Робот коробка передач что это: всё о машинах и авторынке

Робот и автомат в чем разница

Начиная с конца 80-х годов прошлого века, инженеры стремятся максимально нивелировать разницу между автоматическими и механическими трансмиссиями.

Одним из результатов такой работы стало появление роботизированной «механики», которая на сегодняшний день присутствует в модельных линейках почти всех крупных автопроизводителей.

Какими же преимуществами и недостатками обладает такой «робот» в сравнении с классическим «автоматом»?

Недостатки и особенности робота

Начнем с конструктивных особенностей «робота», который по сути является механической коробкой передач, но без третьей педали. За выжим сцепления в такой КП отвечает электропривод (актуатор).

В отличие от автоматической коробки с гидротрансформатором, конструкция роботизированной «механики» значительно проще, поэтому и дешевле в производстве. Последнее преимущество сыграло главную роль в быстром появлении «роботов» на многих недорогих моделях.

Но как оказалось, производители немного поспешили с массовым запуском такой трансмиссии на рынок. Все дело в том, что большинство «роботов», особенно при активной езде, не обеспечивали плавного переключения передач, раздражая водителей рывками и задержками при смене ступеней, а также откатом при старте на подъеме. Кроме того, роботизированные КП не могли похвастаться высокой надежностью.

Роботизированная коробка передач с двойным сцеплением

Улучшить плавность «роботов» взялся концерн Volkswagen, внедрив на своих моделях в середине 2000-х годов преселективный «робот» с двумя сцеплениями (DSG). В таких трансмиссиях четные и нечетные передачи, расположены на отдельных валах, оснащенных индивидуальными сцеплениями.

Новый тип КП хоть и стал совсем недешевым в производстве, но избавился от медлительности первых «роботов» и даже смог обеспечить автомобилю динамику разгона лучше, чем у версий с обычной «механикой». В дальнейшем многие ведущие автопроизводители также начали переходить на подобные “автоматы”, заказывая их у ведущих производителей трансмиссий.

Впрочем, в некоторых случаях остались вопросы к надежности отдельных КП данного типа. Но в сравнении с прежним «роботом» плавность и скорость переключений выросла просто несравнимо.

В подтверждение этого превосходства отметим, что в настоящий момент большинство брендов уже отказались от применения  «роботов» на базе классических механических КП и в ближайшем будущем такая трансмиссия может уйти в историю.

Помимо «скорострельности», современные роботизированные КП превосходят классические «автоматы» и по экономичности. «Роботы» вполне способны помогать двигателю расходовать топливо на уровне версий с «механикой».

Классический автомат

Казалось бы, будущее «гидротрансформаторных автоматов» предрешено, тем не менее, «старая гвардия» не спешит сдавать свои позиции.

Во-первых, развитие таких трансмиссий также не стоит на месте. Хотя у многих автолюбителей «классическая» АКП ассоциируется с морально устаревшими четырехступенчатыми «автоматами», которые не спешат переключать скорости и не особо заботятся об экономии топлива.

На самом деле такие коробки передач встречаются сейчас только на бюджетных моделях, да и то довольно редко. Подавляющая часть «автоматов» сегодня имеют минимум шесть скоростей и предлагают функцию ручной смены передач.

Более такого, производители активно увеличивают количество ступеней в таких КП, чтобы добиться лучшей экономичности. На автомобилях стоимостью выше среднего все чаще появляются восьми- и даже девятидиапазонные трансмиссии, а некоторые бренды, например Ford, уже завлекают клиентов «автоматами» на 10 (!) ступеней.

Большинство «роботов» не могут справиться с большим крутящим моментом мощных двигателей. Конечно, можно привести пример нескольких суперкаров с роботизированными КП, включая 1000-сильный Bugatti Veyron, но это скорее исключения, подтверждающие правило, тем более, что владельцы спортивных авто не особо беспокоятся о длительности ресурса таких КП.

Также роботизированными трансмиссиями не оснащаются полноценные внедорожники, потому что на сроке службе «роботов» негативно сказываются продолжительные пробуксовки на бездорожье и рывки из-за изменения сцепных свойств при контакте четырех колес с дорогой. Все это по большому счету не очень полезно и для обычных АКП.

Автомат или робот

Разница между «классическим автоматом» и «роботизированной» механикой с каждым годом уменьшается. Если «роботы» сохранят темпы “самосовершенствования”, подтянув надежность и выносливость, то «гидротрансформаторам» придется серьезно потесниться.

Похожие записи

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Что выбрать — классический автомат или робот? — журнал За рулем

Перечисляем все плюсы и минусы роботизированных коробок и выясняем, почему от автоматов не нужно отказываться.

Материалы по теме

Роботизированная коробка передач с двумя сцеплениями часто отпугивает покупателей. Особенно когда речь идет об автомобилях с пробегом.

Главная проблема — недостаточная надежность. В этом плане роботы уступают обычной гидромеханической коробке передач. Но это не единственное «но»: многим роботизированным коробкам свойственна дерганая работа в пробках и при старте автомобиля с места. Если у коробок DSG таких пороков уже нет, то корейские или китайские роботы плавными переключениями похвастать не могут. Да и по скорости переключения они проигрывают традиционным автоматам.

Так что современная гидромеханическая коробка передач предпочтительнее почти во всем: она надежна, достаточно быстро переключает передачи и при этом обеспечивает достойный комфорт во время работы практически во всех режимах движения. Единственное, в чем традиционной гидромеханике сложно тягаться с двухдисковыми роботами, так это в экономичности. И дело не только в более высоком КПД робота, но и в том, что роботизированные коробки передач зачастую обладают меньшей массой в сравнении с гидромеханическими коробками.

Также встречаются роботы и с одним сцеплением, но от таких коробок производители отказываются. Последний пример — вазовский робот АМТ. Такая коробка не отличается быстротой переключений.

Да и надежность первых роботов АМТ оставляла желать лучшего — сцепление изнашивалось очень быстро.

Три бестселлера нашего рынка с тремя типами коробок передач. Volkswagen Tiguan (слева) оснащается исключительно пресселективными роботами DSG, надежность которых сейчас сравнима с надежностью гидромеханики. В гамме Hyundai Creta (на фото в центре) классический шестиступенчатый автомат. А Lada Granta (справа) оснащается роботом АМТ с одним сцеплением.

Три бестселлера нашего рынка с тремя типами коробок передач. Volkswagen Tiguan (слева) оснащается исключительно пресселективными роботами DSG, надежность которых сейчас сравнима с надежностью гидромеханики. В гамме Hyundai Creta (на фото в центре) классический шестиступенчатый автомат. А Lada Granta (справа) оснащается роботом АМТ с одним сцеплением.

• Вариатор? Робот? Гидромеханика? DSG? Или все же «ручка»?! Чего ждать от разных типов коробок передач и в чем преимущества (недостатки) каждой, читайте тут.

Фото: фирмы-производители

Понравилась заметка? Подпишись и будешь всегда в курсе!

За рулем на Яндекс.Дзен

Автомат? Робот? Вариатор? — 5 плюсов и 5 минусов каждого — журнал За рулем

Автоматические трансмиссии разных типов отличаются не столько долговечностью, сколько особенностями работы.

Сегодня уже практически каждая модель на авторынке оснащается автоматической трансмиссией — классическим гидромеханическим автоматом, вариатором или роботизированной коробкой. Особенности каждого из агрегатов рассмотрели эксперты «За рулем».

Гидромеханический автомат

Материалы по теме

Гидромеханический автомат — самый распространенный ввиду своей универсальности тип автоматических коробок. Ресурс у АКП самый разный: от 120 тысяч до 250 тысяч километров.

Главной же особенностью автомата является его выносливость: он может не только передавать большой крутящий момент мощного двигателя на колеса, но и пригоден для езды по бездорожью. Сегодня для легковых автомобилей выпускаются не только 4-ступенчатые автоматы, но и 6-ступенчатые, и даже 10-ступенчатые. Чем больше ступеней, тем миниатюрнее механизм и тем меньше у него запас прочности.

Плюсы:	Минусы:
доведенная до совершенства конструкция возможность переключения передач в ручном режиме отсутствие боязни пробуксовок большой срок службы у большинства агрегатов умение адаптироваться под стиль езды водителя	невысокий КПД и потеря части мощности двигателя повышенный расход топлива зависания разной продолжительности при переключениях большой вес агрегата потеря запаса прочности при большем количестве ступеней

Вариатор

Вариатор отличается плавностью работы — передач здесь нет, а крутящий момент передается через ремень, скользящий по конусам и меняющий соотношение их оборотов. Ресурс вариаторов сопоставим с ресурсом гидромеханических автоматов. Но вариаторы не любят бездорожья и пробуксовок, перегреваются и быстрее выходят из строя. При этом в городе такая коробка незаменима именно благодаря плавности работы из-за отсутствия переключений.

Плюсы:	Минусы:
плавная работа двигатель всегда находится на оптимальных оборотах простота конструкции и ремонта невысокая стоимость агрегата по сравнению с классическим автоматом большой ресурс ремня (у некоторых вариаторов до 500 тысяч километров)	шумность при разгонах (двигатель сразу выводится на максимальные обороты) скучное ускорение боязнь пробуксовок, бездорожья и долгих поездок на высоких скоростях частые замены масла высокая стоимость ремонта

Роботизированная коробка передач

Роботы бывают двух типов — с одним сцеплением и с двумя. По сути, это механические коробки, сцеплением и переключениями в которых управляют автоматика и электроника. Робот с одним сцеплением медлителен, а при переключениях автомобиль с ним «клюет носом», если водитель не успевает приотпустить в этот момент педаль газа. Вопреки ожиданиям, некоторые роботы с одним сцеплением не очень надежны. Зато дешевы.

Плюсы:	Минусы:
достаточно надежный агрегат ремонтировать и обслуживать так же просто, как и механические коробки в теории ресурс сцепления на 40% больше (в зависимости от условий эксплуатации) небольшое количество заливаемого масла низкая стоимость самой коробки и, в случае необходимости, ее замены	автомобиль, стоя на подъеме, может откатываться — не рекомендуется убирать ногу с педали тормоза, если не собираешься сразу нажимать на педаль газа замедленные реакции подойдут только неторопливому водителю клевки при переключениях возможно размыкание сцепления в случае перегрева и переход коробки в аварийный режим

Робот с двумя сцеплениями гораздо расторопнее — он всегда держит следующую передачу наготове, из-за чего переключения происходят моментально и незаметно. Есть варианты с мокрым или менее надежным сухим сцеплением. Главная особенность всех роботов — они не любят езду по городу с частыми остановками в пробках и на светофорах.

Плюсы:	Минусы:
молниеносные незаметные переключения отсутствие потерь мощности экономия топлива малый вес агрегата и компактные размеры распространенность трансмиссии	высокая стоимость коробки и ее обслуживания спорная надежность из-за сложности агрегата дерганое поведение в пробках малый ресурс сухого сцепления откат автомобиля на наклонной поверхности

Подробности детального сравнения с указанием степени надежности различных коробок, устанавливаемых на популярные в России автомобили Hyundai/Kia, Renault, Nissan, Subaru и Аudi, а также Volkswagen и Lada, — в июньском выпуске журнала «За рулем» (уже в продаже).

• О заблуждениях относительно вариаторов и об их реальном недостатке читайте здесь.
• Продлить срок службы любого механизма помогут современные присадки в ГСМ.

Роботизированная коробка передач (робот) что это? Как работает: плюсы, минусы

 

 

Коробка робот: преимущества, недостатки

 

Еще совсем недавно рядовой автолюбитель не имел свободы выбора трансмиссии с покупкой автомобиля. Технологический прогресс последних лет подарил несколько интересных систем – это и вариатор, и роботизированная коробка. Техническая реализация коробки-робота велась еще в 20 лет назад, однако внедрение этой трансмиссии в массы произошло сравнительно недавно. Первую версию агрегата немецкие инженеры выпустили в 2002 году. С тех пор было придумано немалое количество его разных вариаций и модификаций.

 

Конструкция и принцип работы роботизированной коробки

В конструктивном плане коробка-робот идентична с обычной «механикой». Вся разница заключается в том, что подбор и переключение передач в ней это полностью автоматизированный процесс. Фактически это значит, что есть некий «мозг», который и отвечает за включение нужной скорости. Причем процесс смыкания/размыкания сцепления практически не заметен и не ощутим. Поэтому водители авто с роботом отмечают высокий уровень комфорта, простоту использования и динамичность.

 

 

Особенность робота заключается и в том, что эта коробка может совмещать как одно, так и сразу два сцепления. Внедрив в конструкцию дополнительный механизм разъединения трансмиссии от двигателя, инженеры попытались снизить негативный эффект провалов тяги. Двойное сцепление реализовано в коробках по типу DSG или Powershift. Такие коробки еще называют преселективными или «предварительно выбирающими». Они позволяют при включенной скорости выбрать следующую передачу без перерыва в работе КПП. На авто с такими коробками передача крутящего момента происходит без потерь, так как нет разрыва потока мощности.

 

Стоит ли приобретать автомобиль с преселективной коробкой?

 

Как и в случае с автоматической коробкой, функционирование робота невозможно без наличия электронной системы. Датчики следят за определенными рабочими характеристиками коробки, передают информацию блоку управления, где формируются команды исполнительным механизмам с учетом прописанных алгоритмов. Предусмотрен и ручной режим работы (как Типтроник на АКПП), благодаря которому водитель имеет возможность переключать передачи за счет органов управления – селектор или переключатели, расположенные под рулем.

 

Разновидности роботизированных коробок

Нередко робот является агрегатом, сконструированным на базе готового решения. Часто за основу узла инженеры берут гидромеханический автомат и внедряют фрикционное многодисковое сцепление. Также возможен вариант, когда классическая «механика» получает привод гидравлического или механического типа.

 

Коробка робот с электрическим приводом считается более простым и дешевым решением. Его основной недостаток – низкая скорость работы (0.3-0.5 с) с одновременным небольшим энергопотреблением. В такой коробке исполнительными механизмами выступают сервоприводы и механическая передача. В гидравлике задействованы специальные гидроцилиндры, которыми управляют электромагнитные клапаны.

 

Коробка с гидравликой работает шустрее, однако её функционирование подразумевает наличие в системе жидкости под давлением. Поддержка постоянного давления требует серьёзных энергетических затрат. Тем не менее, робот с гидравлическим приводом нашел свое применение на многих спортивных автомобилях, таких как Lamborghini Aventador, Ferrari 599GTO. Также его ставят на машины из среднего и премиум сегмента. Робот с электрическим приводом не составит труда обнаружить на недорогой современной машине. Рассмотрим детально распространенные модификации РКПП с двойным сцеплением.

 

DSG

Роботизированная коробка DSG считается наиболее «продвинутой» версией автомата. Её легко встретить на автомобилях концерна VAG. Пожалуй, это самая распространенная модификация РКПП с двойным сцеплением. То есть, это преселективная трансмиссия, переключающая передачи крайне быстро (буквально за доли секунд). Эффективность работы DSG значительно выше обычной АКПП. В ней первое сцепление отвечает за нечетные передачи, а второе за четные. В свою очередь коробки DSG принято делить на два вида – «мокрые» и «сухие». Первый вид – «мокрый» – появился первым и характеризуется наличием шести передач. Сцепление в такой DSG находится в масляной ванне, отсюда и название. Спустя время Volkswagen презентовали DSG-7. Это РКПП с «сухим» сцеплением. На практике считается более проблематичным вариантом.

 

Познакомиться подробнее с DSG (нажмите, чтобы прочитать статью)

 

Интересное видео на тему того, как работает роботизированная коробка ДСГ

 

Проблемы

 

Powershift

Роботизированная трансмиссия Powershift является разработкой компании Ford, поэтому и устанавливается на автомобили североамериканского концерна. Это преселективная КПП с двумя сцеплениями. В качестве исполнительных механизмов выступают сервоприводы, которыми управляет электронный блок, закрепленный на корпусе коробки. Если верить многочисленным отзывам, то Powershift более надежна конкурентной DSG. Однако это не делает её лидером рынка, так как получила те же недостатки, что и роботизированная КПП от Volkswagen.

 

Познакомиться подробнее с PowerShift (нажмите, чтобы прочитать статью)

 

S-tronic

Компания Audi входит в состав концерна VAG, но это не мешает ей разрабатывать собственные автомобильные трансмиссии. Так инженеры Audi создали преселективную коробку S-tronic, которая сильно напоминает DSG. Но есть некоторые существенные отличия. Сегодня S-tronic ставят преимущественно на автомобили с передним и полным приводом. В ней также два сцепления, что позволяет роботу работать беспрерывно в одном потоке и без потери мощности. Еще есть R-tronic – другая модификация РКПП от компании Audi. Отличается от S-tronic наличием гидропривода. Такая коробка переключает передачи примерно за 0.8 мс, а это серьёзный показатель динамичности.

 

Познакомиться с S-Tronic (нажмите, чтобы прочитать статью)

 

DCT M Drivelogic

Впервые роботом DCT M Drivelogic баварские инженеры оснастили BMW M3. Коробка может работать как в полностью автоматическом, так и в ручном режиме. В обоих случаях передачи переключаются с недостижимой механике и автомату скоростью. Водителю не нужно пользоваться селектором коробки передач. Достаточно переключить лепестковый элемент управления под рулем в нужное положение. Особенность DCT M заключается в наличии функции Drivelogic, которая позволяет водителю самостоятельно переключать передачи и переходить от спокойного стиля вождения к динамичному. Всего предусмотрено 11 программ – 5 для автоматического режима и 6 для ручного.

 

PDK

Роботизированная КПП от компании Porsche конструктивно является узлов, в корпусе которого помещены две механически коробки. Также конструкцией предусмотрено два сцепления, поэтому PDK относится к сегменту трансмиссий с двойным сцеплением. Функционирует робот за счет гидравлического привода и электронного блока управления. Всего предусмотрено семь передач, последняя с большим передаточным отношением снижает показатель расхода топлива. Пик динамики наблюдается с активной шестой скоростью. Коробка работает в двух режимах – автоматическом и ручном (полуавтоматическом). Сегодня PDK ставят на автомобили с мощными моторами – Porsche Panamera Turbo, Porsche 911 Turbo, Porsche Cayman.

 

Speedshift DCT

7-ступенчатая роботизированная КПП была разработана специально для мощных автомобилей концерна Mercedes Benz и подразделения AMG. Коробка отличается наличием четырех программ и функции старта Rage AMG Speedshift. Вместо привычного гидротрансформатора в Speedshift DCT задействована компактная муфта сцепления, работающая в масляной ванне – так называемое «мокрое» сцепление. От Других модификаций РКПП этот робот отличается небольшим весом – всего 80 кг. Сделать узел легким удалось за счет применение в его изготовлении его картера легкого магниевого сплава.

 

 

TCT

Компания Alfa Romeo недавно презентовала свою версию роботизированной коробки передач – Twin Clutch Transmission. В первую очередь её поставили на модель Giulietta, где она превосходно сочетается с бензиновым и дизельным мотором (разгон до «сотни» всего за 7.7 и 7.9 сек соответственно). Коробка TCT оснащена гидронасосом электрического типа, который обеспечивает работоспособность привода сцепления и механизма переключения передач. Проектировался узел при помощи специалистов компании LuK, имеющих огромный опыт в разработке и производстве автомобильных сцеплений. Некоторые конструктивные элементы TCT также выполнены из легких материалов, что делает коробку на 10 кг легче, чем классическая механика или вариатор.

 

Twin Clutch SST

Робот с двойным сцеплением Twin Clutch SST ставят на автомобили Mitsubishi, например, на Lancer Evolution и Outlander XL. Это спортивная коробка, в которой вместо гидротрансформатора исправно служат два механизма сцепления, помещенные в один корпус. Отличается тремя режимами работы, которые позволяют адаптироваться автомобилю под разные условия эксплуатации. Для городской езды подходит режим Normal Mode: переключение передач происходит плавнее и мягче, расход топлива минимальный. В режиме Sport Mode переход на высшие скорости происходит на высоких оборотах, что несколько увеличивает расход. Третий режим Super Sport Mode переключает скорости на максимально высоких оборотах. Его целесообразно использовать, когда требуется полностью реализовать динамический потенциал автомобиля.

 

Плюсы и минусы робота

 

Сегодня можно найти довольно большое число автовладельцев, положительно отзывающихся о роботизированной коробке. Особенно нравится автоматизированная трансмиссия начинающим водителям. Это и понятно, ведь для управления автомобилем достаточно нажимать педаль тормоза и газа, а электронная система самостоятельно включит нужную передачу. Отсюда вытекают главные преимущества КПП:

 

• высокий комфорт;
• удобство;
• простота использования;
• высокая скорость переключения передач;
• экономия топлива в городском цикле;
• конструктивная схожесть с механикой, что придает агрегату дополнительную надежность, если сравнивать с тем же вариатором;
• возможность переключения ступеней в ручном режиме.

 

Как показывает практика, расход бензина автомобилем коробкой-роботом при одинаковых условиях в городском цикле на 20% меньше, чем у транспортного средства с привычным автоматом. Однако такое устройство далеко неидеальное. Также в процессе эксплуатации авто можно ощутить некоторые недостатки узла:

 

1. высокая стоимость обслуживания и ремонта;
2. непродолжительные задержки в переключении передач;
3. дешевые модели не позволяют провести адаптацию под конкретный стиль вождения.

 

Специалисты прогнозируют, что по мере увеличения автомобилей с роботом, развитием технологий ремонта и обслуживания этой коробки со временем станет более доступным и дешевым ремонт агрегата. Тот самый электронно-гидравлический блок, или просто «мехатроник», является самой дорогостоящей деталью в DSG. Еще несколько лет назад в случае его даже не самой критичной поломки дилеры, не думая, ставили вердикт – замена устройства. Сейчас хватает специализированных сервисов, выполняющих простые и сложные ремонты «мехатроника».

 

Основные отличия от автоматической коробки

Автоматическая коробка не утратила актуальности ни с появлением вариатора, ни с появлением роботизированной трансмиссии. Это по-прежнему довольно надежный, а главное хорошо изученный агрегат. Сходство в том, что и автомат, и робот обеспечивают плавный переход с одной передачи на другую. На этом всё. Гораздо больше отличий. Главная разница между этими двумя коробками заключается в следующем:

 

1. В АКПП не предусмотрено жесткое сцепление с двигателем;
2. Робот ощутимей снижает нагрузку на мотор за счет максимально коротких переключений передач;
3. С автоматической КПП автомобиль уступает в плане динамики;
4. Новые РКПП еще недостаточно хорошо изучены, окончательно неизвестен ресурс этих агрегатов, чего нельзя сказать об АКПП.

 

Возможно, автомат даже накладней обслуживать, а вот что касается ремонта, то здесь и говорить нечего. Автоматическую коробку перебирают на каждом шагу, хватает и грамотных специалистов, способных в кратчайшие сроки восстановить агрегат после серьёзной поломки. В случае с РКПП ситуация ровно обратная.

 

Заключение

Мы выяснили, что такое коробка робот. Очевидно, что будущее за конструктивно и функционально совершенными автомобильными системами. Но процесс окончательного усовершенствования робота еще не начался. Перед покупкой автомобиля нужно четко уяснить для себя, каким требованиям он должен отвечать. Сказать точно, что лучше – робот или автомат – крайне сложно. И, наверное, никто не возьмется за это. Поэтому каждый автомобилист должен на основании всех плюсов и минусов определить для себя, какой тип трансмиссии удовлетворит все запросы и потребности.

её отличие от автоматической, плюсы и минусы

Тяговые характеристики двигателей внутреннего сгорания и их приспособляемость к нагрузке недостаточны для прямого привода. Для адаптации используются разнообразные типы коробок перемены передач, которые позволяют изменить частоту вращения в достаточно широком диапазоне.

Помимо этого, такой механизм обеспечивает возможность движения задним ходом, длительной остановки автомобиля с работающим силовым агрегатом.

Коробка передач робот оснащается автоматом для управления работой устройства в заданном режиме с учетом нагрузки и других условий движения. Процессом руководит электронный блок, запрограммированный определенным образом.

Водитель осуществляет выбор алгоритма и задает его при помощи селектора, кроме того, он может перенимать управление работой механизма и производить переключения как на обычной механике.

Использование роботизированных коробок обеспечивает водителю максимально комфортные условия. Нет необходимости отвлекаться и терять время на переключения передач, а заложенные в процессор программы обеспечивают (в зависимости от условий движения) максимальную экономию топлива.

Большинство ведущих автопроизводителей, и АвтоВАЗ в их числе, широко используют коробки передач такого типа на транспортных средствах разных классов.

Что такое коробка передач робот

В настоящее время существует множество разнообразных конструкций механизмов автомобильных трансмиссий. Для ответа на вопрос:  коробка передач робот — что это такое?, следует разобраться в ее устройстве, изучить принцип работы и проанализировать достоинства и недостатки. Практически любой сложный механизм имеет свои плюсы и минусы,  устранение которых невозможно без коренной переделки системы.

По своей сути роботизированная коробка является логическим развитием традиционной механической. В ней функции управления переключением передач автоматизированы и контролируются электронным блоком. Помимо этого процессор дает команду на исполнительный механизм сцепления для разобщения двигателя и трансмиссии при перемене передаточного числа.

Роботизированная коробка работает в комплексе с иными элементами трансмиссии. Автоматизированное управление согласуется с работой сцепления, предназначенного для обеспечения переключений.

Устройство и принцип работы

За все время развития автомобилестроения предпринимались множественные попытки упростить управление трансмиссией. Первые удачные конструкции роботизированных коробок передач, пошедшие в серию, появились только после оснащения машин процессорами. Все попытки автоматизировать управление при помощи электромеханических и гидравлических устройств не дали положительных результатов.

Они оказались слишком ненадежными и не обеспечивали приемлемой скорости переключения. Еще одним недостатком такого рода коробок была излишне высокая сложность и, как следствие, запредельная стоимость.

Решить все технические проблемы стало возможным только с появлением компактных и недорогих процессоров и датчиков, контролирующих режимы работы двигателя и трансмиссии.

Конструкция

Многие производители автомобилей самостоятельно занимались разработкой данного класса механизмов. Это обеспечило достаточно большое разнообразие конструкций коробок передач роботов, тем не менее, можно выделить в них общие элементы:

• электронный блок управления;
• механическая коробка передач;
• сцепление фрикционного типа;
• система управления переключением передач и муфтой.

Нередко функции электронного блока выполняет бортовой компьютер, контролирующий работу системы питания и зажигания в силовом агрегате. Процессор устанавливается вне картера коробки и соединяется с нею кабельными системами. Особое внимание при этом уделяется защите соединений, используются специально разработанные уплотнители. Нередко контактные группы покрываются тонким слоем золота для предотвращения окисления.

За основу роботизированных коробок обычно берутся хорошо себя зарекомендовавшие устройства. Так, компания Mercedes-Benz при изготовлении агрегата Speedshift использовала АКП 7G-Tronic, вместо гидротрансформатора использовали многодисковое сухое сцепления фрикционного типа.

По аналогичному пути пошли и баварские автомобилестроители из BMW, оснастив шестиступенчатую механическую коробку автоматизированной системой управления.

Обязательным элементом, обеспечивающим работу коробки, является механизм сцепления. В случае с роботизированным устройством применяется конструкция фрикционного типа с одним или несколькими дисками. В последние годы появились трансмиссии с двойным механизмом сцепления, работающими параллельно. Такая конструкция обеспечивает передачу крутящего момента от двигателя без прерывания.

Роботизированные трансмиссии мировых автопроизводителей

Тип трансмиссии	С одним сцеплением	С двумя сцеплениями
Audi R-Tronic		+
Audi S-Tronic		+
Alfa Romeo Selespeed	+
BMW SMG	+
Citroen SensoDrive	+
Ford Durashift	+
Ford Powershift		+
Lamborghini ISR		+
Mitsubishi Allshift	+
Opel Easytronic	+
Peugeot 2-Tronic	+
Porsche PDK		+
Renault Quickshift	+
Toyota MultiMode	+
Volkswagen DSG		+

Системы управления работой сцепления и переключением передач бывают двух видов: с электрическим или гидравлическим приводом. Каждый из вариантов имеет свои положительные и отрицательные стороны. Возможны комбинации из названных выше способов управления коробкой, позволяющие максимально использовать достоинства обеих конструкций и свести к минимуму их недостатки.

Электрический привод сцепления использует сервомоторы, которые обеспечивают минимальное энергопотребление. Отрицательным моментом является крайне низкое время переключения передач (в пределах от 300 мс до 500 мс), что приводит к рывкам и повышенным нагрузкам на детали трансмиссии.

Гидравлические приводы работают значительно быстрее, это делает возможным оснащение такими коробками даже спортивных автомобилей. На суперкаре Ferrari 599GTO время переключения составляет всего – 60 мс, а у Lamboghini Aventador и того меньше – 50 мс. Такие показатели обеспечивают данным машинам высокие динамические характеристики при сохранении плавности движения.

Принцип действия

Для того, чтобы понять как работает роботизированная коробка передач, следует получить представление об алгоритме работы ее механизмов.

Водитель запускает двигатель, выжимает педаль тормоза и переводит селектор в определенное положение. Привод сцепления разрывает поток мощности, а исполнительный механизм коробки производит подключение выбранной передачи.

Водитель отпускает тормоз и плавно увеличивает обороты, автомобиль начинает движение. В дальнейшем все переключения производятся в автоматическом режиме, при этом учитываются заданный режим и данные от датчиков. Управление механизмом осуществляется процессором в соответствии с выбранным алгоритмом. При этом у водителя имеется возможность вмешиваться в работу коробки.

Видео — роботизированная КПП (робот):

Полуавтоматический режим роботизированной трансмиссии аналогичен функции ручного управления автоматической коробки — Tiptronic. В таком случае водитель при помощи рычага селектора или переключателей установленных на рулевой колонке производит переключения передач с понижением или повышением. Отсюда исходит и другое название роботизированной коробки – секвентальная.

Трансмиссия такого типа получает все большее распространение на автомобилях. При этом наблюдается следующее разделение: коробками с электрическими сервомоторами комплектуются бюджетные модели. Ведущие автопроизводителя разрабатывают и выпускают серийно следующие типы механизмов:

• Citroen – SensoDrive;
• Fiat — Dualogic;
• Ford — Durashift EST;
• Mitsubishi — Allshift;
• Opel — Easytronic;
• Peugeot – Tronic;
• Toyota – MultiMode.

Для более дорогих моделей производятся коробки с гидравлическим приводом:

• Alfa Romeo — Selespeed;
• Audi — R-Tronic;
• BMW — SMG;
• Quickshift от Renault.

Самая продвинутая по показателям роботизированная коробка ISR (Independent Shifting Rods) устанавливается на суперкары от компании Lamborghini.

Отличие роботизированной коробки передач от автоматической

Развитие и невысокая стоимость электронных блоков управления сделали возможным их применение на серийных моделях машин. Они имеют разные виды трансмиссии и возникает закономерный вопрос — в чем разница между коробкой передач роботом и автоматом? Если таковые отличия существуют, то какой вид из них будет лучше отвечать требованиям водителя и на какие характеристики следует обратить внимание при выборе автомобиля.

Разница между роботизированной коробкой и автоматом состоит в конструкции сцепления. Вместо гидротрансформатора в ней используется одно- или многодисковое сухое сцепление фрикционного типа.

В редукторе, как в механике, ведущие и ведомые шестерни находятся в постоянном зацеплении и задействуются они при помощи специальных муфт. Для уравнения угловых скоростей используются синхронизаторы.

Видео — тест драйв Лада Приора с роботом АМТ:

В автоматических коробках преимущественно используются редукторы планетарного типа и сложная система управления их функционированием. В первом и втором варианте выбор передаточного отношения определяется автоматикой. Это освобождает водителя от необходимости отслеживать режимы работы двигателя и производить переключения.

В сравнении автоматической коробки с роботом, лидером по такому показателю, как экономичность, является второе устройство. В сухом сцеплении механические потери значительно ниже, нежели у гидротрансформатора.

С другой стороны, автомат лучше обеспечивает плавность движения и езда в таком автомобиле более комфортная. Еще одним недостатком такого типа трансмиссии является дороговизна ремонта, который может выполняться только высококвалифицированными специалистами в условиях техцентра.

При выборе между роботизированной коробкой и автоматом следует принимать все вышеперечисленные факторы. Для недорогих бюджетных моделей существенными являются стоимость автомобиля и издержки на его содержание. При покупке элитных автомобилей такие вопросы обычно не имеют особого значения. Для водителя разницы в управлении автоматом или роботом практически нет.

Роботизированная коробка передач плюсы и минусы

Сложные системы, к каковым относятся и автомобильные трансмиссии, имеют вполне определенные достоинства и недостатка. Ниже приведен анализ плюсов и минусов в конструкции и эксплуатации роботизированной коробки передач. При этом в расчет принимаются динамические, стоимостные и некоторые другие характеристики агрегата.

К перечню положительных сторон коробки передач с роботизированным управлением можно отнести следующее:

• Высокая надежность механизма редуктора, проверенного длительной эксплуатацией.
• Применение сухого сцепления фрикционного типа способствует снижению потерь и уменьшению расхода топлива.
• Небольшое количество эксплуатационной жидкости – трансмиссионного масла порядка 3-4 литров, против – 6-8 литров у вариатора.
• Высокая ремонтопригодность роботизированной коробки (фактически в качестве ее основы используется хорошо известная механика).
• Автоматика повышает ресурс сцепления до 45 – 55 % по сравнению с традиционным управлением педалью.
• Наличие полуавтоматического режима, позволяющего водителю вмешиваться в работу агрегата при движении в сложных дорожных условиях на подъеме или в пробке.

Достоинства КПП «робот» очевидны, что способствует повышению популярности данного типа трансмиссии на автомобилях разного класса. Усилиями инженеров и конструкторов агрегат постоянно совершенствуется, его характеристики улучшаются.

Видео — как работает роботизированная коробка передач на Лада Приора:

Тем не менее, у роботизированной коробки передач имеются и некоторые минусы:

• Невозможность перепрошивки процессора и задания иного алгоритма управления с целью повышения динамических характеристик автомобиля.
• Невысокая скорость перемены передач у коробок с электрическими сервоприводами, которые невозможно исправить без переделки всей конструкции.
• Возможность пробуксовки сцепления и перегрева механизма при движении на низкой скорости в горку или в городской пробке. Опытные водители рекомендуют в таком случае использовать режим Tiptronic.
• Частые рывки при автоматическом переключении передач, сброс газа перед данной операцией или равномерный режим движения, позволит снять остроту проблемы.

У робота есть целый ряд преимуществ перед иными видами трансмиссий и некоторые недостатки. Такой тип механизма рекомендуется водителям со спокойной манерой управления автомобилем.

Для любителей прокатиться с ветерком такая коробка будет слишком задумчивой. Все имеющиеся минусы механизма своими силами устранить невозможно, поэтому к его особенностям следует просто приспособиться.

В целом коробка передач робот заслужила положительные отзывы автовладельцев. Особенно отмечаются большой ресурс работы, высокая надежность и её неприхотливость.

По некоторым отзывам покупателей Датсун Он-До можно отметить, что они с удовольствием бы купили этот автомобиль, укомплектованный роботом.

Как подобрать масло для автомобиля можете прочитать в статье.

Жидкая резина (https://voditeliauto.ru/stati/tyuning/zhidkaya-rezina-dlya-avto.html) для покраски автомобиля

Видео — нюансы работы роботизированной коробки передач:

Роботизированная коробка передач автомобиля — устройство и как работает

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

Что это такое

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

Как работает

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

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

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

В чём преимущество

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

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

Преселективная роботизированная коробка передач DSG в автомобилях Volkswagen

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

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

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

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

Особенности работы коробки-робота

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

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

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

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

Устройство DSG

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

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

КПД роботизированных коробок передач

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

Интеллектуальный блок управления

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

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

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

По сравнению с исходными моделями коробок передач, использовавшихся в этих работах, где коробки передач моделировались как идеальные передаточные числа, сложность моделей постепенно возрастала.Тем не менее, необходимо сделать важные — и нереалистичные — упрощения, чтобы добиться хорошей практической применимости этих методов. Таким образом, не учитываются 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 систему оценки, предназначенную для оценки пригодности и потенциала конкретной технологии коробок передач для этой области. Эта структура включает в себя 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). Утверждение о зубчатых колесах приводит к люфту, трению и (нежелательной) податливости, что затрудняет точное управление. (Hunter et al., 1991) сегодня так же актуально, как и почти 30 лет назад. Для некоторых технологий большие кинематические погрешности 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 полосы пропускания, чтобы подтвердить способность системы отслеживать эти изменения (Sensinger, 2010; Rezazadeh and Hurst, 2014). Это лежит в основе принципа управляемости задним ходом, способности системы демонстрировать низкий механический импеданс, когда она приводится в действие с естественной выходной мощности (с обратным приводом).Это особенно важно при частом двунаправленном обмене энергией между роботом и его пользователем, что типично для реабилитационных устройств или экзоскелетов. Как демонстрируют Ван и Ким (2015), управляемость коробки передач задним ходом включает в себя комбинированный эффект отраженной инерции, отраженного демпфирования и кулоновского трения, и поэтому она тесно связана с эффективностью коробки передач.

Это подчеркивает важность для оценки управляющего воздействия определенной технологии коробки передач как ее передаточного отношения, 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 сотрудников-людей.

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 приводов 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 большим 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 обеспечивает более высокие рабочие скорости и / или полезную нагрузку без ущерба для целостности оператора.Низкие передаточные числа также имеют дополнительное преимущество в пропускной способности: они имеют меньшее трение и люфт, уменьшая нелинейность, вносимую коробкой передач. С другой стороны, умеренное передаточное число не может компенсировать нелинейные условия сцепления — обычно зубчатый момент (Siciliano et al., 2010).

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

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

Вес и компактность

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

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

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

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

В отличие от веса коробки передач, определение подходящего критерия для оценки вклада коробки передач в компактность системы является более сложной задачей.Физический объем определенно играет роль, но наш опыт показывает, что фактическая форма коробки передач имеет тенденцию иметь большее влияние. Другой 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 высокая эффективность — более низкие потери — позволяют снизить потребление энергии и прямо положительно влияют как на эксплуатационные расходы, так и на экологический след машины или устройства.Для мобильных и носимых роботизированных устройств повышение эффективности также помогает снизить вес системы — требуются батареи меньшего размера — и в конечном итоге приводит к большей автономности и лучшему удобству использования (Kashiri et al., 2018).

В коробках передач есть еще одно дополнительное преимущество в снижении потерь: большинство механических трансмиссий, используемых в робототехнике, имеют замкнутую форму и используют какой-либо контакт зубьев для передачи крутящего момента и движения между первичным двигателем и рабочим органом. Благодаря этому кинематическое соотношение между входной ω _In и выходной скоростями ω _Out заблокировано количеством зубцов и определяет его передаточное 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 должно уменьшаться пропорционально потерям:

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

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

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

Виртуальная сила

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

Из-за своего принципа действия коробка передач всегда включает в себя сторону с высокой скоростью и низким крутящим моментом и сторону с высоким крутящим моментом и низкой скоростью. Следовательно, его внутренние зубчатые зацепления обычно подвержены либо высокому крутящему моменту и низкой скорости, либо условиям высокой скорости и низкого крутящего момента. Однако в некоторых коробках передач из-за их 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 система отсчета является несущим элементом коробки передач, в то время как виртуальная мощность — это соотношение между виртуальной мощностью и мощностью, генерируемой внешним крутящим моментом. применяется по ссылке. Используя эти элементы, мы определяем Latent Power Ratio топологии коробки передач как отношение между суммой 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.Эффект от этого заключается в том, 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 должны были быть скомпрометированы, чтобы обеспечить большую степень гибкости и мобильности, а также рабочего пространства (Rosenbauer, 1995). С этой точки зрения HRI — это всего лишь еще один шаг в том же направлении: чтобы соответствовать дальнейшим потребностям гибкости и мобильности в неструктурированной среде, необходимы дополнительные компромиссы с точки зрения точности и скорости. Этот переход отражен на Рисунке 1.

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

Точность и повторяемость

Множество аспектов редуктора вносят вклад в общую точность полного роботизированного устройства. Эти аспекты долгое время находились в центре внимания традиционной робототехники и сегодня хорошо изучены, так как работы, подобные работам Майра (1989), Шемпфа и Йоргера (1993) или Розенбауэра (1995), содержат очень хорошие ссылки для понимания этих сложных влияний. Эти исследования выявили особенно важную роль, которую играет потеря хода 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, (iii) ) передаточное число и (iv) отношение крутящего момента к массе как для номинального, так и для момента ускорения.

Сводка

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

Передаточное число продемонстрировало сильное влияние на производительность робототехнической системы. Это объясняет его предпочтительную роль в литературе, посвященной оптимизации срабатывания роботов, и растущий интерес робототехников к возможностям использования переменных передач (Kim et al., 2002; Карбон и др., 2004; Страмиджоли и др., 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 холостого хода 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, другой 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 устройство 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 передачи, основываясь на имеющихся доказательствах его пригодности для достижения высоких коэффициентов (Арнаудов и Караиванов, 2005; Mulzer, 2010 ; Капелевич и AKGears LLC, 2013).Для редукторов мы выбрали — при поддержке производителей — подходящие решения из портфолио Wittenstein и Neugart. Стоит отметить важную роль, которую играет максимальное передаточное число на ступень в редукторе: в то время как Виттенштейн ближе к максимуму осуществимости, определяемому избеганием контакта между соседними планетами, Нейгарт выбирает в своей серии PLE (серия PLFE может достигать 1: 100 соотношений только в два этапа) более ограничительный подход и, следовательно, для достижения общего усиления 1: 100 требуется три этапа вместо двух для Виттенштейна.Это приводит к менее компактным решениям и более низкой эффективности для приложения 1: 100, но позволяет Neugart достичь более высокого 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, тогда 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 изначально более значительную обратную реакцию PGT, на практике они основаны на введении определенной предварительной нагрузки, отрицательно влияющей на их эффективность (Schempf, 1990).

Гармонические приводы: без люфта, легкий редуктор с деформационной волной

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

Его название происходит от характерной деформации Flexspline , нежесткой, тонкой цилиндрической чашки с зубьями, которая служит выходом.Flexspline входит в зацепление с фиксированным сплошным круглым кольцом с внутренними зубьями шестерни Circular Spline , в то время как он деформируется вращающейся эллиптической заглушкой — волновым генератором , как показано на рис. обычно называемый 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 новую коробку передач E-CYCLO, работающую 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.

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

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

Циклоидные приводы: для высокой прочности и жесткости на кручение

С момента своего изобретения Лоренцем Брареном в 1927 году (Li, 2014) циклоидные приводы нашли применение в основном в лодках, 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 изготовления и, в конечном итоге, приведет к высокой стоимости.

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 затратах на техническое обслуживание.

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), а пусковые моменты холостого хода и скрытая мощность высоки, как аналогично редукторам с волновой деформацией.

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

Циклоидные приводы

имеют неотъемлемое ограничение на работу с высокими входными скоростями, вызванное наличием большого и относительно тяжелого планетарного (кулачкового) колеса, что приводит к большим инерциям и дисбалансу.Это мотивирует использование, как правило, двух планетарных колес, расположенных последовательно и смещенных на 180 градусов друг к другу, для устранения дисбаланса, уменьшения вибраций и увеличения входной скорости. Это объясняет, как благодаря сочетанию 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 настройку 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 контроль. Эта пульсация крутящего момента связана с необходимостью использования циклоидных профилей зубьев, чтобы избежать столкновения зубьев между большим планетарным колесом (-ами) и зубчатым венцом, что делает эти устройства чрезвычайно чувствительными к изменениям межцентрового расстояния, возникающим даже из-за небольших производственных ошибок. Существует несколько попыток улучшить эту ситуацию, используя эвольвентные зубья, менее чувствительные к изменениям межцентрового расстояния, с уменьшенными углами давления и / или коэффициентами контакта для минимизации радиальных сил и повышения эффективности (Морозуми, 1970), а также с использованием других форм нестандартных зубьев. -инволютные зубы (Коряков-Савойский и др., 1996; Хлебаня и Куловец, 2015).

Обзор новых технологий передачи для робототехники

Усилитель крутящего момента REFLEX

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

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

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

Базовая топология — топология Wolfrom PGT с несколькими меньшими планетами (Klassen, 2019), в которой реактивное (неподвижное) зубчатое колесо разделено на две части для балансировки в соответствии с конструкцией, первоначально предложенной Россманом (1934) и используемой в качестве хорошо в аппарате 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 включены только значения Latent Power Ratio, полученные на основе его топологии.

Таблица 4 . Схема оценки новых технологий редукторов.

Таким образом, хотя лежащая в основе топология Wolfrom указывает на то, что эффективность, безусловно, будет сложной задачей, эта инновационная коробка передач демонстрирует большой потенциал, 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. Управляемая деформация планетарных роликов позволяет передавать крутящий момент между планетами, подобно колесам транспортного средства.

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

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

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

NuGear

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

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

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

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

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

Двусторонний привод

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

Как видно на Рисунке 9, конфигурация этого устройства снова аналогична PGT Wolfrom. При такой топологии Fujimoto et al. смогли достичь при передаточном числе 1: 102 КПД при движении вперед 89,9% и КПД при движении задним ходом 89,2%. Пусковой крутящий момент без нагрузки в обратном направлении составил 0,016 Нм в коробке передач с внешним диаметром ~ 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 можно увидеть на Рисунке 10, он включает в себя редуктор Wolfrom, адаптированный для использования без несущей конструкции Vranish и зубчатых подшипников. Подшипники шестерен представляют собой контакты качения, которые предусмотрены для каждой пары зубчатых зацеплений в соответствии с их делительным диаметром и уменьшают нагрузку на подшипники коробки передач (Brassitos et al., 2013). Эта топология обеспечивает удобную интеграцию электромотора, который, следовательно, встроен в полую часть большого солнечного зубчатого колеса в конфигурации, специально предназначенной для космических приложений (Brassitos and Jalili, 2017).

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

В Brassitos and Jalili (2018) металлический прототип привода с зубчатым подшипником с передаточным числом 1:40 характеризуется жесткостью, трением и кинематической погрешностью.Измерения полностью соответствуют 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. корреляция и предлагает очень удобную высокую линейность передачи.

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

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

Галакси Драйв

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

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

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

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

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

Обсуждение

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

Сверхлегкие приводы деформационных волн (HD, E-cyclo), безусловно, находятся в очень хорошем положении для удовлетворения этих потребностей, что подтверждается их нынешним доминированием в области коботов. При рассмотрении привода волны деформации для роботизированной задачи pHRI работа при низких крутящих моментах и ​​скоростях должна быть сведена к минимуму, если эффективность должна быть максимальной. Хотя их оптимизированная геометрия зубьев способствует более линейной жесткости на кручение, трение остается очень нелинейным и зависит от направления, вызывая также определенные ограничения использования.Храповик как следствие ударной нагрузки — это 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, теперь они могут обеспечивать хорошую точность с приемлемой эффективностью, несмотря на высокие скрытые коэффициенты мощности, возникающие из-за лежащей в основе топологии KHV, эквивалентной топологии приводов с волновой деформацией.Использование ступени перед зацеплением также вносит важный вклад в достижение этой цели за счет повышения базовой топологической эффективности. Сверхлегкие конструкции, подобные конструкции SPINEA, демонстрируют интересный потенциал, но в конечном итоге потребуются более прорывные подходы, такие как пластиковые материалы, чтобы удовлетворить потребности в более легких коробках передач и более высоких передаточных числах, необходимых для HRI. Пока это не станет возможным, циклоидные приводы можно рассматривать только для больших полезных нагрузок, когда их больший вес и результирующая инерция не критичны для работы.Когда исключительная точность не требуется, можно избежать мер компенсации люфта в пользу повышения эффективности и более низких пусковых моментов. В любом случае следует позаботиться о том, чтобы адекватно управлять пульсацией крутящего момента, и, вероятно, необходимо будет остаться на этапе перед включением, чтобы обеспечить высокие скорости входного двигателя.

Невозможность планетарных редукторов уменьшить люфт при сохранении хорошей производительности и ограничения жесткости на кручение ограничили их использование в промышленной робототехнике. Тем не менее, PGT чрезвычайно универсальны, что демонстрирует их широкое использование во множестве современных промышленных устройств.И они 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 — многообещающие особенности. В сочетании с возможностями, открываемыми их полой топологией, эти элементы потенциально могут привести к возвращению PGT в робототехнику.

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

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

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

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

Авторские взносы

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

Финансирование

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

Конфликт интересов

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

Благодарности

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

Дополнительные материалы

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

Список литературы

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

Google Scholar

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

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

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

Брасситос, Э., Джалили Н. (2017). 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 / 1.23

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 , 2016 IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM) (Banff, AB: IEEE), 669–675.DOI: 10.1109 / AIM.2016.7576845

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

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

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

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

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

3970

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

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

Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хори, К., и Hayashi, I. (1994). Максимальный КПД обычных механических планетарных шестерен парадокса для 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). «Разработка носимого оптимизированного экзоскелета руки с прямым приводом», на Международной конференции по достижениям в области взаимодействия компьютера и человека (ACHI) (Гозье).

PubMed Аннотация | Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

Google Scholar

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

Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

CrossRef Полный текст

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лафлин, К., Альбу-Шеффер, А., Хаддадин, С., Отт, К., Стеммер, А., Вимбек, Т., и Хирцингер, Г. (2007). Легкий робот DLR: концепции проектирования и управления роботами в среде обитания человека. Ind. Робот. Int. J . 34, 376–385. DOI: 10.1108 / 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 / 1.29

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. и 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 / 1.24

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

Google Scholar

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

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

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

Google Scholar

Сенсинджер, Дж. У. (2010). «Выбор двигателей для роботов, 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», в Международная конференция IEEE / ASME 2008 по усовершенствованной интеллектуальной мехатронике (Сиань: IEEE), 671–675.DOI: 10.1109 / AIM.2008.4601740

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

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

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

CrossRef Полный текст

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

Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

2193

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Коробка передач | Урок | Академия роботов

Практически все электродвигатели используются вместе с редукторами. Причина этого в том, что электродвигатели развивают относительно низкий крутящий момент.Они не особо сильные. Однако они способны очень быстро вращаться. Таким образом, мы можем использовать коробку передач, чтобы найти компромисс между скоростью и крутящим моментом. Конечно, бесплатного обеда не бывает, а коробка передач вносит некоторую неэффективность, есть некоторую потерю мощности. Эта потеря мощности связана с тепловым и акустическим шумом.

Если вы используете велосипед, вы, вероятно, хорошо знакомы с концепцией передачи. Электродвигатели могут вращаться очень-очень быстро, но они не развивают большой крутящий момент, они слабые.

Теперь это немного похоже на езда на велосипеде в гору. Вы хотите изменить большое количество оборотов педалей, чтобы уменьшить нагрузку на эти педали. Вы жертвуете большой скоростью ради большого крутящего момента.

Для электродвигателя это то же самое, что и для велосипеда, у вас есть маленькая звездочка спереди на педалях, а у вас есть звездочка большего размера на заднем колесе. Таким образом, на каждый оборот электродвигателя приходится только половина оборота выходного вала редуктора двигателя.Таким образом, двигатель вращается довольно быстро, выходной вал вращается довольно медленно, но крутящий момент двигателя увеличивается за счет передаточного числа.

Вот двигатель с одноступенчатым редуктором. Мы называем это редуктором, потому что за каждый оборот двигателя выходной вал поворачивается меньше одного раза. Когда мы говорим о двух сторонах коробки передач, мы называем ее стороной двигателя, которая обозначена индексом M, а сторона нагрузки — индексом L. Передаточное число коробки передач — заглавная G, и это отношение числа зубьев на зубчатом колесе. большое колесо к числу зубцов на маленьком колесе.А для понижающей коробки G больше единицы.

Выходная скорость омега L равна 1 на G, умноженном на омега N. Таким образом, скорость выходного вала ниже скорости двигателя. Выходной крутящий момент tau L равен G, умноженному на крутящий момент двигателя tau M, поэтому выходной крутящий момент больше крутящего момента двигателя. Это фундаментальные уравнения, описывающие характеристики коробки передач. Он снижает скорость и увеличивает крутящий момент.

Редукторы — поиск деталей робота

Планетарная передача на 180 градусов	AM 9015, AM RedLine, BAG, CIM, Mini CIM, RS-550, RS-775, RS-775pro	1 Двигатель	Планетарный ввод Versa	1 Скорость	Шкив	2: 1	Продукты VEXproWest Coast
2 Шаровой рычаг переключения передач CIM	CIM, Mini CIM	2 двигателя	1/2 «шестигранник	2 скорости	Шпора	3.67: 1, 5,39: 1, 6,6: 1, 8,33: 1, 9,17: 1, 11,73: 1, 12,26: 1, 15: 1, 20,83: 1, 26,67: 1	Робот SpaceVEXproWest Coast Products
3 Шаровой рычаг переключения передач CIM	CIM, Mini CIM	2 двигателя, 3 двигателя	1/2 «шестигранник	2 скорости	Шпора	2,83: 1, 4,17: 1, 5: 1, 6,13: 1, 7,08: 1, 7,5: 1, 9,01: 1, 9,07: 1, 10,42: 1, 11,03: 1, 13,5: 1, 15,32: 1, 18,75 : 1, 19.61: 1, 24: 1, 26.04: 1, 33.33: 1	Робот SpaceVEXproWest Coast Products
57 Спорт	AM 9015, AM RedLine, NeveRest, RS-550, RS-775, RS-775pro	1 Двигатель	1/2 «шестигранник	1 Скорость	Планетарный	4: 1, 12: 1, 16: 1, 20: 1, 36: 1, 48: 1, 64: 1, 80: 1, 100: 1	ЭндиМарк
Привод Armabelt	RS-775, RS-775pro	1 Двигатель	Планетарный ввод Versa	1 Скорость	Шкив	1.1: 1, 1.8: 1, 3: 1, 3.4: 1, 4.5: 1, 5.6: 1, 5.7: 1, 7.5: 1, 8: 1, 9: 1, 9.4: 1, 10.2: 1, 11.4: 1, 12: 1, 13.2: 1, 13.6: 1, 15: 1, 16.9: 1, 17: 1, 18.2: 1, 18.8: 1, 21: 1, 22.6: 1, 22.7: 1, 23.9: 1, 27: 1, 28.2: 1, 28.4: 1, 30: 1, 30.1: 1, 30.7: 1, 31.8: 1, 34.1: 1, 36: 1, 37.6: 1, 39.5: 1, 39.8: 1, 40.9: 1, 45: 1, 45.4: 1, 47.1: 1, 48: 1, 50.8: 1, 51.1: 1, 52.7: 1, 55.7: 1, 56.5: 1, 56.8: 1, 60: 1, 63: 1, 65.9: 1, 67.8: 1, 71.6: 1, 75: 1, 75.3: 1, 79.5: 1, 81: 1, 84: 1, 84.7: 1, 90: 1, 92: 1, 92.2: 1, 94.1: 1, 102,2: 1, 105: 1, 108: 1, 113,6: 1, 118,6: 1, 120: 1, 131.7: 1, 135: 1, 147: 1, 150: 1, 152.4: 1, 169.4: 1, 188.2: 1, 189: 1, 210: 1, 243: 1, 270: 1, 300: 1	Армабот
CIM Sport	CIM, Mini CIM	1 Двигатель	1/2 «шестигранник	1 Скорость	Планетарный	4: 1, 12: 1, 16: 1, 20: 1, 36: 1, 48: 1, 64: 1, 80: 1, 100: 1	ЭндиМарк
CIM-ile	AM 9015, RS-550, RS-775, RS-775pro	1 Двигатель	8 мм (стиль CIM)	1 Скорость	Шпора	9.29: 1, 12.29: 1	Робот SpaceVEXproWest Coast Products
CIMple Box	CIM, Mini CIM	2 двигателя	1/2 «Круглый	1 Скорость	Шпора	4.67: 1	ЭндиМарк
DeCIMate	AM RedLine	2 двигателя	1/2 «шестигранник	1 Скорость	Шпора	3,75: 1	ЭндиМарк
Двойной 775 Спорт	AM Redline, RS-775, RS-775pro	2 двигателя	1/2 «шестигранник	1 Скорость	Планетарный	13: 1, 39: 1, 52: 1, 65: 1, 117: 1, 156: 1, 208: 1, 260: 1, 325: 1	ЭндиМарк
EVO	CIM, Mini CIM	2 двигателя, 3 двигателя	1/2 «шестигранник, 1/2» круглый	2 скорости	Шпора	4.77: 1, 5,45: 1, 6: 1, 6,86: 1, 7,56: 1, 8,63: 1, 9,54: 1, 10,86: 1, 12: 1, 12,41: 1, 15,11: 1, 16,37: 1, 18,71: 1, 21,72: 1, 22,67: 1, 25,9: 1, 32,74: 1, 45,33: 1	ЭндиМарк
EVO Shifter для RedLine	AM RedLine	2 двигателя, 3 двигателя, 4 двигателя	1/2 «шестигранник	2 скорости	Шпора	13,58: 1, 28,33: 1	ЭндиМарк
EVO Slim для RedLine	AM RedLine	2 двигателя, 3 двигателя, 4 двигателя	1/2 «шестигранник	1 Скорость	Шпора	13.58: 1, 17.71: 1, 20.46: 1, 28.33: 1	ЭндиМарк
Hex Серия PG	AM 9015, RS-775, RS-775pro	1 Двигатель	1/2 «шестигранник, 3/8» шестигранник	1 Скорость	Планетарный	27: 1, 71: 1, 188: 1	ЭндиМарк
Коническая коробка LJ	CIM, Mini CIM	1 Двигатель	1/2 «шестигранник, 3/8» шестигранник	1 Скорость	скос	1: 1, 2: 1	ЭндиМарк
NeveRest Орбиталь 20	NeveRest	1 Двигатель	6 мм D	1 Скорость	Планетарный	19.2: 1	ЭндиМарк
Планетарное устройство NeveRest	NeveRest	1 Двигатель	6 мм D	1 Скорость	Планетарный	3,7: 1	ЭндиМарк
NeveRest Спорт	NeveRest	1 Двигатель	5 мм шестигранник, 6 мм D	1 Скорость	Планетарный	4: 1, 16: 1, 20: 1, 64: 1, 81: 1, 104: 1, 256: 1	ЭндиМарк
NeveRest Spur	NeveRest	1 Двигатель	6 мм D	1 Скорость	Шпора	20: 1, 40: 1, 60: 1	ЭндиМарк
PG188	AM 9015, RS-775, RS-775pro	1 Двигатель	10 мм	1 Скорость	Планетарный	188: 1	ЭндиМарк
PG27	AM 9015, RS-775, RS-775pro	1 Двигатель	10 мм	1 Скорость	Планетарный	27: 1	ЭндиМарк
PG71	AM 9015, RS-775	1 Двигатель	10 мм	1 Скорость	Планетарный	71: 1	ЭндиМарк
PI SS CIM	CIM, Mini CIM	2 двигателя	1/2 «шестигранник	1 Скорость	Шпора	12.05: 1, 15.5: 1, 17.8: 1	Plummer Robotics
PI SS Triple CIM	AM Redline, RS-775, RS-775pro	2 двигателя, 3 двигателя	1/2 «шестигранник	1 Скорость	Шпора	25,8: 1, 29,6: 1, 40,5: 1	Plummer Robotics
PicoBox Duo	NeveRest	2 двигателя	6 мм D	1 Скорость	Шпора	1: 1, 1: 1.28, 1.28: 1	ЭндиМарк
PicoBox GEO	Орбитальный мотор-редуктор NeveRest	2 двигателя	6 мм D	1 Скорость	Шпора	1: 1, 1: 1,28, 1,28: 1	ЭндиМарк
PicoBox LEO	Орбитальный мотор-редуктор NeveRest	1 Двигатель	6 мм D	1 Скорость	Шпора	1: 1, 1: 1,28, 1,28: 1	ЭндиМарк
PicoBox MEO	NeveRest	1 Двигатель	6 мм D	1 Скорость	Шпора	1: 1, 1: 1.28, 1.28: 1	ЭндиМарк
Турбина PicoBox	NeveRest	1 Двигатель	6 мм D	1 Скорость	Шпора	1: 1, 1: 1,28, 1,28: 1	ЭндиМарк
PicoBox Twin Turbo	NeveRest	2 двигателя	6 мм D	1 Скорость	Шпора	1: 1, 1: 1,28, 1,28: 1	ЭндиМарк
PicoBox Uno	NeveRest	1 Двигатель	6 мм D	1 Скорость	Шпора	1: 1, 1: 1.28, 1.28: 1	ЭндиМарк
RAW Box	CIM, Mini CIM	2 двигателя	1/2 «шестигранник	1 Скорость	Червячная передача	7,1: 1, 14,2: 1	ЭндиМарк
Угловой привод	AM 9015, AM RedLine, BAG, CIM, Mini CIM, RS-550, RS-775, RS-775pro	1 Двигатель	3/8 дюйма, шестигранник	1 Скорость	скос	1: 1	Армабот
МОМ Rocketbox	CIM, Mini CIM	2 двигателя	1/2 «шестигранник	1 скорость, 2 скорости	Шпора	5.95: 1, 7.31: 1, 8.45: 1, 10.71: 1, 12.71: 1	ЭндиМарк
Редуктор с одинарным редуктором	CIM, Mini CIM	1 Двигатель	1/2 «шестигранник, 1/2» круглый, 3/8 «шестигранник	1 Скорость	Шпора	5: 1, 5,38: 1, 6: 1, 6,55: 1	Робот SpaceVEXproWest Coast Products
Односкоростной, двойное понижение	CIM, Mini CIM	2 двигателя	1/2 «шестигранник	1 Скорость	Шпора	4.17: 1, 5,67: 1, 9,52: 1	Робот SpaceVEXproWest Coast Products
Односкоростной, одинарный редуктор	CIM, Mini CIM	2 двигателя, 3 двигателя	1/2 «шестигранник	1 Скорость	Шпора	5,33: 1, 6: 1, 7: 1	Робот SpaceVEXproWest Coast Products
Звуковой переключатель	CIM, Mini CIM	2 двигателя	1/2 «шестигранник, 1/2» круглый	2 скорости	Шпора	3.7: 1, 4,7: 1, 5,8: 1, 6: 1, 7,3: 1, 7,5: 1, 9,4: 1, 11,8: 1, 14,8: 1, 18,6: 1, 24: 1, 30: 1	ЭндиМарк
SpinBox	CIM, Mini CIM	1 Двигатель	1/2 «Круглый	1 Скорость	Шпора	1: 1,21, 1: 1,67	ЭндиМарк
SR Тонкий	CIM, Mini CIM	2 двигателя	1/2 «Круглый	1 Скорость	Шпора	5: 1, 5: 45: 1	221 Робототехнические системы
SR Тонкий тройной	CIM, Mini CIM	2 двигателя, 3 двигателя	1/2 «Круглый	1 Скорость	Шпора	5: 1, 5: 45: 1	221 Робототехнические системы
Супер рычаг переключения передач	CIM, Mini CIM	2 двигателя	1/2 «	2 скорости	Шпора	6: 1, 9.4: 1, 24: 1	ЭндиМарк
Super Sonic Shifter	CIM, Mini CIM	2 двигателя, 3 двигателя	1/2 «шестигранник	2 скорости	Шпора	4,5: 1, 11,4: 1	ЭндиМарк
Односкоростная трансмиссия SuperLight	CIM, Mini CIM	2 двигателя	1/2 «Круглый	1 Скорость	Шпора	5,95: 1, 6.94: 1, 7,14: 1, 8,45: 1, 9,87: 1, 10,71: 1, 12,5: 1, 12,75: 1, 14,88: 1	221 Робототехнические системы
Трансмиссия SuperLight SuperShifter	CIM, Mini CIM	2 двигателя	1/2 «Круглый	2 скорости	Шпора	3,7: 1, 4,7: 1, 5,8: 1, 6: 1, 7,3: 1, 7,5: 1, 9,4: 1, 11,8: 1, 14,8: 1, 18,6: 1, 24: 1, 30: 1	221 Робототехнические системы
TB3, 3-ступенчатый Toughbox	CIM, Mini CIM, RS-550	2 двигателя	1/2 «Круглый	1 Скорость	Шпора	33.8: 1, 42,8: 1, 51: 1	ЭндиМарк
Toughbox	CIM, Mini CIM	2 двигателя	1/2 «Круглый	1 Скорость	Шпора	5,95: 1, 6,94: 1, 8,45: 1, 9,87: 1, 10,71: 1, 12,5: 1, 12,75: 1, 14,88: 1	ЭндиМарк
Toughbox Micro	CIM, Mini CIM	1 Двигатель	1/2 «шестигранник	1 Скорость	Шпора	5.95: 1, 8,45: 1, 10,71: 1, 12,75: 1	ЭндиМарк
Toughbox Mini	CIM, Mini CIM	2 двигателя	1/2 «шестигранник, 1/2» круглый	1 Скорость	Шпора	5,95: 1, 8,45: 1, 10,71: 1, 12,75: 1	AndyMarkStudica
VersaDM	AM Redline, BAG, RS-550, RS-775, RS-775pro	2 двигателя	Планетарный вход Versa, 1/2 дюйма, шестигранник, 3/8 дюйма, шестигранник, 8 мм (стиль CIM)	1 Скорость	скос	1: 1, 3.75: 1, 5,33: 1	VEXWest Coast Products
VersaPlanetary	AM 9015, AM RedLine, BAG, CIM, Mini CIM, RS-550, RS-775, RS-775pro	1 двигатель, 2 двигателя	1/2 «шестигранник, 1/2» круглый, 3/8 «шестигранник, 8 мм (стиль CIM)	1 Скорость	Планетарный	3: 1, 4: 1, 5: 1, 7: 1, 9: 1, 10: 1, 12: 1, 15: 1, 16: 1, 20: 1, 21: 1, 25: 1, 27 : 1, 28: 1, 30: 1, 35: 1, 36: 1, 40: 1, 45: 1, 49: 1, 50: 1, 63: 1, 70: 1, 81: 1, 90: 1 , 100: 1	Робот SpaceVEXproWest Coast Products
Планетарный привод Versa на 90 градусов	VersaPlanetary	1 Двигатель	1/2 «шестигранник, 3/8» шестигранник	1 Скорость	скос	1: 1	VEX
VersaPlanetary Lite	AM 9015, AM RedLine, BAG, CIM, Mini CIM, RS-550, RS-775, RS-775pro	1 двигатель, 2 двигателя	1/2 «шестигранник, 1/2» круглый, 3/8 «шестигранник, 8 мм (стиль CIM)	1 Скорость	Планетарный	3: 1, 4: 1, 5: 1, 7: 1, 9: 1, 10: 1, 12: 1, 15: 1, 16: 1, 20: 1, 21: 1, 25: 1, 27 : 1, 28: 1, 30: 1, 35: 1, 36: 1, 40: 1, 45: 1, 49: 1, 50: 1, 63: 1, 70: 1, 81: 1, 90: 1 , 100: 1	Робот SpaceVEXWest Coast Products
WCP DS	CIM, Mini CIM	2 двигателя, 3 двигателя	1/2 «шестигранник	2 скорости	Шпора	3.53: 1, 3,8: 1, 4,12: 1, 4,4: 1, 4,49: 1, 4,74: 1, 5,13: 1, 5,6: 1, 6,25: 1, 6,73: 1, 7,29: 1, 7,95: 1, 12,85: 1, 13,85: 1, 15: 1, 16,36: 1	Робот SpaceVEXproWest Coast Products
WCP SS	CIM, Mini CIM	2 двигателя, 3 двигателя	1/2 «шестигранник	1 Скорость	Шпора	4,2: 1, 4,29: 1, 4,52: 1, 4,9: 1, 5,23: 1, 5,35: 1, 5,64: 1, 6,11: 1, 6,67: 1, 7,44: 1, 8,01: 1, 8,68: 1, 9,45 : 1, 9,64: 1, 10,38: 1, 11,25: 1, 12.27: 1, 15.31: 1, 16.48: 1, 17.86: 1, 19.48: 1	Робот SpaceVEXproWest Coast Products

Планетарный роботизированный редуктор с нулевым люфтом, серия GPL

Роботизированная планетарная коробка передач

GAM серии GPL сочетает в себе самый низкий люфт и высокую жесткость при опрокидывании с движением без вибрации для плавного, контролируемого движения в робототехнике и управлении движением.

Характеристики

• Люфт ≤ 0,1 угл. Мин (6 угл. Сек) , в 10 раз лучше, чем у других прецизионных редукторов
• Лучшая на рынке жесткость на кручение для ≤ 0.6 угловых минут без движения
• Запатентованная конструкция гарантирует, что люфт не будет увеличиваться в течение срока службы коробки передач
• Проверенная производительность, признанная в отрасли
• Семь типоразмеров с номинальным крутящим моментом на выходе от 445 до 3505 Нм и передаточным числом от 50: 1 до 200: 1
• Фланцевый выход сплошного вала (GPL-F) или фланцевый выход полого вала (GPL-H) (сквозное отверстие до 75 мм)
• Встроенная пластина адаптера двигателя , готовая к установке двигателя
• Доступен георадар под прямым углом
• Заменяет двигатели с прямым приводом со значительной экономией

Конструкция коробки передач

Серия GPL состоит из трех этапов:

1. Цилиндрическая шестерня и шестерня : высокие передаточные числа и тихая работа
2. Планетарная шпора : фиксированное передаточное число
3. Коническая шпора : за весь срок службы без люфта

Особенности и преимущества

Характеристики	Преимущества
Нулевой люфт ≤ 0.1 угл. Мин. Не увеличивается в течение срока действия GPL	Высочайшая точность для вашего приложения
Наименьший потерянный ход ≤ 0,6 угл. Мин.	Превосходная точность даже при низком крутящем моменте
Расчетный срок службы 20000 часов эксплуатации	Продлевает срок службы, снижает затраты на техническое обслуживание
Высокая жесткость при опрокидывании и скручивании	Лучшая двухточечная точность
Самый низкий уровень вибрации	Превосходное управление для приложений непрерывного движения
Самый низкий момент отрыва	Лучшая управляемость, особенно на коротких дистанциях
Максимальный КПД на всех скоростях> 90%	Более короткое время цикла и более низкая температура
Самый низкий уровень шума <65 дБ	Может работать в непосредственной близости от операторов
Самая низкая рабочая температура	Компоненты с увеличенным сроком службы и возможен режим работы S1
Выходная сторона полностью закрыта	Более простой монтаж, дополнительное уплотнение не требуется

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, прямоугольный редукторный редуктор со 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 небольшого габарита, легкого 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 области применения прямоугольных угловых редукторов 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 сегодня, 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:

Harmonic Drive — Руководство по выбору шестерен для робототехники

Постоянное давление на инжиниринговые компании с целью сокращения затрат, повышения эффективности и получения более высокой рентабельности инвестиций (ROI) подталкивает многих бизнес-лидеров к рассмотрению альтернатив системам двигателей с прямым приводом в виде различных решений с механической трансмиссией.Хотя системы зубчатых передач могут предлагать простоту, экономичность и гибкость, не всегда ясно, какой тип настройки лучше всего использовать. Здесь Грэм Макрелл, управляющий директор Harmonic Drive UK, исследует и критикует четыре основных типа передач.

Нет сомнений в том, что зубчатые передачи играют решающую роль в мире, в котором мы живем. От крупномасштабного глубоководного бурения нефтяных и газовых скважин и промышленного производства во всем мире до небольших приложений, таких как конвейерная лента на кассовых станциях в вашем регионе супермаркет и даже крошечная коробка передач в дворниках вашего автомобиля, шестерни бесценны.

Поэтому неудивительно, что, если не учитывать кратковременный спад во время финансового кризиса 2009 года, мировой рынок коробок передач и мотор-редукторов в последнее десятилетие рос из года в год. Недавнее исследование Frost & Sullivan показало, что в 2013 году рынок получил выручку в размере 12,8 млрд долларов и, отчасти благодаря продолжающимся инновациям в ветроэнергетике, по оценкам, к 2017 году достигнет 15,67 млрд долларов.

В настоящее время рынок ориентирован географически на Азиатско-Тихоокеанский регион.Однако замедление роста китайской экономики из-за перепроизводства в последние годы, в дополнение к растущему спросу на высокоточные зубчатые передачи для вещания и авиакосмической промышленности, должно обеспечить рост в регионах Северной Америки и Европы.

Технология зубчатой ​​передачи
Хотя сейчас есть множество электрических конфигураций на выбор, так было не всегда. До широкого распространения электрических инноваций в технологии асинхронных двигателей и появления приводов с регулируемой скоростью (VSD) регулирование выходной скорости системы осуществлялось с помощью шестерен.

Это означает, что конечная выходная скорость типичного двигателя с короткозамкнутым ротором, работающего со скоростью 1440 об / мин, может быть уменьшена по мере необходимости путем изменения передаточного числа редуктора. Это увеличивает гибкость, позволяя использовать один и тот же двигатель для различных скоростей без преобразователя частоты.

Теперь, конечно, можно управлять скоростью двигателя с помощью частотно-регулируемых приводов, однако привод не может заменить шестерни другие ключевые преимущества, умножение крутящего момента и согласование момента инерции, что позволяет относительно небольшому, маломощному двигателю двигаться и точно управлять большим нагрузки, что снижает эксплуатационные расходы и общий вес и размер машины.

Цилиндрическая зубчатая передача
Попросите ребенка нарисовать шестерню, и вы получите прямозубую шестерню — диск с радиально выступающими зубьями. Цилиндрические зубчатые колеса, используемые во всем: от стиральных машин, автомобилей и часов до промышленных отрезных станков и электростанций, дешевы и просты в установке. Они обладают хорошей эффективностью передачи мощности и постоянным передаточным числом, с возможностью передачи большого количества энергии, до 50 000 кВт.

Для тех, кто использует этот базовый тип зубчатой ​​передачи и близкую к ней косозубую шестерню, следует учесть несколько соображений.Обычно эти шестерни имеют значительный люфт, и хотя они могут быть оснащены компенсацией люфта, эта точность не сохраняется на протяжении всего срока службы шестерни без регулировки.

Кроме того, прямозубые цилиндрические зубчатые колеса могут быть шумными на высоких скоростях, а косозубые — меньше. Кроме того, хотя они имеют возможность изменять конфигурацию, они могут занимать большую площадь, особенно при высоких передаточных числах, отчасти из-за того, что каждый отдельный вал шестерни должен поддерживаться в собственных подшипниках.

Коническая шестерня может рассматриваться в том же семействе, что и прямозубая / косозубая шестерня, а также может иметь прямое или косозубое нарезание.Здесь применимы многие из вышеперечисленных соображений, хотя прямоугольный характер этой передачи может помочь в приложениях, где пространство ограничено.

Червячная передача
Так называемый, из-за движения, подобного дождевому червю, червячный привод состоит из двух частей: винтовой червячной передачи и большого прямозубого червячного колеса. Червячная передача, расположенная перпендикулярно оси вращения, представляет собой компактное решение и может быть достигнута большая одноступенчатая передача, однако большие передаточные числа страдают от низкого КПД.

Конструкция червячной передачи означает, что большой полый вал можно просверлить в центральном цилиндре червячного колеса, что облегчает прокладку кабелей и коммуникаций. С некоторыми модификациями этот тип зубчатого колеса также может обеспечивать относительно хорошую точность.

Увеличивая давление на соприкасающиеся поверхности, можно уменьшить люфт — поперечное перемещение, наблюдаемое в системе зубчатых передач. Тем не менее, это увеличивает износ зубьев, снижает эффективность и означает, что регулировка в течение эксплуатации часто необходима для поддержания точности коробки передач.

Планетарные передачи
Переходя к следующей категории, у нас есть планетарные передачи. Более известные как планетарные шестерни, они установлены таким образом, что несколько шестерен, обычно от трех до пяти, вращаются, как планеты, вокруг центральной солнечной шестерни, окруженной внешней кольцевой шестерней.

Планетарные передачи обеспечивают высокую удельную мощность, КПД более 95% и благодаря своей конструкции очень компактны. Точность может быть высокой, с минимальным люфтом до 1 угловой минуты.Комбинируя несколько ступеней зубчатой ​​передачи, можно достичь высоких передаточных чисел, при этом максимальное одноступенчатое передаточное число обычно составляет 10: 1. Планетарные шестерни обычно дороже, чем косозубые, и могут требовать большего обслуживания из-за большего количества деталей.

Для более точных применений мы разработали здесь, в Harmonic Drive, ряд планетарных шестерен. Наша линейка HPG оснащена уникальной гибкой коронной шестерней, позволяющей предварительно нагружать зацепление между планетарной и кольцевой шестернями, что увеличивает точность до одной угловой минуты, и испытания показали, что эта система предварительной нагрузки обеспечивает превосходную повторяемость во времени.

Улучшенная серия HPGP имеет 4 планетарных шестерни, увеличивающих крутящий момент на дополнительный размер. Наша серия HPN представляет собой более обычную шестерню с косозубой передачей для увеличения крутящего момента и снижения шума, она доступна с точностью до 5 угловых минут.

Тензорезистор
Высочайшая точность и качество — это деформационно-волновой механизм, также известный как гармонический привод. Для приложений, требующих высочайшей плотности мощности и точности, необходима волновая передача.В таких требовательных приложениях, как управление движением в радиовещании, добыча нефти и газа, робототехника, аэрокосмическая промышленность, метрология и высокоточные промышленные станки, необходимы деформационно-волновые передачи.

Тензорезистор состоит из трех частей. Внешний круговой шлиц, фиксированное кольцо с зубьями шестерни внутри, зацепляется с внутренним Flexspline, гибким кольцом с зубьями шестерни снаружи, Flexspline меньше по диаметру, чем круговой шлиц, и имеет меньше зубьев, поэтому не зацепляется без третьего компонента, эллиптический генератор волн, установленный по центру, прикрепленный к входному валу.

Деформационно-волновая передача уникальна тем, что возможны очень высокие одноступенчатые передаточные числа, от 30: 1 до 320: 1, в том же пространстве, в котором планетарная передача может достигать передаточного числа только 10: 1. Этот впечатляющий подвиг становится еще более впечатляющим благодаря сохранению компактных размеров, очень небольшого веса, нулевого люфта, небольшого количества компонентов и очень высокого уровня крутящего момента.

Центральный вал можно даже расточить, чтобы получить полый вал максимально большого диаметра на концентрической передаче. Именно эти характеристики привели к тому, что НАСА выбрало Harmonic Drive для включения в марсоход.

Подготовка к работе
Совершенно очевидно, что мир шестеренок сложнее, чем кажется на первый взгляд. Правильный выбор передачи для вашего конкретного приложения может радикально изменить эффективность работы, потребление энергии и, в конечном итоге, общую стоимость владения. Это становится все более важным аспектом процесса принятия решений по мере того, как мы движемся к ориентированным на экономию средств высокоточным приложениям.

Коробка передач робота-манипулятора | Продукты и поставщики

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

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

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

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

Конструктивные элементы машиностроения 2

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

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

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

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

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

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

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

Генетический алгоритм оптимальных динамических характеристик промышленных роботов на этапе концептуального проектирования

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

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

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

Монтаж в промышленном производстве

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

Монтаж в промышленном производстве

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