензиновыми агрегатами;
• высокая надежность и уникальная система работы.

Коробка от немецкого производителя занимает лидирующие позиции по технологичности в мире. Но используется DSG только на автомобилях Volkswagen и Skoda. Также недавно начали применять роботов на моделях Seat. Более дорогие автомобили концерна Audi и Porsche используют свои технологии роботизированной техники.

MultiMode – простое предложение от Toyota

Коробка с двойным сцеплением и максимальной простотой работы MultiMode – апогей работы технического отдела корпорации Toyota. Этот агрегат работает намного лучше автоматических и механических коробок передач, позволяя экономить топливо, увеличивать динамику и производить самые разные настройки.

Благодаря своей универсальности, MultiMode применяется в паре с самыми разными двигателями. Пока роботизировать не решились только мощные флагманские агрегаты для внедорожников. В работе робота практически нет минусов, отзывы владельцев авто с такой коробкой говорят о следующих преимуществах:

• индивидуальная настройка под каждый двигатель;
• идеальное время переключения передач;
• подстройка коробки под режим поездки;
• заметная экономия топлива.

Завод, который разрабатывает и производит двигатели, лучше других знает, какие условия эксплуатации лучшим образом подходят для его продукции. Потому коробки MultiMode японцы настраивают идеально, так что условия эксплуатации двигателя позволяют достичь огромного ресурса агрегата без преждевременных поломок и прочих неприятностей.

Easytronic – американская разработка для малолитражек Opel

Корпорация Opel одной из первых объявила об использовании роботизированных коробок передач под названием Easytronic. Личная разработка компании должна была заменить стандартные и устаревшие автоматы на большинстве моделей из предложения компании для Европы и СНГ. Но пока устанавливается робот только на автомобиль Corsa, что говорит о неполном соответствии разработки целям компании.

Среди недостатков, которые не позволяют поставить коробку передач Easytronic на все модели, выделяют следующие:

• полное повторение механического переключения передач;
• достаточно явная резкость при переключении;
• отсутствие интеллектуальной системы задержек пониженной передачи для активного ускорения.

Двигатель с использованием коробки Easytronic теряет свои характеристики, уменьшает номинальную мощность, но также снижает и расход топлива. Подобная коробка передач отбирает у водителя свободу передвижения, ведь придется ехать только так, как того хочет робот. Хорошо, что на маленьком Opel Corsa это незаметно.

Allshift – последняя разработка Mitsubishi

Роботизированная коробка передач с технологией Allshift стала одной из последних стоящих разработок японской корпорации Mitsubishi. Сегодня робот устанавливается на некоторые версии малыша Colt, а его характеристики позволяют водителю дополнить хороший комфорт машины достаточно интересным поведением.

Настроена коробка Allshift на спокойную и размеренную поездку, но при необходимости перестраивается на полную отдачу двигателя. Преимущества робота очевидны:

• возможность мобильно регулировать стиль передвижения;
• полное соответствие ожиданиям от поведения автомобиля;
• высокая надежность и простое обслуживание;
• идеальная работа в паре с фирменным 1.3-литровым бензиновым агрегатом.

Такие характеристики позволили компании продать достаточно большое количество Mitsubishi Colt, оснащенных роботом Allshhift. Но после этой разработки концерн пока не сделал ничего стоящего нашего с вами внимания.

Подводим итоги

Дальнейшее развитие сферы роботизированных коробок передач имеет отличные перспективы. Единственный минус всех роботов – отсутствие удержания автомобиля на склоне во время начала движения. Но эта проблема решается установкой дополнительной противооткатной системы.

Если вы покупаете машину с качественным роботом производства именитой фирмы, возьмите автомобиль на тест-драйв и проверьте соответствие поведения техники вашим ожиданиям. Только после этого вы можете смело сказать, что характеристики робота вас полностью устраивают.

Роботизированная коробка передач плюсы и минусы

Роботизированная коробка передач плюсы и минусы

У этого поста — 2 комментария.

Роботизированная коробка передач может именоваться еще как «автоматизированная» или «коробка-робот». В любом случае это механическая коробка передач, но со встроенными электронными компонентами, за счет которых автоматически выполняются следующие функции управления: переключение передач и выключение сцепления. Роботизированная коробка передач выгодна тем, что в ней успешно сочетаются удобство автоматической коробки передач и экономия расхода топлива, надежность функционирования коробки передач механического типа. К тому же «коробка-робот» стоит намного дешевле по сравнению со стандартной автоматической коробкой переключения передач (АКПП).

На сегодняшний день практически все лидеры автопроизводства оборудуют выпускаемые ими автомобили роботизированными коробками передач. При этом все произведенные коробки передач отличаются не только по конструкции, но и запатентованным наименованием. Все же, несмотря на вышесказанное можно выделить общее в устройстве данного типа коробок передач: сцепление; привод передач и сцепления, механическая коробка передач; система управления. Роботизированные коробки передач могут быть оснащены гидравлическим или электрическим приводом передач и сцепления. При этом в электрическом приводе функционирующими органами являются электродвигатели (сервомеханизмы). Гидравлический привод работает с участием гидроцилиндров.

Роботизированная коробка передач может быть двух видов здесь все зависит от того каким типом привода она оборудована: электропривод — роботизированная коробка передач; гидропривод – секвентальная коробка передач (последовательное переключение передач). Но, несмотря на существующие различия чаще всего оба вида коробок носят определение – роботизированные. Конструктивные элементы, из которых состоит система управления «коробки-робота»: входные датчики – следят на выходе и входе роботизированной коробки передач за частотой вращения, температурой и давлением масла; электронный блок управления – получает сигналы от датчиков и выполняет заложенные в него функции управления; исполнительные механизмы – клапаны регулирования и электромагнитные клапаны. В систему управления роботизированных коробок передач оснащенных гидравлическим приводом входит еще и гидравлический блок, предназначение которого управлять давлением в системе и гидроцилиндрами. Опираясь на вышерассмотренную конструкцию системы управления роботизированной коробки передач можно рассмотреть сам принцип ее работы: электронный блок получает понятные ему сигналы от входных датчиков и, формируя их, в зависимости от существующих условий, выполняет с помощью исполнительных механизмов.

Что касается недостатков «коробки-робота», то это то, что для переключения передач требуется больше времени. По этой же причине не возможно с полным комфортом управлять автомобилем из-за провалов и рывков в динамике авто. Сегодня данную проблему решает роботизированная коробка передач, оснащенная двумя сцеплениями, позволяющая переключать передачи не разрывая поток мощности. Такой агрегат оборудован двумя рядами передач, связанных через отдельное сцепление с маховиком двигателя. Получается, когда автомобиль начинает движение на первой скорости, коробка передач включает и держит наготове вторую скорость, и т.д. Таким образом, процесс переключения передач идет быстро, не разрывая поток мощности.

Другие похожие статьи:

Как проверить масло в коробке робот: советы и рекомендации

Периодичность и порядок контроля уровня масла в роботизированной коробке переключения передач (РКПП) указан в паспорте автомобиля. Межсервисные интервалы для таких машин больше, чем для моделей на механике или автомате, но обслуживание все-таки требуется. Расскажем, как проверить масло в роботе перед заменой.

Профессиональные методы

Диагностика на СТО

На станции технического обслуживания проведут осмотр и измерят уровень масла за несколько минут. Услуга платная, но не потребует от владельца никаких усилий. Необходимо только выделить время и записаться в сервис.

Использование Диагбокса

На машине снимают дефлектор воздухозаборника. Под ним расположен бачок с маслом, который необходимо протереть. К бортовому компьютеру подключают ноутбук со специализированным ПО. В программе выбирают пункт «Сброс давления исполнительного механизма» и смотрят на контрольную шкалу бачка. Уровень масла должен находиться в допустимом диапазоне. Если все в норме, с компьютера запускают подачу давления и прокачку исполнительного механизма. Таким способом не только контролируют уровень масла, но и проводят инициализацию коробки.

По контрольной пробке

На некоторых моделях авто, например Ford Focus 3, на РКПП установлена контрольная пробка. Элемент располагается рядом со сливной горловиной. Чтобы проверить уровень масла, необходимо поднять авто и посмотреть отметку по имеющейся шкале. Контроль проводят на разогретой машине.

Советы мастеров-любителей

Проверить масло в коробке-роботе можно самостоятельно. Ответственность за процесс и его последствия автовладелец полностью берет на себя.

Порядок действий следующий:

1. Машину ставят на яму или поддомкрачивают. Автомобиль должен находиться строго горизонтально.
2. Контрольную пробку, которая находится позади коробки передач, протирают начисто и откручивают.
3. Из металлической проволоки изготавливают небольшой крючок и проталкивают его в отверстие исполнительного механизма.
4. Измеряют высоту отметки на стержне. Если поверхность масла находится на расстоянии более 2 см от отверстия, необходим долив.

Проверять смазывающую жидкость в роботе лучше перед поездкой или через 10–15 минут после остановки двигателя. Остатки жидкости за это время должны стечь в поддон. Метод используют на машинах с большим пробегом и на старых авто, где шкала измерения и другие средства визуализации уже стерты.

границ | Компактные редукторы для современной робототехники: обзор

Введение

Промышленные роботы составляют основу нескольких крупных традиционных производств, включая автомобилестроение и электронику. Сегодня многие регионы мира видят реальную возможность возродить обрабатывающую промышленность, внедряя роботов на малых и средних предприятиях (МСП) и в вспомогательные услуги, как правило, в здравоохранении (SPARC, 2015).

Для крупномасштабных промышленных сред с высокой степенью автоматизации преимущество роботизированных решений по сравнению с людьми-операторами в основном заключается в (i) большей доступности и (ii) способности перемещать — обычно большие — полезные грузы с исключительной точностью позиционирования и с высокой скоростью.Эти аспекты имеют решающее значение при разработке и выборе подходящих технологий для промышленного робота, особенно для первичных двигателей и трансмиссий, обеспечивающих движение этих устройств.

Применения в производстве и персональном обслуживании малых и средних предприятий бросают вызов этой традиционной парадигме робототехники. Ключ к успеху в этих новых приложениях лежит в очень высокой степени гибкости, необходимой для обеспечения безопасного и эффективного прямого сотрудничества с людьми для достижения общих целей.Эта цель требует, чтобы роботы сначала развили способность безопасно взаимодействовать с людьми в дисциплине, обычно называемой pHRI — физическое взаимодействие человека и робота.

pHRI оказывает широкое влияние на срабатывание роботов. Опыт, накопленный за последние десятилетия, в основном в области робототехники в сфере здравоохранения, показывает, что для безопасного и эффективного взаимодействия с людьми роботы должны в основном двигаться, как люди, и, следовательно, жертвовать некоторыми из своих традиционных преимуществ с точки зрения полезной нагрузки, точности и скорости.Эта ситуация привела к обширным исследованиям в последние годы, охватывающим оптимальный выбор первичных двигателей и передач для срабатывания HRI (Zinn et al., 2004; Ham et al., 2009; Iqbal et al., 2011; Veale and Xie, 2016). ; Verstraten et al., 2016; Groothuis et al., 2018; Saerens et al., 2019).

Эти работы относятся к более широкой области исследований, изучающих оптимизацию сцепления между первичным двигателем и коробкой передач для данной задачи в автоматических машинах. Краткий обзор основных разработок в этой области дает полезные сведения, позволяющие понять влияние коробки передач на общую производительность системы.Паш и Серинг (1983) определили важность инерции при срабатывании и предложили использовать передаточное число для согласования инерции двигателя и отраженной нагрузки в качестве средства минимизации потребления энергии для чисто инерционной нагрузки. Чен и Цай (1993) применили эту идею к области робототехники и определили результирующую способность к ускорению конечного эффектора как определяющий параметр. Ван де Стрете и др. (1998) разделили характеристики двигателя и нагрузки, чтобы распространить этот подход на общую нагрузку, и предоставили метод определения подходящих передаточных чисел для дискретного набора двигателей и коробок передач.Roos et al. (2006) изучали выбор оптимального привода для трансмиссии электромобилей, добавляя вклад КПД коробки передач. Giberti et al. (2010) подтверждают инерцию ротора, передаточное отношение, эффективность коробки передач и инерцию коробки передач как наиболее важные параметры для выбора срабатывания и предлагают графический метод оптимизации этого выбора для динамической задачи. Петтерссон и Олвандер (2009) снова сосредоточились на промышленных роботах и ​​представили метод, моделирующий коробку передач с упором на массу, инерцию и трение.Резазаде и Херст (2014) используют очень точную модель двигателя и включают фундаментальный критерий выбора полосы пропускания в дополнение к минимизации энергии. Дрессчер и др. (2016) исследуют влияние трения на планетарный редуктор, в котором кулоновское трение является доминирующим механизмом трения, и демонстрируют, как КПД редуктора обычно становится преобладающим над КПД двигателя при высоких передаточных числах.

По сравнению с исходными моделями коробок передач, использовавшихся в этих работах, где коробки передач моделировались как идеальные передаточные числа, сложность моделей постепенно возрастала.Тем не менее, необходимо сделать важные — и нереалистичные — упрощения, чтобы добиться хорошей практической применимости этих методов. Таким образом, не учитываются важные эффекты, такие как жесткость на кручение и потерянное движение, в то время как модели инерции и эффективности коробки передач сильно упрощены. Это оправданный подход для множества приложений, где упрощенные методы могут помочь инженерам выбрать подходящие трансмиссии. Однако в HRI эти свойства слишком важны для пригодности коробки передач, и их нельзя так сильно упростить.

Следовательно, необходим другой подход, чтобы предоставить полезные рекомендации по выбору коробки передач в HRI, избегая чрезмерной сложности задач оптимизации в этой области. Предоставление подробных сведений об эксплуатационных свойствах и характеристиках различных технологий редукторов для обоснованного выбора — еще один вариант, следуя традициям таких работ, как Schempf and Yoerger (1993) или Rosenbauer (1995). Следуя этому подходу, Siciliano et al. (2010), Ли (2014), Шейнман и др.(2016) и Pham and Ahn (2018) предоставляют интересные обзоры высокоточных редукторов для современной робототехники. Однако технологии не анализируются достаточно подробно, чтобы получить хорошее представление о сложных механизмах, в которых они влияют на выполнение роботизированной задачи.

Основная цель этого обзора, следовательно, состоит в том, чтобы дополнить эти работы подробным анализом основных принципов, сильных сторон и ограничений доступных технологий. Помимо возможности прогнозирования будущего технологий редукторов в робототехнике, этот подход может помочь неспециалистам по редукторам определить подходящие технологии компактных редукторов для многофакторных требований новых робототехнических приложений (López-García et al., 2018). Для специалистов по коробкам передач из других областей этот анализ может помочь им получить полезную информацию о конкретных потребностях приложений HRI.

Это исследование начинается с краткого описания основных требований к будущим роботизированным трансмиссиям, чтобы затем представить систему оценки, предназначенную для оценки пригодности и потенциала конкретной технологии коробок передач для этой области. Эта структура включает сильную перспективу pHRI и новый параметр — коэффициент скрытой мощности — для оценки эффективности, присущей определенной топологии редуктора.Эта новая структура используется в первую очередь для обзора традиционных технологий редукторов, используемых в промышленных роботах, и новых технологий передачи, которые в настоящее время находятся в процессе выхода на рынок. Наконец, в конце документа приводится краткое изложение выводов, сделанных в результате этого обзора, вместе с нашими выводами и рекомендациями.

Система оценки роботизированных трансмиссий с расширенными возможностями HRI

Контроль

Управление роботизированными устройствами — очень широкая и сложная тема, которая является предметом обширной исследовательской литературы.В этом разделе мы ограничимся введением основных принципов линейности и отраженной инерции, которые являются основными для понимания влияния редуктора на управление.

Хотя в целом скорость и точность являются противоречивыми требованиями, обычные роботизированные устройства превосходны в достижении высокой точности позиционирования на высокой скорости благодаря использованию жестких приводов с очень линейным поведением (Cetinkunt, 1991). Включение роботизированной трансмиссии влияет на сложность управления в основном двумя способами: вносит дополнительную нелинейность и сильно влияет на отраженную инерцию.

Нелинейности, вызванные включением трансмиссии, принимают в основном форму люфта и / или трения и уменьшают полосу пропускания системы, создавая важные проблемы управления (Schempf, 1990). Заявление о зубчатых колесах приводит к люфту, трению и (нежелательному) соответствию, что затрудняет точное управление. (Hunter et al., 1991) сегодня так же актуально, как и почти 30 лет назад. Для некоторых технологий большие кинематические ошибки передачи и, в частности, нелинейное трение также могут вызывать значительные нелинейности.

Коробки передач также сильно влияют на отраженную инерцию системы. В роботизированном устройстве инерция первичного двигателя обычно на несколько порядков меньше, чем у полезной нагрузки, что делает систему нестабильной и создает серьезные проблемы с управлением. Добавление трансмиссии сильно снижает инерцию полезной нагрузки, которую видит первичный двигатель и которая отражается на него, на коэффициент, равный квадрату передаточного отношения трансмиссии. Таким образом, тщательный выбор трансмиссии может привести к более сбалансированной инерции на обеих сторонах трансмиссии, способствуя минимизации энергопотребления и созданию более надежной, стабильной и точной системы (Pasch and Seering, 1983).

Отраженная инерция особенно важна, когда рабочие органы претерпевают быстрые и частые изменения скорости и / или крутящего момента, что очень часто встречается в задачах автоматизации и робототехники. В этих случаях вводится перспектива пропускной способности, чтобы подтвердить способность системы отслеживать эти изменения (Sensinger, 2010; Rezazadeh and Hurst, 2014). Это лежит в основе принципа управляемости задним ходом, способности системы демонстрировать низкий механический импеданс, когда она приводится в действие с естественной выходной мощности (с обратным приводом).Это особенно важно при частом двунаправленном обмене энергией между роботом и его пользователем, что типично для реабилитационных устройств или экзоскелетов. Как демонстрируют Ван и Ким (2015), управляемость коробки передач задним ходом включает в себя комбинированный эффект отраженной инерции, отраженного демпфирования и кулоновского трения, и поэтому она тесно связана с эффективностью коробки передач.

Это подчеркивает важность для оценки управляющего воздействия определенной технологии коробки передач как возможностей передаточного числа, так и нелинейностей (люфт, трение), которые она вносит.

Безопасность

Промышленные роботы традиционно размещаются за забором в хорошо структурированной среде, где они могут воспользоваться преимуществами своих быстрых и точных роботизированных движений, не подвергая опасности целостность человека-оператора.

Безопасный pHRI, включающий способность безопасно перемещаться в неструктурированной / неизвестной среде, обязательно тесно связан с управляемостью. Текущая стратегия, используемая робототехниками для достижения этой цели, состоит из формирования механического импеданса (Calanca et al., 2015), то есть позволяя контроллеру соответствия управлять сложным динамическим соотношением между положением / скоростью робота и внешними силами (Hogan, 1984).

Принцип прост: чтобы обеспечить хорошую адаптацию к неопределенной среде, а также целостность человека-оператора / пользователя во время взаимодействия с роботизированным устройством, последний должен двигаться согласованно, как человек (Karayiannidis et al. др., 2015). Это подчеркивает важность импеданса и внутреннего соответствия (De Santis et al., 2008) и объясняет появление нового типа внутренне гибких исполнительных механизмов для pHRI (Ham et al., 2009), где требуется высокая степень соответствия (Haddadin and Croft, 2016).

С точки зрения управления, инерция полезной нагрузки, отраженная к первичному двигателю, уменьшается на коэффициент, соответствующий квадрату передаточного числа. Таким же образом обычно небольшая инерция ротора первичного двигателя усиливается тем же фактором при отражении в сторону полезной нагрузки, который должен быть добавлен к инерции, возникающей в результате движения роботизированного устройства и груза по соображениям безопасности, а также ограничение рабочих скоростей.

Хотя в большинстве актуаторов pHRI сегодня используются редукторы с высоким передаточным числом, некоторые известные робототехники Seok et al. (2014), Сенсингер и др. (2011) видят большой потенциал робототехники в использовании двигателей с высоким крутящим моментом (бегунков), требующих очень малых передаточных чисел. Новые производители робототехнических решений, такие как Genesis Robotics из Канады или Halodi Robotics AS из Норвегии, предлагают приводы для робототехники, основанные на этих принципах. По их мнению, увеличение инерции двигателя и уменьшение передаточного числа должно приводить к снижению инерции двигателя, отражаемой на рабочий орган, что обеспечивает более высокие рабочие скорости и / или полезную нагрузку без ущерба для целостности оператора.Низкие передаточные числа также имеют дополнительное преимущество в пропускной способности: они имеют меньшее трение и люфт, уменьшая нелинейность, вносимую коробкой передач. С другой стороны, умеренное передаточное число не может компенсировать нелинейные условия сцепления — обычно зубчатый крутящий момент (Siciliano et al., 2010).

При более внимательном рассмотрении технических характеристик этих новых двигателей возникают некоторые вопросы с точки зрения достижимой эффективности, веса или компактности, а также последствий для оборудования, возникающих в результате чрезмерной тяги к высоким электрическим токам (HALODI Robotics, 2018; GENESIS Robotics, 2020).

Подводя итог, нет полного согласия о том, как лучше всего подойти к безопасному срабатыванию для робототехники. Тем не менее, сильные естественные связи между безопасностью и управляемостью столь же очевидны, как и решающее значение передаточного числа трансмиссии и ее нелинейностей.

Вес и компактность

Облегченная конструкция имеет первостепенное значение для обеспечения совместимости безопасности и хорошей производительности в новых приложениях робототехники (Albu-Schäffer et al., 2008). Новейшие коллаборативные роботы (коботы), такие как облегченный робот KUKA, разработанный в сотрудничестве с Институтом робототехники и мехатроники Немецкого аэрокосмического центра (DLR), живут по этому принципу и, следовательно, сильно отличаются от тяжелых и громоздких традиционных промышленных роботов.Благодаря более низкой инерции, легкие коботы обеспечивают более высокую производительность — более высокие скорости — без ущерба для безопасности пользователя.

Этот выгодный аспект облегченной конструкции имеет и другие преимущества. Для мобильных робототехнических систем меньший вес означает большую автономность. В носимых вспомогательных роботизированных устройствах, включая протезы и экзоскелеты, легкий вес также является ключевым аспектом для повышения комфорта (Toxiri et al., 2019).

Высокая компактность — еще одна характеристика, присущая этим новым роботизированным устройствам: от коботов до вспомогательных устройств, компактность дает преимущества в маневренности и удобстве взаимодействия.

В роботизированных приложениях, предполагающих тесное сотрудничество с людьми или предоставление мобильных услуг, позиции по своей природе весьма неопределенны. Легкие и компактные конструкции особенно выгодны (Loughlin et al., 2007) для этих применений с двумя последствиями: первичные двигатели и трансмиссии — обычно самые тяжелые элементы в роботизированном устройстве — должны быть легкими и компактными, но легкие конструкции имеют тенденцию требуйте более низких крутящих моментов.

В отличие от веса коробки передач, определение подходящего критерия для оценки вклада коробки передач в компактность системы является более сложной задачей.Физический объем определенно играет роль, но наш опыт показывает, что фактическая форма коробки передач имеет тенденцию иметь большее влияние. Еще один аспект, о котором стоит упомянуть, — это наличие в некоторых конфигурациях редукторов свободного пространства для размещения материала или движущихся частей, таких как электродвигатели или выходные подшипники, также могут представлять особый интерес. Поэтому мы решили включить в нашу схему оценки приблизительную форму (диаметр × длина) выбранной коробки передач, в то время как наличие дополнительного места можно напрямую оценить с помощью предоставленных цифр для каждой из конфигураций.

Эффективность и виртуальная мощность

КПД

В таких областях, как автомобильные или ветряные турбины, эффективность редукторов долгое время находилась в центре внимания. В робототехнике, с другой стороны, эффективность до недавнего времени не становилась ключевым параметром при выборе подходящей коробки передач (Arigoni et al., 2010; Dresscher et al., 2016).

Более высокий КПД — более низкие потери — позволяют снизить потребление энергии и прямо положительно влияют как на эксплуатационные расходы, так и на воздействие машины или устройства на окружающую среду.Для мобильных и носимых роботизированных устройств повышение эффективности также помогает снизить вес системы — требуются батареи меньшего размера — и в конечном итоге приводит к большей автономности и лучшему удобству использования (Kashiri et al., 2018).

В коробках передач есть еще одно дополнительное преимущество в снижении потерь: большинство механических трансмиссий, используемых в робототехнике, имеют замкнутую форму и используют какой-либо контакт зубьев для передачи крутящего момента и движения между первичным двигателем и рабочим органом. Благодаря этому кинематическое соотношение между входной ω _In и выходной скоростями ω _Out заблокировано количеством зубцов и определяет его передаточное число i _K .В коробке передач без потерь передаточное отношение i _τ между выходным и входным крутящими моментами τ точно соответствует обратному кинематическому передаточному отношению с противоположным знаком. Но в реальной коробке передач наличие потерь изменяет это равенство, и поскольку кинематическое передаточное число блокируется числом зубьев, абсолютное значение передаточного числа крутящего момента должно уменьшаться пропорционально потерям:

ωInωOut = iK = — η iτ = -ητOutτIn; где η — КПД системы.

Следовательно, высокие потери в коробке передач означают, что меньший крутящий момент доступен для рабочего органа и требуются большие передаточные числа для достижения такого же усиления крутящего момента.

Коробки передач подвержены нескольким видам потерь. Чтобы классифицировать их, мы принимаем критерии, предложенные Talbot и Kahraman (2014), и разделяем их на зависимые от нагрузки (механические) потери мощности, возникающие из-за скольжения и качения контактных поверхностей, как в контактах шестерен, так и в подшипниках, и нагрузки -независимые (спиновые) потери мощности — возникают из-за взаимодействия вращающихся компонентов с воздухом, маслом или их смесью.

Виртуальная сила

Термин виртуальная мощность, насколько известно авторам, был первоначально введен Ченом и Анхелесом (2006), но это явление, объясняющее аномально высокие потери, присутствующие в некоторых планетных топологиях, долгое время было известно под разными названиями, включая Blindleistung (Wolf, 1958; Mueller, 1998) и скрытая или бесполезная мощность (Macmillan and Davies, 1965; Yu and Beachley, 1985; Pennestri and Freudenstein, 1993; Del Castillo, 2002).

Из-за своего принципа действия коробка передач всегда включает в себя высокоскоростную сторону с низким крутящим моментом и сторону с высоким крутящим моментом и низкой скоростью. Следовательно, его внутренние зубчатые зацепления обычно подвержены либо высокому крутящему моменту и низкой скорости, либо условиям высокой скорости и низкого крутящего момента. Однако в некоторых коробках передач из-за их специфической топологии некоторые зацепления шестерен могут одновременно взаимодействовать с высокой скоростью и высоким крутящим моментом. Зубчатые зацепления могут легко достичь КПД выше 98%, но поскольку генерируемые потери приблизительно пропорциональны произведению относительной скорости двух зубчатых элементов и крутящего момента, передаваемого через зацепление (Niemann et al., 1975), на этих высоконагруженных сетках появляются неожиданно большие потери. Виртуальная мощность обеспечивает основу для оценки вклада этого явления, которое в дальнейшем мы будем называть топологической эффективностью коробки передач.

Некоторые из вышеупомянутых авторов предлагают методы для оценки топологической эффективности данной конфигурации и определения ее влияния на общую эффективность системы. В рамках Chen and Angeles (2006) виртуальная мощность определяется как мощность, измеренная в движущейся — неинерциальной — системе отсчета.Скрытая мощность , представленная Ю и Бичли (1985), соответствует виртуальной мощности, когда система отсчета является несущим элементом коробки передач, тогда как виртуальная мощность — это соотношение между виртуальной мощностью и мощностью, генерируемой внешним крутящим моментом. применяется по ссылке. Используя эти элементы, мы определяем Latent Power Ratio топологии коробки передач как отношение суммы скрытых мощностей во всех зацеплениях к мощности, потребляемой коробкой передач.Таким образом, большой коэффициент скрытой мощности соответствует низкой топологической эффективности и указывает на сильную тенденцию к возникновению больших потерь за счет зацепления.

Чтобы облегчить понимание практического влияния на общую эффективность топологической эффективности, характеризующейся скрытым коэффициентом мощности, данной конфигурации редуктора, мы используем на этом этапе уравнения, предложенные Макмилланом и Дэвисом (1965) для расчета упрощенный пример.

Полная коробка передач робототехники обычно включает в себя несколько зацепляющих контактов, каждый из которых имеет разные рабочие условия и параметры, что приводит к различной эффективности зацепления.Эти КПД очень высоки в оптимизированных зубчатых зацеплениях — часто выше 99% — и позволяют упростить наши расчеты, учитывая общую уникальную эффективность зацепления η _м = 99% во всех зацепляющих контактах в нашем редукторе.

Во-первых, эталонный редуктор, идеальный с точки зрения топологической эффективности, имел бы только одно зацепление и коэффициент скрытой мощности L = 1. Таким образом, потери мощности внутри этого эталонного редуктора можно легко рассчитать как функцию входной мощности. как:

Таким образом, общая эффективность зацепления всего редуктора соответствует эффективности одиночного зацепляющего контакта:

ηsys, идеально = PIN-PLossPIN = ηm = 99%;

Неидеальный редуктор с таким же типовым η _m во всех его зацеплениях и со скрытым коэффициентом мощности L, характеризующим его топологический КПД, указывает на то, что общие потери в редукторе можно приблизительно оценить следующим образом:

Ploss, L≈ PIN * L * (1-ηm)

И общая эффективность зацепления всей коробки передач теперь составляет:

ηsys, L = PIN-PLoss, LPIN≈L * ηm + (1-L)

Что для η _м = 99% и для значения L = 50 дает:

Этот результат следует частично релятивизировать, поскольку накопленные потери в первых зацеплениях, задействованных вдоль различных внутренних потоков мощности в коробке передач, делают меньшую виртуальную мощность, предсказываемую этими уравнениями, которая будет протекать через последующие зацепления.Результатом этого является то, что КПД обычно будет падать немного медленнее с коэффициентом скрытой мощности, а более реалистичное значение для предыдущего расчета обычно будет между 55 и 60%.

Чтобы частично компенсировать это большое влияние топологической эффективности на общую эффективность, конфигурации с большим скрытым коэффициентом мощности требуют чрезвычайно высокой эффективности зацепления: для достижения эффективности системы> 70% системе с L = 100 требуется средняя эффективность зацепления. выше 99.5%.

Поэтому в нашем дальнейшем анализе мы сосредоточимся только на оценке вклада топологической эффективности в эффективность коробки передач. Это позволяет нам использовать упрощенный метод для расчета коэффициента скрытой мощности, который, в первую очередь, не учитывает влияние на потери, вызванные уменьшением крутящего момента. Соответствующие расчеты, использованные для определения коэффициента скрытой мощности различных конфигураций редукторов, проанализированных в этой работе, включены в Приложение I.

Подводя итог, чтобы охарактеризовать важный эффект КПД коробки передач, мы оценим порядок величины трех параметров: (i) потери, зависящие от нагрузки, (ii) пусковой момент без нагрузки и (iii) коэффициент скрытой мощности.Хотя на него дополнительно влияет статическое трение, а не только кулоновское и вязкое трение, мы выбрали пусковой крутящий момент без нагрузки (относительно номинального крутящего момента) как практический способ характеристики потерь, не зависящих от нагрузки. Наши обмены с производителями редукторов показывают, что это обычная практика, она не зависит от входной мощности и легко доступна в технических данных производителя.

Производительность

По сравнению со специальными машинами и машинами для автоматической сборки промышленные роботы не могут достичь тех же стандартов точности и скорости.Оба аспекта пришлось скомпрометировать, чтобы обеспечить большую степень гибкости и мобильности, а также рабочего пространства (Rosenbauer, 1995). С этой точки зрения HRI — это всего лишь еще один шаг в том же направлении: чтобы соответствовать дальнейшим потребностям гибкости и мобильности в неструктурированной среде, необходимы дополнительные компромиссы с точки зрения точности и скорости. Этот переход отражен на рисунке 1.

Рисунок 1 . Графическое описание перехода основных задач задач от машин через промышленных роботов и коботов к людям-операторам.

Точность и повторяемость

Множество аспектов редуктора вносят вклад в общую точность полного роботизированного устройства. Эти аспекты долгое время находились в центре внимания традиционной робототехники и сегодня хорошо изучены, поскольку работы, подобные работам Майра (1989), Шемпфа и Йоргера (1993) или Розенбауэра (1995), содержат очень хорошие ссылки для понимания этих сложных влияний. Эти исследования выявили особенно важную роль, которую играют потерянный ход и жесткость на кручение.

Lost Motion — это дальнейшее развитие принципа люфта, который описывает полное вращательное смещение, создаваемое приложением ± 3% от номинального входного крутящего момента.

Жесткость на кручение характеризует податливость на кручение всех элементов коробки передач, задействованных во всем потоке сил, под действием внешнего крутящего момента. Это достигается путем блокировки входа редуктора и постепенного увеличения крутящего момента, прилагаемого на выходе, при этом регистрируются изменения жесткости на кручение, приводящие к отклонениям от идеально линейного поведения.

По своей природе точные — малые потери хода и линейная высокая жесткость на кручение — редукторы упрощают задачу управления и обеспечивают высокую точность, идеально подходят для управления положением, в то время как менее точные редукторы создают более серьезные проблемы для управления положением и могут использоваться для более гибкого срабатывания. . В технологиях редукторов, где скорость оказывает сильное влияние на потери или с особенно нелинейным трением, также необходимо учитывать вклад этих элементов в точность.

Чтобы охарактеризовать возможности точности, наша конструкция включает потерю движения и жесткость на кручение, а также субъективную оценку изменения эффективности, вызванного изменениями скорости / крутящего момента.

Скорость и полезная нагрузка

Промышленные роботы могут обрабатывать большие полезные нагрузки за счет большой инерции. Для коботов, с другой стороны, соображения безопасности подразумевают, что они не должны обрабатывать такие большие полезные нагрузки, но благодаря более легкой конструкции они действительно могут достичь большего отношения полезной нагрузки к массе.

Соображения безопасности также ограничивают степень, в которой это уменьшение массы может быть использовано для увеличения рабочих скоростей (Haddadin et al., 2009). Тем не менее, более низкий крутящий момент способствует использованию более легких и быстрых электродвигателей, что в принципе требует более высоких передаточных чисел для этих приложений.

Критерий для характеристики вклада коробки передач в скорость и характеристики полезной нагрузки должен отражать эти аспекты и побуждать нас использовать в нашей структуре (i) максимальную входную скорость, (ii) максимальный воспроизводимый выходной крутящий момент, называемый моментом ускорения, и номинальный крутящий момент, (iii ) передаточное число и (iv) отношение крутящего момента к массе как для номинального, так и для момента ускорения.

Сводка

Определение характеристик роботизированных коробок передач — сложная задача: высокая универсальность этих устройств и их сложное взаимодействие с первичными двигателями и системами управления делают прямое сравнение их характеристик особенно сложным.

Передаточное число продемонстрировало сильное влияние на производительность робототехнической системы. Это объясняет его предпочтительную роль в литературе, посвященной оптимизации срабатывания роботов, и растущий интерес робототехников к возможностям использования переменных передач (Kim et al., 2002; Карбон и др., 2004; Stramigioli et al., 2008; Жирар и Асада, 2017). Хотя мы убеждены, что трансмиссии с регулируемой передачей являются очень многообещающими и определенно будут способствовать формированию будущего ландшафта робототехники, мы ограничили наш анализ здесь компактными коробками передач с постоянным передаточным числом. На данный момент мы считаем, что нам лучше всего подойдет этот ограниченный объем, который может также способствовать выявлению потенциальных областей применения и подходящих технологий для трансмиссий с переменным передаточным числом.

На основе этого анализа мы предлагаем схему оценки будущих роботизированных коробок передач на основе следующих параметров:

• Передаточное число

• Ускорение и номинальный выходной крутящий момент

• Вес

• Форма: диаметр × длина

• Ускорение и номинальный крутящий момент к массе

• КПД: пиковое значение и субъективная зависимость от скорости и крутящего момента

• Топологическая эффективность: коэффициент скрытой мощности

• Пусковой крутящий момент при прямом и обратном движении без нагрузки в% от номинального входного крутящего момента

• Потери, не зависящие от нагрузки

• Потерянное движение

• Максимальная скорость на входе

• Жесткость на кручение

Наша структура включает также эталонный вариант использования, характерный для множества задач pHRI согласно нашему собственному опыту: моменты ускорения более 100 Нм и передаточные числа более 1: 100, для которых необходимо оптимизировать вес, компактность и эффективность.

Обзор технологий передачи данных, используемых в настоящее время в промышленных роботах

Электродвигатели, оснащенные механическими трансмиссиями, обычно используются в качестве исполнительных механизмов в робототехнике (Rosenbauer, 1995; Scheinman et al., 2016), а также в промышленных роботах. Эти механические трансмиссии почти неизбежно основаны на какой-то зубчатой ​​передаче (Sensinger, 2013).

Благодаря их большей способности снижать общий вес и поскольку электродвигатели имеют тенденцию иметь более высокий КПД на высоких рабочих скоростях, еще одной характеристикой промышленных роботизированных трансмиссий является использование относительно больших коэффициентов передачи (передаточных чисел), обычно более 1:40 (Розенбауэр, 1995).

Планетарные редукторы

: чрезвычайно универсальная платформа

Планетарные зубчатые передачи

(PGT) — это компактные, универсальные устройства, широко используемые в силовых передачах. Благодаря характерной коаксиальной конфигурации и хорошей удельной мощности они особенно подходят для вращающихся первичных двигателей, таких как электродвигатели.

PGT

могут использовать две дифференцированные стратегии для достижения высоких коэффициентов усиления: (i) добавление нескольких ступеней обычных высокоэффективных PGT — здесь называемых редукторами и представленных на рисунке 2 — или (ii) использование особенно компактных конфигураций PGT с возможностью получения высоких передаточные числа.

Рисунок 2 . Внутреннее расположение редуктора Neugart с указанием его основных элементов, адаптировано из Neugart (2020) с разрешения © Neugart GmbH. Он также включает схему базовой топологии.

Хотя использование нескольких ступеней редукторов позволяет наилучшим образом использовать эффективность зацепления высоких шестерен и приводит к высокоэффективным редукторам, это обычно приводит к тяжелым и громоздким решениям. Компактные конфигурации PGT с другой стороны могут достигать высоких передаточных чисел в очень компактных формах, но они страдают от удивительно высоких потерь, связанных с высокими виртуальными мощностями (Crispel et al., 2018).

Особенно компактная конфигурация PGT для высоких передаточных чисел была впервые изобретена Вольфромом (1912) и использовалась в редукторах серии RE компании ZF Friedrichshafen AG (ZF), предназначенных для промышленных роботов (Looman, 1996). Эта конфигурация, показанная на Рисунке 3, сильно зависит от Virtual Power, и ZF представляет собой единственное известное коммерческое применение конфигураций PGT, отличное от обычных редукторов. Хотя производство серии RE было прекращено в 90-х годах, Wolfrom PGT в последнее время пользуются растущим интересом сообщества исследователей робототехники, как мы резюмировали в предыдущей статье авторов (López-García et al., 2019а).

Рисунок 3 . Внутреннее устройство ZF серии RG Wolfrom PGT для роботизированных приложений адаптировано из Looman (1996) с разрешения © 1998 Springer-Verlag Berlin Heidelberg. Он также включает схему базовой топологии.

Таблица 1 представляет оценку PGT. Несмотря на завышенные размеры для нашего теста, мы использовали ZF RG350 Wolfrom PGT, чтобы попытаться оценить потенциал конфигураций PGT с высоким коэффициентом передачи, основываясь на имеющихся доказательствах его пригодности для достижения высоких коэффициентов (Арнаудов и Караиванов, 2005; Mulzer, 2010 ; Капелевич и AKGears LLC, 2013).Для редукторов мы выбрали — при поддержке производителей — подходящие решения из портфолио Wittenstein и Neugart. Стоит отметить важную роль, которую играет максимальное передаточное число на ступень в редукторе: в то время как Виттенштейн ближе к максимуму осуществимости, определяемому избеганием контакта между соседними планетами, Нейгарт выбирает в своей серии PLE (серия PLFE может достигать 1: 100 соотношений только в два этапа) более ограничительный подход и, следовательно, для достижения общего усиления 1: 100 требуется три этапа вместо двух для Виттенштейна.Это приводит к менее компактным решениям и более низкой эффективности для приложения 1: 100, но позволяет Neugart достичь более высокого прироста — до 1: 512 — без фундаментальных изменений веса, размера или эффективности.

Таблица 1 . Схема оценки решений с планетарной зубчатой ​​передачей.

Редукторы

имеют вес около 4 кг, что нельзя напрямую сравнивать с увеличенными размерами RG350. RG350 имеет форму с большим диаметром и меньшей длиной, чем редукторы.Что касается отношения крутящего момента к весу, значения обоих решений кажутся относительно близкими.

Редукторы

имеют сильное преимущество в их хорошем КПД (выше 90%), который также менее чувствителен к изменениям рабочих условий, а пусковые моменты холостого хода очень низкие. Конфигурации с высоким коэффициентом полезного действия показывают, насколько сильно ограничивается топологическая эффективность, что приводит к снижению эффективности. Это, вероятно, объясняет, почему редукторы сегодня являются доминирующей технологией PGT в робототехнике.

PGT

показывают самые высокие входные скорости (до 8 500 об / мин), но их потери хода также самые большие (4–6 Arcmin) в обычных редукторах. В робототехнике PGT широко использовались в первых промышленных роботах, в то время как в последние десятилетия их использование сильно сократилось, в основном из-за их ограничений, связанных с уменьшением люфта. Несмотря на то, что существуют механизмы, ограничивающие по своей природе более значительную обратную реакцию PGT, на практике они основаны на введении определенной предварительной нагрузки, что отрицательно сказывается на их эффективности (Schempf, 1990).

Гармонические приводы: без люфта, легкий редуктор деформационной волны

Редуктор Strain Wave был изобретен Массером (1955) и нашел широкое применение в 70-х годах, первоначально в аэрокосмической отрасли. Его основное космическое применение было в качестве элемента механической передачи в аппарате лунохода Аполлона 15 в 1971 году (Schafer et al., 2005).

Его название происходит от характерной деформации Flexspline , нежесткой, тонкой цилиндрической чашки с зубьями, которая служит выходом.Flexspline входит в зацепление с фиксированным сплошным круглым кольцом с внутренними зубьями шестерни Circular Spline , в то время как он деформируется вращающейся эллиптической заглушкой — волновым генератором , как это видно на рисунке 4. Этот тип редуктора является наиболее распространенным. обычно называют Harmonic Drive © (HD) из-за очень эффективной стратегии защиты IP.

Рисунок 4 . Внутренняя конфигурация коробки передач Harmonic Drive CSG (слева), адаптированная из Harmonic Drive (2014) с разрешения © 2019 Harmonic Drive SE, и редуктора E-Cyclo (справа), адаптированная из SUMITOMO (2020) с разрешения © Sumitomo Drive, 2020 Germany GmbH.Также включена схема их базовой топологии KHV, используемая для расчета его скрытого коэффициента мощности в Приложении I.

Для нашего сравнительного анализа мы выбрали два подходящих редуктора Harmonic Drive, CSD-25-2A, предназначенный для интеграции в роботизированное соединение, чтобы обеспечить адекватные структурные граничные условия, и сверхлегкий редуктор CSG-25-LW, представляющий конструктивно достаточное решение. что может быть более прямо по сравнению с другими технологиями. Совсем недавно SUMITOMO представила новый редуктор E-CYCLO, работающий также на принципе действия деформационной волны.SUMITOMO предоставила нам доступ к своему самому последнему каталогу (SUMITOMO, 2020), что позволило нам включить его в наш тест (Таблица 2). Еще одна интересная волна деформации, очень похожая на гармонический привод, недавно была также представлена ​​GAM в своей серии коробок передач для робототехники, которая также включает планетарные зубчатые передачи и циклоидные приводы (GAM, 2020).

Таблица 2 . Схема оценки решений волн деформации.

Выбранная модель CSG имеет значительно больший крутящий момент, чем предполагалось в нашем тесте.Форма имеет больший диаметр, чем длина, а вес значительно ниже, чем у других технологий, и приводит к лучшему соотношению крутящего момента к массе из проанализированных технологий. Действительно, характерное зацепление с несколькими зубьями обеспечивает большее сопротивление крутящему моменту, чем в PGT, что делает эту технологию очень подходящей для соединений, расположенных ближе к рабочему органу, где они часто встречаются в современных промышленных роботах.

Пиковый КПД ниже, чем у редукторов, и ближе к RG350, а КПД особенно чувствителен к условиям эксплуатации.Поезда Strain Wave демонстрируют большие потери, не зависящие от нагрузки, и пусковые моменты без нагрузки, особенно в условиях обратного движения, которые становятся особенно критическими для высоких скоростей и / или низких крутящих моментов (Harmonic Drive, 2014). Для роботизированных устройств HRI, подверженных частым изменениям скорости и полезной нагрузки в сочетании с обменом энергией между роботизированным устройством и пользователем, это означает, что средняя эффективность быстро падает ниже 40–50% (López-García et al., 2019b). Стоит также отметить их большой коэффициент скрытой мощности, указывающий на одновременное присутствие высоких крутящих моментов и скоростей в зацеплении зубьев, что также помогает объяснить относительно низкий КПД.

Еще раз, благодаря зацеплению с несколькими зубьями, можно достичь потерянных движений ниже 1 угловой минуты, что дает этому редуктору сильное преимущество, которое помогает гармоническим приводам находить широкое применение в промышленных роботах. Они смогли вытеснить PGT из многих приложений, особенно после значительного улучшения характеристик в результате новой геометрии зубьев, представленной этой компанией в 90-х годах, что также улучшило линейность их жесткости (Slatter, 2000).

Максимальная входная скорость раньше была сильным ограничением для использования редукторов HD (Schempf, 1990), но новые достижения и улучшения конструкции позволяют им теперь достигать 7500 об / мин.

Циклоидные приводы: для высокой прочности и жесткости на кручение

С момента своего изобретения Лоренцем Брареном в 1927 году (Li, 2014) циклоидные приводы нашли применение в основном в лодках, подъемных кранах и в некотором крупном оборудовании, таком как прокатные станы или станки с ЧПУ. В циклоидных приводах эксцентричное входное движение создает шаткое циклоидальное движение одиночного большого планетарного колеса, которое затем преобразуется обратно во вращение выходного вала и приводит к высокой редукционной способности (Gorla et al., 2008), см. Рисунок 5.

Рисунок 5 . Внутренняя конфигурация циклоидных приводов SUMITOMO Fine Cyclo F2C-A15 и Fine Cyclo F2C-T155, идентифицирующая их основные элементы, адаптирована из SUMITOMO (2017) с разрешения © Sumitomo Cyclo Drive Germany GmbH, 2017. Он также включает схему лежащих в основе топологий.

Таблица 3 включает лидера рынка (NABTESCO RV) в этом сегменте и основных претендентов (SPINEA и SUMITOMO). RV от NABTESCO и серия Fine-Cyclo T от SUMITOMO включают в себя обычную ступень PGT с предварительным зацеплением.Полезная нагрузка этих устройств больше, чем требуется для нашего теста, и приводит к большому весу. Это уже дает ценную информацию: более компактные решения недоступны на рынке и, согласно информации, предоставленной некоторыми производителями, менее интересны, поскольку для них потребуется высочайшая точность производства и, в конечном итоге, приведет к высоким затратам.

Таблица 3 . Схема оценки решений для циклоидных приводов.

Формы аналогичны коробкам передач с волновой деформацией, а по весу больше и ближе к весам PGT по вышеупомянутым причинам.Отношение крутящего момента к массе больше, чем у PGT, но немного ниже, чем у коробок передач с волновой деформацией. Основное преимущество циклоидных приводов заключается как раз в их способности выдерживать большие нагрузки и особенно ударные нагрузки, а также в минимальных требованиях к техническому обслуживанию.

Пиковый КПД выше, чем у редукторов с волновой деформацией, и ближе к КПД PGT, но КПД сильно зависит от условий эксплуатации (Михайлидис и др., 2014), и пусковые моменты холостого хода, и коэффициент скрытой мощности высоки. аналогично редукторам с волновой деформацией.

Хотя они, как правило, имеют некоторый люфт, который часто компенсируется в их конструкции для достижения уровней, сопоставимых с уровнями редукторов с волновой деформацией, вероятно, за счет немного более высокого трения. Их жесткость на кручение — самая большая из проанализированных технологий редукторов.

Циклоидные приводы

имеют неотъемлемое ограничение на работу с высокими входными скоростями, вызванное наличием большого и относительно тяжелого планетарного (кулачкового) колеса, что приводит к большим инерциям и дисбалансу.Это мотивирует использование, как правило, двух планетарных колес, расположенных последовательно и смещенных на 180 градусов друг к другу, для устранения дисбаланса, уменьшения вибраций и увеличения входной скорости. Это объясняет, как благодаря объединению циклоидных приводов со ступенями предварительного зацепления, состоящими из обычных ступеней PGT, циклоидные приводы получили широкое распространение в робототехнике. Такое расположение повышает эффективность, снижает чувствительность к высоким входным скоростям и обеспечивает легкую адаптацию их передаточных чисел.В 90-х годах гармонические приводы доминировали на рынке роботизированных коробок передач, но усовершенствования циклоидной технологии позволили циклоидным приводам начать покорять бездорожье, сначала в Японии, а затем в других местах (Rosenbauer, 1995). В настоящее время такие производители, как NABTESCO, SUMITOMO или NIDEC, предлагают циклоидные гибриды с интегрированным передаточным механизмом PGT, покрывающие более 60% рынка роботизированных коробок передач, и поэтому стали новой доминирующей технологией, особенно для проксимальных суставов, подверженных более высоким нагрузкам и меньшим ограничениям по весу (WinterGreen Исследования, 2018).

Наконец, стоит упомянуть наличие относительно большой пульсации крутящего момента, которая вносит нелинейности и усложняет их регулирование. Эта пульсация крутящего момента связана с необходимостью использования циклоидных профилей зубьев, чтобы избежать столкновения зубьев между большим планетарным колесом (-ами) и зубчатым венцом, что делает эти устройства чрезвычайно чувствительными к изменениям межцентрового расстояния, возникающим даже из-за небольших производственных ошибок. Существует несколько попыток улучшить эту ситуацию, используя эвольвентные зубья, менее чувствительные к изменениям межцентрового расстояния, с уменьшенными углами давления и / или коэффициентами контакта для минимизации радиальных сил и повышения эффективности (Морозуми, 1970), а также с использованием других форм нестандартных зубьев. -инволютные зубы (Коряков-Савойский и др., 1996; Хлебаня и Куловец, 2015).

Обзор новых технологий передачи для робототехники

Усилитель крутящего момента REFLEX

Genesis Robotics привлекла большое внимание в сообществе робототехники с появлением их двигателя с прямым приводом, LiveDrive ^© . Согласно Genesis, LiveDrive в двух доступных топологиях — радиальном и осевом потоках — обеспечивает сравнительные характеристики в соотношении крутящего момента к массе. Двигатель с осевым магнитным потоком может достигать 15 Нм / кг, в то время как радиальный поток ограничивается максимум 10 Нм / кг.

Чтобы расширить спектр применения, Genesis Robotics представила совместимую коробку передач под названием Reflex , показанную на рис. 6. Эта литая под давлением сверхлегкая пластиковая коробка передач предназначена для легких роботов, и хотя изначально она была разработана для совместной работы с LiveDrive. и поэтому он нацелен на передаточные числа ниже 1:30, он также способен обеспечивать передаточные числа до 1: 400 (GENESIS, 2018).

Рисунок 6 . Внутренняя конфигурация и основные элементы редуктора Reflex адаптированы из GENESIS Robotics (2020) с разрешения © 2019 Genesis Robotics.Он также включает схему базовой топологии.

В основе топологии лежит топология Wolfrom PGT с несколькими меньшими планетами (Klassen, 2019), в которой реактивное (стационарное) зубчатое колесо разделено на две части для балансировки в соответствии с конструкцией, первоначально предложенной Россманом (1934) и используемой в качестве хорошо в передаче Hi-Red Tomcyk (2000).

В редукторе Reflex выходное кольцо также разделено для облегчения сборки с косозубыми зубьями. Еще одним интересным аспектом этой конструкции является заклеенная лентой форма планет, которая, как подозревают авторы, связана с возможностью предварительной нагрузки системы для достижения нулевого люфта, который, как утверждает Genesis, возможен с этой коробкой передач.По заявлению компании, гибкость пластиковых планетарных колес также дает преимущество в уменьшении люфта.

К сожалению, пока недоступны независимые тесты, подтверждающие данные характеристики, и никаких официальных данных, особенно по эффективности, на данный момент от Genesis не имеется, поэтому в Таблицу 4 включено только значение Latent Power Ratio, вытекающее из его топологии.

Таблица 4 . Схема оценки новых технологий редукторов.

Таким образом, хотя лежащая в основе топология Wolfrom указывает на то, что эффективность, безусловно, будет сложной задачей, эта инновационная коробка передач демонстрирует большой потенциал для переосмысления существующих технологий и их адаптации к будущим потребностям робототехники. Genesis Robotics недавно вступила в интересное партнерство с известными промышленными компаниями, такими как Koch Industries Inc. и Demaurex AG.

Проезд Архимеда

IMSystems из Нидерландов является дочерним предприятием Делфтского технологического университета, созданным в 2016 году для использования изобретения Archimedes Drive (Schorsch, 2014).

Привод Архимеда снова повторяет топологию редуктора Wolfrom (также с разрезным реактивным зубчатым венцом в некоторых его конструкциях), но включает в себя революционное новшество в использовании роликов вместо зубчатых колес для замены зубчатых контактов контактами качения, см. Рис. 7. Контролируемая деформация планетарных роликов позволяет передавать крутящий момент между планетами аналогично колесам транспортного средства.

Рисунок 7 . Внутренняя конфигурация привода Архимеда с деталями, показывающими его планеты Flexroller, адаптирована из IMSystems (2019) с разрешения © 2019 Innovative Mechatronic Systems B.V. со схемой лежащей в основе топологии.

Характеристики, представленные в таблице 4, взятой из брошюры компании (IMSystems, 2019) и доступной по запросу, показывают, что использование топологии Wolfrom дает этому устройству возможность достигать очень высоких передаточных чисел в компактной форме, но это также приводит к низкой топологической эффективности. Согласно IMSystems, замена контакта зубьев шестерни на контакт качения способствует минимизации контактных потерь, которые, в частности, при передаче крутящего момента между планетарной передачей и кольцевыми роликами должны компенсировать высокое латентное соотношение мощности и приводить к максимальному КПД. около 80% (IMSystems, 2019).Никаких данных о пусковых моментах или потерях, не зависящих от нагрузки, не приводится.

Чтобы обеспечить передачу высокого крутящего момента без проскальзывания, необходимо строго контролировать деформацию роликов планетарного механизма, а также производственные допуски коробки передач. Это представляет собой одну из основных технологических проблем, и это ядро ​​инноваций, вносимых этой технологией (Schorsch, 2014).

NuGear

STAM s.r.l. — частная инженерная компания из Генуи, которая помогла разработать роботизированный сустав для гуманоидного робота I-Cub.Их NuGear — это нутационная коробка передач, которая изначально была задумана (Барбагелата и Корсини, 2000) для космических приложений, но могла бы развить свой потенциал для робототехники также за счет исследования альтернативных производственных средств.

Пока нет общедоступной информации о рабочих характеристиках этой коробки передач, что означает, что мы можем предоставить здесь только предварительный анализ ее топологии и результирующих характеристик, которых можно ожидать на основе ограниченной информации, доступной в основном из проекта Caxman EU ( CAxMan, 2020), для которого NuGear был вариантом использования, и из доступных патентов (Barbagelata et al., 2016).

На рисунке 8 внутренняя структура NuGear представлена ​​с использованием эквивалентной конфигурации PGT — для облегчения понимания абстрагируется аспект нутации. Таким образом становится ясно, что NuGear напоминает два PGT Wolfrom, для которых несущая используется в качестве входа, соединенных последовательно, и где каждый из них соответствует одному из двух этапов, определенных в Barbagelata et al. (2016). Это еще раз указывает на то, что в этой коробке передач будет присутствовать относительно высокий коэффициент скрытой мощности.Для передаточного числа 1: 100 и при условии сбалансированного усиления 1:10 на каждой из двух ступеней, как предложено в Barbagelata et al. (2016), мы получаем, используя уравнения, выведенные в Приложении I, коэффициент скрытой мощности 32, что указывает на топологическую эффективность, аналогичную таковой у Wolfrom PGT.

Рисунок 8 . Внутренняя конфигурация двухступенчатой ​​коробки передач NuGear для версии с оппозитными контактами планет адаптирована из CAxMan (2020) с разрешения © Stam S.r.l. Он также включает схему базовой топологии.

Еще предстоит подтвердить, в какой степени использование методов аддитивного производства может помочь STAM s.r.l. снизить большие затраты на производство конических зубчатых колес, а также определить, сможет ли операция нутации достичь достаточной надежности и более компактной формы, которые могут открыть дверь для ее использования в области робототехники (CAxMan, 2020).

Двусторонний привод

Компания FUJILAB в Иокогаме предложила в Fujimoto (2015) коробку передач с высокой степенью управляемости для робототехники, которая особенно подходит для работы без датчика крутящего момента (Kanai and Fujimoto, 2018).

Как видно на Рисунке 9, конфигурация этого устройства снова аналогична PGT Wolfrom. При такой топологии Fujimoto et al. смогли достичь при передаточном числе 1: 102 КПД при движении вперед 89,9% и КПД при движении задним ходом 89,2%. Пусковой крутящий момент без нагрузки в обратном направлении составил 0,016 Нм в коробке передач с внешним диаметром ~ 50 мм (Kanai and Fujimoto, 2018). Стратегия достижения такой высокой эффективности с топологией Wolfrom заключается в оптимизации коэффициентов сдвига профиля (Fujimoto and Kobuse, 2017).

Рисунок 9 . Внутренняя конфигурация двустороннего привода, высокоэффективной коробки передач, способной обеспечивать передаточное число 1: 102 с использованием топологии Wolfrom, любезно предоставлено © Yasutaka Fujimoto.

Эти многообещающие результаты — см. Таблицу 4 — показывают, что выравнивание соотношений подвода и углубления посредством оптимизации коэффициентов смещения профиля может привести к чрезвычайно высокой эффективности зацепления. Насколько известно авторам, эта стратегия была первоначально предложена Хори и Хаяши (1994) и особенно интересна в топологии Wolfrom, где она в конечном итоге может обеспечить эффективность выше 90% в сочетании с высокими передаточными числами и компактными топологиями.

Привод подшипника шестерни

Вслед за новаторской работой в этой области Джона М. Враниша из НАСА, результатом которой стало изобретение планетарной шестерни без водила во Вранише (1995) и подшипников с частичными зубьями (Враниш, 2006), NASA Goddard Space Центр управления полетами представил свою концепцию нового зубчатого подшипника в Вайнберге и др. (2008).

Северо-Восточный университет в Бостоне продолжил разработку этого нового привода для применения в роботизированных соединениях.Как видно на Рисунке 10, он включает в себя коробку передач Wolfrom, адаптированную для включения конструкции Vranish без опоры и зубчатых подшипников. Подшипники шестерен представляют собой контакты качения, которые предусмотрены для каждой пары зубчатых зацеплений в соответствии с их делительным диаметром и уменьшают нагрузку на подшипники коробки передач (Brassitos et al., 2013). Эта топология обеспечивает удобную интеграцию электромотора, который, следовательно, встроен в полую часть большого солнечного зубчатого колеса в конфигурации, специально предназначенной для космических приложений (Brassitos and Jalili, 2017).

Рисунок 10 . Внутренняя конфигурация зубчатого подшипника привода, включая встроенный бесщеточный двигатель, адаптирована из Brassitos and Jalili (2017) с разрешения © 2017 Американское общество инженеров-механиков ASME. Справа также показана лежащая в основе топология Wolfrom с расщепленным реакционным кольцом.

В Brassitos and Jalili (2018) металлический прототип привода с зубчатым подшипником с передаточным числом 1:40 характеризуется жесткостью, трением и кинематической погрешностью.Измерения полностью соответствуют показателям FUJILAB и подтверждают низкий пусковой момент без нагрузки в этой конфигурации (0,0165 Нм для внешнего диаметра коробки передач ~ 100 мм). После экспериментального измерения жесткости, трения и кинематической погрешности их привода (Brassitos and Jalili, 2018) интегрировали эти значения в динамическую модель, которая затем была смоделирована и сравнена с откликом скорости разомкнутого контура системы при свободном синусоидальном движении, показав хорошие результаты. корреляция и предлагает очень удобную высокую линейность передачи.

Предварительные измерения показали хороший комбинированный КПД двигателя и коробки передач Wolfrom с передаточным числом 1: 264 (Brassitos et al., 2013), что не очень хорошо коррелирует с рассчитанным скрытым коэффициентом мощности 196. КПД не был определен. снова в центре внимания недавних статей авторов, и мы, к сожалению, не смогли на данный момент подтвердить окончательные уровни эффективности, которых могут достичь новые прототипы.

В любом случае, привод с зубчатым подшипником дает очень интересные возможности для использования потенциала топологии Wolfrom в робототехнике.Возможность удаления несущего элемента и встраивания электродвигателя в коробку передач в общем корпусе позволяет получить впечатляюще компактные конструкции. Возможность использования продольных роликов зубчатых подшипников для уменьшения радиальной нагрузки на подшипники также является многообещающим вариантом для повышения компактности и повышения эффективности (Brassitos et al., 2019).

Галакси Драйв

Schreiber and Schmidt (2015) защищает основные инновации, включенные в Galaxie Drive, коробку передач, которую WITTENSTEIN в настоящее время выводит на рынок прецизионных коробок передач через свой стартап Wittenstein Galaxie GmbH, созданный в апреле 2020 года.

Хотя таблица данных и подробная информация еще не доступны, также раскрыты принцип работы и ожидаемая прибыль. Galaxie Drive представляет новый кинематический подход, основанный на линейном наведении одиночного зуба в зубчатом каркасе Teeth Carrier , но, по мнению этих авторов, его топология напоминает топологию деформационно-волнового механизма, см. Рис. 11. Гибкая линия заменена зубьями. Держатель, включающий два ряда отдельных зубцов, выполнен с возможностью радиального перемещения и зацепления с круговым шлицем в качестве вращающегося многоугольного вала выполняет роль генератора волн с многоугольным периметром (Schreiber and Röthlingshöfer, 2017).Следовательно, несколько отдельных зубьев входят в зацепление одновременно с круговым шлицем — так же, как в Harmonic Drive. По словам производителя, это вместе с двухточечным контактом с высокой устойчивостью к крутящему моменту между каждым отдельным зубом и зубчатым каркасом обеспечивает этому устройству характерный нулевой люфт, высокую жесткость на кручение и эталонное соотношение крутящего момента к весу.

Рисунок 11 . Деталь зацепления зубьев коробки передач Galaxy (R) DF адаптирована из Schreiber (2015) с разрешения © 2020 Wittenstein Galaxie GmbH.Он включает схему базовой топологии KHV.

В ходе прямого обмена мнениями представители Виттенштейна подтвердили, что очевидная проблема трения между отдельными зубьями и их направляющим круговым кольцом решена, и Galaxie может достичь максимальной эффективности выше 90%. Из-за лежащей в основе конфигурации KHV ожидаются большие коэффициенты скрытой мощности, но пока невозможно получить дальнейшее представление об эффективности зацепления, которая будет результатом радиального движения зубьев, которое включает новую логарифмическую спиральную боковую поверхность зуба (Мишель, 2015).

Первоначально привод Galaxie Drive предназначался для высокоточного оборудования, где высокая жесткость и сопротивление крутящему моменту могут помочь увеличить скорость и повысить производительность. В будущем мы, безусловно, сможем оценить потенциал этой инновационной технологии также для робототехнических приложений.

Обсуждение

Новое поколение робототехнических устройств меняет приоритеты в выборе подходящих коробок передач. Вместо высочайшей точности на высоких скоростях эти устройства предъявляют более строгие требования к легким и очень эффективным устройствам с механическим усилением.

Сверхлегкие приводы деформационных волн (HD, E-cyclo), безусловно, находятся в очень хорошем положении для удовлетворения этих потребностей, что подтверждается их нынешним доминированием в области коботов. При рассмотрении привода волны деформации для роботизированной задачи pHRI работа при низких крутящих моментах и ​​скоростях должна быть сведена к минимуму, если эффективность должна быть максимальной. Хотя их оптимизированная геометрия зубьев способствует более линейной жесткости на кручение, трение остается очень нелинейным и зависит от направления, вызывая также определенные ограничения использования.Храповик как следствие ударной нагрузки — еще одно ограничение, которое следует учитывать для этого типа редуктора, которое E-Cyclo не должен иметь (SUMITOMO, 2020).

Циклоидные приводы

прошли долгий путь, чтобы в конечном итоге стать доминирующей технологией в промышленных роботах. Благодаря технологическим достижениям, направленным на уменьшение люфта и ограничения скорости ввода, они теперь могут обеспечивать хорошую точность с приемлемой эффективностью, несмотря на высокие скрытые коэффициенты мощности, возникающие из-за базовой топологии KHV, эквивалентной топологии приводов с волновой деформацией.Использование ступени перед зацеплением также вносит важный вклад в достижение этой цели за счет повышения базовой топологической эффективности. Сверхлегкие конструкции, подобные конструкции SPINEA, демонстрируют интересный потенциал, но в конечном итоге потребуются более прорывные подходы, такие как пластиковые материалы, чтобы удовлетворить потребности в более легких коробках передач и более высоких передаточных числах, необходимых для HRI. Пока это не станет возможным, циклоидные приводы можно рассматривать только для больших полезных нагрузок, когда их больший вес и результирующая инерция не критичны для работы.Когда исключительная точность не требуется, можно избежать мер компенсации люфта в пользу повышения эффективности и более низких пусковых моментов. В любом случае следует позаботиться о том, чтобы адекватно управлять пульсацией крутящего момента, и, вероятно, необходимо будет остаться на этапе перед включением, чтобы обеспечить высокие скорости входного двигателя.

Невозможность планетарных редукторов уменьшить люфт при сохранении хорошей производительности и ограничения жесткости на кручение ограничили их использование в промышленной робототехнике. Тем не менее, PGT чрезвычайно универсальны, что демонстрирует их широкое использование во множестве современных промышленных устройств.И они изначально эффективны, надежны и относительно просты — дешевы — в производстве. Это может объяснить недавний интерес специалистов по робототехнике к PGT и почему пять из шести изученных здесь принципиально инновационных редукторов основаны на конфигурации PGT с высоким передаточным числом: топологии Wolfrom. Лучшая топологическая эффективность в сочетании с улучшением эффективности зацепления за счет модификации профиля или даже еще одного шага вперед по замене зубьев контактами качения являются многообещающими характеристиками. В сочетании с возможностями, открываемыми их полой топологией, эти элементы потенциально могут привести к возвращению PGT в робототехнику.

Наше исследование показывает, что большая универсальность технологий редукторов, используемых в робототехнике, представляет собой серьезную проблему для прямого сравнения их характеристик. Как показывают примеры люфта и максимальной входной скорости, адекватные модификации конструкции могут надлежащим образом компенсировать большинство исходных слабых мест определенной технологии за счет компромиссов в других аспектах, обычно включая эффективность, размер, вес и стоимость. Точно так же большие скрытые коэффициенты мощности указывают на существенный топологический недостаток с точки зрения эффективности, но он также может быть — по крайней мере частично — компенсирован соответствующими модификациями.Таким образом, обучающий эффект заключается в том, что выбор подходящей технологии редуктора для определенного применения pHRI является чрезвычайно сложным процессом, требующим глубокого понимания фундаментальных недостатков, возможностей улучшения и производных компромиссов каждой технологии. Наша первоначальная цель исследования — внести свой вклад в простую таблицу выбора, способную помочь неопытным робототехникам в выборе подходящих технологий редукторов для своих роботизированных устройств, поэтому не могла быть достигнута.Вместо этого в этой статье собраны и объясняются основные параметры выбора и связанные с ними проблемы в каждой из доступных технологий, с целью помочь инженерам-роботам pHRI развить необходимые навыки, необходимые для осознанного выбора подходящей, индивидуально оптимизированной коробки передач.

Два важных аспекта роботизированных редукторов для pHRI, к сожалению, не могут быть адекватно оценены в нашем исследовании на данном этапе: шум и стоимость. По мере того как робототехнические устройства становятся все ближе к людям, робототехники уделяют все больше внимания шуму.Редукторы, безусловно, представляют собой важный источник шума (переносимого воздухом и конструкцией), но, к сожалению, на данном этапе рекомендуется исключить шум из нашего анализа по двум основным ограничениям. Во-первых, большинство производителей редукторов еще не предоставляют количественных оценок шумовых характеристик, и когда они это делают, они, как правило, следуют другим методам испытаний, которые также не особенно подходят для рабочих условий в pHRI. Во-вторых, современные технологии коробок передач все еще должны пройти ожидаемый процесс оптимизации шума.

Стоимость также является важным параметром, делающим технологии pHRI более доступными, и поэтому становится важным при выборе подходящих редукторов для будущих робототехнических технологий. К сожалению, и здесь научному сообществу не доступна справочная информация для систематической справедливой оценки крупномасштабного экономического потенциала определенной технологии редукторов. Прежде чем можно будет определить подходящую основу для оценки этого потенциала, требуется большой объем исследовательской работы, которая явно выходит за рамки нашего исследования.

Эти два ограничения очерчивают основные рекомендации авторов по интересным направлениям будущих исследований. Определение стандартных условий испытаний на воздушный и конструктивный шум в коробках передач, особенно адаптированных к типичным условиям эксплуатации и потребности в pHRI, могло бы позволить прямое сравнение различных технологий и способствовать их оптимизации шума. Кроме того, составление доступных моделей затрат для производственных процессов, связанных с изготовлением редукторов, и их адаптация к специфике конкретных технологий, используемых в робототехнике, позволит составить основу для оценки потенциала крупномасштабных затрат (и препятствий) разные технологии.

Авторские взносы

Все авторы принимали участие в предварительной работе, связанной с этой темой исследования, и внесли свой вклад в концептуализацию структуры, представленной в рукописи. PG работала над созданием подходящей системы оценки для выполнения анализа коробки передач и взяла на себя инициативу в написании рукописи и преобразовании ее в ее текущую форму. PG и ES в равной степени внесли свой вклад в определение потенциально подходящих технологий и их анализ с помощью фреймворка.Все корректуры авторов прочитали и внесли свой вклад в окончательную версию статьи.

Финансирование

SC, ES (доктор философии) и TV (доктор наук) являются научными сотрудниками Исследовательского фонда Фландрии — Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek (FWO). Эта работа частично финансируется Программой исследований и инноваций Европейского Союза Horizon 2020 в рамках Соглашения о гранте № 687662 — проект SPEXOR.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить профессора Ясутака Фудзимото из Йокогамского национального университета, а также компании Neugart GmbH, Harmonic Drive SE, Sumitomo Drive Germany GmbH, Genesis Robotics, Innovative Mechatronic Systems B.V., Stam s.r.l. и Wittenstein Galaxy GmbH за любезную поддержку и полученные объяснения, а также за разрешение использовать прилагаемые изображения их устройств.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https: // www.frontiersin.org/articles/10.3389/frobt.2020.00103/full#supplementary-material

Список литературы

Альбу-Шеффер, А., Эйбергер, О., Гребенштейн, М., Хаддадин, С., Отт, К., Вимбок, Т. и др. (2008). Мягкая робототехника. Робот IEEE. Автомат. Mag. 15, 20–30. DOI: 10.1109 / MRA.2008.927979

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Arigoni, R., Cognigni, E., Musolesi, M., Gorla, C., and Concli, F. (2010). «Планетарные редукторы: эффективность, люфт, жесткость» в Международной конференции VDI по зубчатым колесам (Мюнхен).

Google Scholar

Арнаудов, К., Караиванов, Д. (2005). «Планетарные зубчатые передачи с высшим составом» в Международная конференция VDI по зубчатым колесам , Vol. 1904 (Мюнхен: VDI-Bericht), 327–344.

Барбагелата А. и Корсини Р. (2000). Riduttore Ingranaggi Conici Basculanti . Патент Италии № IT SV20000049A1. Рим: Ufficio Italiano Brevetti e Marchi.

Барбагелата А., Эллеро С. и Ландо Р. (2016). Планетарный редуктор .Европейский патент № EP2975296A2. Мюнхен: Европейское патентное ведомство.

Брасситос, Э., Джалили Н. (2017). Проектирование и разработка компактного высокомоментного роботизированного привода для космических механизмов. J. Mech. Робот. 9, 061002-1–061002-11. DOI: 10.1115 / 1.4037567

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Брасситос, Э., Джалили Н. (2018). «Определение характеристик жесткости, трения и кинематической погрешности в трансмиссиях с зубчатыми подшипниками», в ASME 2018 International Design Engineering Technical Conference и Computers and Information in Engineering Conference (Квебек: цифровая коллекция Американского общества инженеров-механиков).DOI: 10.1115 / DETC2018-85647

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Brassitos, E., Mavroidis, C., and Weinberg, B. (2013). «Зубчатый подшипниковый привод: новый компактный привод для роботизированных шарниров», в ASME 2013 Международная техническая конференция по проектированию и Компьютеры и информация в инженерной конференции (Портленд, Орегон: цифровая коллекция Американского общества инженеров-механиков). DOI: 10.1115 / DETC2013-13461

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Брасситос, Э., Вайнберг, Б., Цинчао, К., и Мавроидис, К. (2019). Контактная система изогнутого подшипника . Патент США № US10174810B2. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

Каланка, А., Мурадор, Р., Фиорини, П. (2015). Обзор алгоритмов совместимого управления жесткими и фиксированными роботами. IEEE / ASME Trans. Мех. 21, 613–624. DOI: 10.1109 / TMECH.2015.2465849

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Карбоне, Г., Mangialardi, L., и Mantriota, G. (2004). Сравнение характеристик полнотороидальных и полутороидальных тяговых приводов. мех. Мах. Теория 39, 921–942. DOI: 10.1016 / j.mechmachtheory.2004.04.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Cetinkunt, S. (1991). Проблемы оптимального проектирования в высокоскоростных высокоточных сервосистемах движения. Мехатроника 1, 187–201. DOI: 10.1016 / 0957-4158 (91)

-A

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен, К.и Анхелес Дж. (2006). Потери виртуальной мощности и механические потери мощности в зубчатых зацеплениях планетарных зубчатых передач. ASME J. Mech. Des. 129, 107–113. DOI: 10.1115 / 1.2359473

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен, Д. З., и Цай, Л. В. (1993). Кинематический и динамический синтез редукторных робототехнических механизмов. J. Mech. Des. 115, 241–246. DOI: 10.1115 / 1.2919183

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Crispel, S., López-García, P., Verstraten, T., Convens, B., Saerens, E., Vanderborght, B., and Lefeber, D. (2018). «Представляем составные планетарные передачи (C-PGT): компактный способ достижения высоких передаточных чисел для носимых роботов», на Международном симпозиуме по носимой робототехнике (Пиза), 485–489. DOI: 10.1007 / 978-3-030-01887-0_94

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Де Сантис А., Сицилиано Б., Де Лука А. и Бикки А. (2008). Атлас физического взаимодействия человека и робота. мех.Мах. Теория 43, 253–270. DOI: 10.1016 / j.mechmachtheory.2007.03.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дель Кастильо, Дж. М. (2002). Аналитическое выражение КПД планетарных зубчатых передач. мех. Мах. Теория 37, 197–214. DOI: 10.1016 / S0094-114X (01) 00077-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дрессчер, Д., де Врис, Т. Дж., И Страмиджоли, С. (2016). «Выбор мотор-редуктора для повышения энергоэффективности», в Международная конференция IEEE 2016 по усовершенствованной интеллектуальной мехатронике (AIM) (Банф, AB: IEEE), 669–675.DOI: 10.1109 / AIM.2016.7576845

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фудзимото, Ю. (2015). Эпициклический зубчатый привод и метод его проектирования . Патент Японии № JP2015164100. Токио: Патентное ведомство Японии.

Fujimoto, Y., and Kobuse, D. (2017). «Роботизированные приводы с высокой степенью управляемости», на международном семинаре IEEJ по обнаружению, срабатыванию, управлению движением и оптимизации (SAMCON) (Нагаока), IS2–1.

GAM (2020 г.). GSL Трансмиссионный редуктор .Каталог.

GENESIS (2018). Усилитель крутящего момента Reflex — движущая сила будущего . Tech Update Общайтесь.

Гиберти Х., Чинквемани С. и Леньяни Г. (2010). Влияние механических характеристик трансмиссии на выбор мотор-редуктора. Мехатроника 20, 604–610. DOI: 10.1016 / j.mechatronics.2010.06.006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Жирар, А., Асада, Х. Х. (2017). Использование естественной динамики нагрузки с приводами с регулируемым передаточным числом. Робот IEEE. Автомат. Lett. 2, 741–748. DOI: 10.1109 / LRA.2017.2651946

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Горла К., Даволи П., Роза Ф., Лонгони К., Чиоцци Ф. и Самарани А. (2008). Теоретический и экспериментальный анализ циклоидного редуктора скорости. J. Mech. Des. 130: 112604. DOI: 10.1115 / 1.2978342

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Groothuis, S. S., Folkertsma, G.A., и Stramigioli, S. (2018). Общий подход к достижению стабильности и безопасного поведения в распределенных роботизированных архитектурах. Фронт. Робот. AI 5: 108. DOI: 10.3389 / frobt.2018.00108

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хаддадин, С., Альбу-Шеффер, А., и Хирцингер, Г. (2009). Требования к безопасным роботам: измерения, анализ и новые идеи. Внутр. J. Робот. Res , 28, 1507–1527. DOI: 10.1177 / 0278364

3970

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хаддадин, С., Крофт, Э. (2016). «Физическое взаимодействие человека и робота», в Springer Handbook of Robotics (Cham: Springer), 1835–1874.DOI: 10.1007 / 978-3-319-32552-1_69

CrossRef Полный текст | Google Scholar

HALODI Robotics (2018). ДВИГАТЕЛЬ с прямым приводом Revo1 ™ [Брошюра], Moss. Доступно в Интернете по адресу: https://www.halodi.com/revo1 (по состоянию на 30 апреля 2020 г.).

Хэм, Р. В., Шугар, Т. Г., Вандерборг, Б., Холландер, К. В., и Лефебер, Д. (2009). Соответствующие конструкции приводов. Робот IEEE. Автомат. Mag. 16, 81–94. DOI: 10.1109 / MRA.2009.933629

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гармонический привод A.G. (2014) Технические данные Наборы компонентов CSD-2A . Каталог.

Хлебаня Г., Куловец С. (2015). «Разработка плоскоцентрической коробки передач на основе геометрии S-образной шестерни», в 11. Kolloquium Getriebetechnik (Мюнхен), 205–216.

Google Scholar

Хоган, Н. (1984). «Контроль импеданса: подход к манипуляции», в 1984 American Control Conference (Сан-Диего, Калифорния: IEEE), 304–313. DOI: 10.23919 / ACC.1984.4788393

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хори, К., и Hayashi, I. (1994). Максимальный КПД обычных механических планетарных шестерен парадокса для редуктора. Пер. Jpn. Soc. Мех. Англ. 60, 3940–3947. DOI: 10.1299 / kikaic.60.3940

CrossRef Полный текст

Хантер И. В., Холлербах Дж. М. и Баллантайн Дж. (1991). Сравнительный анализ актуаторных технологий для робототехники. Робот. Ред. 2, 299–342.

Google Scholar

IMSystems (2019). проезд Архимеда.IMSystems — Drive Innovation [Брошюра], Делфт.

Икбал, Дж., Цагаракис, Н. Г., и Колдуэлл, Д. Г. (2011). «Разработка носимого оптимизированного экзоскелета руки с прямым приводом», на Международной конференции по достижениям в области взаимодействия компьютера и человека (ACHI) (Гозье).

PubMed Аннотация | Google Scholar

Канаи Ю., Фудзимото Ю. (2018). «Бессенсорное управление крутящим моментом для экзоскелета с приводом с использованием приводов с высокой степенью обратного привода», на IECON 2018–44-й ежегодной конференции Общества промышленной электроники IEEE (Вашингтон, округ Колумбия: IEEE), 5116–5121.DOI: 10.1109 / IECON.2018.85

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Капелевич А. и ООО «AKGears» (2013). Анализ планетарных передач с высоким передаточным числом. Передаточное отношение 3, 10.

Google Scholar

Караяннидис Ю., Друкас Л., Папагеоргиу Д. и Доулжери З. (2015). Управление роботом для выполнения задач и повышения безопасности при ударах. Фронт. Робот. AI 2:34. DOI: 10.3389 / frobt.2015.00034

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кашири, Н., Abate, A., Abram, S.J., Albu-Schaffer, A., Clary, P.J., Daley, M., et al. (2018). Обзор принципов энергоэффективного передвижения роботов. Фронт. Робот. AI 5: 129. DOI: 10.3389 / frobt.2018.00129

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким, Дж., Парк, Ф. К., Парк, Ю., и Шизуо, М. (2002). Проектирование и анализ сферической бесступенчатой ​​трансмиссии. J. Mech. Des . 124, 21–29. DOI: 10.1115 / 1.1436487

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Классен, Дж.Б. (2019). Дифференциальная планетарная коробка передач . Международный патент № WO2019 / 051614A1. Женева: Всемирная организация интеллектуальной собственности, Международное бюро.

Google Scholar

Коряков-Савойский Б., Алексахин И., Власов И. П. (1996). Зубчатая передача . Патент США № US5505668A. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

Ли С. (2014). «Новейшие технологии проектирования зубчатых передач с большими передаточными числами», в материалах Proceedings of International Gear Conference (Lyon), 427–436.DOI: 10.1533 / 9781782421955.427

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Луман, Дж. (1996). Zahnradgetriebe (Зубчатые механизмы) . Берлин: Springer-Verlag. DOI: 10.1007 / 978-3-540-89460-5

CrossRef Полный текст

Лопес-Гарсия, П., Криспель, С., Верстратен, Т., Сэренс, Э., Конвенс, Б., Вандерборгт, Б., и Лефебер, Д. (2018). «Конструкция планетарного редуктора для активной носимой робототехники, основанная на анализе видов отказов и последствий (FMEA)», в International Symposium on Wearable Robotics (Pisa), 460–464.DOI: 10.1007 / 978-3-030-01887-0_89

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лопес-Гарсия, П., Криспель, С., Верстратен, Т., Сэренс, Э., Вандерборгт, Б., и Лефебер, Д. (2019a). «Редукторы Wolfrom для легкой робототехники, ориентированной на человека», в материалах Proceedings of the International Conference on Gears 2019 (Мюнхен: VDI), 753–764.

Лопес-Гарсия, П., Криспель, С., Верстратен, Т., Сэренс, Э., Вандерборгт, Б., и Лефебер, Д. (2019b). «Настройка планетарных зубчатых передач для поддержки и воспроизведения конечностей человека», в MATEC Web of Conferences (Варна: EDP Sciences), 01014.DOI: 10.1051 / matecconf / 201928701014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лафлин, К., Альбу-Шеффер, А., Хаддадин, С., Отт, К., Стеммер, А., Вимбек, Т., и Хирцингер, Г. (2007). Легкий робот DLR: концепции проектирования и управления роботами в среде обитания человека. Ind. Робот. Int. J . 34, 376–385. DOI: 10.1108 / 01439

0774386

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Макмиллан Р. Х. и Дэвис П. Б. (1965). Аналитическое исследование систем раздвоенной передачи энергии. J. Mech. Англ. Sci . 7, 40–47. DOI: 10.1243 / JMES_JOUR_1965_007_009_02

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Mayr, C. (1989). Präzisions-Getriebe für die Automation: Grundlagen und Anwendungsbeispiele . Ландсберг: Verlag Moderne Industrie.

Мишель С. (2015). Logarithmische spirale statt evolvente. Maschinenmarkt № . 18, 40–42.

Михайлидис А., Афанасопулос Э. и Оккас Э. (2014). «Эффективность циклоидного редуктора», в International Gear Conference (Lyon Villeurbanne), 794–803.DOI: 10.1533 / 9781782421955.794

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Морозуми, М. (1970). Эвольвентное внутреннее зацепление со смещением профиля . Патент США № US3546972A. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

Мюллер, Х. В. (1998). Die Umlaufgetriebe: Auslegung und vielseitige Anwendungen . Берлин; Гейдельберг: Springer-Verlag. DOI: 10.1007 / 978-3-642-58725-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мульцер, Ф.(2010). Systematik hoch übersetzender koaxialer getriebe (Докторская диссертация). Технический университет Мюнхена, Мюнхен, Германия.

Google Scholar

Musser, C. W. (1955). Деформационно-волновая передача . Патент США № US2

3A. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

НАБТЕКО (2018). Прецизионный редуктор серии RV — N . CAT.180410. Каталог.

Нойгарт, А. Г. (2020). PLE Линия эконом-класса .Каталог.

Ниманн Г., Винтер Х. и Хён Б. Р. (1975). Maschinenelemente, Vol. 1 . Берлин; Гейдельберг; Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Спрингер.

Google Scholar

Pasch, K. A., and Seering, W. P. (1983). «О приводных системах для высокопроизводительных машин», в Машиностроение (Нью-Йорк, Нью-Йорк: Машиностроение Общества ASME-AMER), 107–107.

Pennestri, E., and Freudenstein, F. (1993). Механический КПД планетарных зубчатых передач. ASME J. Mech. Des . 115, 645–651. DOI: 10.1115 / 1.2919239

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Петтерссон, М., и Олвандер, Дж. (2009). Оптимизация трансмиссии промышленных роботов. IEEE Trans. Робот. 25, 1419–1424. DOI: 10.1109 / TRO.2009.2028764

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фам, А. Д., и Ан, Х. Дж. (2018). Прецизионные редукторы для промышленных роботов, участвующих в четвертой промышленной революции: современное состояние, анализ, дизайн, оценка производительности и перспективы. Внутр. J. Precis. Англ. Manuf. Green Technol. 5, 519–533. DOI: 10.1007 / s40684-018-0058-x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Резазаде, С., Херст, Дж. У. (2014). «Об оптимальном выборе двигателей и трансмиссий для электромеханических и робототехнических систем», в Международная конференция IEEE / RSJ 2014 по интеллектуальным роботам и системам (Чикаго, Иллинойс: IEEE), 4605–4611. DOI: 10.1109 / IROS.2014.6943215

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Роос, Ф., Йоханссон, Х., Викандер, Дж. (2006). Оптимальный выбор двигателя и редуктора для мехатронных приложений. Мехатроника 16, 63–72. DOI: 10.1016 / j.mechatronics.2005.08.001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Розенбауэр Т. (1995). Getriebe für Industrieroboter: Beurteilungskriterien . Kenndaten, Einsatzhinweise: шейкер.

Россман, А. М. (1934). Механический механизм . Патент США № US 1970251. Вашингтон, округ Колумбия: У.S. Ведомство по патентам и товарным знакам.

Google Scholar

Saerens, E., Crispel, S., García, P.L., Verstraten, T., Ducastel, V., Vanderborght, B., and Lefeber, D. (2019). Законы масштабирования для роботизированных трансмиссий. мех. Мах. Теория 140, 601–621. DOI: 10.1016 / j.mechmachtheory.2019.06.027

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шафер, И., Бурлье, П., Хантшак, Ф., Робертс, Э. У., Льюис, С. Д., Форстер, Д. Дж., И Джон, К. (2005). «Космическая смазка и характеристики шестерен гармонического привода», в 11-м Европейском симпозиуме по космическим механизмам и трибологии, ESMATS 2005 (Люцерн), 65–72.

Google Scholar

Шейнман, В., Маккарти, Дж. М., и Сонг, Дж. Б. (2016). «Механизм и приведение в действие», в Springer Handbook of Robotics (Cham: Springer), 67–90. DOI: 10.1007 / 978-3-319-32552-1_4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шемпф, Х. (1990). Сравнительное проектирование, моделирование и анализ управления роботизированными трансмиссиями (кандидатская диссертация). № WHOI-90-43. Кафедра машиностроения и Океанографический институт Вудс-Холла, Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс, США.DOI: 10.1575 / 1912/5431

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шемпф, Х. и Йоргер, Д. Р. (1993). Изучение доминирующих рабочих характеристик в трансмиссиях роботов. ASME J. Mech. Des. 115, 472–482. DOI: 10.1115 / 1.2919214

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шорш, Дж. Ф. (2014). Составной планетарный привод трения . Патент Нидерландов № 2013496. Де Хааг: Octrooicentrum Nederland.

Google Scholar

Шрайбер, Х.(2015). «Revolutionäres getriebeprinzip durch neuinterpretation von maschinenelementen — Die WITTENSTEIN Galaxie®-Kinematik», в Dresdner Maschinenelemente Kolloquium, DMK (Дрезден), 2015. S.

Шрайбер, Х., Рётлингсхёфер, Т. (2017). «Кинематическая классификация коробки передач с отдельными упорными зубьями и ее преимущества по сравнению с существующими подходами», в Международной конференции по зубчатым колесам , ICG (Мюнхен).

Шрайбер, Х., и Шмидт, М.(2015). Getriebe. Патент Германии № DE 10 2015 105 525 A1. Мюнхен: Deutsches Patent- und Markenamt.

Google Scholar

Сенсинджер, Дж. У. (2010). «Выбор двигателей для роботов с использованием биомиметических траекторий: оптимальные критерии, обмотки и другие соображения», в Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации, 2010 г., (Анкоридж, AK: IEEE), 4175–4181. DOI: 10.1109 / ROBOT.2010.5509620

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сенсингер, Дж.W. (2013). КПД высокочувствительных зубчатых передач, таких как циклоидные передачи. ASME J. Mech. Des. 135, 071006-1–071006-9. DOI: 10.1115 / 1.4024370

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сенсинджер, Дж. У., Кларк, С. Д., Шорш, Дж. Ф. (2011). «Внешний и внутренний роторы в роботизированных бесщеточных двигателях», Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации, 2011 г. (Монреаль, Квебек, IEEE), 2764–2770. DOI: 10.1109 / ICRA.2011.5979940

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сеок, С., Wang, A., Chuah, M. Y. M., Hyun, D. J., Lee, J., Otten, D. M., et al. (2014). Принципы разработки энергоэффективного передвижения на ногах и их реализация на роботе-гепарде Массачусетского технологического института. IEEE / ASME Trans. Мех. 20, 1117–1129. DOI: 10.1109 / TMECH.2014.2339013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сицилиано Б., Шавикко Л., Виллани Л. и Ориоло Г. (2010). Робототехника: моделирование, планирование и управление . Лондон: Springer Science and Business Media. DOI: 10.1007 / 978-1-84628-642-1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Слэттер Р. (2000). Weiterentwicklung eines Präzisionsgetriebes für die Robotik . Санкт-Леонард: Antriebstechnik.

Google Scholar

SPINEA (2017). TwinSpin — высокоточные редукторы — Präzisionsgetriebe . Каталог.

Страмиджоли, С., Ван Оорт, Г., и Дертьен, Э. (2008). «Концепция нового энергоэффективного привода», Международная конференция IEEE / ASME 2008 г. по передовой интеллектуальной мехатронике (Сиань: IEEE), 671–675.DOI: 10.1109 / AIM.2008.4601740

CrossRef Полный текст | Google Scholar

СУМИТОМО (2017). Fine Cyclo® Spielfreie Präzisionsgetriebe . Каталог 9 DE 02/2017.

СУМИТОМО (2020). Приводы управления движением E-Cyclo®. Каталог F10001E-1.

Талбот Д., Кахраман А. (2014). «Методика прогнозирования потерь мощности планетарных передач», в International Gear Conference (Lyon-Villeurbanne), 26–28. DOI: 10.1533 / 9781782421955.625

CrossRef Полный текст

Томчик, Х. (2000). Регулирующее устройство с планетарной передачей . Европейский патент № EP1244880B1. Мюнхен: Европейское патентное ведомство.

Google Scholar

Toxiri, S., Näf, M. B., Lazzaroni, M., Fernández, J., Sposito, M., Poliero, T., et al. (2019). «Экзоскелеты с опорой на спину для профессионального использования: обзор технологических достижений и тенденций», в IISE Trans. Ок. Эргон. Гм. Факторы 7, 3–4, 237–249.DOI: 10.1080 / 24725838.2019.1626303

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван де Стрете, Х. Дж., Дегезель П., Де Шуттер Дж. И Бельманс Р. Дж. (1998). Критерий выбора серводвигателя для мехатронных приложений. IEEE / ASME Trans. Мех. 3, 43–50. DOI: 10.1109 / 3516.662867

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вел, А. Дж., И Се, С. К. (2016). На пути к совместимым и пригодным для носки роботизированным ортезу: обзор текущих и новых актуаторных технологий. Med. Англ. Phys. 38, 317–325. DOI: 10.1016 / j.medengphy.2016.01.010

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Verstraten, T., Furnémont, R., Mathijssen, G., Vanderborght, B., and Lefeber, D. (2016). «Энергопотребление мотор-редукторов постоянного тока в динамических приложениях: сравнение подходов к моделированию» в IEEE Robot. Автомат. Lett. 1, 524–530. DOI: 10.1109 / LRA.2016.2517820

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Враниш, Дж.М. (1995). Планетарный привод без несущей и против люфта . Патент США № US5409431. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

Враниш, Дж. М. (2006). Подшипники частичных зубчатых передач . Патент США № US2006 / 0219039A1. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

Ван, А., Ким, С. (2015). «Направленная эффективность в редукторных трансмиссиях: характеристика обратного движения в сторону улучшенного проприоцептивного контроля», в IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2015 г., (Сиэтл, Вашингтон: IEEE), 1055–1062.DOI: 10.1109 / ICRA.2015.7139307

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вайнберг, Б., Мавроидис, К., и Враниш, Дж. М. (2008). Привод подшипника шестерни . Патент США № US2008 / 0045374A1. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

WinterGreen Research (2018). Прецизионные редукторы с волновыми редукторами и редукторы RV и RD: доли рынка, стратегия и прогнозы, во всем мире, с 2018 по 2024 годы . WIN0418002.

WITTENSTEIN AG (2020 г.). Technische Broschüre SP + und TP + Getrieben. Каталог.

Вольф, А. (1958). Die Grundgesetze der Umlaufgetriebe . Брауншвейг: Фридр. Vieweg и Sohn.

Вольфром, У. (1912). Der Wirkungsgrad von Planetenrädergetrieben. Werkstattstechnik 6, 615–617.

Ю. Д. и Бичли Н. (1985). О механическом КПД дифференциала. ASME J. Mech. Пер. Автомат. 107, 61–67.DOI: 10.1115 / 1.3258696

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Зинн М., Рот Б., Хатиб О. и Солсбери Дж. К. (2004). Новый подход к срабатыванию для создания роботов, удобных для человека. Внутр. J. Робот. Res. 23, 379–398. DOI: 10.1177 / 0278364

2193

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Станок для производства коробок передач — Современные автомобили

Нагревая аккумуляторы электромобилей (EV) и управляя их использованием в ситуациях с высоким и низким спросом, исследователи из Пенсильванского университета разработали энергоемкие и безопасные накопители энергии.

Иллюстрация Дженнифер Макканн, Penn State

Массивные батареи, необходимые для питания электромобилей (EV), как правило, имеют компромисс между безопасностью и плотностью энергии. Чем больше энергии упаковано в элементы, тем выше вероятность теплового разгона, — заявляют разработчики транспортных средств в пользу аккумуляторов, которые воспламеняются.

Исследователи из Центра технологий аккумуляторов и накопления энергии (BEST) Пенсильванского университета считают, что у них есть решение — литий-ионная батарея, которая может безопасно сохранять высокий уровень мощности на протяжении 1 миллиона миль в пути.

Для энергичного вождения, подъема по холмам или просто выезда на улицу аккумуляторные батареи должны обеспечивать высокую энергию. Однако чем быстрее вы потребляете энергию от традиционного литий-ионного элемента, тем больше тепла вырабатывается в аккумуляторе, вызывая повреждения, которые могут привести к сбоям, пожарам и взрывам. Материалы с низкой плотностью энергии / мощности — высокой безопасностью — обычно плохо работают в автомобилях. Нет материала, который бы удовлетворял обоих.

«В этой работе мы решили, что будем использовать совершенно другой подход», — говорит Чао-Ян Ван, профессор механики, химии, материаловедения и инженерии, и Уильям Э.Дифендерфер Кафедра машиностроения, штат Пенсильвания. «Мы разделили нашу стратегию на два этапа. Сначала мы хотели создать высокостабильную батарею из высокопрочных материалов ».

Вторым шагом было введение мгновенного нагрева. Около четырех лет назад Ван разработал самонагревающуюся батарею, чтобы решить проблему низкой производительности в холодном климате. Закон кинетики гласит, что реакционная способность экспоненциально увеличивается с температурой. Водители электромобилей и гибридных автомобилей могут сказать вам, что запас хода и производительность резко падают в холодные месяцы из-за низкой реактивности.

В тестовой батарее используется электрический ток для нагрева за секунды по сравнению с часами, необходимыми для внешнего нагревателя. Нагревание аккумулятора от комнатной температуры до примерно 140 ° F (60 ° C) значительно увеличивает реактивность и производительность аккумулятора.

«С помощью этих двух шагов я могу добиться высокой безопасности, когда аккумулятор не используется, и высокой мощности, когда он используется», — говорит Ван.

Самонагревающаяся батарея, называемая климатической батареей, была принята на вооружение несколькими автомобильными компаниями, включая BMW, и была выбрана для питания парка из 10 000 автомобилей, которые будут использоваться для перевозки людей между объектами на следующих зимних Олимпийских играх. в Пекине.

Research

Статья « Новый подход к безопасности и высокой производительности литий-ионных батарей » опубликована в журнале Science Advances . Соавторами Вана являются доценты-исследователи Шанхай Ге, Юнцзюнь Ленг и Сяо-Гуан Ян, а также докторанты Тэн Лю, Райан Лунчампс, Юэ Гао и Дайвэй Ван. Дунхай Ван, профессор машиностроения и химического машиностроения, Penn State, также принял участие.

Центр BEST проверяет безопасность батареи с помощью оборудования для забивания гвоздей.Они забивают гвоздь в ячейку, вызывая короткое замыкание. Затем они контролируют ячейку на предмет температуры и напряжения. Разница в температуре пассивированного элемента самонагревающейся батареи составляла 212 ° F (100 ° C) по сравнению со стандартным аккумуляторным элементом, который составлял 1832 ° F (1000 ° C).

Поскольку в аккумуляторах используются стабильные материалы, они имеют длительный срок службы. Даже нагретые до 140 ° F, они могут выдержать более 4000 циклов заряда-разряда, дальность действия более 1 миллиона миль.

Следующим проектом команды будет разработка твердотельной батареи, которая, вероятно, также потребует нагрева.

Министерство энергетики финансировало эту работу.

Penn State Battery and Energy Storage Technology (BEST) Center https://best.psu.edu

Высокоточный редуктор для робототехники от Melior Motion

Прецизионные редукторы с низким люфтом:

Узлы PSC-V / H-E серии meliormotion®

Melior Motion предлагает высокоточные редукторы, которые при люфте ≤ 0,1 угл. Мин. Считаются беззазорными. Благодаря нашему запатентованному решению для регулирования износа мы гарантируем, что он не изменится в течение всего срока службы.

Прецизионные редукторы с низким люфтом — эффективные и надежные

Большую безопасность для вашего применения обеспечивают редукторы с низким люфтом, благодаря высокой мощности, ускорению и моментам аварийной остановки. Наша серия коробок передач отличается исключительно высокой жесткостью на опрокидывание и скручивание. Это обеспечивает точное позиционирование прямо к точке.

Редукторы и элементы привода

Наши прецизионные редукторы с низким люфтом достигают особенно высокого уровня производительности благодаря одновременному включению нескольких зубьев (солнечная шестерня, планетарная шестерня и коронная шестерня).КПД> 90% и чрезвычайно низкий момент отрыва обеспечивают выдающуюся энергоэффективность. Благодаря высокому КПД температура трансмиссии остается постоянно низкой, что продлевает срок службы сальников, компонентов трансмиссии и смазки.

Результат — впечатляющий срок службы — 20 000 часов. Это намного больше, чем возможно с другими конструкциями прецизионных редукторов, и это было подтверждено многочисленными испытаниями.

В то же время уникальная конструкция нашего прецизионного редуктора с низким люфтом обеспечивает чрезвычайно тихую работу.Таким образом снижается уровень шума в рабочей среде.

Не только тихие, но и точные, узлы эффективно работают даже при низком крутящем моменте, что позволяет точно контролировать небольшие движения.

Редукторы с полым валом для прокладки кабеля

Полые валы диаметром до 75 мм позволяют, например, прокладывать линии передачи данных или питания.

Конструкция зубчатой ​​передачи наших продуктов позволяет использовать стандартные трансмиссионные масла, а также подходит для использования со смазкой, совместимой с пищевыми продуктами.
Подузлы PSC-V / H-E также подходят в качестве высокоточных редукторов с выходным фланцем для ваших узкоспециализированных применений.

• Диапазон крутящего момента 400 — 4500 Нм
• Наружный диаметр 180-329 мм
• Диапазон соотношений: 35: 1 — 200: 1

Подузлы PSC-V / H-E

Интегрированная конструкция

Применение подузлов PSC обычно используется в робототехнике, где соединение с двигателем может быть включено в конструкцию манипулятора робота для оптимизации пространства и затрат.
Другие области применения этого варианта конструкции можно найти в автоматизации, станках, полиграфии, упаковочных машинах, поворотных столах, медицинской технике и т. Д.

Редуктор для роботов-манипуляторов | Продукты и поставщики

Оценка инерции и трения сервопривода с регулируемой скоростью с использованием измерений положения

Возможное применение SSRM включает идентификацию параметров промышленного робота-манипулятора. уляторов с редукторами и последовательными упругими приводами. используется в экзоскелетах.

Анализ характеристик крутящего момента ультразвукового двигателя типа бегущей волны при высоком крутящем моменте нагрузки в диапазоне низких скоростей

Когда в роботах-манипуляторах установлен двигатель, для поддерживать высокий крутящий момент на низкой скорости.

Конструктивные элементы машиностроения 2

Типичной областью применения таких веломеханизмов и манипуляторов Harmonic являются приводные механизмы роботов и мотор-редукторы.

Inderscience Publishers — связь академических кругов, бизнеса и промышленности посредством исследований

надежный контроль; ПИД-регуляторы; гибкие роботы; гибкие манипуляторы; Теорема Харитонова; оптимизация роя частиц; PSO; управление манипулятором; управление роботом; жесткость коробки передач; вариации конечной нагрузки; неопределенности; моделирование.

Разработка на основе оптимизации сверхвысокопроизводительной системы роботов для обслуживания прессов Twin Robot Xbar

На основе этих характеристик движения цикл время работы робота-манипулятора и срок службы редукторов можно оценить.

Расширенная центробежная / кориолисова факторизация на основе Ньютона-Эйлера для серийных роботов-манипуляторов с редуктором и идеальными сочленениями

Поскольку в предыдущем разделе описана общая динамика серийных роботов-манипуляторов без учета влияния исполнительных механизмов и редукторов, здесь общие отношения между шарнирными соединениями Обрисованы пространственные и пространственные эффекты исполнительного механизма.

Генетический алгоритм оптимальной динамической производительности промышленных роботов на этапе концептуального проектирования

В метод оптимизации на основе генетического алгоритма показал хорошая способность подобрать оптимальный комплект редукторов и длины рук для робота-манипулятора с тремя степенями свободы.

Тонкие подшипники с перекрестными роликами серии THB SX от Thb Bearings Co., Ltd, Китай

Тонкие перекрестно-роликовые подшипники серии THB SX с высокой точностью в основном используются в манипуляторах, промышленных роботах, станках CT, редукторах, коробках передач и т. Д.

Монтаж в промышленном производстве

Полный робот позволяет себе следующие частичные системы растворения — направляющее устройство (рука, манипулятор), — рама, — источник питания, — система управления и программирования, — рабочий орган, — датчики, — системы защиты, — интерфейсы передачи данных.

Монтаж в промышленном производстве

Робот в сборе имеет направляющее устройство • рама • источник питания • решает • управление на следующие частичные системы (рука, манипулятор) и систему программирования • концевой эффектор • датчиков • систем защиты • интерфейсов передачи данных.

Проектирование и разработка компактного высокомоментного роботизированного привода для космических механизмов | Дж.Механизмы Робототехника

Космическим роботам требуются компактные системы шарнирного привода (JDS), обычно состоящие из привода, трансмиссии, шарнирных элементов, которые могут передавать высокие крутящие моменты через жесткие механические порты. Сегодняшние традиционные космические приводные системы состоят из стандартных приводов и многоступенчатых трансмиссий, которые обычно включают от трех до шести ступеней. Эта текущая практика имеет определенные преимущества, такие как короткое время разработки из-за доступности механических компонентов.Однако ему не хватает интеграции на уровне системы, которая учитывает структуру привода, размер и выходное усилие, структуру трансмиссии, передаточное число и прочность, и часто приводит к длинным и громоздким узлам с большим количеством деталей. В этой статье представлено новое аппаратное обеспечение робота, которое объединяет JDS робота в одно компактное устройство, оптимизированное для его размера и максимальной плотности крутящего момента. Это достигается путем разработки роботизированного соединения с использованием специальной трансмиссии, которая при численной оптимизации может создавать неограниченные передаточные числа, используя только две ступени.Конструкция компьютеризирована, чтобы получить все решения, которые удовлетворяют его кинематическим отношениям в пределах заданного диаметра привода. По сравнению с существующими роботизированными приводами предлагаемая конструкция может привести к созданию более коротких сборок со значительно меньшим количеством деталей при том же выходном крутящем моменте. Теоретические результаты демонстрируют потенциал примера устройства, для которого был изготовлен доказательный пластиковый макет, который может обеспечить крутящий момент более 200 Н · м в корпусе размером с локтевой сустав человека.Предлагаемая технология может иметь серьезные технологические последствия в других отраслях, таких как механическое протезирование и реабилитационное оборудование.

Для многих роботизированных приложений требуются компактные системы шарнирных приводов (JDS), которые могут создавать высокие крутящие моменты на низких скоростях для таких приложений, как космические роботы. Обычные приводные системы разрабатываются путем последовательного соединения привода с какой-либо трансмиссией с высоким передаточным числом, такой как электродвигатель с гармонической передачей (HD) или планетарной зубчатой ​​передачей (PGT).Несмотря на свою популярность, этот подход часто приводит к созданию длинных и громоздких сборок, которые увеличивают размер и сложность робота и уменьшают его рабочее пространство и размер укладки [1]. Кроме того, обычные компактные трансмиссии с высоким передаточным числом, такие как гармонические приводы, имеют высокое трение и низкую жесткость, что ограничивает их способность работать как чисто усилители крутящего момента при отсутствии схем нелинейного управления крутящим моментом [2].

В качестве альтернативы, обычные планетарные и обычные зубчатые передачи требуют наличия нескольких ступеней для достижения высоких передаточных чисел и могут привести к созданию длинных и громоздких узлов для приложений с высоким крутящим моментом.Другие типы роботизированных приводных систем основаны на интеллектуальных материалах, таких как пьезоэлектрик, сплавы с памятью формы, магнитореологические и электроактивно-полимерные приводы. Они имели ограниченный успех в разработке полностью функциональных роботизированных приводных систем, либо все еще находятся на ранних стадиях практического внедрения, либо не достигли окончательных результатов. Следовательно, разработка компактных и эффективных систем привода может улучшить производительность многих роботизированных систем и систем управления движением, особенно мобильных приложений с жесткими требованиями к крутящему моменту и размеру.Такие усовершенствования в технологии приводных систем могут также позволить рождение новых продуктов, таких как легкие протезы, которые невозможны с существующими двигателями и системами трансмиссии [3]. До настоящего времени портативные энергетические системы для переобучения голеностопного сустава имели ограниченную коммерциализацию за пределами специализированных больниц и реабилитационных клиник, главным образом из-за отсутствия адекватных готовых актуаторных технологий [4]. Чтобы облегчить развитие этих устройств в более удобные для пользователя системы, следует разработать новые формы приведения в действие с такими ключевыми возможностями, как высокий выходной крутящий момент / усилие, легкий, ненавязчивый и энергоэффективный.

Робот JDS соединяет и приводит в движение два звена робота относительно друг друга (см. Рис. 1). Для выполнения своих функций JDS должен содержать (1) привод для подачи силы или крутящего момента, (2) трансмиссию для усиления силы привода и, наконец, (3) конструкцию шарнира, которая ограничивает подвижность звеньев до одного градуса. -свободы при несении нагрузок в остальных степенях свободы.

Независимо от размера и веса, динамика JDS в основном определяется характеристиками привода / трансмиссии, такими как передаточное число, жесткость трансмиссии, инерция, трение и люфт.Эти свойства играют ключевую роль в работе робота, а также в разработке его системы управления. Например, передача с низкой жесткостью уменьшает полосу пропускания сил системы привода и вносит нестабильность в контуры обратной связи с высоким коэффициентом усиления [5]. Кроме того, трение трансмиссии повышает требования к пусковому крутящему моменту привода, увеличивает его размер и снижает точность. В случае ограничений трансмиссии, таких как нелинейное трение и / или жесткость, используются нелинейные регуляторы для улучшения отношения входного / выходного крутящего момента трансмиссии [6].

В течение последних четырех десятилетий значительное количество исследований было посвящено разработке и пониманию компактных трансмиссий с высоким передаточным числом, таких как гармонические передачи. Гармонические приводы в первую очередь полезны для разработки компактных приводных систем с высоким крутящим моментом [7]. Несмотря на их популярность, два основных эксплуатационных недостатка гармонических приводов — это высокое трение и низкая жесткость. Трение восходит к основному принципу работы гармонического привода, который основан на трении скользящих зубцов между его гибкой линией и круговой шлицей.Еще один источник трения в гармоническом приводе — это высокая радиальная предварительная нагрузка генератора волн. Трение в гармонических двигателях широко изучается многими исследователями, например, в работах [1,95]. [8] и [9], и хорошо известно, что он демонстрирует нелинейное поведение в результате действия скользящих зубцов. Кроме того, работа передачи гармонического привода основана на непрерывной деформации ее основного компонента, гибкой линии. Эта гибкость создает путь нагрузки с низкой жесткостью, который уменьшает рабочую полосу пропускания робота, вызывает резонанс и создает эффект люфта [9,10].В результате гармонические приводы не функционируют как чистые усилители крутящего момента [11,12], так что их отклик скорости без обратной связи загрязнен не только вибрациями, но и непредсказуемыми скачками скорости после резонансных областей [9]. Наконец, гармонические приводы ограничены передаточными числами ниже 1: 320 [13] по конструкции и неэффективны в низкотемпературных средах, таких как космос [14].

Другими широко используемыми передачами в роботизированных механизмах являются PGT, такие как в Refs.[15–17]. Европейский роботизированный манипулятор использует четырехступенчатый планетарный редуктор с передаточным числом 450: 1 на его шарнирах [16]. Чтобы уменьшить количество деталей и сложность сборки, коронные шестерни разделены между первой и последней двумя ступенями. Точно так же в системе привода марсохода [17] используются трансмиссии, состоящие из трех-пяти ступеней с передаточными числами от 1528: 1 до более 5000: 1. Потребность в повышенном понижении передачи важна во многих космических приложениях, поскольку они приводятся в движение с высоким крутящим моментом и низкой скоростью.Следовательно, реализация PGT в космических механизмах часто включает многоступенчатые зубчатые передачи, которые охватывают большое количество деталей, таких как водила планетарной передачи, подшипники водила и отдельные подшипники планетарной передачи, что не только увеличивает сложность, но и снижает надежность таких механизмов.

Другое недавнее исследование роботизированных приводных систем касалось проблемы оптимизации соединения двигатель / трансмиссия для его наибольшего крутящего момента на инерцию в предположении, что высокие передаточные числа добавляют массу, инерцию и потери на трение [18].Его результаты показывают, что самый большой двигатель и наименьшая трансмиссия в пределах размера соединения являются оптимальными. Однако этот подход не рассматривает приложения, требующие высоких крутящих моментов в условиях ограниченной допустимой нагрузки, такие как космические роботы.

Другими типами компактных трансмиссий в литературе по робототехнике и управлению движением являются циклоидальные редукторы [19,20] или гибридные комбинации планетарных и циклоидальных передач, известные как редукторы RV.Анализ этих механизмов показал, что, хотя они имеют более высокий КПД по сравнению с гармоническими приводами, они страдают от значительного люфта и больших ошибок передачи [21]. Кроме того, кажется, что в литературе есть пробел, касающийся максимально допустимых передаточных чисел циклоидальных приводов по отношению к их максимальному выходному крутящему моменту.

Таким образом, большинство систем привода, разработанных на сегодняшний день, основаны на коммерческих двигателях, соединенных с редукторными трансмиссиями того или иного типа [22–24], и им не хватает интеграции на системном уровне для двигателя, трансмиссии и совместной конструкции.

В следующей статье рассматривается интеграция конструкции и оптимизация роботизированной системы привода с учетом конструкции двигателя и выходного крутящего момента, конструкции и прочности трансмиссии, передаточного числа, опоры выходного подшипника и конструкции сустава робота. Мы также предлагаем новую дифференциальную планетарную трансмиссию, которая при должной оптимизации способна обеспечивать практически любое передаточное число и которая, согласно обширным исследованиям авторов, никогда не изучалась в контексте разработки роботизированных шарниров.Однако трансмиссии с дифференциальным приводом были первоначально разработаны для автомобильной промышленности для распределения крутящего момента двигателя [25].

Ссылаясь на ранее связанную работу в Refs. [26] и [27], в этой статье рассматривается подробный проект механизма срабатывания JDS и представлена ​​численная оптимизационная модель для его узла двигатель / трансмиссия. Кроме того, изучаются два тематических исследования, показывающих сравнение с обычным гармоническим приводом и планетарной трансмиссией.По сравнению с космическими приводными системами, которые были опубликованы в литературе, например, в Refs. [27–29], предлагаемая конструкция не только компактна, но и более универсальна благодаря своей инновационной конструкции трансмиссии, которая может обеспечивать любое передаточное число от 1: 1 до 5000: 1 с использованием только двух ступеней и стандартных диаметральных шагов. Кроме того, предлагаемый JDS является самоблокирующимся из-за своего высокого передаточного числа и, как таковой, не требует фиксирующего тормоза двигателя при больших передаточных числах, как в Ref. [27] для сохранения положения нагрузки в случае внезапной потери мощности.

Трансмиссия JDS представляет собой двухступенчатую дифференциальную планетарную передачу, схематически изображенную на рис. 2. Входом в этот механизм является солнечная шестерня ( N ₂ ), а выходом — коронная шестерня ( N ₅ ). Механизм крепится к земле с помощью зубчатого венца первой ступени ( N ₁ ). Две планеты ( N ₄ , N ₆ ) с обеих ступеней жестко связаны и, как таковые, ведут себя как одно твердое тело.

Трансмиссия приводится в движение двигателем с внешним ротором, встроенным в ее солнечную шестерню, как показано на рис. 3. Набор цилиндрических поверхностей роликов удерживает радиальное положение планетарного ряда, тем самым устраняя необходимость в водиле, планетах, двигателе и т. Д. и несущие подшипники. Симметрия земля-земля применяется для уравновешивания внутренних моментов рыскания, которые в противном случае действовали бы на планеты из-за пары момента земля-выход.

Ключ к преимуществу этой концепции в высоком крутящем моменте описан на схемах свободного тела планетарной муфты ( N ₄ , N ₆ ), показанных на рис. 4. Шестерни представлены своими шаговые диаметры (PD) для простоты, где D ₁ , D ₂ , D ₄ , D ₅ и D ₆ обозначают шаговые диаметры заземленная коронная шестерня, солнечная шестерня первой ступени, планетарная передача первой ступени, кольцевая шестерня второй ступени и планетарная шестерня второй ступени, соответственно, и T _в и T _из — это входной и выходной крутящие моменты механизма.

В состоянии равновесия сумма моментов, действующих вокруг мгновенной оси вращения, дает преимущество крутящего момента механизма как

Tout = 2D4D5D2 (D4-D6) Tin

(1)

Уравнение (1) показывает, что выходной крутящий момент обратно пропорционален разнице между диаметрами шага планет ( D ₄ — D ₆ ), так что передаточное число в основном определяется шестернями планет и довольно независимо от размера трансмиссии.Это связано с тем, что входная сила двигателя действует на моментный рычаг D ₄ , тогда как выходная сила действует на гораздо меньший моментный рычаг, эквивалентный (D ₄ — D ₆ ) / 2 . В результате этого отношения можно регулировать диаметры шага планет, чтобы получить очень высокие передаточные числа без необходимости добавления дополнительных ступеней. Количество зубьев шестерни, соответствующее таким высоким передаточным числам, обосновано более подробно в гл.2.2 численными методами. Кроме того, как было показано в [5]. [30], что передаточное число привода значительно влияет на величину и распределение кинетической энергии внутри роботов-манипуляторов и может улучшить их пространственную точность за счет уменьшения воздействия их сил инерции. Это еще раз подтверждает важность разработки роботизированных соединений, которые способны создавать большие диапазоны передаточных чисел по своей конструкции.

Другой ключевой характеристикой этой концепции является использование структурной симметрии для уравновешивания внутренних нагрузок внутри трансмиссии, что в противном случае потребовало бы дополнительных несущих опор и компонентов.Схема свободного тела, показанная на рис. 4, показывает, что силы, действующие на сборку планет, лежат в двух разных плоскостях. Это создает момент рыскания, который имеет тенденцию искажать параллельность и перпендикулярность планет по отношению к их плоскости вращения.

Чтобы противодействовать этому моменту рыскания, выходной каскад помещается между двумя симметричными наземными каскадами таким образом, чтобы выходные планеты находились в состоянии равновесия нагрузки двойного сдвига, как показано на рис.5.

Кроме того, эта новая конфигурация позволяет жестко закрепить выход между двумя наземными конструкциями с помощью дуплексных подшипниковых узлов (например, спина к спине, тандем, лицом к лицу) для получения жесткого выхода JDS при всех типах нагрузок. Поперечные осевые силы реакции грунта обеспечивают поддержку против осевых и радиальных нагрузок, как показано на рис. 6.

JDS соединяется с использованием компонентов двойного назначения, чтобы упростить его сборку и уменьшить количество деталей.Компоненты двойного назначения состоят из цилиндрических поверхностей роликов, прилегающих к компонентам зубчатой ​​передачи. Эти поверхности размещают планетарный блок в радиальном направлении, тем самым устраняя необходимость в обычных водилах планетарной передачи и соответствующих подшипниках, а также сохраняя воздушный зазор между статором и ротором (см. Рис. 3). Поверхности роликов имеют диаметр качения, равный диаметру прилегающей шестерни, чтобы синхронизировать тягу шестерни и движение качения, как показано на рис. 7.

Кроме того, планетарный блок удерживается в осевом направлении за счет упора между плоской поверхностью роликов и коронками зубьев коронной шестерни.Это связано с тем, что диаметр планетарного ролика в радиальном направлении больше меньшего диаметра коронной шестерни. В этой конфигурации действие зубьев шестерни и функции опоры подшипника интегрированы друг с другом, что приводит к очень компактной конструкции JDS. Двигатель состоит из внешнего магнитного ротора и полой пластины статора. Ротор встроен в солнечную шестерню, а статор прикреплен к заземленному компоненту, как показано на рис. 3. В концепции воздушный зазор между статором и ротором поддерживается теми же поверхностями роликов, которые радиально устанавливают и выравнивают оставшиеся планетарный кластер.

Учитывая важность плотности крутящего момента (крутящий момент на вес) в системе совместного привода робота, было проведено исследование численной оптимизации аналитической модели для оценки плотности крутящего момента в диапазоне значений параметров шестерни. Традиционно проектирование зубчатых колес представляет собой итеративный процесс, однако в этой статье мы компьютеризируем конструкцию, решая все решения этой конструкции, которые находятся в пределах заданного выходного диаметра.Чтобы ограничить объем оптимизации, были сделаны следующие проектные допущения:

1. (1)

   Диаметр ротора двигателя почти равен диаметру отверстия солнечной шестерни или меньше его.

2. (2)

   Минимальное количество зубьев на шестернях планетарной передачи составляет 10 (или больше), чтобы избежать подрезки шестерни.

3. (3)

   Крутящий момент двигателя, усиленный передаточным числом, ниже, чем крутящий момент отказа трансмиссии.

4. (4)

   Стандартные диаметральные шаги варьируются от 10 до 96 зубьев / дюйм.

Зная, что планеты должны вращаться на одном и том же радиальном расстоянии от центральной оси, обозначенной K на рис. 2, можно записать следующее соотношение: Признавая тот факт, что средний диаметр равен количеству зубьев на диаметральном шаге (= N / P ), уравнение.(2) можно переписать с точки зрения количества зубьев и диаметрального шага, как показано в следующем уравнении:

N2P1 + N4P1 = N5P2 − N6P2 = 2K

(3) где P ₁ и P ₂ — диаметральные шаги первой и второй ступеней соответственно, а N ₄ и N ₆ — количество зубьев планетарной шестерни. , с их значениями в диапазоне от 10 зубьев на шестерню до промежуточного произвольного значения (например,г., 30) с шагом 1 зуб. Кроме того, P ₁ и P ₂ должны иметь определенные значения шага, чтобы использовать стандартные зубчатые фрезы. Зная приблизительный диапазон значений для N ₄ , N ₆ , P ₁ и P ₂ , уравнение. (2) можно использовать для определения количества зубьев солнечной шестерни и ведомого венца, обозначенного как N ₂ и N ₅ , как

Параметры, показанные в таблице 1, использовались для заполнения переменных передачи по их возможным комбинациям для радиуса орбиты планет, увеличивающегося с 2 до 5 дюймов с шагом 0.1 дюйм. Допуская изменение радиуса рычага от 1 до 2 дюймов, параметры трансмиссии учитываются не только для разного количества зубьев, но и для физического диаметра трансмиссии.

Используя исчерпывающий поиск с помощью вычислений, в котором исключены конфигурации передачи, которые имеют нецелые значения для N ₂ и N ₅ , мы получили приблизительно 2,5 × 10 ⁶ решений с отношениями, изменяющимися от -5000: 1 до +5000: 1.Для каждой из этих конфигураций передаточное число решается с использованием следующего уравнения:

ToutTin = 1 + N1N21 − N1N6N4N5

(7) Поскольку геометрию зубьев можно извлечь из диаметральных шагов и количества зубьев, можно выполнить анализ прочности на каждой конфигурации передачи во время вычислительного цикла. Статический анализ сил показывает, что планеты являются самыми слабыми компонентами трансмиссии и поэтому ограничивают максимальный выходной крутящий момент JDS. В частности, механическая мощность передается по трем точкам сетки, как показано на рис.8.

Линейные скорости (скорость прохождения зубьев) и передаточные силы в точках сетки задаются как

Используя скорости и силы по тангажу, можно получить динамические коэффициенты и соответствующие силы разрушения для всех возможных конфигураций трансмиссии.Для этого планетарные напряжения рассчитываются с использованием критериев рейтинга передач Американской ассоциации производителей зубчатых колес (AGMA), включая геометрические, материальные, монтажные и надежные факторы, связанные с каждой передачей. Выходные силы, которые могут вызвать разрушение в трех точках сетки, рассчитываются с использованием контактных и изгибающих напряжений (см. AGMA 2001-DO4). Другие оставшиеся факторы, такие как перегрузка, монтаж, надежность и твердость поверхности, выбираются в соответствии с процессом производства / сборки.Наконец, вычислительный алгоритм возвращает матрицу, в которой каждая строка соответствует одной конфигурации этой конфигурации, а столбцы — ее соответствующие параметры. Типичная выборка решений представлена ​​в таблице 2.

Плотность крутящего момента JDS рассчитывается на основе крутящего момента при отказе и расчетного веса шестерен и двигателя. На рисунке 9 показано соотношение между передаточным числом и плотностью крутящего момента JDS.Каждая точка представляет одну конфигурацию JDS. Отрицательные отношения указывают на обратное направление между входными / выходными движениями трансмиссии.

Поскольку взаимосвязь между передаточным числом и плотностью крутящего момента ограничивается способностью двигателя выдавать достаточный крутящий момент при определенном передаточном числе, решения JDS затем были отфильтрованы с использованием диаметра двигателя (взятого из диаметра отверстия солнечной шестерни) по требуемому двигателю. крутящий момент (крутящий момент отказа JDS в зависимости от передаточного числа).Этот процесс исключает конфигурации JDS с двигателями большего и меньшего размера и оставляет около 460 решений из возможных 2,5 × 10 ⁶ . Эти конфигурации показаны на рис. 10. Классификация двигателей по размерам была оценена в соответствии с данными, предоставленными BEI KIMCO Magnetics, Inc (Сан-Диего, Калифорния). ²

После анализа данных одна комбинация приводов с максимально возможной плотностью крутящего момента с диаметром JDS, равным 4.5 дюймов было выбрано с учетом технологичности системы и использования стандартных компонентов подшипников. Эти характеристики перечислены в Таблице 3. Из Таблицы 3 очевидно, что только небольших различий в диаметрах шага планет (17,65 мм, 17,57 мм) достаточно для получения высокого передаточного числа (1: 900). Для соответствия этим спецификациям было разработано несколько концепций дизайна с использованием, по возможности, стандартных механических компонентов. В предварительной концепции, показанной на рис. 11, шестерня с меньшей шириной торца размещается на более длинном плече момента, чтобы уравновесить момент рыскания, как показано на рис.4.

Следует отметить, что в двух ступенях используются несколько разные нормальные диаметральные шаги, так что рабочие диаметры шага планетарных и коронных шестерен почти, но не в точности равны при высоких передаточных числах. Среднее передаточное число на один оборот на выходе постоянно, так как оно зависит от количества зубьев на шестернях. Точность изготовления влияет на мгновенную ошибку передаточного числа, обычно известную как кинематическая ошибка, которая отвечает за шум и вибрации в коробке передач, и выходит за рамки данной статьи.

Была установлена ​​матрица проектирования между различными концепциями с учетом прочности конструкции и тепловыделения, производственных допусков и центровки блока планетарных шестерен. Конечный элемент прочности и термический анализ были выполнены на механизме, чтобы гарантировать производительность в соответствии со спецификациями, изложенными в таблице 3. Окончательная модель автоматизированного проектирования представлена ​​на рисунке 12.Некоторые из основных проблем проектирования, с которыми сталкивается эта концепция, — это точность выравнивания «земля-земля» и рассеивание тепла двигателем. Результаты анализа методом конечных элементов (FEA) подтвердили аналитические прочностные и тепловые модели, а также подтвердили допустимый крутящий момент трансмиссии и теплоотдачу двигателя. Пластиковый макет был разработан с использованием технологии аддитивного производства, чтобы получить практическое представление о конструкции JDS, а инженерная модель показана на рис. 13. Этот макет успешно подтвердил передаточное число и предоставил практическую обратную связь по конструкции при эксплуатации и сборке механизма до его установки. разработка дорогостоящего металлического варианта системы.

В JDS используется конструкция с двойным заземлением, чтобы удерживать выходное звено через взаимно встречный подшипник. Таким образом, в конструкции используются два тонких угловых шарикоподшипника (толщиной 1/4 дюйма), которые находятся на расстоянии 1,35 дюйма друг от друга, чтобы эффективно выдерживать изгибающие моменты до 847,4 Н · м при статическом коэффициенте безопасности 1,

.

Анализ напряжения скручивания был выполнен на центральном валу, который несет половину выходной нагрузки, эквивалентной 135.1 Н · м. Исследование показало максимальное напряжение сдвига 64 МПа в зависимости от геометрии вала (внешний диаметр = 0,9 дюйма, внутренний диаметр = 0,5 дюйма), что эквивалентно коэффициенту безопасности 3,1 для алюминия 6061. Соответствующие результаты FEA показаны на рис. 14. Благодаря конструкции с двойным сдвигом выходной крутящий момент равномерно распределяется между наземными ступенями, что приводит к низким напряжениям во всей удерживающей конструкции.

Другой анализ методом конечных элементов был разработан для оценки прочности шестерен планет, которые являются самыми слабыми компонентами трансмиссии, как показано на рис.15.

По результатам FEA наибольшие напряжения регистрируются в точках контакта и возле корней зубьев шестерни. Максимальное расчетное напряжение составляет около 250 МПа. Это дает коэффициент безопасности 1,52 для легированной стали 4150, подвергнутой закалке и отпуску до RC 57-61.

Адаптация исполнительного механизма к плоской роботизированной руке изображена на рис.16. В дополнение к компактным размерам и большому выходному крутящему моменту, цельная конструкция привода поддерживает как одинарные, так и двойные срезные звенья на выходном и заземляющем элементах, соответственно. При установке на звено с двойным срезом жесткость соединения на кручение увеличивается, поскольку он действует параллельно центральному валу. Кроме того, вся электроника обратной связи и связи интегрирована и размещена в сборке JDS.

Конструкция манипулятора, показанная на рис.17 обладают как высокой полезной нагрузкой, так и очень компактным профилем, что позволяет стрелке исключительно хорошо работать в мобильных приложениях. Ключевой технологией, позволяющей использовать стрелу, является ее компактная исполнительная система, которая способна обеспечивать высокие крутящие моменты и обеспечивать жесткую конструкцию соединения, позволяя руке манипулировать тяжелыми грузами с ловкостью и точностью.

Универсальный характер предлагаемой конструкции облегчает разработку модульных систем с высокой полезной нагрузкой, которые можно реконфигурировать и адаптировать к текущей задаче.Все эти JDS могут иметь одинаковый компактный стандартный размер, но каждый, в зависимости от передаточного числа, может обеспечивать разную производительность. Этот подход может улучшить современные манипуляции, введя различные модульные соединения, которые можно заменить для различных задач, таких как медленное и точное манипулирование тяжелыми объектами или перемещение более легких объектов со скоростью и маневренностью.

Аналогичным образом, концепция привода JDS может быть полезна при разработке медицинских устройств, таких как протез локтя / руки верхней конечности, как показано на рис.18. В полностью пластиковом или гибридном сочетании пластик-металл JDS может обеспечить эффективный источник легкого срабатывания с батарейным питанием для таких устройств.

Для оценки жизнеспособности этой технологии в космических приложениях был проведен сравнительный анализ с летным приводом, поставляемым лабораторией реактивного движения НАСА. Стандартный полетный привод содержит двигатель в сборе, соединенный с многоступенчатой ​​планетарной зубчатой ​​передачей, через которую механическая энергия передается между ступенями через держатель рычага, как показано на рис.19.

Из-за этого передаточное число (на ступень) пропорционально радиусу рычага водила по радиусу шага солнечной шестерни. Это накладывает ограничения на радиус шага солнечной шестерни и приводит к подрезанию солнечной шестерни, когда передаточное число превышает 8: 1 на ступень. В результате этого ограничения эта компоновка требует наличия нескольких ступеней для достижения высоких соотношений, что приводит к длинным, громоздким и сложным сборкам с большим количеством деталей и большим весом.На рисунке 20 показано сравнение аппаратной архитектуры стандартного полетного актуатора и предлагаемой концепции конструкции.

Очевидно, что предлагаемая конструкция JDS может значительно сократить количество частей системы совместного привода обычного робота, что приведет к созданию более компактных и надежных космических систем. Уменьшение количества деталей тесно связано с повышением надежности и снижением риска отказа, что имеет первостепенное значение в космических полетах.Подробное сравнение показано в Таблице 4.

Сравнительный анализ JDS и гармонических приводов зависит от требований приложения, поскольку гармоники — это единственные передачи с сильно нелинейными жесткостью и трением. Чтобы проиллюстрировать некоторые из основных различий, одна конфигурация JDS сравнивается с гармонической передачей размером 25 с аналогичным выходным крутящим моментом, как показано в таблице 5.Очевидно, что трансмиссия Harmonic Drive превосходит конструкцию JDS во многих категориях, таких как количество деталей и объемная плотность крутящего момента, а также люфт. Однако гармонический привод демонстрирует гораздо большее рассеивание трения по сравнению с JDS из-за его механизма скользящей сетки и ограничивается передаточными числами ниже 1: 320 в основном из-за того, что его передаточное число определяется углом клина профиля его зуба. которое становится слишком узким выше этого отношения. С другой стороны, трансмиссия HD имеет нулевой люфт между валом двигателя и звеном робота, тогда как люфт в JDS в значительной степени определяется классом передач AGMA.Увеличение класса шестерни ужесточает допуски и уменьшает люфт, но не устраняет его.

В случае применения в космосе, в котором скорость и динамические эффекты менее значительны по сравнению со статическим крутящим моментом, поскольку космические роботы движутся с низкой скоростью, интегрированная концепция JDS может привести к созданию более компактной и более эффективной системы привода по сравнению с системой привода космического робота, которая использует передачу с гармоническим приводом. Это связано с тем, что высокое передаточное число трансмиссии JDS снижает требования к максимальному крутящему моменту двигателя, тем самым позволяя использовать двигатель меньшего размера, который занимает меньше места, потребляет меньше тока и выделяет меньше тепла по сравнению с двигателем. управление трансмиссией с гармонической передачей.Кроме того, поскольку конструкция JDS может поддерживать высокие передаточные числа, она не допускает движения задним ходом и не требует фиксирующего тормоза на валу двигателя при больших передаточных числах, как в случае большинства аппаратных средств космического привода. Кроме того, жесткость JDS, вероятно, будет выше, чем у гармонического привода из-за его жестких компонентов зубчатой ​​передачи, в отличие от гибкости гармонического привода. Увеличение жесткости JDS и плотности крутящего момента может быть достигнуто за счет добавления большего количества планет в сборку JDS. Это стало возможным благодаря его конструкции без носителя, которая ослабляет кинематические ограничения на механизм, чтобы принимать больше планет.Наконец, концепция JDS — это попытка численно оптимизировать систему привода робота, которая состоит из двигателя, трансмиссии и несущей конструкции, тогда как гармонические приводы являются дискретными элементами передачи.

Начальный привод

: компактная бесступенчатая трансмиссия для робототехники

Робот, разработанный Asimov Robotics для распространения информации о коронавирусе, держит поднос с масками для лица и дезинфицирующим средством. Фото: Sivaram V / Reuters

С тех пор армия автоматов была развернута по всему миру, чтобы помочь с кризисом: они наблюдение за пациентами, дезинфекция больниц, доставка родов и помощь медицинским работникам, работающим на переднем крае, в сокращении их воздействия на вирус.Не все роботы работают автономно — многие из них фактически требуют непосредственного контроля со стороны человека, а большинство из них ограничивается простыми повторяющимися задачами. Но производители роботов говорят, что опыт, накопленный ими во время пробного развертывания, сделает их будущие машины более умными и способными. Эти фотографии показывают, как роботы помогают нам бороться с этой пандемией и как они могут помочь в борьбе со следующей.

ДРОИД КОМАНДА

Фото: Клемент Увирингийимана / Reuters

Отряд роботов служит первой линией защиты от передачи вируса от человека к человеку в медицинском центре в Кигали, Руанда.Пациенты, входящие в учреждение, проверяют свою температуру с помощью аппаратов, которые оснащены тепловизионными камерами на головах. Разработан UBTech Robotics, в Китае, роботы также используют свой отличительный внешний вид — они напоминают персонажей из фильма «Звездные войны» — чтобы привлечь внимание людей и напомнить им о необходимости мыть руки и надевать маски.

Фото: Клемент Увирингийимана / Reuters

СКАЗАТЬ «AAH»

Чтобы ускорить При тестировании на COVID-19 группа датских врачей и инженеров из Университета Южной Дании и компании Lifeline Robotics разрабатывает полностью автоматизированного робота для взятия мазков.Он использует компьютерное зрение и машинное обучение для определения идеального целевого места внутри горла человека; затем робот-манипулятор с длинным тампоном тянется к нему, чтобы взять образец — и все это делается с быстротой и последовательностью, с которой люди не могут сравниться. На этой фотографии один из создателей, Эсбен Остергаард, рискует своей шеей, чтобы продемонстрировать безопасность робота.

Фото: Университет Южной Дании

GERM ZAPPER

После того, как шесть врачей заразились коронавирусом, больница Сассарезе на Сардинии, Италия, ужесточила меры безопасности.Он также ввел роботов. Машины, разработанные UVD Robots, используйте лидар для автономной навигации. Каждый бот несет в себе массив мощных коротковолновых ультрафиолетовых лучей C, которые уничтожают генетический материал вирусов и других патогенов после нескольких минут воздействия. Сейчас наблюдается всплеск спроса на роботов для УФ-дезинфекции, поскольку больницы по всему миру используют их для стерилизации отделений интенсивной терапии и операционных.

Фото: UVD Robots

ОШИБКИ ПРИ РАБОТЕ

В медицинских учреждениях идеальная роль роботов — брать на себя повторяющиеся обязанности, чтобы медсестры и врачи могли тратить свое время на выполнение более важных задач.В Третьей народной больнице Шэньчжэня в Китае робот по имени Aimbot едет по коридорам, соблюдая правила использования масок и социального дистанцирования, а также распыляя дезинфицирующее средство. В больнице недалеко от Остина, штат Техас, робот-гуманоид, разработанный Diligent Robotics, приносит припасы и доставляет их в палаты пациентов. Он без устали повторяет эту задачу днем ​​и ночью, позволяя персоналу больницы проводить больше времени, общаясь с пациентами.

Фото слева: Diligent Robotics; Справа: UBTech Robotics

ДОКТОР В

Медсестры и врачи больницы Circolo в Варезе на севере Италии — наиболее пострадавшем регионе страны — используют роботов в качестве аватаров, что позволяет им круглосуточно проверять состояние своих пациентов, сводя к минимуму воздействие и сохраняя защитное снаряжение.Роботы, разработанные китайской фирмой. Sanbot оснащены камерами и микрофонами, а также могут получать доступ к данным пациента, таким как уровень кислорода в крови. Роботы телеприсутствия, изначально разработанные для офисов, становятся неоценимым инструментом для медицинских работников, которые лечат очень инфекционные заболевания, такие как COVID-19, снижая риск заражения патогеном, с которым они борются.

Фото: Мигель Медина / AFP / Getty Images

ПОМОЩЬ ВЫШЕ

Фото: Zipline

Власти нескольких стран пытались использовать дроны для обеспечения соблюдения правил изоляции и социального дистанцирования, но эффективность таких мер остается неясной.Лучше использовать дроны для доставки. В Соединенных Штатах стартап Zipline развернул свой автономный самолет с неподвижным крылом, чтобы соединить два медицинских учреждения на расстоянии 17 км друг от друга. Для сотрудников медицинского центра Хантерсвилля в Северной Каролине маски, халаты и перчатки буквально упали с небес. Есть надежда, что дроны, подобные Zipline, однажды смогут доставлять другие виды критически важных материалов, транспортировать образцы для испытаний и распространять лекарства и вакцины.

Фотографии: Zipline

СПЕЦИАЛЬНАЯ ДОСТАВКА

Это не совсем роботизированный захват, но улицы и тротуары десятков городов по всему миру увидели распространение торопливых колесных машин.Роботы-доставщики сейчас пользуются большим спросом, так как онлайн-заказы продолжают стремительно расти.

В Гамбурге Шестиколесные роботы, разработанные Starship Technologies, перемещаются с помощью камер, GPS и радаров, чтобы доставлять продукты покупателям.

Фото: Christian Charisius / Picture Alliance / Getty Images

В Медельине, Колумбия, стартап под названием Раппи развернул парк роботов, построенный Kiwibot, чтобы доставить еду на вынос людям, находящимся в изоляции.

Фото: Хоакин Сармьенто / AFP / Getty Images

Китая JD.com, одна из крупнейших компаний в области электронной коммерции, использует 20 роботов для транспортировки товаров в Чанша, провинция Хунань; Каждый автомобиль имеет 22 отдельных отсека, которые клиенты открывают с помощью аутентификации по лицу.

Фотографии: TPG / Getty Images

ЖИЗНЬ ЧЕРЕЗ РОБОТЫ

Конечно, роботы не могут заменить реальное человеческое взаимодействие, но они могут помочь людям почувствовать себя более связанными в то время, когда встречи и другие общественные мероприятия в основном приостановлены.

В Остенде, Бельгия, ZoraBots привезла одного из своих роботов высотой по пояс, оборудованного камерами, микрофонами и экраном, в дом престарелых, что позволило таким жителям, как Йозеф Гоуи, виртуально общаться с близкими, несмотря на запрет на личные посещения.

Фото: Ив Герман / Reuters

В Маниле около 200 старшеклассников по очереди «телепортировались» в высокого колесного робота, разработанного школьным клубом робототехники, чтобы выйти на сцену во время выпускной церемонии.

Фото: Эзра Акаян / Getty Images

И хотя японский зоологический парк Тиба был временно закрыт из-за пандемии, в зоопарке использовался автономный роботизированный автомобиль под названием RakuRo, оснащенный камерами с обзором на 360 градусов, чтобы предлагать виртуальные туры детям, находящимся на домашнем карантине.

Фото: Томохиро Осуми / Getty Images

СТРАЖНЫЕ РОБОТЫ

Офисы, магазины и медицинские центры внедряют роботов в качестве исполнителей нового кода коронавируса.

В больнице Фортис в Бангалоре, Индия, робот по имени Mitra использует тепловизионную камеру для предварительного обследования пациентов.

Фото: Манджунатх Киран / AFP / Getty Images

В Тунисе полиция использует похожего на танк робота для патрулирования улиц своей столицы, Туниса, проверяя, есть ли у граждан разрешение выходить на улицу в часы комендантского часа.

Фото: Халед Насрауи / Picture Alliance / Getty Images

А в Сингапуре парк Бишан-Анг Мох Кио устроил Найдите робота-собаку, разработанного Boston Dynamics для поиска нарушителей социального дистанцирования.Спот не будет лаять на них, а скорее проиграет записанное сообщение, напоминающее посетителям парка, чтобы они держались на расстоянии.

Фото: Рослан Рахман / AFP / Getty Images

Эта статья опубликована в октябрьском выпуске печати за 2020 год как «Как роботы стали незаменимыми работниками».

Роботизированная волна деформации (гармоническая) Коробка передач GSL Series

Роботизированные трансмиссионные редукторы серии GSL компании

GAM обеспечивают нулевой люфт и высокий крутящий момент в небольшой и легкой коробке передач для интеграции в машины и механизмы.

Характеристики

• Используется для коробок передач популярных конкурентов
• Зубчатая передача (гармоническая)
• Люфт ≤ 0,5 угл.мин (≤ 30 угл.сек)
• Высокая точность передачи
• Высокие передаточные числа на одной ступени: от 50: 1 до 160: 1
• Простая конструкция для интеграции в механизм или машину
• Высокая плотность крутящего момента при малой инерции
• Широкий выбор моделей и конфигураций

Модели серии GSL

Flexspline в форме чашки, стандартный ввод

• Flexspline в виде чашки с вводом ключей
• Доступен вход муфты Oldham (-B) для компенсации несоосности
• Размеры с 014 по 032
• Номинальный крутящий момент 7.От 9 до 248 Нм
• Технические характеристики и модели CAD

Flexspline в стиле шляпы, стандартный ввод

• Flexspline в виде шляпки со стандартным входным отверстием
• Доступен вход муфты Oldham (-B) для компенсации несоосности
• Размеры с 014 по 032
• Номинальный крутящий момент от 7,8 до 248 Нм
• Технические характеристики и модели CAD

Flexspline в стиле шляпы, полый ввод

Flexspline Hat Style, вход вала

Базовый стиль шляпы с полым входом

Компактные / сверхтонкие редукторы

Flexspline в форме чашки, компактный дизайн

• Flexspline чашечного типа с более низким профилем и меньшим диаметром, чем коробка передач GSL-CS
• Размеры 014 и 017
• Номинальный крутящий момент 4.От 8 до 27 Нм
• Технические характеристики и модели CAD

Hat Style Flexspline, ультратонкий

Компоненты GSLC

В состав редукторов деформационных волн входят только Wave Generator , Flexspline , Circular Spline . Для легкой и полной интеграции в ваш механизм или машину.

Flexspline в форме чашки

• Компоненты с гибкой линией чашки
• Размеры с 014 по 032
• Номинальный крутящий момент 7.От 9 до 248 Нм
• Технические характеристики

Hat Style Flexspline

• Компоненты со шляпкой Flexspline
• Размеры с 014 по 032
• Номинальный крутящий момент от 7,9 до 248 Нм
• Технические характеристики

.

No related posts.