Çok güçlü bir robot kolu için hangi tip aktüatör uygun olacaktır?


27

Yararlı bir ağırlık kaldırabilen bir robot kol yapmak istiyorum (yaklaşık 1.25 metreye kadar uzayan bir kolda 3-6kg gibi). Bunu gerçekleştirmek için hangi aktüatörler mevcuttur. Ana faktörler ve tasarım noktaları:

  • Pahalı değil
  • 5 ila 6 dof
  • henüz tasarlanmış bir mobil platform üzerine monte edilecek
  • akülü
  • hobi servolarından daha güçlü (en azından 'omuz' ve 'dirsek' eklemleri için)
  • harekete geçmesi yavaş değil

6
Bunu SO çubuğunda kenar çubuğunda gördüm, ancak sorunun "çok güçlü bir robot ordusu" olduğunu düşündüm. Durumda, kontrol etmem gerektiğini düşündüm.
Matthew Frederick

Yanıtlar:


27

Uygulamanız için hangi aktüatörler uygun, ne tür bir robot kolu oluşturmak istediğinize bağlı. Ne tür bir kol istediğinize karar verdikten sonra , her eksen için uygun bir aktüatöre karar verebilirsiniz .

Kol

Açıklamanızdan, bir portal robotun uygun olmayacağını varsayarsak, özel uygulamanıza bağlı olarak, çoğu kişinin Robot kolunu düşündüklerinde düşündükleri olan bir Eklemli kol üzerinde bir SCARA kolu düşünebilirsiniz .

Bir SCARA kolunun en büyük avantajı, kaldırma kuvvetinin çoğunun yataklarında olmasıdır. Ana omuz, dirsek ve el bileği (yalpalama) bağlantıları düz bir düzlemdedir; bu, motorların yalnızca gereken yanal kuvvetleri üretebilecek kadar güçlü olması gerektiği, kalan eksenlerin ağırlığını desteklemesi gerekmediği anlamına gelir.

Z ekseni, eğim ve yuvarlama (ve açıkça görüldüğü gibi) hepsinin yerçekimine karşı çalışması gerekir, ancak Z ekseni çok fazla ağırlık taşıyabilecek kadar yüksek dişliye sahiptir ve zift, yuvarlanma ve kavrama eksenlerinin yalnızca yük ağırlığı, diğer eksenlerin ağırlığı değil.

6 UMI RTX robot + kıskaç

Bunu, baltaların çoğunun kinematik zincirden aşağıya tüm eksenlerin ağırlığını desteklemesi gereken eklemli bir kolla karşılaştırın .

KUKA'dan 6 Eksenli Eklemli Robot

Aktüatörler

Portal robotları

Genellikle bir portal robot , ana X, Y ve Z eksenleri için doğrusal aktüatörler kullanır . Bunlar düşük performanslı, düşük hassasiyetli, servo veya kademeli tahrikli kurşun vida gibi yüksek kuvvetli aktüatörler olabilir (kuvvet ve performans alınıp satılabilir ancak doğruluk her zaman geri tepmeyle sınırlandırılır), yüksek performans, yüksek doğruluk hassas enkoderli direkt tahrikli lineer motorlar.

Kalan 3DOF manipülatörü genellikle perde, yuvarlanma ve yalpalama için hassas dönme hareketi gerektirir, bu nedenle genellikle bir elektrik motoru (step veya servo) en uygun olur. Oldukça yüksek dişli değerine sahip küçük bir motor bile, oldukça yüksek yüklere karşı yerçekimine dayanabilir.

Step motorlara karşı servo motorlarda bir kenara

Servo (1) ve stepper arasındaki fark, karmaşıklık ve kontrolde kesinlik arasında bir dengedir.

Bir servo motor, pozisyon geri bildirimi için bir enkoder gerektirir, oysa bir stepper değildir. Bu , düşük performans istiyorsanız , bir kademenin elektriksel olarak çok daha basit ve kontrol açısından daha basit olduğu anlamına gelir .

Eğer (kapat 's sınırına iterek) olsa motorun en out almak istiyorsanız, o zaman adımlayıcıları almak çok daha zor tahmin edilebileceği kontrol etmek. Bir servo üzerinde pozisyon geri besleme ile şunları yapabilirsiniz melodi performansı çok daha agresif ve daha sonra servo döngü bu konuda öğrenmek ve düzeltmek için alacak 's hedef pozisyon veya hızına ulaşmak için başarısız olmadığını biliyor beri.

Eğer böylece bir step ile ayarlamak için sisteme sahip garanti o ki her zaman bakılmaksızın yükün hareket veya ağırlığının arzu edilen hız, adım olun. Bazı insanların bir step motordaki kaçırılan adımları tespit etmek için bir kodlayıcı eklemeyi önereceğini unutmayın, ancak bunu yapacaksanız ilk etapta bir servo motor kullanılmış olabilir!

SCARA kolu

Bir SCARA kolu ile, Z ekseni muhtemelen tek doğrusal eksendir, geri kalan eksenlerin tümü dönel motorla yapılabilir, bu nedenle tekrar step veya servo motor bulunur. Bu motorların boyutlandırılması nispeten kolaydır, çünkü taşınan ağırlık çoğu için daha az önemlidir. Bir yükün ataletinin üstesinden gelmek için gereken motor, yerçekiminin üstesinden gelmek için boyutlandırmaktan çok daha azdır.

Mafsallı kol

Mafsallı bir kolla hesaplamalar daha zordur, çünkü çoğu eksen, hem yükü taşımaya hem de kaldırmaya bağlı olarak boyutlandırılmış aktüatörlere ihtiyaç duyacaktır, ancak yine de bir elektrik motoru kontrol edilmesi ve kullanımı en kolay olandır.

Kıskaç

Sonunda kıskaç var. Burası aktüatörlerde en fazla çeşitliliği gördüğüm yer. Uygulamalarınıza bağlı olarak, istediğiniz sayıda farklı aktüatörü kolayca kullanabilirsiniz.

Geleneksel motorlu tutma kıskaçları, doğrusal çalıştırma kıskaçları, piezo esneklik kıskaçları, pnömatik olarak çalıştırma kıskaçları, vakumlu tutucular ve diğerleri arasında basit oluklar veya kancalar olan sistemleri kullandım. Tipik taşıma yükünüzün ne olduğu, sizin için en uygun olan aktüatörü önemli ölçüde değiştirebilir. (2)

Calcs'ınızı yapmak

Rocketmagnet'in önerdiği gibi hesap makinesini kırmak zorunda kalacaksın.

Sisteminizin kinematiğini, her bir motor için maksimum yükü (mafsallı bir kol tasarımı kullanıyorsanız, kolun tamamen uzatılmış en kötü durumda olduğunu dikkate alarak) dikkate almanız gerekir, hız (daha yüksek vitesli daha küçük motorlar hız olmadan ihtiyacınız olan kuvveti, ancak daha yüksek bir motor, size daha düşük dişli ve daha yüksek hız vb. ile daha yüksek bir tork verebilir).

Genel olarak, soruna ne kadar çok para atarsanız, o kadar iyi performans (hız, doğruluk, güç tüketimi) elde edersiniz. Ancak özellikleri analiz etmek ve akıllı satın alma kararları almak, robotunuzun fiyatını / performansını optimize etmeye yardımcı olabilir.

(1) Tecrübelerimin endüstriyel servolarda , tipik olarak döner kodlayıcılı fırçalı veya fırçasız bir DC motorda olduğuna dikkat edin , bu nedenle hobi RC servolarda geçerli olabilir veya olmayabilir .

(2) Bu konuda başka bir soru göndermenizi öneririm.


Üzgünüm. Benim sorum esas olarak bileşenlerle ilgili. Tasarım konusunda iyi bir noktaya değindin. Bunun hakkında düşünmedim. Yine de, ikinci resimdeki gibi "standart" bir kol kullanmak istediğimi düşünüyorum. Bunun, mobil bir platforma monte edilmek için daha iyi bir hareket aralığına sahip olduğunu düşünüyorum.
Mark W

ama eğer bunu yapacaksanız, ilk etapta bir servo motor kullanılmış olabilir! Gönderiniz mükemmel ancak geri bildirimli bir adım bir servo olduğu için servo veya step demiyor ! . Ayrıca , bir kademesiz fırçasız DC motordur ve çok daha fazla kutuba sahip olmak, daha az verimli olmasına rağmen daha az vites küçültme gerektiren daha fazla tork (küçük hızda) üretecektir. Ayrıca endüstriyel robotik kollar, dengeleme için yaylara ve dengeleme için gerekenden daha fazla kuvvete sahip olma eğilimindedir.
Diego C Nascimento

1
Eğer endüstriyel ve araştırma ortamlarında benim durumumda teknik olarak doğru @DiegoCNascimento vardır iken, kodlayıcı ile step motorlar değildir denir servolarını. Performans özellikleri, davranışları ve kontrol teknikleri çok farklı olduğu için, biri hakkında diğeri hakkında konuşurken birisinin sizi kastettiğini varsaymasını istemezsiniz. Bu yüzden burada robotikte rcservo'lardan , servo motorlardan mı yoksa step motorlardan mı bahsediyoruz konusunda net olmaya çalışıyoruz .
Mark Booth

13

Aktüatörleri seçerken, son efektörde ne kadar güce ihtiyacınız olduğunu hesaplayarak başlamanız öğreticidir. 'Çok yavaş değil' derken, bunun ne anlama geldiği, özellikle de farklı yük koşulları altında bir fikre sahip olmalısınız.

Örneğin, şunu söyleyebilirsiniz: 0,2 m / s'de 6kg ve 0,5m / s'de 0kg

Şimdi kolun tahmini ağırlığını ekleyin: 0.2m / s'de 10kg ve 0.5m / s'de 4kg

Şimdi gücü hesaplayın: 100N * 0.2m / s = 20W ve 40N * 0.5m / s = 20W

Böylece, son efektördeki en yüksek güç çıkışı 20W olur . Rahatça 20W'dan fazla üretebilen bir aktüatöre ihtiyacınız olacak.

Aktüatörünüz olarak bir elektrikli motor kullanmaya karar verdiğinizi varsayacağım. Bunlar hala güçlü elektrikli robot sistemleri için tercih edilen aktüatörlerdir. (Bu robotu atölyenizi yakmadan kas teli ile başarılı bir şekilde çalıştırırsanız faremi yerim).

Bir elektrikli motor kullandığınızdan, neredeyse kesinlikle bir çeşit vites kullanıyor olacaksınız. Motordaki dişli hattının yaklaşık% 50 verimli olduğunu varsayalım. Bu, en az 40W değerinde bir elektrik motoruna ihtiyaç duyacağınız anlamına gelir. Bunun güvenilir bir kol olmasını istiyorsanız, en az 60W değerinde bir motor kullanacağım.

Sonra dişli trenini belirtmeniz gerekir. Tork ne gerekli? 100N * 1.25m = 125Nm. Ancak her zamanki gibi, dişli aktarma organı için bundan daha fazla tork belirtmeniz gerekir, çünkü en azından yükü yukarı doğru hızlandırabilmeniz için yedek bir torka ihtiyacınız vardır. Nominal yükten daha fazlasını alabilecek bir dişli aktarma organı seçin.

Son olarak, motorun torkunun verim ile çarpılan dişli oranı ile çarpıldığından tork gereksiniminizi aştığınızdan, ancak maksimum dişli yükünü aşmadığından emin olun.


Azami dişli yükü derken ne demek istiyorsun ? Yanlışlıkla komut verirseniz, dişli hattınıza zarar verecek kadar torklu bir motor kullanmamanız gerektiği anlamına gelir, ancak başkalarının zor yoldan öğrenmesi gerekmiyorsa daha iyi olur. * 8' )
Mark Booth

@MarkBooth - Bu doğru. Vites oranı yeterince yüksekse, motorun kendi dişlisini kırması oldukça mümkündür. Hesaplamaya katılması çok iyi.
Rocketmagnet

5

Mobil platform: Bir elektromekanik lineer aktüatör , mobil platform üzerine monte edilebilen hafif aktüatör için iyi bir seçim olabilir.

Akülü: Bir elektro-mekanik lineer aktüatör, servo motorlara göre iyi bir seçimdir, çünkü lineer aktüatörler yalnızca hareket halindeyken güç çeker ve konumunu tutmak için güç gerektirmez.

5-6 DoF: Bunu mekanik-karmaşık ve sınırlı hareket menzili olduğu için elektro-mekanik lineer aktüatör kullanarak elde etmek zor olabilir

Lineer aktüatörleri www.firgelli.com adresinden deneyebilirsiniz. Küçük ölçekli uygulamalar için iyi olan minyatür lineer aktüatörlere de sahiptirler.

Doğrusal aktüatör kullanan kol için mekanik tasarım konsepti: Hafriyat ekipmanlarının çoğunda hidrolik doğrusal aktüatör vardır. Doğrusal aktüatör için bağlantıların bazıları bu çizgide uygulanabilir.


3

Dikkate alınması gereken iki faktör daha var: Karmaşıklık ve maliyet.

Endüstriyel robot kol böyle

Endüstriyel robotik kol http://halcyondrives.com/images/robotic_arm.png
alanından resim http://halcyondrives.com

normalde eklemi yönlendirmek için şanzımandan tork kullanın, şimdi vites küçültmenin desteklemesi gereken torku ve bunun boyutu / ağırlığını mı düşünüyorsunuz? Çok basit ve pahalı, malzemelerinin çok büyük bir tork desteklemesi gerekiyor.

600Kgf/cm

Bazı çözümler sektöründe kullanır

Gerilim Dalgası Dişlisi veya Harmonik Tahrik

Gerilim Dalgası Dişlisi veya Harmonik Tahrik
Http://commons.wikipedia.org adresinden görüntü

200:1 10:1

Ancak bu tür bir vites çok pahalı ve karmaşıktır.

Yaylar ve karşı ağırlıklar

6DOF endüstriyel motor çizim
Http://www.globalrobots.ae sitesinden görüntü

Diğer basit çözümler bile, resimde gördüğünüz gibi karşı ağırlık eklemektir. Bunun hem önkolda (adı unuturum) hem de kolda etki etmesi gereken bir bağlantı vardır. Yaylar da yardımcı olacak ve eğer eklemin aynı eksenine monte edilmiş ancak biraz kaymış ise, kol uzadıkça daha fazla güç verecektir.

Mekanik tahrik sistemi için düşük maliyetli ve daha az karmaşık çözümler

Şimdi daha az maliyetli ve daha az karmaşık çözümler için, şanzımandaki yüksek tork değerinin azaltılması gerektiği için daha az pahalı malzemeler kullanmanız gerektiğini düşünüyorum. Saf bir elektronik sürücü için bu doğrusal bir aktüatör olacaktır .

Çeşitli lineer aktüatörler var. Ancak fikir, daha az güç harcayacağıdır (kolun hangi noktalarına bağlı olduğuna bağlı olarak).

  • "Somun" ve uç vidalı tip

kurşun vidalı doğrusal aktüatör

Bu tip aktüatörün birçok alt tipi vardır ve bu da verimliliği, aşınmayı, kuvveti ve çok daha fazlasını etkiler. Ancak, genel olarak, yüksek bir kuvvete ve göreceli olarak yavaş bir orta hıza sahiptirler (bu, yine türüne bağlı olacaktır, bazı hareket platformu simülatörlerinde kullanılanlar gibi hızlı değişebilir).

Elektrikli doğrusal aktüatörlü 6 serbestlik dereceli hareket platformu http://cfile29.uf.tistory.com/T250x250/195BAD4B4FDB0AF104C30F .

Elektrikli lineer aktüatörler, bu uygulamada hidrolik lineer aktüatörleri ikame ediyorlar ve hızlı ve güçlü olmaları gerekiyor, bazı simülatörler 2 tondan daha fazla ağırlık alıyor.

  • Kayış veya zincir tahrik

Daha fazla hız ve diğer basit yöntemler için, bunun gibi kayış veya zincir tahriki

kayış lineer tahrik aktüatörü
Http://images.pacific-bearing.com adresinden görüntü

Bu elbette endüstriyel bir üründür, bu bir DIY üründür ve uygulama için daha fazlası var: (evet, çok fazla iyileştirme alanı var, ancak bu tasarımda bile ne kadar hızlı ve güçlü olabileceğini göstermek için iyi bir form ). http://bffsimulation.com/linear-act.php

50Kgf/cm50Kgf

Aynı zamanda, bu aktüatördeki yatakların çoğu "radyal kuvvet ve somun" içerisinde yatağın en fazla eksenel kuvveti alacağı radyal kuvvetleri desteklemesi gerekecektir. Bu nedenle kuvvete bağlı olarak bir baskı bilyalı yatak kullanmanız gerekir .


1

Bence en iyi bahis, düzenli hobi servoları olacağını düşünüyorum, eğer yeterince torkları yoksa, aynı mafsal üzerinde paralel olarak birden fazla servo kullanın. İyi bir seçenek Robotis'in Dynamixel servoları olacaktır ancak hobi servolarından daha pahalıdırlar ve ttl / rs232 / rs485 tarafından kontrol edildiklerinde iletişim protokolünü kırmanız veya bir usb2dynamixel (veya usb2ax) dönüştürücü kullanmanız gerekir. Avantajları tork, hız ve hassasiyettir.

Sitemizi kullandığınızda şunları okuyup anladığınızı kabul etmiş olursunuz: Çerez Politikası ve Gizlilik Politikası.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.