принцип работы, ремонт и обслуживание

Многие представители компаний по продаже новых автомобилей готовы предложить своим клиентам на выбор модели, в которых могут быть установлены следующие виды КПП роботизированная, автоматическая или механическая. И если в последних двух типах преобладающее большинство автолюбителей разбирается, то о варианте коробки-робота стоит поговорить.

Что такое коробка-робот?

Это устройство представляет собой стандартную механическую коробку передач, оснащенную дополнительной системой управления передачами и сцеплением автомобиля. Главное отличие заключается в том, что функционал сцепления и переключения передач полностью роботизирован при помощи специального электронного блока со встроенными алгоритмами управления.

Работать такая коробка может в нескольких режимах: на полном автомате, а также на полуавтомате. Во втором случае водитель принимает непосредственное участие в процессе переключения передач с низшей ступени на более высокую. Делает он это с помощью переключателей, расположенных под рулевым колесом, или с помощью рычага селектора.

В процессе эксплуатации роботизированная КПП способна совместить в себе рабочую динамичность, экономичность и надежность стандартной «механики», а также комфорт в управлении «автомата». Несомненным плюсом устройства является низкая стоимость, по сравнению с автоматическим аналогом. В настоящее время все большее количество мировых автопроизводителей доверяют коробке-роботу.

Устройство роботизированной коробки передач

Существует несколько типов конструкции коробки-робота. Однако в каждом из них есть один общий компонент — механическая КПП, оснащенная системой управления передачами и сцеплением. Именно она является основой работы КПП робот что это обстоятельство не может не радовать, так как в механике разобраться гораздо проще, нежели в его автоматическом аналоге.

В процессе производства роботизированную коробку могут оснащать либо приводом с гидравликой, либо электрическим приводом сцепления. Во втором случае роль исполняющих конструкций возлагается на сервомеханизмы, то есть на электрический мотор и механическую передачу. В первом варианте привод производится при помощи специальных гидроцилиндров, управление которых осуществляется электромагнитными клапанами.

Данный тип привода еще имеет название электрогидравлического. Некоторые крупные компании, к примеру Ford или Opel при установке роботизированной КППП используют в ее конструкции электропривод, где для того чтобы переместить главный цилиндр сцепления применяется гидромеханический блок, оснащенный электрическим мотором.

Скорость выполнения своих обязанностей в электрическом приводе довольно невысокая и составляет от 0,3 до 0,5секунды. Однако в отличие от гидравлического привода энергии риходится затрачивать на порядок меньше. Обратной стороной медали в гидравлике является скорость работы, которая зачастую используется производителями спортивных автомобилей. Только представьте, переключение передачи в моделе Lamboghini Aventador с роботизированной КПП составляет всего 0,051 секунды. Этот показатель в десять раз лучше, нежели у машин с коробкой-роботом и электрическим приводом.

Подобные качества двух типов привода коробки-робота определили область их использования. Так, гидравлику используют производители моделей представительского и спортивного класса, а электрические приводы устанавливаются на бюджетные автомобили.

Как обслуживается КПП, диагностирование неисправностей и разновидности ее ремонта смотрите здесь. Хотите узнать можно ли сделать ремонт КПП ВАЗ 2019 самостоятельно? Тогда вам сюда.

Поломка РКПП

Самым незащищенным от неисправностей компонентом в устройстве роботизированной коробки является сцепление. Среди поломок этого конструкционного элемента наиболее часто встречаются износы ведомого диска, выжимного и направляющих, а также корзины сцепления. Первые признаки появления неисправности в сцеплении можно понять из пробуксовки машины, то есть резком трогании с места либо отсутствии крутящего момента на средней скорости. В случае достижения значительного порога износа деталей и механизмов сцепления коробки-робота, система уведомит владельца авто путем подачи сигнала на приборной панели и переходом в аварийный режим.

Вторая строчка среди распространенных неисправностей «робота» закрепилась за нарушением работы так называемого актуатора, то есть электромеханического привода, отвечающего за корректное переключение передач и работу сцепления.

Ни один механизм автомобиля не застрахован от износа в процессе длительной эксплуатации. Это обстоятельство становится причиной износа щеток, различных загрязнение, а также обрывов в цепи электродвигателя. Помимо вышеназванных самых распространенных поломок коробка-робот может пострадать и от износа рычагов, а также износа зубцов на колесах привода. Определить неисправность привода можно по сопровождающимся рывкам при попытках тронуться с места. Но не нужно сразу впадать в панику, ведь рывки могут быть связаны и с нарушениями в настройках сцепления автомобиля.

Путем визуального осмотра и посещения специализированной станции можно определить лишь внешние неисправности. Внутри себя коробка-робот может скрывать и другие неприятные сюрпризы для владельца автомобиля. Определить данные неисправности можно лишь путем проверки роботизированной КПП на специальном компьютере. Загруженные в систему диагностические коды позволят выявить такие неисправности как проблемы в электрической части, а также ряд других механических неисправностей. Отыскать диагностические коды и программу для проверки можно и самостоятельно. Но тут важно учитывать, что для каждого производителя эти значения индивидуальны.

Неисправности роботизированной коробки передач DSG

Отдельно хочется упомянуть неисправности, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации коробки-робота DSG. И даже несмотря на то, что этот тип устройства используется сравнительно недавно и уже успел снискать славу архинадежной конструкции за счет наличия семи ступеней переключения передач, у него имеются слабые места.

Конечно, их не так много, как в предыдущих поколениях, но проблем с ними от этого меньше не становится. Первое место прячется в блоке управления. Можно сказать, что в процессе разработки конструкторы что-то упустили из виду. И теперь отчаянно пытаются устранить свою ошибку. Втрое проблемное место — двойное сцепление сухого типа.

За счет особенностей конструкции коробки DSG сухое сцепление постоянно находится в работе и, особенно в переходном режиме, деталь подвергается интенсивному износу. Почувствовать неисправность можно в появлении вибрации в момент выезда со стоянки или двора, а также в появлении пробуксовки. Лечить болезнь не получится. Поможет лишь полная замена сцепления.

Роботизированная коробка Тойота: принцип работы коробки Toyota

За основу трансмиссии Freetronic была взята традиционная «механика» оснащенная электроприводами. Другое известное название «робота» Freetronic — ММТ (Multimode). Роботизированная трансмиссия может работать как в режиме «автомат», так и в ручном режиме.

Переключение передач в трансмиссии происходит при помощи трех электродвигателей. Один из них отвечает за выключение (выжим) сцепления, а два других за смену передач. Работой приводов управляет электронный блок управления (ТСМ), путем обработки сигналов с бесконтактных датчиков.

Трансмиссией Freetronic комплектовались автомобили марки Toyota с 2005 по 2009 гг. Это такие модели как: Corolla, Auris, Yaris, Aygo,Echo, Prius и другие. На моделях Yaris и Echo концерн Тойота впервые стал устанавливать автоматическое сцепление TFT.

Общее устройство

1 — индикатор в автомобиле, 2 — концевой выключатель рычага КПП, 3 — привод, 4 — датчик 1-2, 5 — датчик заднего хода, 6 — датчик нейтрали, 7 — датчик частоты вращения (КПП), 8 — датчик положения сцепления, 9 — электронный блок управления MMT — Фритроник.

Выключение и включение сцепления TFT в трансмиссии Freetronic происходит путем управления величиной давления жидкости, которая подводится к главному цилиндру сцепления. Коробка переключения передач оснащена датчиками, одни из которых следят за реальным положением селектора передач, а другие измеряют частоту вращения первичного вала КПП. Рычаг переключения оснащен концевыми выключателями упреждающими блок управления о намерениях водителя задействовать рычаг коробки переключения передач. При наличии неисправностей на панели приборов начинает мигать индикатор. Индикатор также сигнализирует водителю при его попытке неверного переключения.

Принцип работы роботизированной коробки Toyota

• До запуска двигателя сцепления всегда включено

• Пуск. После поворота ключа в положение зажигание (положение КПП – нейтраль) блок ММТ выполняет «выжим» сцепления и можно запускать  двигатель

• Начало движения.   При включении первой передачи или передачи заднего хода и нажатии педали газа,  блок ММТ мгновенно получает информацию об этом путем сигнала  от датчиков и выдает команду золотниковому клапану на понижение давления, что ведет к включению сцепления и автомобиль трогается. Для плавного включения сцепления клапан золотника открывается постепенно, и полное его включение происходит после выравнивания частоты вращения коленвала и первичного вала КПП. Блок в этот момент дает команду на полное открытие канала главного цилиндра сцепления на слив.

• Смена передач. При отпускании педали газа и изменении положения рычага КПП, соответствующие датчики сообщают об этом в блок ММТ. Блок дает команду на «выжим» сцепления. Дальнейшее включение сцепления происходит после получения сигналов от датчиков нейтрали и «концевиков» рычага.

• Остановка. В момент торможения автомобиля входной вал КПП начинает вращаться с меньшим числом оборотов (ниже заданной нормы) и блок управления TFT выполняет «выжим»  сцепления.

• Зуммер. Включается при возникновении внештатных ситуаций: ошибка при переключении вниз, попытка начала движения с передачи выше 3-й, чрезмерная нагрузка на сцепление, попытка запуска при включенной передаче, открыта дверь водителя при запущенном двигателе и положении рычага селектора соответствующее движению вперед или назад ( не нейтраль).

Все про обновленный вазовский робот АМТ — журнал За рулем

В Сочи прошло мероприятие Lada Brand Day, где вазовцы презентовали обновленную роботизированную трансмиссию. Вот что рассказал ЗР руководитель проекта АМТ Владимир Петунин:

Схема роботизированной коробки передач АМТ

Схема роботизированной коробки передач АМТ

Так уж сложилось, что претензий к АМТ была масса. Мол, водитель и пассажиры клюют носом при переключениях, машина тупит, ну и так далее. Вазовцы прислушались и даже предложили несколько новых прошивок, но глобальное обновление анонсировали только сейчас.

Никаких кардинальных изменений исполнительных механизмов не потребовалось. Однако в «железе» все же есть новшества — у контроллера управления теперь не одна, а две платы, и, конечно, иная программа управления коробкой передач. Так что владельцы роботизированных автомобилей не смогут просто приехать к дилеру и перепрошить коробку.

Что поменяли

«Пробочный» режим, или, как его называют официально, функция Creeping mode, который появился в этом году, сохранен. Водитель просто снимает ногу с педали тормоза, и машина начинает катиться вперед. Скорость на первой передаче — 7–8 км/ч, на второй — 14–15 км/ч. При включении заднего хода этот режим также работает — машина ползет со скоростью 5–6 км/ч.

При этом функция Creeping mode отключается автоматически при одном из трех условий: если во время движения открыть водительскую дверь, если перевести селектор в нейтраль или затянуть рукоять стояночного тормоза. То есть вот так вдруг автомобиль сам не поедет.

Новая программа управления АМТ позволила сократить время переключения передач: с первой на вторую и со второй на третью — аж на 30%.

Обещают, что синхронизаторы выдержат.

Новая программа управления АМТ позволила сократить время переключения передач: с первой на вторую и со второй на третью — аж на 30%. Обещают, что синхронизаторы выдержат.

Материалы по теме

У водителей, которые часто ездят с полной нагрузкой автомобиля, да еще и по горным дорогам, были нарекания: на приборах регулярно загоралась ошибка коробки передач. Причина в следующем: из-за сильного нагрева и пробуксовки сцепления срабатывает датчик температуры. Однако электроника при этом не разомкнет диски сцепления. Важно понимать, что этот индикатор не является критическим, то есть не сигнализирует о поломке, требуя прекратить эксплуатацию автомобиля. В инструкции по эксплуатации об этом так и написано.

Появилась и возможность старта на второй передаче, в ручном режиме управления АМТ. Это так называемый «зимний» режим работы коробки передач. Вазовцы обещают, что так будет легче трогаться с места на скользкой дороге.

Скоро появится и спортрежим (не путать с Kick Down), который можно будет активировать отдельной клавишей на панели. «Спорт» будет работать в режимах А и М (автоматический и ручной соответственно). При этом электроника задействует иные настройки двигателя и трансмиссии.

В ручном режиме при максимальных оборотах мотора принудительного переключения передачи вверх не будет.

Обновленная роботизированная трансмиссия появилась и на Ладе XRAY с мотором 1.8. Обновленная роботизированная трансмиссия появилась и на Ладе XRAY с мотором 1.8.

Лифтованная версия кроссовера Lada XRAY Cross 1.8 пока лишена робота. Предположим, что ненадолго. Лифтованная версия кроссовера Lada XRAY Cross 1.8 пока лишена робота. Предположим, что ненадолго.

На дороге

Материалы по теме

Сажусь в Весту Кросс. Действительно, работать АМТ стала расторопнее. Уже нет прежнего ощущения клевка при переключениях, за которые лично я так не люблю большинство роботов. А вот и пробка из Адлера в Сочи. Отпускаю педаль тормоза и медленно ползу в потоке, работая только тормозом. Так ехать легче, чем с прежней версией АМТ: не нужно каждый раз «будить» машину нажатием на педаль акселератора. Это бережет нервы водителя.

На старой извилистой и полупустой дороге, ведущей на Красную Поляну, автомобиль также оставляет приятные впечатления. Нет в его поведении прежней нервозности. А главное, у меня не возникает вопроса, переключилась коробка или еще нет. Переключения чувствуются, при этом они заметно сглажены. Тут поправка: я никуда не торопился и ехал спокойно.

А как АМТ поведет себя, если надавить на газ от души? В режиме «газ в пол» робот скидывает вниз две передачи. Заметно, что трансмиссия теперь работает быстрее и логичнее. Эх, жалко, в этой версии AMT пока нет клавиши спортрежима! Проверить бы и его, но такая возможность появится позднее.

Наш вердикт

В сравнении с предыдущей версией, новая АМТ стала понятнее для водителя и комфортнее для всех находящихся в машине. Если не относиться к роботизированной Весте как к гоночному автомобилю, то впечатления от машины исключительно положительные. Робот по-прежнему для тех, кто не торопится. Ну а для тех, кто привык погонять, есть Lada Vesta Sport на механике.

Роботизированная коробка передач

Основу роботизированной коробки передач составляет механическая коробка, но функции выключения сцепления и переключения передач автоматизированы. Работой коробки передач управляет электронный блок с заложенным алгоритмом управления.

Коробка-робот сочетает топливную экономичность и высокую надежность МКПП с комфортом автоматической коробки. Но при этом стоимость «робота» значительно ниже классической АКПП. Именно эти факторы поспособствовали тому, что большинство автопроизводителей в настоящее время оснащают свои транспортные средства роботизированными коробками. Они устанавливаются как на модели эконом, так и премиум класса.

Конструкция роботизированной коробки передач

В зависимости от компании-производителя конструкция роботизированных коробок может разниться. Однако следует выделить их общее устройство: механическая коробка передач с интегрированной системой управления сцеплением и передачами.

В автоматизированных КПП применяется сцепление фрикционного типа: это либо отдельный диск, либо пакет фрикционных дисков. Инновационным считается т.н. двойное сцепление, способное передавать крутящий момент без потери мощности.

Как указывалось выше, основу конструкции роботизированной коробки составляет МКПП. Производители, как правило, используют уже готовые технические решения. К примеру, на базе АКПП 7G-Tronic построена автоматизированная коробка передач Speedshift от Mercedes – в этом случае гидротрансформатор был заменен фрикционным многодисковым сцеплением. Базой для SMG от BMW служит 6-ступенчатая «механика», оснащенная электрогидравлическим приводом сцепления.

«Роботы» могут комплектоваться гидравлическим либо электрическим приводом сцепления и передач. В качестве исполнительных устройств в электрическом приводе используются сервомеханизмы (механическая передача и электродвигатель). Гидравлический привод приводится в действие посредством гидроцилиндров, которые находятся под управлением электромагнитных клапанов. Этот вид привода также называют электрогидравлическим. Некоторые конструкции роботизированных коробок передач с электрическим приводом (Durashift EST от компании Ford, Easytronic от компании Opel) оснащаются гидромеханическим блоком с электродвигателем для перемещения главного цилиндра привода сцепления.

Электрический привод характеризуется меньшим энергопотреблением и невысокой скоростью работы – временной промежуток переключения передач варьируется в пределах 0,3–0,5 секунды. В гидравлическом приводе постоянно поддерживается давление в системе, поэтому он требует больших затрат энергии. Вместе с тем, он отличается более высокой скоростью работы. Некоторые коробки-роботы с гидроприводом, которыми комплектуются спортивные авто, отличаются поразительной скоростью переключения передач, например, у Lamboghini Aventador этот показатель составляет 0,05 cек. , а у Ferrari 599GTO – 0,06 cек.

Эти качества определяют область применение агрегатов. Таким образом, «роботы» с электрическим приводом устанавливаются на бюджетные транспортные средства, а с гидравлическим – на автомобили сегмента премиум.

Электрическим приводом оснащаются следующие коробки передач:

• SensoDrive от компании Citroen;
• 2-Tronic от компании Peugeot;
• Easytronic от компании Opel;
• MultiMode от компании Toyota;
• Dualogic от компании Fiat;
• Allshift от компании Mitsubishi;
• Durashift EST от компании Ford.

Гидравлический привод устанавливается на следующие роботизированные коробки передач:

• SMG от компании BMW;
• R-Tronic от компании Audi;
• Quickshift от компании Renault;
• ISR от компании Lamborghini;
• Selespeed от компании Alfa Romeo.

Электронная система осуществляет управление роботизированной коробкой передач. Она состоит из входных датчиков, исполнительных устройств и электронного блока управления. Задача входных датчиков заключается в отслеживании основных параметров коробки: положение селектора, положение вилок включения передач, частоту вращения на входе и выходе, температуру и давление трансмиссионного масла. Все параметры передаются в блок управления.

Учитывая входящие сигналы датчиков, электронный блок управления формирует команды для исполнительных устройств в соответствии с заложенной программой. Кроме того, электронный блок в процессе работы взаимодействует прочими электронными системами, среди которых система управления двигателем, система ABS (ESP). В коробках с гидравлическим приводом в систему управления также входит гидравлический блок управления (отвечает за управление гидроцилиндрами и давление в системе).

В зависимости от привода исполнительными механизмами выступают электромагнитные клапаны гидроцилиндров (гидравлический привод), электродвигатели (электрический привод).

Коробка передач с двойным сцеплением

Роботизированная коробка передач имеет достаточно весомый недостаток – относительно большой промежуток времени переключения передач. Данный недостаток влечет за собой провалы и рывки в процессе управлением машины, что в свою очередь приводит к снижению комфорта. Для решения данной проблемы была разработана коробка с двойным сцеплением, которая обеспечивает переключение без потери мощности.

При уже включенной передаче двойное сцепление позволяет выбрать следующую передачу и включить ее при первой потребности, при этом работа коробки передач не будет прервана. Отсюда исходит другое название – преселективная коробка передач (preselect – предварительный выбор).

Еще одним преимуществом «робота» с двойным сцеплением считается высокая скорость переключения. Причем, скорость зависит лишь от скорости переключения муфт (DCT M Drivelogic от BMW – 0,1 cек., DSG от Volkswagen – 0,2 cек. ). Данный тип коробки передач отличается компактными размерами, что особенно важно для малолитражных автомобилей. Вместе с этим, отмечается повышенное энергопотребление, особенно это касается коробки с «мокрым» сцеплением. Высокая скорость переключения вместе с беспрерывной передачей крутящего момента обеспечивает хорошую разгонную динамику транспортного средства и значительную топливную экономичность.

Двойным сцеплением комплектуются многие роботизированные коробки передач:

• DSG от компании Volkswagen;
• Speedshift DCT от компании Mercedes;
• DCT M Drivelogic от компании BMW;
• PDK от компании Porsche;
• S-Tronic от компании Audi;
• Twin Clutch SST от компании Mitsubishi;
• Powershift от компаний Ford и Volvo;
• TCT от компании Alfa Romeo.

Даже спортивный автомобиль Ferrari 458 Italia укомплектована коробкой с двойным сцеплением Doppelkupplungsgetriebe. Вышеуказанные коробки передач имеют гидравлический привод сцепления и передач. В настоящий момент лишь одна коробка использует электропривод устройств – EDC (Efficient Dual Clutch) от компании Renault. Стоит отметить, что время переключения передач составляет всего 0,29 сек.

Лидерами по массовому применению коробок передач с двумя сцеплениями по праву считаются компании Audi и Volkswagen, которые устанавливают на свои автомобили коробки S-tronic и DSG с 2003 года. S-tronic, в отличие от коробки DSG, устанавливается продольно на оси полноприводных и заднеприводных автомобилей.

DCT M Drivelogic – это автоматизированная коробка передач с функцией Drivelogic. Данная функция предусматривает 11 программ переключения передач, из которых 6 предполагают выполнение в ручном режиме, а остальные 5 – это автоматизированные программы переключения передач. С помощью этой функции можно адаптировать смену передач под стиль вождения конкретного человека.

Принцип работы роботизированной коробки передач

У данного типа коробки передач предусмотрено два режима работы: автоматический и полуавтоматический. В первом случае электронный блок управления задействует определенный алгоритм управления коробкой, учитывая при этом сигналы входных датчиков. Команды блока управления выполняют исполнительные механизмы.

Полуавтоматический режим переключения передач аналогичен функции Типтроник на АКПП. Благодаря данному режиму обеспечивается возможность последовательно переключать передачи посредством селектора и/или подрулевых лепестков. По этой причине роботизированную трансмиссию также называют секвентальной КПП (sequensum – последовательность).

Роботизированная коробка передач

Можно сказать, что роботизированная коробка передач занимает промежуточное положение между механической и автоматической трансмиссиями. Идея создания «робота» заключалась в том, чтобы в одной коробке передач сочетались бы комфорт, надежность и экономичность с точки зрения топлива. При этом роботизированная коробка должна была стоить намного дешевле классического «автомата». Как показывает практика, обе цели в итоге были достигнуты.

По сути, роботизированная коробка передач является «эволюцией» обычной механической трансмиссии. Устройство и принцип работы «механики» довольно простой. Главными составляющими элементами являются первичный (ведущий) и вторичный (ведомый) валы.             На ведущий вал передается крутящий момент от двигателя.  Ведомый вал преобразовывает крутящий момент и передает его на передние или задние колеса в зависимости от типа привода автомобиля.

На каждом из валов присутствуют шестерни. На ведущем валу они жестко закреплены, а на ведомом свободно вращаются. Именно поэтому, когда коробка передач находится в нейтральном положении, ведущие колеса не получают крутящий момент.

На автомобиле с обычной механической коробкой передач, водитель сначала выжимает сцепление, тем самым отсоединяя первичный вал от мотора. После этого, с помощью рычага коробки на вторичном валу начинают двигаться и перемещаться синхронизаторы, которые не позволяют муфте заблокировать шестерню, пока их скорости вращения не станут одинаковыми. Когда это условие выполнено, синхронизатор жестко блокирует шестерню выбранной передачи на вторичном валу.  Чтобы крутящий момент сначала попал на ведомый вал, а от него на главную передачу и ведущие колеса, необходимо включить сцепление.

Но если механической трансмиссией управляет водитель, т.е. он включает и выключает сцепление, выбирает необходимую передачу, то в роботизированной коробке все эти функции  выполняет электроника, которая состоит из входных датчиков, электронного блока управления и исполнительные механизмы.

Основная функция входных датчиков заключается в постоянном контроле основных параметров коробки передач. Полученная датчиками информация далее передается в электронный блок управления, который взаимодействует с различными системами автомобиля, такими как ABS, ESP, отслеживает обороты двигателя, скорость движения. Кроме этого, в блок заложена программа управления исполнительными механизмами. На основе полученных данных, электронный блок дает команды исполнительным механизмам, которыми являются сервоприводы – актуаторы.

Как только от электронного блока поступает команда на включение передачи, один сервопривод выжимает сцепление, второй передвигает муфту и включает выбранную передачу. Сразу после включения передачи первый сервопривод плавно отпускает сцепление. Таким образом, водителю не нужно выжимать педаль сцепления, да ее собственно  и нет, так как все делает электроника.

Большинство «роботов» имеют два режима работы. В автоматическом режиме все команды, касающиеся работы сцепления и включения необходимой в данный момент передачи, поступают от электронного блока управления. В ручном режиме, водитель самостоятельно переключает передачи.

Недостаток роботизированной коробки передач

При смене передач в автоматическом режиме «робот» надолго прерывает идущую к колесам мощность от двигателя. Причем такие разрывы достаточно продолжительны во времени, чтобы водитель успел их заметить и ощутить.

Чтобы полностью исключить такие провалы или хотя бы существенно сократить время, затрачиваемое на переключение передач, в начале 1980-х годов была разработана роботизированная коробка передач с двойным сцеплением — DCT (dual clutch transmission). Самым известным представителем подобной трансмиссии является коробка DSG, которая применяется на автомобилях Volkswagen, Audi и др.  

 

Роботизированные КПП Рено: конструкция, проблемы, надежность

Дата публикации 19 июня 2018. Опубликовано в Секреты Рено

Сегодня рассмотрим роботизированные коробки передач французского автопроизводителя — Quickshift 5, Easy’R, EDC. 

Quickshift 5

Этот пятиступенчатый робот конструкторы представили в 2000 году как революционную новинку, которая сочетает в себе комфорт «автомата» и экономичность «механики». Среди моделей Рено, Quickshift 5 ставили на Twingo, Clio, Modus.

 Конструктивно, этот «робот» есть классическая механическая коробка Jh2, переключением передач которой занимается не водитель, а два электрогидравлических актуаторов. Под контролем системы датчиков и ЭБУ, один из них выбирает и переключает передачи, а второй выжимает сцепление. Коробка имеет ручной режим, когда водитель сам выбирает нужную передачу.

Коробку необходимо регулярно обслуживать. Так, масло в электрогидравлической системе рекомендуется менять раз в 30 тысяч километров пробега, а в механической части устройства — раз в 60 тысяч.

Отзывы владельцев касаются в основном жалоб на задержки переключений: двигатель буквально воет, а «робот» все держит передачу. Другая жалоба — трудности с ремонтом устройства, даже у официальных дилеров.

К типичным поломкам Quickshift 5 относят проблемы с электрической частью. Отказы датчиков и блока управления, глюки и ошибки — все это приводит даже к полной замене ЭБУ, при том что часто корень проблемы скрывается в контактах. Поэтому владельцу важно следить за целостностью проводки.

Другая распространенная проблема «робота» связана с эксплуатацией коробки в холода. При морозе трансмиссионная жидкость в электрогидравлической системе становится настолько вязкой, что коробка не может адекватно переключать передачи.

Кроме того, сам рычаг управления не отличается надежностью, и его приходится менять на новый. Встречаются течи масла — через гидроаккумулятор давления.

При всем этом, при грамотном обслуживании и бережной эксплуатации Quickshift 5 живет больше чем 200 000 км — достойный результат, согласитесь.

Easy’R

Пятиступенчатая роботизированная коробка Renault Easy’R (индекс JS3) была представлена в 2015 году. Ставят ее на бюджетные модели альянса, в основном — для тех, что выпускаются под брендом Dacia. Такой «робот» получили Logan, Sandero, Stepway, Duster и Kwid.

Конструктивно в основу «робота» Easy’R легла 5-ступенчатая МКПП JHQ и электромеханический актуатор фирмы ZF. Коробка предусматривает возможность ручного переключения передач.

Специалисты рекомендуют менять трансмиссионное масло каждые 60 тыс. км пробега.

Учитывая недолгий «стаж» коробки, говорить о каких-то хронических «болячках» и поломках не приходится. Есть случаи замены электронного блока управления, и то — гарантийные.

Отзывы владельцев Easy’R, мягко говоря, не очень хорошие. Да, находятся индивиды, которые хвалят «робота» за низкую стоимость, экономию топлива, «ползущий» режим для передвижения в пробках. Еще из достоинств отмечают противооткатную систему. А еще ее можно заводить «с толкача» или раскачивать, чтобы выехать из грязи.

Но вот большинство жалуется на Easy’R. Основные претензии касаются особенностей работы: «робот» бережет сцепление, значит, серьезно «подвисает» при переключениях, а при смене передач серьезно теряет в скорости. С торможением ситуация еще веселее: коробка исправно понижает передачи, даже когда водитель уже жмет «газ» чтобы, например, тронуться со светофора. Как итог — дергание и «задумчивость» коробки.

Само по себе поведение Easy’R вынуждает водителя изменить манеру езды на размеренную и бережливую. Плавный разгон, предсказуемый старт — иначе «кивки» и дергания коробки обеспечены.

В то же время, ресурс Easy’R производитель оценивает в 200 тысяч километров.

Примечательно, что спустя всего 2 года после выхода этого «робота» в свет, рынок России отказался от него — из-за рекордно низкого спроса.

EDC

Преселективная коробка, Renault EDC — разработка компании Getrag. Это «робот» с двумя сцеплениями, который ставится на мощные модели концерна. Обнаружить 6- или 7-ступенчатую версию этой коробки можно на Renault Duster, Megane, Captur, Kadjar и Espace.

Конструктивно это привычная «механика» с автоматическим переключением передач, но муфт сцепления, в отличие от классического «робота», здесь две, по одной для каждого ряда передач — четного и нечетного. Такая особенность позволяет коробке уже с началом движения на первой передаче держать включенной вторую, чтобы переключить ее максимально быстро, не теряя крутящий момент.

Из видимых недостатков — задержка при резком торможении или прибавке скорости. Но, в отличие от других преселективных коробок, EDC  достаточно надежна и частыми поломками своим владельцам не досаждает.

Среди типичных жалоб владельцев этого «робота» -течи масла через сальник левого привода, и вибрации рычага. Последний может говорить о том, что необходимо менять комплект сцепления.

Самая серьезная поломка коробки касается выхода из строя электромеханического привода. Это чревато заменой всего узла.

Жалуются владельцы на отказ ЭБУ. Стоимость нового не обнадеживает.

Однако в целом, EDC характеризуют как достаточно шустрый агрегат, с небольшим топливным расходом и ресурсом, при хорошем обслуживании близком к 300 тысячам км. Масло рекомендуется менять каждые 45 тысяч км.

Не пропустите другие наши обзоры коробок Рено:

• популярные МКПП Рено — читать здесь
• популярные «автоматы» Рено — читать здесь
• вариаторы Рено — читать здесь.

 

Роботизированная коробка передач — ремонт робота на всех типах автомобилей

Роботизированная коробка является разновидностью полуавтоматических коробок передач. Педаль сцепления в машине, в которой установлен «робот», отсутствует. Ее функции выполняет целый комплекс датчиков, сенсоров, актуаторов, переключающих коробку скоростей с помощью бортового компьютера. Именно эти электронные системы часто становятся причинами, по которым владельцам авто может потребоваться ремонт «робота».

Устройство «робота»

Роботизированная коробка была разработана европейскими авто производителями и предназначалась в первую очередь для облегчения управления авто в условиях перегруженных дорог, постоянных стартов и остановок. Задумка действительно неплоха, если бы «электронный фарш» периодически не давал сбоев, а владельцам не приходилось оплачивать не дешевый ремонт роботизированной коробки передач.

Роботизированная коробка в автомобилях серийного производства расположена там же, где и стандартная механическая, только вместо «Ж-образной» схемы переключения ручка движется лишь вперед и назад (возможны и вариации). При надавливании на педаль газа и переключении передачи сенсоры передают информацию бортовому компьютеру, который направляет команды коробке передач. Сенсоры коробки вновь отправляют компьютеру информацию о действительной скорости, а компьютер эти данные синхронизирует, подбирая оптимальные скорость и время переключения скоростей.Также в функции центрального процессингового блока входят смыкание и размыкание сцепления, которые осуществляются синхронно с переключением водителем ручки скоростей. Работа «робота» может осуществляться в 2-х режимах: автоматическом и полуавтоматическом (передачи переключаются с помощью подрулевых переключателей или рычага селектора).

Ремонт «робота»: возможные сложности

Чаще всего ремонт роботизированной коробки передач сопряжен с целым рядом сложностей. У каждого производителя роботизированная коробка имеет свои конструкционные особенности, принцип функционирования и название. К примеру, у Мицубиси это Sport tronic, All shift или Twin Clutch SST, у Опеля – Easy tronic, у Мерседес-Бенц – Sequen tronic, у Тойоты – SMT, у Хонды — i-Shift и т. д. Ремонт «робота» должны проводить только те мастера, которые имеют точное представление о коробке конкретной марки авто и соответствующие инструкции завода-производителя.

Ремонт акпп «робота» в нашем автосервисе производится после тщательной диагностики авто с помощью специального сканера. Иногда неисправность мелкая, к примеру, связанная с неполадками моторов сервоприводов, тогда замена коробки не потребуется. Однако в сложных случаях может потребоваться замена отдельных деталей «робота» или всей коробки. Эта задача под силу только высококвалифицированным профессионалам.

Услуги автосервиса: Контакты:

Пн-Сб: 9 00 — 20 00 (без обеда)
Вс: 9 00 — 20 00 (без обеда)

РТ, г. Казань
Ул. Габишева 40
на карте
——————
РТ, г. Казань
Ул. Техническая 41а
тел. 240-02-07
на карте Сервис:

(843) 216-55-56

Магазин: (843) 253-64-83

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 редукторов.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 такие важные эффекты, как жесткость на кручение и потерянное движение, а 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 структуру 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, следовательно, это тесно связано 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. Точно так же 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 из соображений безопасности. 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 (бегунок), 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 позволяет повысить 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 вклад нелинейностей от коробки передач. С другой стороны, умеренное передаточное число не может компенсировать нелинейные условия сцепления — обычно зубчатый крутящий момент (Siciliano et al., 2010).

Более пристальный взгляд на спецификации этих новых двигателей вызывает 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 ключевое 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 требовать меньший крутящий момент.

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 числом зубцов и определяет его передаточное отношение 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 более высокие 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 воздействию высокого крутящего момента и низкой скорости или условий высокой скорости и низкого крутящего момента. Однако в некоторых коробках передач из-за их особой топологии некоторые зацепления шестерен могут иметь одновременно высокую скорость и высокий крутящий момент. 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 опорная рамка является несущим элементом коробки передач, а виртуальная передаточная 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, потому что накопленные потери в первых зацеплениях, задействованных вдоль различных внутренних потоков мощности в коробке передач, приводят к тому, что меньшая виртуальная мощность, прогнозируемая этими уравнениями, будет течь 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) в качестве практического способа 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 влияют на 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 указывают на особо 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 снижение 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 повторяемый выходной крутящий момент, называемый моментом ускорения, и номинальный крутящий момент, ) 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 входная скорость

• 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’s RG Series 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, 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 выигрыша — до 1: 512 — без фундаментальных изменений в весе, размере 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 неподвижным 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 коробка передач 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 компания SUMITOMO представила новый редуктор E-CYCLO, работающий также на принципе действия волны деформации.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, что обеспечивает наилучшее соотношение крутящего момента к весу среди 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). Также стоит 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.

Опять же, благодаря зацеплению с несколькими зубьями, можно достичь потерянных движений ниже 1 угловой минуты, что дает этому редуктору большое 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 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 вес больше и ближе к весам PGT по вышеупомянутым причинам.Отношение крутящего момента к массе больше, чем у PGT, но немного ниже, чем у редукторов с волновой деформацией. Основное преимущество циклоидных приводов заключается именно 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 (Mihailidis et al., 2014), и пусковые моменты холостого хода, и коэффициент скрытой мощности высоки. аналогично редукторам с волновым напряжением.

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.

Приводы

Cycloid 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 обеспечения более высоких входных скоростей. 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 производители, такие 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, вызываемым даже небольшими производственными ошибками. Существует несколько попыток улучшить эту ситуацию, используя эвольвентные зубья, менее чувствительные к колебаниям межцентрового расстояния, с уменьшенными углами давления и / или коэффициентами контакта для минимизации радиальных сил и повышения эффективности (Morozumi, 1970), а также с использованием других форм нестандартных зубьев. -инволютные зубы (Коряков-Савойский и др., 1996; Хлебаня, 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 рисунке 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 © Genesis Robotics, 2019.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 нет независимых тестов, подтверждающих данные характеристики, и никаких официальных данных, особенно по эффективности, от Genesis пока нет, поэтому в Таблицу 4 включено только значение Latent Power Ratio, полученное на основе его топологии.

Таблица 4 . Рамки 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, доступный 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, созданного 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 нововведение в использовании роликов вместо шестерен для замены зубчатых контактов контактами качения, см. Рисунок 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 зубчатого колеса на контакт качения способствует минимизации потерь в контакте, 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 планетарными контактами 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 ~ Φ50 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 использования безопорной конструкции Vranish и зубчатых подшипников. Подшипники шестерен представляют собой контакты качения, которые предусмотрены для каждой пары зубчатых колес 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 основная 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 данным 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 редукторов 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 единственного зуба в зубчатом каркасе Teeth Carrier , но, по словам этих авторов, его топология напоминает топологию деформационно-волнового механизма, см. Рис. 11. Гибкая линия заменена зубцами 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 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 ограничений 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 оставить этап 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 по своей сути эффективны, надежны и относительно просты — дешевы — в производстве. Это может объяснить недавний интерес робототехников 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, чтобы 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 приближения роботизированных устройств к людям шум привлекает все больше внимания робототехников.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 доступно недостаточное количество исходной информации 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 для интересных направлений 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 коробок передач, 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 структуры.Все корректуры авторов прочитали и внесли свой вклад в окончательную версию статьи.

Финансирование

SC, ES (доктор наук) и TV (доктор наук) являются научными сотрудниками Исследовательского фонда Flanders — 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 скорости: 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). Планетарная коробка передач .Европейский патент № EP2975296A2. Мюнхен: Европейское патентное ведомство.

Брасситос, Э., Джалили Н. (2017). Разработка 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 Фрис 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.

ГЕНЕЗИС (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 S-образной шестерни», в 11. Kolloquium Getriebetechnik (Мюнхен), 205–216.

Google Scholar

Хоган, Н. (1984). «Управление импедансом: 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 понижающего привода. 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). «Дизайн носимого оптимизированного экзоскелета руки с прямым приводом», в Международной конференции по достижениям в компьютерно-человеческих взаимодействиях (ACHI) (Гозье).

PubMed Аннотация | Google Scholar

Канаи Ю., Фудзимото Ю. (2018). «Бездатчиковое управление 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)», на Международном симпозиуме по носимой робототехнике (Пиза), 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 (Munich: 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 / 014390774386

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). 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», , 11-й Европейский симпозиум 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, содержащей отдельные упорные зубья, 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

Сенсингер, Дж. У. (2010). «Выбор двигателей для роботов, использующих биомиметические траектории: 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, например, циклоидных передач. 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). «Методология 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

Токсири, С., Наф, М. Б., Лаццарони, М., Фернандес, Дж., Спозито, М., Полиеро, Т. и др. (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 носителя и 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 робота, удобного для человека. Внутр. J. Робот. Res. 23, 379–398. DOI: 10.1177 / 0278364

2193

CrossRef Полный текст | Google Scholar

В чем разница между приводом с редуктором и приводом с прямым приводом?

Загрузите эту статью в формате PDF.

Развитие робототехники ускоряется в наши дни, поскольку компании ищут способы создания новых решений для повседневных проблем.Роботы становятся умнее благодаря процессам обучения искусственного интеллекта (ИИ), более динамичными в движении благодаря дизайну и более эффективными в промышленных приложениях. Тем не менее, актуаторы, кажется, упускают из виду, когда дело касается их потребности в инновациях.

Основы приводов

Приводы — это компонент, ответственный за обеспечение движения и прочности суставов и осей машины, например робота. Ключевым фактором в работе машины является управляющий сигнал и подводимая мощность для облегчения движения.Однако вам также необходимо преобразовать мощность двигателя в полезную скорость и крутящий момент. Подумайте о шестеренках на велосипеде. Ваша нога может быть недостаточно сильной, чтобы управлять колесом велосипеда напрямую. Шестерни используются для изменения крутящего момента, необходимого для привода колеса.

То же самое касается роботизированных приводов, в которых традиционная комбинация двигатель / редуктор работает вместе, чтобы преобразовать выходной крутящий момент двигателя с более низким крутящим моментом для достижения мощного движения в манипуляторе робота с приемлемой скоростью. Более сложная система передач (т.е., чем выше передаточное число или больше ступеней редуктора), что обычно требуется для приложений с более высоким крутящим моментом, тем больше люфт в системе трансмиссии. Люфт повлияет на точность робота и в крайних случаях может даже повлиять на безопасность.

Люфт — это «провисание» в системе, также называемое «люфтом» в шестернях (рис. 1) . Например, при перемещении рулевого колеса старой машины влево и вправо, когда машина выключена и отсутствует гидроусилитель руля, вы можете почувствовать некоторый «люфт» или люфт в системе, когда рулевое колесо движется, а шины не движутся. повернуть.Это связано с тем, что вдоль системы рулевого управления множество разъемов с небольшими допустимыми величинами люфта в сумме приводят к общему большому люфту в системе, который можно почувствовать.

1. Люфт — это «провисание» в системе, также называемое «люфтом» в шестернях.

Очень сложно устранить люфт в системе передач и практически невозможно с многоступенчатыми редукторами. Шестерни должны изготавливаться с очень плотной посадкой или допуском, что может быть дорогостоящим.Кроме того, жесткие допуски приводят к высокому трению, или необходим механизм, чтобы шестерни оставались плотно включенными в пределах их диапазона крутящего момента.

Гибкие зубчатые передачи, такие как зубчатая передача с волновой деформацией, предлагают другой метод устранения люфта, поскольку редуктор имеет некоторые гибкие компоненты, которые компенсируют «провисание». К сожалению, это может привести к потенциальной хрупкости и очень затрудняет движение назад — управление устройством задним ходом.

Приводы

с редуктором подходят для низкоскоростных приложений, поскольку они позволяют двигателям работать на высоких скоростях и с меньшим крутящим моментом при оптимальной эффективности.Это также позволяет системе использовать обычные сегодня двигатели с относительно низким крутящим моментом (более слабые).

Самым основным типом шестерни является прямозубая шестерня, в которой зубья внутри шестерни будут входить в полный контакт при каждом зацеплении, вызывая большое количество шума и приводя к износу и часто к необходимости смазки. Проблема шума привела к созданию косозубой шестерни, которая позволяет зубьям входить в зацепление более плавно. Когда мы меняем передаточное число для увеличения крутящего момента, это происходит за счет снижения скорости.Это связано с тем, что частота вращения двигателя, приводящего в движение коробку передач, снижена для увеличения крутящего момента. Вот почему редукторы также часто называют редукторами.

Привод с прямым приводом

В приводе с прямым приводом традиционный редуктор удален. Однако для этого требуется, чтобы двигатель в приводе с прямым приводом был способен создавать достаточный собственный крутящий момент при приемлемой скорости (то есть не в тысячи оборотов в минуту, а в несколько сотен оборотов в минуту). Преимущества прямого привода многочисленны, и производители роботов давно мечтают об этом.

Прямой привод не имеет люфта из-за отсутствия шестерен; жесткость на кручение обеспечивает очень высокую точность. Прямой привод также полностью поддерживает обратное движение, что дает большие преимущества для совместных роботов, которые должны перемещаться и позиционироваться людьми. Кроме того, высокая устойчивость к ударам делает их очень подходящими для экзоскелетов и шагающих роботов, где удар при ходьбе может повредить шестерни.

2. Приводы с прямым приводом, такие как LiveDrive, показанные здесь, полностью устраняют необходимость в зубчатой ​​передаче, что приводит к снижению общего веса и меньшему количеству движущихся частей.Эти компоненты можно производить по невысокой цене — более 50% от стоимости традиционного привода с зубчатой ​​передачей.

Кроме того, отсутствие коробки передач означает отсутствие инерции, что является большим преимуществом с точки зрения безопасности роботов и машин. Если автомобиль начинает катиться с холма, накопленная инерция затрудняет быструю остановку. То же самое происходит с коробкой передач: если у вас есть двигатель, который работает со скоростью 4000 об / мин, и коробка передач с передаточным числом 100: 1, мгновенная остановка невозможна.Коробке передач нужно время, чтобы замедлиться.

Преимущества также распространяются на внедрение робототехнических решений. Люфт в редукторных системах часто требует сложного программирования, чтобы помочь в повышении точности для компенсации «люфта» в зубчатых колесах. Это требует времени и часто требует постоянной калибровки. Шестерни также повреждаются, и их необходимо заменять или смазывать, что увеличивает расходы на техническое обслуживание.

Другое преимущество — стоимость. Без коробки передач привод с прямым приводом на самом деле представляет собой просто двигатель, а не комбинацию двигатель / коробка передач.Это дает немедленную экономию средств. Поскольку стоимость срабатывания снижается, это приближает робототехнику к точке перегиба. Это ускорит внедрение роботов не только для промышленного использования, но и для потребительского и не производственного использования, например для здравоохранения.

В приводах используются новые свойства, позволяющие роботизированной конструкции работать без шестерен. Особенности, которые следует искать в прямом приводе:

• Усиленные магниты: Ищите уникальные конфигурации, которые увеличивают эффективную силу стандартных постоянных магнитов.

• Структурно-магнитная синергия: Колоссальные магнитные силы, создаваемые усиленным магнитом, разрушили бы конструкцию обычного двигателя. Этот новый уровень магнитных характеристик требует механической конструкции, достаточно прочной, чтобы выдерживать возникающие силы, но при этом достаточно легкой, чтобы обеспечить наивысшее отношение крутящего момента к массе

• Термодинамическая аномалия: Тепло является ограничивающим фактором в любом электромагнитном устройстве.Комбинация первых двух основополагающих открытий обеспечивает тонкую и легкую структуру, которая позволяет отводить тепло. Эффективный отвод тепла позволяет вашему приводу работать с гораздо более высокими уровнями мощности, чем обычный двигатель.

У Genesis Robotics есть пример этой безредукторной конструкции с прямым приводом, называемый «LiveDrive», который включает в себя эти три основополагающих открытия (рис. 2).

Итак, в чем разница между редуктором и прямым приводом?

Как отмечалось выше, основные различия между этими двумя системами заключаются в их стоимости и производительности для роботов.Приводы с прямым приводом, такие как LiveDrive, полностью устраняют необходимость в зубчатой ​​передаче, что приводит к снижению общего веса и меньшему количеству движущихся частей. Это компоненты, которые можно производить по низкой цене — более чем на 50% дешевле, чем у традиционных приводов с зубчатой ​​передачей.

Отсутствие зубчатой ​​передачи также устраняет люфт, который существенно влияет на точность. Решения с прямым приводом могут обеспечить высочайший уровень точности, точности и жесткости на кручение на рынке. Еще одно ключевое усовершенствование — возможность обратного привода привода.Они также могут обеспечить эту производительность на гораздо более высоких скоростях, поскольку понижающие характеристики коробки передач также удалены из системы.

Технология приводов остается неизменной более 50 лет. Отсутствие точности в движении и громоздкий дизайн сдерживают их потенциал. Отсутствие реинжиниринга системы привода, помимо снижения стоимости и сложности срабатывания привода, замедлило внедрение роботов на потребительских рынках. Искоренение коробки передач и постоянное развитие технологий приводов с прямым приводом решают эти проблемы, что, в свою очередь, улучшает производительность и доступность рынка.

Майк Хилтон — генеральный директор Genesis Robotics.

Прямоугольный редуктор для передачи крутящего момента для робота, используемый в «умной» вспомогательной инвалидной коляске

Applied Resources — производитель Raptor, первого коммерчески доступного «умного» вспомогательного робота, одобренного Управлением по контролю за продуктами и лекарствами. Подразделение Phybotics компании Applied Resources Corp. представило роботизированную систему для инвалидных колясок Raptor в 2000 году. Raptor получил одобрение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США в декабре 1999 года и вошел в историю в июне 2000 года как первая продажа оборудования, одобренного FDA. робот-инвалидная коляска в США.Raptor также продается в Нидерландах.

Raptor оказывает помощь людям с тяжелыми формами инвалидности, использующим инвалидные коляски с электроприводом. Колено манипулятора робота содержит редуктор под прямым углом от Torque Transmission, который обеспечивает двойной выход вала через расширенный входной вал.

Компания искала альтернативу тяжелым и дорогим металлическим коробкам передач, доступным на рынке, и обратилась за помощью в Torque Transmission. «Инженеры Torque Transmission оснастили наш стандартный RAB-1, угловой редуктор с угловой передачей под углом, специальной зубчатой ​​передачей, чтобы обеспечить больший крутящий момент для удовлетворения требований заказчика, — пояснил Джон Рамп, президент подразделения Torque Transmission.«В результате получился недорогой, очень легкий, но надежный привод», — заключил он.

«Коробка передач с трансмиссией крутящего момента была выбрана из-за ее небольших габаритов, небольшого веса и высокого крутящего момента», — отметил Крейг Вундерли, главный инженер отдела прикладных ресурсов. «Мы подвергли правые угловые приводы строгим испытаниям, и эти приводы успешно прошли все наши испытания», — заключил он.

Угловой редуктор под углом

Прямоугольный угловой редуктор (RAB) трансмиссии крутящего момента

имеет размеры 3-21 / 32 дюйма x 3-15 / 16 дюйма x 1-1 / 4 дюйма в глубину и весит 12 унций.В нем используются шарикоподшипники и шестерни из закаленной стали с экранированной смазкой, он рассчитан на 1600 об / мин, а максимальная скорость 1/3 лошадиных сил составляет 3000 об / мин. RAB передачи крутящего момента также имеет выбор из одного или двух входов и передаточное число 1: 1 или 2: 1, правую или левую конфигурацию, и может работать в любом направлении.

Основные характеристики

• Низкая стоимость. Половина стоимости сопоставимых дисков в металлическом корпусе
• Выбор материалов корпуса и вала: — Соответствие RoHos
• Доступны индивидуальные зубчатые колеса, длина корпуса и вала, а также материалы
• Увеличенный срок службы
• Меньший износ
• Улучшенный контакт зубьев
• Тихая работа
• Наиболее эффективная конструкция передачи мощности в условиях номинальной нагрузки

Типичные применения прямоугольных угловых зубчатых передач передачи крутящего момента охватывают широкий спектр применений, включая медицинское и физиотерапевтическое оборудование, упаковочное оборудование или любые другие приложения, требующие малой мощности, где требуется высококачественная, но компактная, легкая и экономичная передача энергии.

Узнать больше

Torque Transmission специализируется на системах привода с дробной мощностью, но не ограничивается ими, и может работать со всеми различными скоростями и передаточными числами двигателей. В Torque Transmission инженер-конструктор не привязан к конкретной конструкции. Вы найдете команду, готовую предложить решения.

Обратитесь в компанию Torque Transmission прямо сейчас, чтобы мы смогли найти недорогую коробку передач, соответствующую вашим потребностям и вашему бюджету.

Читатели, интересующиеся коробкой передач для роботов, заинтересованы в следующих статьях по теме:

Шестерни деформационной волны из металлического стекла для литья в объеме: на пути к снижению стоимости высокопроизводительной робототехники

Прецизионные зубчатые передачи, подобные тем, которые требуются в космических приложениях и в современной робототехнике, часто требуют специально изготовленных компонентов со специальными характеристиками.Среди желаемых свойств для космоса — высокий крутящий момент, точное позиционирование, малая масса, компактная конструкция и работа в экстремальных условиях. Эти требования привели к разработке зубчатых передач с волновой деформацией (SWG), также известных как зубчатые передачи с гармоническим приводом (HD), которые оказали значительное влияние на роботов, станки и космические аппараты ¹ . Изобретенные в 1959 году, SWG были впервые использованы в аэрокосмической и оборонной промышленности и в конечном итоге приняты в космические полеты в 1971 году в качестве компонента лунного вездехода «Аполлон-15» для НАСА ^1,2 .С тех пор SWG широко использовались НАСА для космических телескопов (включая Хаббл) и марсоходов (включая Spirit и Opportunity из миссии Mars Exploration Rover). Предлагаемые в настоящее время миссии НАСА к так называемым «ледяным телам», состоящим из таких спутников, как Европа и Титан, а также комет и астероидов, потребуют усовершенствованных систем снаряжения, которые могут работать при чрезвычайно низких температурах. SWG обладают значительными преимуществами по сравнению с обычными зубчатыми передачами, включая высокую точность позиционирования с нулевым люфтом, уменьшенный размер, уменьшенный вес и увеличенные передаточные числа ³ .Эти свойства делают их привлекательным выбором для высокопроизводительных приложений, таких как космос и оборона, но высокая стоимость из-за сверхточности производства ограничивает широкое использование в недорогой, потребительской робототехнике. Из-за сверхточной обработки, необходимой для компонентов SWG, снижение их стоимости является сложной задачей, а выбор материалов ограничен, что привело к тому, что подавляющее большинство SWG изготавливается из стали. Несмотря на то, что были предприняты некоторые попытки интегрировать недорогие конструкции и материалы с низкой плотностью в SWG, подавляющее большинство по-прежнему изготавливается из стали.Например, внешний шлиц SWG был заменен материалами с низкой плотностью, такими как алюминий, которые были покрыты твердыми материалами для улучшения износостойкости алюминия ¹ . Некоторые исследования были сосредоточены на изменении материала гибкого сплайна с использованием композитов углеродное волокно / сталь, высокопрочных полимеров или различных металлических сплавов ^4,5 . Таким образом, исследования в области SWG в первую очередь сосредоточены на том, как (1) снизить стоимость, (2) добиться лучшей производительности в предполагаемой среде, (3) снизить массу, (4) интегрировать новые материалы и (5) сделать диски меньшего размера.

Работа стального SWG показана на рис. 1. Хотя SWG могут быть сконструированы с использованием различных геометрических форм, три компонента стандартного SWG чашечного типа показаны в разобранном виде на рис. 1a, для CSF- 8, приобретенный у Harmonic Drive Systems, Inc., Токио, Япония. Они представляют собой (1) жесткий внешний шлиц, также называемый круговым шлицем, с внутренними зубьями шестерни, (2) тонкостенный гибкий шлиц с внешними зубьями, число которых на два меньше, чем внешний шлиц, и (3) генератор эллиптических волн со сталью. шарикоподшипники, заключенные в эллиптическую дорожку стальной лентой.В собранном состоянии генератор волн заставляет стенку гибкого шины расширяться и зацепляться за зубья внешней шины. Выходной крутящий момент обычно обеспечивается основанием гибкого шлица, в то время как внешний шлиц остается неподвижным. Типичная работа SWG схематически показана на рис. 1c. Генератор волн заставляет зубья гибкого шлейфа входить в зацепление с внешним шлицем, и когда генератор волн вращается, гибкий шлейф упруго деформируется для сохранения контакта. После поворота на 180 градусов гибкая шина сместилась на один зуб относительно внешней шины.После полного вращения гибкий и внешний шлицы смещены на два зубца. В отличие от прямозубых и планетарных шестерен, передаточное число SWG зависит не от размера шестерен, а от количества зубьев. Передаточное число i , которое определяется как отношение входной скорости к выходной скорости, составляет:

Рисунок 1

Работа зубчатого колеса деформации (SWG).

( a ) Разобранный SWG, показывающий три компонента: внешний шлиц, генератор волн и гибкий шлиц.( b ) Гибкая линия CSF-8 в сборе от Harmonic Drive, LLC. (c ) Схема, показывающая работу SWG, в которой каждый оборот генератора волн на 180 ° перемещает гибкий шланг на один зуб. ( d ) Схема зависимости крутящего момента нагрузки от количества циклов для SWG, показывающая различные механизмы отказа и способы их проектирования.

, где n _cs — количество зубьев на внешней шлице (или круговой шлице), а n _fs — количество зубцов на гибкой шлице.Используя это уравнение, SWG может иметь передаточные числа от 30: 1 до 320: 1. Стальные SWG можно приобрести размером от 20 до 300 мм с внешним диаметром ¹ . SWG могут работать с чрезвычайно высокой эффективностью по сравнению с другими зубчатыми передачами, а также имеют низкое трение в зубьях шестерни. Из-за конструкции зубьев контакт является почти чисто радиальным, что предотвращает значительный фрикционный износ, который возникает в других зубчатых передачах, даже несмотря на то, что значительный износ часто наблюдается в вышедших из строя SWG ⁶ .Таким образом, много усилий было потрачено на разработку профиля зуба для SWG, который был оптимизирован в S-образный профиль ³ .

На рисунке 1d схематически показана кривая нагрузки-срока службы SWG. Хотя SWG могут создавать большое передаточное отношение крутящего момента, они делают это за счет гибкой шины, тонкой обработанной стальной чашки, которая передает крутящий момент между входом и внешним шлицем. Рисунок 1d представляет собой график зависимости крутящего момента от числа циклов (который можно рассматривать как кривую зависимости нагрузки от нагрузки), который используется для прогнозирования условий эксплуатации SWG.В общем, отказ SWG ограничивается при высоких моментах нагрузки храповым механизмом, который описывается скольжением зубцов гибкого шлейфа по зубцам генератора волн, вызывая состояние, известное как «дедоидальный». Событие храпового механизма обычно деформирует зубья шестерни на гибком или внешнем шлице и выводит SWG из строя. При высоких рабочих нагрузках, но ниже крутящего момента храповика, SWG в конечном итоге выйдет из строя из-за усталости гибкой шины. При нагрузках ниже усталостной прочности гибкого шлейфа отказ обычно происходит из-за выхода из строя подшипников в генераторе волн.На основании этих кривых зависимости «напряжение-срок службы» для SWGS становится очевидным, что гибкий шланг должен быть спроектирован из высококачественного металлического сплава, обладающего сочетанием свойств, специально подходящих для этого уникального применения. Для использования в космических кораблях сплав также должен выдерживать экстремальные холода и, в некоторых случаях, работу без смазки. Были предприняты некоторые усилия по разработке новых SWG для космических приложений, включая использование алюминия с покрытием во внешнем шлице и генераторе волн, а также новые компактные конструкции для уменьшения массы ^1,6,7 .Однако почти все SWG, используемые НАСА в космических аппаратах, изготовлены из стали со смазкой.

Из-за нагрузок на гибкий шланг, очень немногие материалы подходят для SWG. Гибкий шлейф должен иметь возможность механической обработки в очень тонкую стенку, чтобы допускать изгиб при разумных напряжениях, он должен быть достаточно твердым, чтобы избежать износа зубов, он должен быть достаточно жестким, чтобы избежать трещотки, и он должен быть исключительно устойчивым к усталости. Из-за этих ограничений подавляющее большинство SWG изготавливается из стали (обычно из таких сплавов, как 439 для обычного использования и нержавеющая сталь 304 L или 15–5 с дисперсионным твердением для использования в космосе).Высокая стоимость обусловлена ​​сложной обработкой тонкой гибкой шины, которая, по оценкам, составляет половину общей стоимости изготовления SWG. Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим коммерческие SWG CSG-20 и CSF-8 от Harmonic Drive Systems, Inc. с внешним диаметром гибкой шины приблизительно 50 мм и 20 мм соответственно. Для большей гибкой линии минимальная масса стальной заготовки, используемой для обработки гибкой линии, составляет 463 г, тогда как окончательная масса после механической обработки составляет 28 г, что дает 94% брака в процессе обработки.Для меньшей гибкой линии минимальная масса стальной заготовки составляет 45 г, а конечной гибкой линии — 3 г, что дает 93% брака во время обработки. Кроме того, толщина стенки гибкой шины диаметром 20 мм составляет всего 125 мкм у основания зуба, что демонстрирует как сложность обработки этой детали, так и ограничения минимального размера, который может быть изготовлен с использованием традиционной обработки. Это основная причина, по которой в меньших компактных SWG не используется геометрия чашки-гибкого сплайна.

SWG ​​являются важным компонентом многих роботизированных систем, но их широкое распространение сдерживается их стоимостью. Нередко значительная часть стоимости робототехнической системы приходится на SWG. Разработка технологии для снижения стоимости производства SWG не только снижает стоимость существующих систем, использующих эти шестерни, но также позволяет создать совершенно новый класс недорогих роботов, которые могли бы их использовать. Это окажет глубокое влияние, особенно на гуманоидную робототехнику, которой обычно требуются SWG в суставах конечностей для обеспечения точного движения.Чтобы снизить стоимость SWG, сложные металлические компоненты могут быть отлиты в почти сетчатую или сетчатую форму, однако материал не должен существенно снижать производительность. Было предпринято множество попыток отлить или быстро изготовить гибкие шины SWG, включая литье против штампа, литье под давлением и аддитивное производство. Большинство этих усилий было сделано с пластиками, однако из-за их более низкой вязкости и температуры плавления ^8,9 . Объемные металлические стекла (BMG), также известные как аморфные металлы, представляют собой особый класс технических материалов, которые обладают многими свойствами, привлекательными для внедрения в SWG.BMG — это многокомпонентные сплавы (с использованием четырех или более элементов), которые созданы на основе глубокой эвтектики, так что при быстром охлаждении из расплава они образуют некристаллическую микроструктуру. Это придает уникальные свойства по сравнению с кристаллическими металлами, включая высокую прочность, высокую износостойкость, высокую твердость и большой предел упругой деформации ^10,11,12,13 . Важно отметить, что низкая температура плавления BMG также позволяет обрабатывать их с использованием технологии литья под давлением, аналогичной пластмассам ¹⁴ .Более того, BMG были разработаны с плотностью титановых сплавов (4,5–5,0 г / см ³ ), но с гораздо более высокой твердостью (500 против 350 по Виккерсу) и пределом упругости (2% против 1%) ¹⁵ . Недавно было продемонстрировано, что из BMG можно отливать чрезвычайно сложные податливые механизмы с размерами элементов менее 1 мм ¹⁴ . Сочетание сверхвысокой прочности и большого предела упругой деформации привело к производительности, которая обычно была вдвое лучше, чем у титана, и в четыре раза лучше, чем у стали ¹⁴ .BMG на основе таких систем, как Ti, Zr, Cu и Ni, могут иметь предел текучести до 2 ГПа с пределом упругости 2%, обусловленным их низким модулем Юнга (<100 ГПа в большинстве сплавов). По сравнению со сталью, которая в настоящее время используется в SWG, большинство BMG устойчивы к коррозии (например, не ржавеют) и неферромагнитны.

BMG могут показаться естественным выбором для использования в гибких линиях SWG, но в литературе есть несколько причин, которые могут препятствовать такому использованию. Одна из проблем — это сетчатая отливка гибкого шины, которая содержит как тонкую стенку, так и внешние зубья шестерни.Хотя сложные детали, изготовленные из BMG, были продемонстрированы в литературе, надежный коммерческий процесс литья детали с комбинированными характеристиками гибкого шлейфа не имеет ¹⁴ . Несмотря на это неизвестно, BMG демонстрируют две отрицательные особенности для возможного использования в качестве замены стали в гибком шланге: (1) более низкие пределы выносливости, чем у стали, и (2) более низкая вязкость разрушения, чем у стали ¹⁶ . Отличительной чертой SWG является способность выдерживать повторяющуюся упругую деформацию стального гибкого шины при одновременной передаче крутящего момента без разрушения.Литература по BMG показывает большой разброс в заявленных значениях усталостной прочности и вязкости разрушения ¹⁶ . Ранние BMG на основе Zr имели предел усталостной выносливости около 8% от их предела текучести (по сравнению с более чем 60% у сталей, таких как 304 L и 15–5PH) и вязкость разрушения менее 20 МПа · м ^{1 / 2} (по сравнению со сталью со значениями> 100 МПа м ^1/2 ). Хотя сообщалось, что многие новые BMG обладают более высокой ударной вязкостью и сопротивлением усталости (до 55% от их предела текучести), сталь обычно используется в качестве эталона, с которым сравнивают BMG ¹⁷ .

Хотя может показаться, что BMG непривлекательны для SWG, тот факт, что фиксируется смещение гибкой линии, а не нагрузка, означает, что напряжение, испытываемое в гибкой линии, зависит от модуля Юнга материала. Более низкий модуль упругости приводит к более низкому напряжению в гибкой линии, что обеспечивает более высокую прогнозируемую усталостную долговечность. Например, деформация гибкой линии при расширении с помощью генератора волн фиксируется для любого конкретного SWG и может быть рассчитана с использованием аргумента упругого изгиба.Радиус кривизны эллипса R равен

, где b и a — это малая и большая оси эллипса, соответственно. Деформация в гибкой линии, ε _x , может быть рассчитана из

, где y — половина толщины стенки гибкой линии, а ρ — расстояние от центральной точки гибкой линии до нейтрального положения. ось стенки flexspline. Затем можно рассчитать деформацию гибкого шлейфа, измерив изменение кривизны до и после вставки генератора волн.Для гибкого шланга диаметром 20 мм (CSF-8) и гибкого провода диаметром 50 мм (CSG-20) деформации в гибком шланге по расчетам составляют 0,038% и 0,058%, соответственно, с использованием минимальной толщины стенки в основании зубы. Поскольку геометрия гибких линий фиксирована, напряжение σ _FS может быть рассчитано для любого желаемого материала с использованием модуля Юнга и закона Гука

для гибкой линии из нержавеющей стали (с модулем Юнга 200 ГПа) упругое напряжение от вставки генератора волн оценивается в 8 и 12 МПа соответственно для малых и больших гибких линий.Для хорошо известного промышленного BMG, LM1b (Zr ₄₄ Ti ₁₁ Ni ₁₀ Bu ₁₀ Be ₂₅ ), расчетное напряжение для малых и больших приводов ниже и составляет 3,6 и 5,5 МПа соответственно. , из-за гораздо более низкого модуля Юнга 95 ГПа. Для усталостного разрушения амплитуда напряжения (отношение напряжения нагрузки к пределу текучести) должна превышать предел усталостной выносливости (максимальное выдерживаемое напряжение 10 ⁷ циклов). Используя литературные значения для нержавеющей стали 304 L и 15–5PH, было подсчитано, что стальные гибкие шины подвергаются упругой нагрузке между 1–3% предела усталостной выносливости для малых гибких шин и 1–5% для больших гибких шин.Напротив, из-за их низкого модуля и высокой прочности, BMG, по оценкам, имеет упругую деформацию до 0,4–2,5% от предела усталостной выносливости для малого гибкого шлейфа и 0,5–4% для большого гибкого шлейфа, с использованием большого разброса сообщил значения утомляемости из литературы. Этот анализ показывает, что гибкие шины BMG должны иметь такой же или более длительный усталостный ресурс, чем стальные версии, из-за их более высокой эластичности и предела текучести, даже несмотря на то, что BMG по своей природе более хрупкие. Однако анализ также показывает, что, если бы гибкие шины были нагружены только упруго волновым генератором, отказ из-за усталости никогда не произошел бы (подшипники в волновом генераторе всегда выходили из строя первыми).Поскольку график на рис. 1d показывает, что усталость гибкой шины является основным видом разрушения при высоких моментах нагрузки, напряжение на гибкой линии от передачи нагрузки в зубьях шестерни намного выше, чем просто упругое расширение от генератора волн.

Высокоточный редуктор для робототехники Melior Motion

Прецизионные редукторы с низким люфтом:

Узлы PSC-V / H-E серии meliormotion®

Melior Motion предлагает высокоточные редукторы с люфтом ≤ 0.1 угл. Мин. Считается беззазорным. 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 при опрокидывании и кручении. 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

Комплексная конструкция

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

Разработка и проверка новой мехатронной системы передачи для носимого устройства подавления тремора

Юэ Чжоу в настоящее время учится в докторантуре по программе биомедицинской инженерии. Он получил степень бакалавра автоматизации в Политехническом университете Тяньцзинь в 2011 году, степень магистра биомедицинских систем в Университете Западного Онтарио в 2015 году.Его исследовательские интересы включают подавление патологического тремора, мехатронную систему и сенсорную систему.

Майкл Д. Нейш получил степень бакалавра компьютерных наук и степень бакалавра машиностроения в Западном университете в 1996 году, степень магистра в области машиностроения в Университете Британской Колумбии в 1999 году и докторскую степень. . получил степень в области машиностроения и промышленной инженерии в Университете Торонто в 2004 году.

С 2003 года он работал на факультете машиностроения и материаловедения в Западном университете, где в настоящее время является доцентом, назначенным на кафедру электротехники и инженерии. Компьютерная инженерия, и является директором программы инженерии мехатронных систем.Он также является научным сотрудником в Канадских хирургических технологиях и передовой робототехнике, Научно-исследовательский институт здравоохранения Лоусона в Лондоне, Онтарио, Канада, и имеет лицензию профессионального инженера в провинции Онтарио. Его исследовательские интересы включают мехатронные системы, проектирование устройств, сенсорные системы, хирургическое обучение, минимально инвазивную хирургию и терапию, а также медицинскую робототехнику.

Мэри Э. Дженкинс — невролог двигательных расстройств и доцент кафедры клинических неврологических наук Западного университета.Она закончила резидентуру по неврологии в Западном университете, а затем 2 года стажировки по двигательным расстройствам; первый год в Западном университете и второй год в Рочестерском университете, Нью-Йорк. Ее исследования в области двигательных расстройств, в частности болезни Паркинсона, сосредоточены на контроле моторики и разработке методов лечения и стратегий для улучшения моторной функции.

Ана Луиза Трейос — доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Western и младший научный сотрудник Canadian Surgical Technologies and Advanced Robotics, Научно-исследовательский институт здравоохранения Лоусона.Она имеет опыт проектирования, разработки и тестирования медицинских мехатронных систем. Ее исследования направлены на оценку того, как новые мехатронные устройства могут улучшить уход за пациентами во время хирургических операций, терапии и реабилитации. Это включает в себя дизайн умных носимых мехатронных скоб, которые могут обеспечить улучшенные варианты лечения опорно-двигательного аппарата. У нее 22 журнальных публикации и 35 статей на международных конференциях, а также она получила несколько наград за свой вклад.

© 2017 Elsevier B.V. Все права защищены.

Зажимной механизм зубчатая муфта для чувствительной к нагрузке ступенчатой ​​передачи в роботизированном стыке | ROBOMECH Journal

Механизм наклона стойки

На рисунке 2 показана упрощенная схема увеличения силы механизма наклона стойки, разработанная ранее в [8] (двигатели не показаны). После того, как палец приводится в движение в фазе HS двигателем M 1, чтобы достичь объекта. Другой двигатель M 2 затем вращает ходовой винт и приводит зубчатую рейку в привод, обеспечивая высокочастотную фазу руки.Чтобы обеспечить зацепление без заклинивания, ось поворота рейки должна быть расположена так, чтобы сила реакции от заклинивания зубьев шестерни вращала рейку против часовой стрелки, позволяла ей проскальзывать через зубья и успешно зацеплять шестерню. После зацепления направление силы реакции зубьев изменяется и удерживает рейку прижатой к опоре по часовой стрелке. Диапазон хода после включения зависит от длины стойки. В приложениях, где требуется более длительный ход ВЧ-фазы, использование стойки и длина ее хода неизбежно влияют на общую длину исполнительного устройства, которая может быть слишком большой, чтобы поместиться в отведенное пространство.На рисунке 3 сравнивается минимальное размещение линейной реечной и круговой муфты с зубчатой ​​рейкой длиной L . Даже без учета размещения ходового винта и скользящей опоры линейная стойка требовала размещения не менее 2 L . Следовательно, круглая конструкция может значительно уменьшить общую длину, что приведет к более компактному механизму.

Рис.2

Концепция механизма наклона стойки

Рис. 3

Сравнение минимального размещения зубчатой ​​рейки и предлагаемой зубчатой ​​муфты

Базовая концепция

Основная концепция предлагаемого механизма зубчатая муфта аналогична механизму наклона рейки — мы используем разницу в направлении сил реакции во время заклинивания и зацепления, чтобы обеспечить зацепление без заклинивания.На рисунке 4 показана схема муфты переключения передач. Шестерня G 1 приводится в движение после того, как движение G 3 было остановлено объектом нагрузки, таким образом приводя G 2 в зацепление. Это требует небольшого тангенциального перемещения оси G 2 относительно фиксированной оси G 1, чтобы обеспечить зацепление без заклинивания (радиальное перемещение невозможно из-за чрезмерного уменьшения центра G 1– G 2 расстояние может привести к тому, что шестерни перестанут вращаться).Таким образом, для соединения G 1 и G 2 используется поворотное звено, где \ (\ theta \) — угол между G 1– G 2 и G 2– G 3 линий. Тяга может наклоняться вокруг оси G 1, и в этом документе она будет называться «Тяга с возможностью наклона». Пружина используется для предварительной нагрузки на вращение звена и удержания его прижатым до предела вращения. Ограничение вращения ограничивает вращение звена по часовой стрелке, предотвращая слишком близкое расположение центров G2 и G3 для зацепления.

Рис. 4

Схема предлагаемого механизма сцепления

Предлагаемый механизм зубчатая муфта может быть статически проанализирован отдельно для случаев зацепления и заклинивания.

Состояние стабильного зацепления

В случае нормального зацепления или зацепления шестерни передают входной крутящий момент \ (\ tau _ {in} \) на выходную сторону за счет контактов между зубьями шестерни. Для эвольвентного профиля зубьев [10, 11] нормальная сила, действующая на зубья, имеет угол, равный углу давления \ (\ alpha \) шестерен.На рис. 5 показана схема свободного тела каждой шестерни и поворотное звено в механизме зацепления. \ (F_ {lt} \) и \ (F_ {lr} \) — тангенциальная и радиальная составляющие силы, действующей на звено из-за G 2, соответственно. \ (r_1 \), \ (r_2 \) и \ (r_3 \) — радиусы шага шестерен. Силы трения не учитываются для упрощения модели. Обратите внимание, что для ясности некоторые силы, такие как сила реакции в неподвижных шарнирных соединениях, не показаны на рис. 5.Показаны только силы, связанные с анализом.

В статическом равновесии, при условии контакта без трения,

$$ \ begin {align} F_ {lt} = {} \ frac {\ tau _ {in} (\ cos \ alpha + \ cos (\ theta + \ alpha) )} {r_1 \ cos \ alpha} \ end {выровнено} $$

(1)

Чтобы поддерживать подходящее межосевое расстояние для положения зацепления, \ (F_ {lt} \) должен создать момент по часовой стрелке на звене и подтолкнуть его к пределу вращения. Следовательно, в стабильной сетке, когда \ (\ tau _ {in}> 0 \) и \ (\ theta> 0 \), \ (F_ {lt} \ ge 0 \).Комбинируя их с формулой. 1 получаем

$$ \ begin {выровненный} 0 <\ theta \ le \ pi -2 \ alpha \ end {выравниваемый} $$

(2)

Рис. 5

Статический анализ состояния зацепления

Уравнение 2 показывает, что угол \ (\ theta \) наклонного звена, соединяющего G 1 и G 2, должен находиться в пределах определенного диапазона, иначе \ (F_ {lt} \) изменит свое направление и вызовет G 2, чтобы выйти из положения зацепления, что нежелательно.В \ (\ theta = 0 \), особой точке механизма звена, вращение звена в любом направлении привело бы к тому, что шестерни всегда отодвигались друг от друга, то есть выходили из зацепления. Таким образом, такая нестабильная конфигурация исключена из допустимого диапазона \ (\ theta \).

Состояние отсутствия заедания

В отличие от предыдущего анализа состояния зацепления, в котором только угол давления \ (\ alpha \) играл основную роль в определении полезного значения \ (\ theta \), анализ силы в Ситуация заклинивания требует более внимательного изучения физических размеров шестерен.На рис. 6 представлена ​​схема свободного тела механизма шестерня – сцепление при заклинивании. Обратите внимание, что для ясности некоторые силы, такие как силы реакции, на неподвижных шарнирных соединениях не показаны. Пара сил реакции \ (F_ {23} \), \ (F_ {32} \) направлена ​​радиально к центру G 3 и действует в точке заклинивания на пересечении крайних окружностей обеих шестерен. В этом исследовании G 2 приводится в движение против часовой стрелки для \ (\ tau _ {in}> 0 \). Следовательно, вызывает беспокойство только верхняя точка пересечения.{-1} \ left ({\ frac {r_3 (r_3 + m) + r_2 (r_3-m)} {(r_3 + m) (r_2 + r_3)}} \ right) \ end {align} $$

(3)

где м — модуль зубьев шестерни. Статическое равновесие можно проанализировать иначе, чем в случае создания сетки, предполагая контакт без трения:

$$ \ begin {align} F_ {lt} = {} \ tau _ {in} \ left (\ frac {1} {r_1} — \ гидроразрыв {r_2 \ sin (\ theta — \ beta)} {r_1 (r_2 + r_3) \ sin \ beta} \ right) \ end {выравнивается} $$

(4)

Поскольку мы хотим, чтобы звено немного наклонилось и позволяло G 2 проскользнуть мимо застрявшего наконечника, \ (F_ {lt} \) должен обеспечить момент против часовой стрелки для звена, и тогда звено будет предварительно загружено. сила пружины \ (F_ {sp} \), действующая на него.Для успешного устранения помех, когда \ (\ tau _ {in}> 0 \), \ (\ theta> 0 \); при сочетании этого с формулой. 4, получаем

$$ \ tau_ {in} \ left (\ frac {1} {r_1} — \ frac {r_2 \ sin (\ theta- \ beta)} {r_1 (r_2 + r_3) \ sin \ beta } \ right) <- F_ {sp} \ sin \ theta $$

(5)

Чтобы упростить задачу, мы рассмотрим случай, когда предварительная нагрузка пружины значительно мала по сравнению с касательной силой звена \ (F_ {sp} \ ll F_ {lt} \), что особенно верно для предполагаемого использования шестерни. сцепление в ступенчатой ​​коробке передач, где на G1 подается высокий входной крутящий момент.{-1} \ left (\ frac {(r_2 + r_3) \ sin \ beta} {r_2} \ right) $$

(6)

Чтобы спроектировать рабочий механизм зубчатое сцепление, угол звена \ (\ theta \) должен удовлетворять как условию отсутствия заклинивания, так и условию устойчивого зацепления, которое может быть получено из физических параметров зубчатых колес.

Рис.6

Статический анализ состояния помех

Проверка и обсуждение модели

Экспериментальная модель механизма зубчатая муфта разработана и используется для проверки разработанной математической модели стабильных и безударных условий зацепления.На рис. 7 и в таблице 1 показаны параметры эксперимента и его характеристики соответственно. Три шестерни и звено расположены, как показано. Входной крутящий момент \ (\ tau _ {in} \) создается кабелем, привязанным к ступице G 1. Ось вращения G 2 закреплена на звене и приводится в движение слабой пружиной, расположенной под G 2 и G 3. Выходное звено соединено с G 3. Основание модели выполнено из ABS. пластик и поликарбонат. Шестерни изготовлены из полиацеталя.Поворотное звено изготовлено из алюминия.

Таблица 1 Технические характеристики опытной модели Рис. 7

Экспериментальная установка для проверки модели механизма сцепления с зубчатой ​​передачей

Сначала мы устанавливаем положение G 3 так, чтобы заклинивание G 2– G 3 происходило всегда. Выходное звено расположено так, чтобы почти не касаться датчика силы с нулевыми показаниями. Затем мы использовали водные грузы для подачи входного крутящего момента на G 1 через кабель.

В случае заклинивания сила реакции на зубьях направлена ​​радиально к центру G 3 и не может передавать крутящий момент. \ circ \ )].Для подтверждения результата эксперимент проводился трижды для каждого случая. На рисунке 8 показан результат эксперимента в полярных координатах между \ (\ theta \) и \ (\ tau _ {in} \). Все случаи, рассмотренные в эксперименте, представлены маленькими точками, а случаи, которые фактически привели как к стабильному, так и к стабильному построению сетки, выделены на графике (области B и C). Результаты показывают, что пересеченный диапазон \ (\ theta \) из модели может разумно предсказать фактический полезный диапазон \ (\ theta \).При θ = 96º минимальный входной крутящий момент для безударного зацепления может быть рассчитан по формуле. 5 быть τ _дюйм > 21,3 мНм. При отклонении от потерь на трение испытательная модель смогла начать свое безударное зацепление при τin = 50 мНм (при 96º). Отклонения от расчетных значений показаны в областях A и C. Основная причина этих отклонений — предположение о контакте без трения в модели. Трение отрицательно влияет на отсутствие заклинивания, как показано в области A; он препятствует проскальзыванию зубчатых колес и затрудняет выход из положения заклинивания.С другой стороны, в области C трение помогает предотвратить расцепление шестерен даже после превышения расчетного диапазона стабильного зацепления. Однако, если входной крутящий момент низкий, трение поверхности шестерни будет недостаточно большим, и возможно, что шестерни выйдут из зацепления. Следовательно, в качестве руководства по проектированию предлагаемого механизма рекомендуется выбирать \ (\ theta \), близкое к левому пределу пересекаемого диапазона, но не превышающее его.

Рис. 8

Результат проверки модели в полярных координатах

.