प्लैनेटरी गियरबॉक्स ह्यूमनॉइड रोबोट जोड़ों को कैसे शक्ति प्रदान करते हैं - और क्यों दो -स्टेज डिज़ाइन हावी हैं

एक पूर्ण आकार के ह्यूमनॉइड रोबोट को उसकी स्वतंत्रता की डिग्री के आधार पर 25 से 44 एक्चुएटर्स की आवश्यकता होती है। प्रत्येक को सार्थक टॉर्क उत्पन्न करना चाहिए, मानव अंग के स्थानिक आवरण के भीतर फिट होना चाहिए, निरंतर गतिशील लोडिंग से बचना चाहिए, और रोबोट की नियंत्रण प्रणाली को वास्तविक समय में बाहरी ताकतों को समझने और प्रतिक्रिया करने के लिए पर्याप्त रूप से उत्तरदायी रहना चाहिए। पूरे उद्योग में, ये एक्चुएटर्स रोबोट की सामग्री लागत के कुल बिल का 40 से 60 प्रतिशत हिस्सा बनाते हैं - जिससे संयुक्त ड्राइवट्रेन चयन पूरी डिजाइन प्रक्रिया में सबसे परिणामी इंजीनियरिंग निर्णयों में से एक बन जाता है।

कठिनाई यह है कि एक रोबोट जोड़ ऐसी मांगें थोपता है जो एक साथ विपरीत दिशाओं में खींचती हैं:

शरीर के वजन का समर्थन करने और पेलोड - को संभालने के लिए उच्च टॉर्क आउटपुट की आवश्यकता होती है, फिर भी गियरबॉक्स को एक अंग के अंदर फिट होने के लिए पर्याप्त कॉम्पैक्ट और हल्का होना चाहिए।

नियंत्रित हेरफेर के लिए स्थितिगत सटीकता की आवश्यकता होती है - फिर भी ट्रांसमिशन को बैकड्राइव योग्य भी होना चाहिए, जिससे जोड़ बाहरी ताकतों का कठोरता से विरोध करने के बजाय उनके आगे झुक सके।

नियंत्रण बैंडविड्थ को बनाए रखने और भार के तहत अंग दोलन को रोकने के लिए संरचनात्मक कठोरता की आवश्यकता होती है - फिर भी ड्राइवट्रेन को चलने और गिरने के दौरान प्रभाव भार को अवशोषित करने के लिए पर्याप्त रूप से अनुपालन करना चाहिए, मोटर में प्रतिबिंबित जड़ता को बढ़ाए बिना जो घटकों को नुकसान पहुंचाता है।

डिज़ाइन संबंधी समस्याओं के कारण मानक औद्योगिक गियरबॉक्स अक्सर ह्यूमनॉइड रोबोट जोड़ों में सीधे उपयोग के लिए उपयुक्त नहीं होते हैं। इसलिए, आज रोबोट जोड़ों के लिए दो लोकप्रिय विकल्प हार्मोनिक और ग्रहीय ड्राइव हैं, ग्रहीय गियरबॉक्स धीरे-धीरे अधिक लोकप्रिय हो रहे हैं - विशेष रूप से दो-स्टेज ग्रहीय गियरबॉक्स।

एक ग्रहीय गियरबॉक्स का नाम उसके चलने के तरीके से मिलता है: ग्रह गियर एक केंद्रीय सूर्य गियर की परिक्रमा करते हैं, जो सभी बाहरी रिंग गियर के भीतर समाहित होते हैं।

सन गियरमोटर शाफ्ट से जुड़ा -, यह उच्च गति इनपुट है।

ग्रह गियर- आम तौर पर तीन, वे सन गियर और रिंग गियर दोनों के साथ एक साथ जाल बनाते हैं, घूमते समय परिक्रमा करते हैं।

ग्रह वाहक- ग्रहीय गियरों का समर्थन करता है और उनकी क्रांति के साथ घूमता है, कम {{1}गति, उच्च{{2}टोक़ आउटपुट अंत के रूप में कार्य करता है।

रिंग गीयर- आंतरिक दांतों के साथ बाहरी रिंग; रोबोट संयुक्त अनुप्रयोगों में, इसे आमतौर पर प्रतिक्रिया आवास के रूप में काम करने के लिए स्थिर रखा जाता है।

संरचनात्मक लाभ भार वितरण है। क्योंकि कई ग्रह गियर एक साथ रिंग गियर को संलग्न करते हैं, संचरित टोक़ को एक साथ कई संपर्क बिंदुओं पर साझा किया जाता है - समानांतर शाफ्ट व्यवस्था के रूप में एकल गियर जाल पर केंद्रित नहीं होता है। परिणाम समान भौतिक आवरण के भीतर काफी अधिक टॉर्क घनत्व है।

औद्योगिक मशीनरी - कन्वेयर, विंच, मिश्रण उपकरण - के लिए यह उपयोगी है लेकिन महत्वपूर्ण नहीं है। गियरबॉक्स में जगह है, वजन प्रबंधनीय है, और पीछे की ओर ड्राइविंग की शायद ही कभी आवश्यकता होती है।

रोबोट जोड़ पूरी तरह से अलग बाधाओं के तहत काम करते हैं। एक्चुएटर को एक मानव पैमाने के अंग के अंदर फिट होना चाहिए, एक कॉम्पैक्ट मोटर से सार्थक टॉर्क का उत्पादन करना चाहिए, और नियंत्रण प्रणाली के लिए इतना पारदर्शी होना चाहिए कि प्रतिक्रिया को बल देना संभव हो। एक ग्रहीय गियरबॉक्स, अपने समाक्षीय लेआउट, उच्च शक्ति {{3} से {{4} वजन अनुपात, और प्रति चरण 96% से अधिक दक्षता के साथ, इन आवश्यकताओं को स्वाभाविक रूप से इस तरह से मैप करता है जैसे कि समानांतर {{6} शाफ्ट गियरबॉक्स या वर्म ड्राइव नहीं करते हैं।

यह भी एक कारण है कि ग्रहीय गियरबॉक्स बुनियादी ट्रांसमिशन आर्किटेक्चर बन गए हैंरोबोट संयुक्त एक्चुएटर्स.

तीन ट्रांसमिशन प्रकार आज ह्यूमनॉइड रोबोट संयुक्त डिजाइन पर हावी हैं: ग्रहीय गियरबॉक्स, हार्मोनिक ड्राइव और आरवी रिड्यूसर। प्रत्येक की एक अलग प्रदर्शन प्रोफ़ाइल होती है। यह समझना कि प्रत्येक कहां उत्कृष्टता प्राप्त करता है - और कहां प्रत्येक कम पड़ता है - किसी भी गंभीर रोबोट संयुक्त एक्चुएटर चयन प्रक्रिया की नींव है।

गतिशील जोड़ों में हार्मोनिक ड्राइव के खिलाफ मामला

हार्मोनिक ड्राइव ने औद्योगिक रोबोटिक हथियारों में अपनी प्रतिष्ठा बनाई - स्थिर, सटीक {{1}पोजीशनिंग कार्य जहां एक कॉम्पैक्ट पैकेज में शून्य बैकलैश और उच्च गियर अनुपात प्राथमिकता थी। उन अनुप्रयोगों के लिए, ट्रेडऑफ़ स्वीकार्य हैं।

Humanoid robot joints operate under fundamentally different conditions. Two limitations become critical:

पैमाने पर दक्षता हानि

एक ह्यूमनॉइड रोबोट गियरबॉक्स एक इकाई - नहीं है, यह 25 से 44 इकाइयां एक साथ चलती है। प्रति जोड़ 70-85% दक्षता पर, पूरे ड्राइवट्रेन में कुल थर्मल और बिजली की हानि पर्याप्त होती है, जो सीधे बैटरी रनटाइम और थर्मल प्रबंधन को प्रभावित करती है।

ख़राब बैकड्राइवबिलिटी

यह अधिक परिणामी मुद्दा है. बैकड्राइवेबिलिटी से तात्पर्य है कि कोई बाहरी बल कितनी आसानी से ट्रांसमिशन के माध्यम से किसी जोड़ को पीछे की ओर ले जा सकता है। कम बैकड्राइवेबिलिटी वाला एक रोबोट संयुक्त एक्चुएटर प्रभावी रूप से "सुन्न" होता है - नियंत्रण प्रणाली आंतरिक घर्षण को दूर करने के लिए आवश्यक सीमा से नीचे जमीनी प्रतिक्रिया बलों, मानव संपर्क या अप्रत्याशित भार का पता नहीं लगा सकती है। एक पैर वाले रोबोट के लिए, यह स्थिर चलना और सुरक्षित मानव संपर्क हासिल करना बेहद कठिन बना देता है। हार्मोनिक ड्राइव, अपने स्वाभाविक रूप से उच्च आंतरिक घर्षण के कारण, यहां खराब प्रदर्शन करते हैं।

प्रत्येक हार्मोनिक ड्राइव के केंद्र में फ्लेक्सस्पलाइन - पतला, लोचदार रूप से विकृत घटक - उच्च आवृत्ति प्रभाव लोडिंग के तहत एक थकान जीवन बाधा भी पेश करता है, जो लेग्ड लोकोमोशन में अपरिहार्य है।

जहां प्रत्येक प्रकार एक ह्यूमनॉइड रोबोट से संबंधित है

व्यवहार में, अधिकांश उन्नत ह्यूमनॉइड रोबोट आज पूरे समय एक ही ट्रांसमिशन प्रकार का उपयोग नहीं करते हैं। पूरे उद्योग में जो पैटर्न उभरा है वह मोटे तौर पर सुसंगत है:

निचले शरीर के जोड़ (कूल्हे, घुटने, टखने): उच्च टॉर्क आउटपुट, निरंतर प्रभाव लोडिंग, और बल पारदर्शिता की आवश्यकता इसे ग्रहीय गियरबॉक्स का प्राकृतिक डोमेन बनाती है।

शरीर के ऊपरी जोड़ (कंधे, कोहनी): उच्च परिशुद्धता आवश्यकताओं के साथ मध्यम टॉर्क। प्लैनेटरी गियरबॉक्स यहां प्रतिस्पर्धी बने हुए हैं, विशेष रूप से दो चरण कॉन्फ़िगरेशन में जहां बैकलैश को 3 आर्कमिन या उससे नीचे रखा जा सकता है।

डिस्टल जोड़ (कलाई, उंगली तंत्र): न्यूनतम स्थान, कम टॉर्क, उच्चतम परिशुद्धता की मांग। हार्मोनिक ड्राइव या कम {{1}बैकलैश ग्रहीय वेरिएंट का उपयोग आम तौर पर वहां किया जाता है, जहां सब{2}आर्कमिनट पोजिशनिंग की आवश्यकता होती है।

इस संयुक्त {{0}द्वारा - संयुक्त विभेदन के कारण एकल मानक विनिर्देशन - के बजाय बैकलैश ग्रेड - की एक श्रृंखला में ग्रहीय गियरबॉक्स का उत्पादन करने में सक्षम आपूर्तिकर्ता एक संपूर्ण ह्यूमनॉइड रोबोट संयुक्त प्रणाली का समर्थन करने के लिए बेहतर स्थिति में हैं।

 

 

 

 

एकल {{0}स्टेज प्लैनेटरी गियरबॉक्स अर्ध-प्रत्यक्ष {{2}ड्राइव (क्यूडीडी) अनुप्रयोगों में अच्छा काम करते हैं जहां कम गियर अनुपात - आम तौर पर 6:1 से 12:{7}} जानबूझकर किया जाता है। उपयोगी आउटपुट टॉर्क उत्पन्न करने के लिए एक बड़ी, भारी मोटर की आवश्यकता की कीमत पर लक्ष्य अधिकतम बैकड्राइवबिलिटी और नियंत्रण पारदर्शिता है।

हालाँकि, अधिकांश ह्यूमनॉइड रोबोट जोड़ों को गियर अनुपात की आवश्यकता होती है जो कि एक चरण कुशलतापूर्वक प्रदान कर सकता है। यह वह जगह है जहां दो-स्टेज ग्रहीय गियरबॉक्स मानक उत्तर बन गए हैं।

अनुपात का अंतर एक चरण में भी नहीं भरा जा सकता

एक एकल ग्रहीय अवस्था आम तौर पर 3:1 और 15:1 के बीच अनुपात प्रदान करती है। कूल्हे और घुटने के एक्चुएटर्स के लिए संयुक्त स्तर की टॉर्क आवश्यकताएं - अक्सर 3,000 से 8,000 आरपीएम पर घूमने वाली मोटरों से 80 से 200 एनएम आउटपुट की सीमा में होती हैं, व्यावहारिक आकार और वजन की मोटर के साथ 20:1 से 80:1 के अनुपात की मांग की जाती है।

श्रृंखला में दो चरण प्रत्येक चरण के अनुपात को गुणा करते हैं: पहला चरण 6:1 पर और दूसरा 8:1 पर संयुक्त होने पर कुल मिलाकर 48:1 प्राप्त होता है। गंभीर रूप से, यह असेंबली को समाक्षीय बनाए रखते हुए प्राप्त किया जाता है और अक्षीय लंबाई में मामूली वृद्धि होती है - आमतौर पर तुलनीय एकल चरण इकाई की तुलना में 30 से 50% अधिक लंबी होती है, जो ह्यूमनॉइड लिंब ज्यामिति के भीतर स्वीकार्य रहती है।

दो चरण क्या अनुपात से परे की पेशकश करते हैं

प्रतिक्रिया वितरण. दो चरण वाले ग्रहीय गियरबॉक्स में, स्थितिगत त्रुटि दोगुनी नहीं होती है क्योंकि पहले (इनपुट) चरण के बैकलैश को दूसरे (आउटपुट) चरण के कमी अनुपात से विभाजित किया जाता है। परिणामस्वरूप, कुल सिस्टम बैकलैश पर अकेले आउटपुट चरण का भारी प्रभाव पड़ता है। सावधान गियर {{4}मेश फेज़िंग और प्रीलोड डिज़ाइन के साथ, कुल सिस्टम बैकलैश को कलाई के बाहर अधिकांश ह्यूमनॉइड रोबोट संयुक्त एक्चुएटर अनुप्रयोगों के लिए स्वीकार्य सीमा के भीतर 3 से 8 आर्कमिन - तक रखा जा सकता है।

टॉर्क और शॉक क्षमता. क्योंकि दो चरण का ग्रहीय गियरबॉक्स बड़े पैमाने पर अंतिम आउटपुट टॉर्क को पूरी तरह से दूसरे चरण के मजबूत गियर और ग्रह वाहक को आवंटित करता है, इसका यांत्रिक जीवन और संरचनात्मक ताकत चलने और पैर की हड़ताल के दौरान क्षणिक सदमे भार को संभालने के दौरान एक ही समग्र अनुपात के एकल चरण, उच्च {{3} कटौती विकल्प से कहीं अधिक है।

उद्योग सत्यापन

दो चरणीय ग्रहीय विन्यास एक सैद्धांतिक प्राथमिकता नहीं है - यह पूरे उद्योग में अवलोकन योग्य डिजाइन विकल्पों को दर्शाता है।

शेफ़लर काग्रहीय गियर एक्चुएटर, सीईएस 2026 में अनावरण किया गयाऔर विशेष रूप से ह्यूमनॉइड रोबोट जोड़ों के लिए विकसित किया गया है, जो एक एकल कॉम्पैक्ट इकाई में मोटर, एनकोडर और नियंत्रक के साथ दो चरणीय ग्रहीय गियरबॉक्स को एकीकृत करता है। उद्धृत की गई टॉर्क रेंज - 60 से 250 एनएम - इस बात का प्रतिनिधित्व करती है कि दो - चरण के ग्रहीय डिज़ाइन भारी या कम बैकड्राइव योग्य विकल्पों का सहारा लिए बिना संयुक्त स्तर पर क्या प्रदान कर सकते हैं।

कस्टम विनिर्माण पक्ष से, पैटर्न समान रूप से सुसंगत है। यूके, यूएस और कनाडा में ह्यूमनॉइड रोबोट डेवलपर्स से प्राप्त अधिकांश संयुक्त एक्चुएटर चित्र दो चरणीय ग्रहीय विन्यास निर्दिष्ट करते हैं, जिनका समग्र अनुपात आम तौर पर 25:1 और 60:1 के बीच होता है और आउटपुट टॉर्क लक्ष्य निचले शरीर और मध्य शरीर की संयुक्त आवश्यकताओं के साथ संरेखित होते हैं।

मानक कैटलॉग गियरबॉक्स सामान्य औद्योगिक अनुपात और इंटरफेस के आसपास बनाए गए हैं। ह्यूमनॉइड रोबोट संयुक्त एक्चुएटर्स शायद ही कभी उनमें फिट होते हैं। मोटर फ़्लैंज, आउटपुट इंटरफ़ेस, अक्षीय लंबाई बजट और बैकलैश ग्रेड लगभग हमेशा संयुक्त {{2}विशिष्ट - होते हैं, जिसका अर्थ है कि गियरबॉक्स को ड्राइंग के लिए निर्मित करने की आवश्यकता होती है।

गियर विनिर्माण परिशुद्धता

बैकलैश और दक्षता गियर को काटने और पीसने के चरण में निर्धारित की जाती है। आईएसओ/डीआईएन ग्रेड 5 पर ग्राउंड गियर के बिना पी0-ग्रेड प्रदर्शन (1 आर्कमिन से कम या उसके बराबर) का हवाला देने वाला एक आपूर्तिकर्ता दावा कर रहा है कि प्रक्रिया समर्थन नहीं कर सकती है।

ग्रहीय रोबोट संयुक्त गियरबॉक्स के लिए तीन क्षमताएं विशेष रूप से मायने रखती हैं:

• गियर स्काइविंग- आंतरिक रिंग गियर के लिए सबसे प्रभावी प्रक्रिया, आंतरिक दांतों पर लगातार इनवॉल्व प्रोफाइल तैयार करना
• गियर पीसनाग्रेड 5 की सटीकता और सतह की फिनिश गुणवत्ता के लिए - गैर-{1}परक्राम्य, जिसके लिए कम {{3}बैकलैश मेश की आवश्यकता होती है
• बढ़िया -पिच रेंज- ह्यूमनॉइड जोड़ों के लिए ग्रह गियर आमतौर पर 0.5 - 2.0 मॉड्यूल रेंज में आते हैं; आपूर्तिकर्ता के उपकरण को इसे आराम से कवर करना चाहिए

आवास और वाहक घटकों के लिए मशीनिंग सहनशीलता

बियरिंग सीट की सहनशीलता सीधे प्रीलोड को प्रभावित करती है, जो असेंबल किए गए गियरबॉक्स में बैकलैश और दक्षता दोनों को निर्धारित करती है। P1 या P0 लक्ष्यों के लिए, क्रिटिकल बोर और कैरियर शाफ्ट सांद्रता को ±0.005 मिमी - पर रखने की आवश्यकता होती है, जिसके लिए सटीक पीसने की आवश्यकता होती है, न कि मानक सीएनसी मिलिंग की। प्रदर्शन को प्रभावित किए बिना गैर-महत्वपूर्ण संरचनात्मक विशेषताओं को ±0.01 मिमी तक मशीनीकृत किया जा सकता है।

ड्राइंग से लेकर डिलीवर असेंबली तक

एक सक्षम आपूर्तिकर्ता को ग्राहक द्वारा घटक सोर्सिंग को अलग से प्रबंधित किए बिना पूरी प्रक्रिया को कवर करना चाहिए:

ड्राइंग समीक्षा

अनुपात व्यवहार्यता, मॉड्यूल चयन, मोटर और आउटपुट शाफ्ट के साथ इंटरफ़ेस संगतता, और टूलींग प्रतिबद्ध होने से पहले उठाए गए किसी भी विनिर्माण संबंधी चिंताओं।

नमूना उत्पादन

बैकलैश माप, रेटेड टॉर्क पर दक्षता परीक्षण, आयामी निरीक्षण, और एक छोटे प्रारंभिक बैच पर सामग्री प्रमाणन।

श्रृंखला निर्माण

स्केलिंग से पहले नमूना परिणामों से किसी भी समायोजन को शामिल करना।

रिंग गियर, प्लैनेट गियर, सन गियर, कैरियर और हाउसिंग का उत्पादन करने वाले आपूर्तिकर्ता पूरी तरह से {{0}घर में ही व्यक्तिगत घटकों को उपठेके पर देने वालों की तुलना में टॉलरेंस स्टैक पर कड़ा नियंत्रण बनाए रखते हैं।

तीन समस्याएँ जो लगातार सामने आती हैं

प्लैनेटरी गियरबॉक्स - विशेष रूप से दो {{1}स्टेज कॉन्फ़िगरेशन - ने ह्यूमनॉइड रोबोट जोड़ों के लिए प्रमुख ट्रांसमिशन आर्किटेक्चर के रूप में अपनी स्थिति अर्जित की है। कारण यांत्रिक हैं, परिस्थितिजन्य नहीं: उच्च टॉर्क घनत्व, स्वीकार्य बैकलैश, वास्तविक बैकड्राइवबिलिटी और प्रतिस्पर्धी वजन का संयोजन रोबोट की स्वतंत्रता की अधिकांश डिग्री के विकल्पों की तुलना में संयुक्त एक्चुएटर संक्षिप्त में बेहतर फिट बैठता है।

एक कस्टम संयुक्त गियरबॉक्स में उस प्रदर्शन को प्राप्त करना दो चीजों पर निर्भर करता है: प्रत्येक जोड़ के वास्तविक लोड मामले के लिए सही पैरामीटर निर्दिष्ट करना, और एक निर्माता के साथ काम करना जिसकी गियर उत्पादन और मशीनिंग क्षमताएं विनिर्देश के लिए आवश्यक सटीक ग्रेड से मेल खाती हैं।

यदि आप एक ह्यूमनॉइड रोबोट जॉइंट एक्चुएटर विकसित कर रहे हैं और अपने स्वयं के चित्र - से काम कर रहे हैं, चाहे वह व्यक्तिगत ग्रहीय गियर घटकों के लिए हो या संपूर्ण गियरबॉक्स असेंबलियों के लिए हो - तो हमें आपके विनिर्देशों की समीक्षा करने और विनिर्माण क्षमता, प्राप्त करने योग्य बैकलैश ग्रेड और अनुपात व्यवहार्यता पर प्रत्यक्ष प्रतिक्रिया प्रदान करने में खुशी होगी।