齿轮传动装置和直驱驱动装置有何异同?

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由于当下的企业都在为企业的日常问题寻求新的解决方案,因此机器人技术得到了快速的发展。人工智能(AI)学习过程使机器人变得更加智能,机械设计使移动更加灵活,机器人在工业应用中也变得更加高效。但是,驱动装置在创新中往往会被忽略。

随着制造型企业对生产线智能化改造升级越来越重视,机器人及其应用技术近年来取得了飞速发展,例如:人工智能让机器人变得更加智能,不断更新的设计理念让机器人工作效率更高,同时应用领域更广。但是,相对于机器人其他核心零部件的不断发展创新,机器人驱动装置发展缓慢,往往被人们忽视。

机器人驱动装置简介

驱动装置是指为机器的关节和轴提供运动和力量的部件。机器操作的关键因素是控制信号和电力输入,从而移动机器。此外还需要将电机的输出转换为可用的速度和扭矩(此原理可类比自行车驱动,自行车上的齿轮,齿轮的使用是因为人的腿不够强壮,由于人腿不足以提供足够的动力直接驱动自行车的车轮。因此齿轮被用来改变驱动车轮所需的扭矩)。

机器人驱动装置也是如此——传统的电机/齿轮箱组合在一起转换电机的较低扭矩输出,从而让机器人手臂以较大速度进行大负载运动。高扭矩应用通常需要复杂的齿轮系统,齿轮系统越复杂(如较高的齿数比或更多的齿轮级),传动系统中存在的齿隙越大,齿隙会影响机器人的精度,严重时甚至会影响安全性。

齿隙是指系统中的“松弛”,也被称为齿轮中的“间隙”(图1)。例如,在一辆旧汽车熄火时候转动方向盘,但是轮胎并没有随之转动,就是因为相关齿轮系统中存在齿隙。沿着转向系统,可以发现许多齿轮连接处有大量的小间隙,整个转向系统中就会存在不可估量的齿轮间隙。

齿隙是指系统中的“松弛”,也被称为齿轮中的“间隙”。

消除齿轮系统中的齿隙是非常困难的,而消除多级齿轮箱中的齿隙几乎是不可能的。齿轮的制造依照紧密度容限或紧配合,这一制造成本昂贵齿轮制造过程对紧密度(公差)要求极高,导致其制造成本非常昂贵。此外,过高的紧密度会引起较大的摩擦,因此需要一种机构来保持齿轮在扭矩范围内的紧密啮合。

灵活的齿轮系统,如谐波齿轮,提供了另一种消除齿隙的方法——齿轮箱有一些灵活的部件可以承受这些“松弛”。但是,这可能会导致系统存在隐患,并使逆向驱动变得非常困难。

齿轮致动器适用于低速应用,因为它能使电机在高速度和低扭矩的情况下保持高效率,也允许系统使用目前常见的小扭矩(较弱)电机。

最基本的齿轮类型是正齿轮,每次啮合时齿轮内的每个齿都会完全碰触,这会造成大量噪音、带来磨损、并且需要经常润滑。为了改善正齿轮的噪音问题,研究人员研制了斜齿轮,斜齿轮的齿可以实现逐渐啮合。当我们改变齿轮比去放大扭矩时,速度就会降低,这是因为驱动齿轮箱的电机将输出速度降低,进而才能放大扭矩。这也是齿轮头通常也被称为减速机的原因。

直驱驱动装置

直驱式驱动装置拆除了传统的齿轮箱,这就要求直驱式驱动装置中的电机能够以可达速度(例如,转速不是数千RPM,而是数百RPM)产生足够的原生扭矩。直接驱动有众多好处,它一直是机器人制造商想要得到的。

直驱驱动装置没有齿,也就不存在间隙问题。扭转刚度为直驱驱动装置提供了非常高的精确度,直驱驱动装置能完全反向驱动,它给需要由人类移动和定位的协作机器人带来了极大的好处。最重要的是,高耐冲击性使其非常适合外骨骼机器人和步行机器人,因为这些机器人行走时的冲击会损坏齿轮。

直驱驱动装置,如图所示的LiveDrive,完全不需要齿轮组,从而降低了总体重量以及减少了运动部件。生产这些部件的成本要比传统齿轮驱动装置的成本低50%以上。

此外,没有齿轮箱意味着没有惯性,从机器人和机器的安全角度来看这是一个主要的优势。如果一辆汽车突然滚下山坡,惯性会使汽车很难迅速停下来。齿轮箱也会出现类似的情况:如果电机的转速为4000 RPM,齿轮比为100:1,那么齿轮箱不可能实现瞬时停止,齿轮箱需要时间减速。

这些好处还扩展到机器人解决方案的实施。齿轮传动系统中的齿隙往往需要复杂的编程来帮助提高系统精度,从而补偿齿轮中的“间隙”所带来的误差。这一过程需要时间,系统也需要不断重新校准,齿轮一旦损坏就必须更换或进行润滑,这也会增加维护成本。

直驱驱动装置的另一个好处是成本低。移除了齿轮箱的直驱驱动装置实际上只是一个电机,而不是电机/齿轮箱组合,这样的驱动装置成本大大降低了。随着驱动成本的降低,机器人技术接近了一个新的转折点,即加速了机器人在工业、消费和医疗保健等非工厂领域的应用。

驱动装置只有增加新的特性才能让机械装置在没有齿轮的情况下运行,直驱驱动装置应该具备的特点有:

磁放大器:增加标准永磁体有效力的独特配置。

结构和磁性协同作用:通过磁放大器产生的巨大磁力会使传统的电机结构崩溃,达到新高水平的磁性能需要一个足够强大的机械结构承受由此产生的力,但同时这个机械结构需要足够轻,从而能够提供最高的扭矩重量比。

热力异常:热量是任何电磁装置的限制因素,前两个基础发现提供了一个能够散热的轻薄结构,有效散热能让驱动装置比传统电机以高得多的功率运行。

Genesis Robotics公司的“LiveDrive”就是直接驱动且无齿轮设计的一个例子,它包含了以上三个基本发现(图2)。

齿轮驱动和直接驱动的区别是什么?

如上所述,这两个系统之间的主要区别是机器人的成本和性能。像LiveDrive这样的直驱驱动装置完全不需要齿轮组,从而降低了整体重量,减少了运动部件,这些部件可以降低成本生产,它们的成本比传统的齿轮驱动装置的成本要低50%以上。

齿轮系统的移除使得严重影响精度的齿隙也不复存在。直接驱动系统可以提供目前为止最高水平的准确度、精度和扭转刚度。它的另一个关键改进是能够反向驱动驱动装置,由于齿轮箱的减速特性也从系统中移除,因此直接驱动系统还可以以更快的速度反向驱动驱动装置。

驱动装置技术的创新在过去的50年中一直停滞不前。缺乏精确性的运动和繁琐的设计阻碍了驱动装置技术的发展,除了降低致动的成本和复杂性之外,不创新驱动装置系统拖慢了消费市场上机器人的应用。移除齿轮箱和不断研发直驱驱动装置的技术解决了这些问题,进而提高了机器人性能和加快市场进入。

Mike Hilton是Genesis Robotics的首席执行官。

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