Интегрированные роботизированные актуаторы vs традиционные двигатели: будущее движения в робототехнике

Базовые концепции интегрированных электрических актуаторов и традиционных двигателей

Традиционные системы двигателей

Традиционные робототехнические приводные системы обычно состоят из нескольких функциональных модулей, включая сам двигатель, внешний драйвер, энкодер и редуктор. Эти компоненты соединяются посредством электрических соединений и механических конструкций, образуя полноценный приводной узел.

В практической инженерии такая архитектура обеспечивает высокую гибкость. Инженеры могут выбирать двигатели, редукторы и контроллеры с различными характеристиками в зависимости от конкретных требований, что позволяет реализовывать индивидуальные системные решения.

Однако эта гибкость также приводит к увеличению сложности системы. Параметры, такие как характеристики двигателя, передаточные числа, токовая способность драйвера и точность обратной связи энкодера, должны тщательно согласовываться на уровне всей системы. При этом система управления должна выполнять настройку контуров тока, скорости и положения.

По сути, это типичная задача системной инженерии, требующая высокой квалификации в области управления двигателями и системной интеграции.

Интегрированные электрические актуаторы

Интегрированный электрический актуатор — это мехатронный приводной узел, который объединяет двигатель, драйвер, энкодер и редуктор в единую конструкцию и широко используется в робототехнике и интеллектуальных системах управления движением.

Типичный интегрированный актуатор обычно включает следующие основные модули:

• Бесщёточный двигатель постоянного тока (BLDC)

• Интегрированный приводной модуль (с поддержкой управления FOC)

• Система высокоточной обратной связи по положению (энкодер)

• Планетарный или гармонический редуктор (опционально в зависимости от применения)

Такие устройства подключаются к системам управления верхнего уровня через стандартные интерфейсы связи (такие как CAN, RS485 или EtherCAT), обеспечивая модульную интеграцию в роботизированные системы движения для быстрого развертывания и гибкого применения.

По сравнению с традиционными раздельными приводными решениями, интегрированные актуаторы выполняют согласование и оптимизацию двигателя, драйвера и трансмиссионной системы на этапе проектирования продукта, тем самым значительно снижая сложность интеграции и отладки системы на стороне пользователя, одновременно повышая согласованность и надёжность управления движением.

Ключевые преимущества интегрированных электрических актуаторов

Снижение сложности системной интеграции

В традиционных архитектурах инженерам необходимо выполнять выбор двигателя, согласование драйвера, настройку энкодера и регулировку параметров управления. Этот процесс не только занимает много времени, но и сильно зависит от опыта.

Интегрированные актуаторы выполняют оптимизацию на уровне системы на заводе, устраняя необходимость для пользователя заниматься базовым согласованием компонентов. Инженерам достаточно отправлять управляющие команды через интерфейсы связи для реализации управления положением, скоростью или моментом.

Такой подход значительно снижает сложность проектирования системы и минимизирует проблемы производительности, вызванные несоответствием параметров.

Повышение эффективности использования пространства и плотности мощности

В робототехнических системах пространство в области суставов обычно сильно ограничено, особенно в четвероногих роботах, гуманоидных роботах и экзоскелетах, где требуется высокий крутящий момент в ограниченном объёме.

Интегрированные актуаторы используют компактную конструкцию за счёт объединения приводной и трансмиссионной систем, эффективно уменьшая общий объём. В то же время оптимизированные пути передачи и конструкционные решения позволяют достигать более высокого крутящего момента при том же объёме.

Эта высокая плотность мощности делает их особенно подходящими для конструкций роботизированных суставов с ограниченным пространством и высокими требованиями к производительности.

Оптимизация согласования характеристик системы

В традиционных системах могут возникать несоответствия параметров между компонентами, например, между инерцией двигателя и жёсткостью редуктора или из-за недостаточной полосы пропускания драйвера, что приводит к задержкам отклика.

Интегрированные актуаторы выполняют комплексную оптимизацию двигателя, электроники и трансмиссионной системы на этапе проектирования, включая настройку алгоритмов управления и интеграцию системы обратной связи, обеспечивая согласованную работу всех модулей.

На практике это проявляется в более плавной работе на низких скоростях, более стабильной динамической реакции и более высокой точности управления.

Повышение надёжности системы

В традиционных решениях наличие множества компонентов означает больше соединений и потенциальных точек отказа. Кабели, разъёмы и внешние драйверы могут выходить из строя под воздействием вибраций или при длительной эксплуатации.

Интегрированные актуаторы сокращают количество внешних соединений и интерфейсов, снижая риск отказов. При этом их интегрированная конструкция обеспечивает более высокую механическую жёсткость, улучшая стабильность в динамических условиях.

Это преимущество особенно важно для мобильных роботов и работы в сложных условиях.

Сокращение цикла разработки

При разработке роботов системная интеграция и отладка часто занимают значительную часть времени. Традиционные решения требуют нескольких этапов, включая выбор, установку, настройку и оптимизацию.

Интегрированные актуаторы предоставляют стандартизированные модули, которые значительно упрощают процесс разработки. Инженеры могут сосредоточиться на алгоритмах управления движением и функциональности системы, а не на низкоуровневой настройке привода.

Это преимущество особенно важно для научных учреждений, стартапов и проектов с быстрыми итерациями.

Оптимизация теплового управления и срока службы

Тепловое управление является ключевым фактором, влияющим на производительность и срок службы двигателя. В традиционных системах источники тепла распределены по разным компонентам, что затрудняет создание единой тепловой конструкции.

Интегрированные актуаторы обеспечивают централизованное тепловое управление и оптимизированные пути отвода тепла благодаря общей конструктивной архитектуре. Кроме того, некоторые продукты оснащены системой мониторинга температуры и механизмами защиты, которые позволяют ограничивать мощность или активировать защиту при перегреве.

Такие возможности управления теплом на уровне системы способствуют повышению долговременной стабильности и увеличению срока службы.

Типичные области применения интегрированных электрических актуаторов

Четвероногие роботы

Четвероногие роботы предъявляют чрезвычайно высокие требования к приводам суставов, включая высокую плотность крутящего момента, быстрый динамический отклик и стабильную работу в сложных условиях. Особенно при прыжках, беге и движении по сложному рельефу актуаторы должны обеспечивать как непрерывную мощность, так и точное управление при мгновенных изменениях нагрузки.

На практике интегрированные электрические актуаторы стали основным решением для приводов суставов четвероногих роботов. Например, робот второго поколения Kleiyn, разработанный лабораторией JSK Токийского университета, демонстрирует преимущества данного подхода в сложных условиях. Робот может не только стабильно передвигаться по неровной поверхности, но и выполнять быстрое и устойчивое «chimney climbing», демонстрируя переход от плоского движения к трёхмерному.

В его приводной системе:

• Суставы ног используют актуаторы AK70-10 KV100 с максимальным крутящим моментом 24,8 Н·м

• Тазовый сустав использует актуатор AK10-9 V2.0 KV60 с максимальным моментом 48 Н·мБлагодаря высокому крутящему моменту, низкой задержке и характеристикам квазипрямого привода, эти актуаторы обеспечивают плавную и стабильную работу при высоких динамических нагрузках.

Благодаря высокому выходному крутящему моменту, низкой задержке отклика и характеристикам квази-прямого привода, эти интегрированные электрические актуаторы обеспечивают плавность и стабильность работы в условиях высокой динамики и высокой нагрузки.

Гуманоидные роботы

В гуманоидных роботах пространство суставов сильно ограничено, при этом требуется координированное управление с несколькими степенями свободы, что предъявляет высокие требования к размерам, производительности и точности управления.

Интегрированные актуаторы объединяют двигатель, привод и трансмиссию в компактной конструкции, обеспечивая достаточный крутящий момент в ограниченном пространстве. Высокоточные энкодеры и оптимизированные алгоритмы управления позволяют точно контролировать сложные движения.

В практических применениях такие актуаторы поддерживают не только базовые движения, но и более сложные динамические функции, такие как балансировка, смена походки и взаимодействие человек-робот.

Например, художник Дэниел Симу выведет своего робота Robin на сцену для выполнения совместного танца с людьми. Такие приложения требуют не только точности движений, но также подчёркивают плавность и выразительность.

В этом проекте робот использует актуаторы серии AK компании CubeMars в качестве основных приводных модулей. Эта серия актуаторов известна низким люфтом и высокой точностью, обеспечивает высокую производительность в задачах, требующих точного позиционирования и плавной работы, а также отличается высокоинтегрированной конструкцией с двойной обратной связью по энкодеру и поддержкой режимов управления сервоприводом и MIT.

Экзоскелетные системы

Экзоскелетные системы предъявляют отличные от традиционных роботов требования, включая лёгкость конструкции, безопасность и плавную подачу крутящего момента для обеспечения естественного взаимодействия человека и машины.

ИИ-управляемая система экзоскелета нижних конечностей, разработанная Georgia Tech, Stanford University и University of Pennsylvania, является типичным примером применения интегрированных электрических актуаторов в данной области. Система была опубликована в Science Advances и продемонстрировала значительное улучшение эффективности ходьбы человека в реальных условиях.

Система использует актуаторы CubeMars AK80-9 KV100 в качестве основных приводных узлов.

Актуатор эффективно снижает энергопотребление системы экзоскелета, связанное с собственной массой, благодаря высокой плотности крутящего момента и лёгкой конструкции. В то же время его интегрированная структура объединяет бесщёточный двигатель, планетарный редуктор и приводной модуль для обеспечения плавной и эффективной передачи крутящего момента.

На уровне управления система поддерживает переключение между режимами сервопривода и MIT, а также оснащена функциями идентификации параметров в одно касание и адаптивной настройки. Это значительно упрощает процесс отладки и повышает точность управления. Это особенно важно для носимых устройств, требующих высокой динамической реакции и точного управления крутящим моментом.

Индивидуальные приводные решения

В реальных робототехнических применениях различные сценарии предъявляют существенно разные требования к приводным системам. Стандартные продукты часто не способны полностью удовлетворить все эти требования.

Компания CubeMars, опираясь на многолетний опыт в области роботизированных двигателей, постоянно предоставляет индивидуальные решения по роботизированным двигателям для различных робототехнических задач. Компания специализируется на разработке и производстве роботизированных двигателей и обладает полным набором компетенций — от проектирования двигателя до разработки интегрированных актуаторов.

На данный момент CubeMars предоставила индивидуальные решения более чем 1600 компаниям по всему миру и сотрудничает более чем с 1000 робототехническими компаниями и научно-исследовательскими учреждениями. Продукция широко применяется в промышленной автоматизации, гуманоидных роботах, экзоскелетах, медицинских роботах и колесных роботах, обеспечивая надёжные роботизированные силовые решения.

Благодаря индивидуальным решениям инженерные команды получают большую гибкость на этапе проектирования системы, достигая лучшего соответствия по производительности, конструкции и управлению, что повышает общую эффективность и надёжность системы.

Заключение

Интегрированные электрические актуаторы обеспечивают комплексную оптимизацию приводных характеристик, компактности конструкции и согласованности управления на уровне системы за счёт объединения двигателя, драйвера, энкодера и редуктора в одном устройстве.

По сравнению с традиционными раздельными моторными системами они обладают значительными преимуществами в области системной интеграции, плотности мощности, динамического отклика и эффективности разработки, лучше соответствуя требованиям современной робототехники.

По мере развития робототехники в направлении многокоординатной координации, высокой динамики и миниатюризации, интегрированные актуаторы становятся ключевым технологическим решением в системах управления движением роботов и находят всё более широкое применение в четвероногих роботах, гуманоидных роботах, экзоскелетах и промышленной автоматизации.