Jenis aktuator mana yang cocok untuk lengan robot yang sangat kuat


27

Saya ingin membuat lengan robot yang dapat mengangkat berat yang berguna (seperti 3-6kg di lengan yang dapat mencapai sekitar 1,25 meter). Aktuator apa yang tersedia untuk mencapai ini. Faktor utama dan poin desain adalah:

  • Tidak mahal
  • 5 hingga 6 dof
  • untuk dipasang pada platform seluler yang belum dirancang
  • bertenaga baterai
  • lebih kuat dari pada hobi servos (setidaknya untuk sendi 'bahu' dan 'siku')
  • tidak lambat untuk digerakkan

6
Melihat ini pada SO utama di sidebar, tetapi mengira pertanyaannya adalah "pasukan robot yang sangat kuat". Kupikir aku harus check-in, untuk jaga-jaga.
Matthew Frederick

Jawaban:


27

Aktuator mana yang cocok untuk aplikasi Anda sangat tergantung pada jenis lengan robot yang ingin Anda bangun. Setelah Anda memutuskan jenis lengan yang Anda inginkan, Anda dapat memutuskan aktuator yang cocok untuk setiap sumbu .

Lengan

Dengan asumsi dari deskripsi Anda bahwa robot gantry tidak akan layak, maka tergantung pada aplikasi spesifik Anda, Anda mungkin ingin mempertimbangkan lengan SCARA di atas lengan Artikulasi , yang merupakan apa yang kebanyakan orang pikirkan ketika mereka berpikir lengan Robot .

Keuntungan besar dari lengan SCARA adalah bahwa sebagian besar kekuatan pengangkatannya ada di bantalannya. Sendi bahu, siku dan pergelangan tangan (yaw) berada di bidang datar, yang berarti bahwa motor hanya perlu cukup kuat untuk menghasilkan kekuatan lateral yang diperlukan, mereka tidak perlu mendukung berat sumbu yang tersisa.

Sumbu Z, pitch dan roll (dan cengkeraman jelas) semua harus bekerja melawan gravitasi, tetapi Z axis mudah gear sangat cukup untuk dapat mendukung banyak berat, dan pitch, roll dan grip hanya perlu mendukung berat payload, bukan bobot sumbu lainnya.

6 robot UMI RTX + gripper

Bandingkan ini dengan lengan yang diartikulasikan, di mana banyak kapak harus menopang bobot semua kapak lebih jauh ke bawah rantai kinematik .

6 Axis Articulated Robots dari KUKA

Aktuator

Robot gantry

Biasanya robot gantry akan menggunakan aktuator linier untuk sumbu X, Y & Z utama. Ini bisa kinerja rendah, akurasi rendah, aktuator gaya tinggi seperti sekrup timah dengan servo atau stepper drive (gaya dan kinerja dapat diperdagangkan tetapi akurasi akan selalu dibatasi oleh serangan balik), semua jalan hingga kinerja tinggi, akurasi tinggi penggerak langsung motor linear dengan enkoder presisi.

Manipulator 3DOF yang tersisa biasanya akan membutuhkan gerakan rotasi presisi untuk pitch, roll dan yaw, jadi biasanya motor listrik (baik stepper atau servo), akan paling cocok. Bahkan motor kecil dengan gearing yang cukup tinggi dapat menahan gravitasi terhadap beban yang cukup tinggi.

Di samping motor servo vs motor stepper

Perbedaan antara servo (1) dan stepper adalah pertukaran antara kompleksitas dan kepastian dalam kontrol.

Motor servo memerlukan encoder untuk umpan balik posisi, sedangkan stepper tidak. Ini berarti bahwa stepper jauh lebih sederhana secara elektrik , dan dari sudut pandang kontrol lebih sederhana jika Anda menginginkan kinerja rendah.

Jika Anda ingin mendapatkan hasil maksimal dari motor Anda (mendorongnya mendekati batas itu), maka stepper menjadi jauh lebih sulit untuk dikendalikan dengan mudah ditebak. Dengan umpan balik posisi pada servo Anda dapat menyesuaikan kinerja jauh lebih agresif dan karena Anda tahu jika gagal mencapai posisi target atau kecepatan maka loop servo Anda akan mencari tahu dan memperbaikinya.

Dengan stepper Anda harus menyetel sistem sehingga Anda dapat menjamin bahwa itu selalu dapat membuat langkah, terlepas dari kecepatan bergerak yang diinginkan atau berat muatan. Perhatikan bahwa beberapa orang akan menyarankan menambahkan encoder untuk mendeteksi langkah-langkah yang tidak terjawab pada motor stepper, tetapi jika Anda akan melakukannya maka Anda mungkin juga telah menggunakan motor servo di tempat pertama!

Lengan SCARA

Dengan lengan SCARA, sumbu Z mungkin merupakan satu-satunya sumbu linier, sedangkan sumbu yang tersisa semuanya dapat dilakukan dengan motor rotasi, jadi sekali lagi motor stepper atau servo. Mengukur motor-motor ini relatif mudah karena bobot yang dibawa kurang penting bagi banyak dari mereka. Motor yang dibutuhkan untuk mengatasi kelembaman dari suatu beban lebih sedikit daripada mengukurnya untuk mengatasi gravitasi.

Lengan yang diartikulasikan

Dengan lengan yang diartikulasikan perhitungannya lebih rumit, karena sebagian besar kapak membutuhkan ukuran aktuator tergantung pada pemindahan beban dan pengangkatannya, tetapi sekali lagi motor listrik adalah yang paling mudah untuk dikontrol dan digunakan.

Gripper itu

Akhirnya ada gripper. Di sinilah saya telah melihat yang paling beragam dalam aktuator. Tergantung pada aplikasi Anda, Anda dapat dengan mudah menggunakan sejumlah aktuator yang berbeda.

Saya telah menggunakan sistem dengan grippers yang digerakkan motor tradisional, grippers yang digerakkan linier, grip flexie piezo , grippers yang digerakkan secara pneumatik, pengambilan vakum dan slot atau kait yang sederhana di antara yang lainnya, banyak di antaranya khusus untuk aplikasi. Apa muatan khas Anda adalah dapat secara signifikan mengubah aktuator yang terbaik untuk Anda. (2)

Melakukan kalori Anda

Seperti yang disarankan Rocketmagnet pada akhirnya Anda harus keluar dari kalkulator Anda.

Anda perlu mempertimbangkan kinematika sistem Anda, beban maksimum pada masing-masing motor (dengan mempertimbangkan kasus terburuk dengan lengan sepenuhnya diperpanjang jika Anda menggunakan desain lengan artikulatif), kecepatan (motor yang lebih kecil dengan persneling lebih tinggi mungkin memberikan kekuatan yang Anda butuhkan tanpa kecepatan, tetapi motor yang lebih gemuk mungkin memberi Anda torsi lebih tinggi dengan gearing lebih rendah dan kecepatan lebih tinggi, dll.) dan akurasi posisi yang Anda butuhkan.

Secara umum, semakin banyak uang yang Anda keluarkan untuk masalah tersebut, semakin baik kinerja (kecepatan, ketepatan, konsumsi daya) yang akan Anda dapatkan. Tetapi menganalisis spesifikasi dan membuat keputusan pembelian yang cerdas dapat membantu mengoptimalkan harga / kinerja robot Anda.

(1) Perhatikan bahwa pengalaman saya dengan servos industri , biasanya motor DC brushed atau brushless dengan rotary encoder, jadi ini mungkin atau mungkin tidak berlaku dengan hobi servos RC .

(2) Saya sarankan memposting pertanyaan lain tentang ini.


Maafkan saya. pertanyaan saya terutama tentang komponen. Meskipun Anda membuat poin bagus tentang desain. Saya belum memikirkan hal itu. Meskipun saya masih berpikir saya ingin menggunakan lengan "standar" seperti pada gambar kedua karena saya percaya ini memiliki jangkauan gerak yang lebih baik untuk dipasang pada platform seluler.
Mark W

tetapi jika Anda akan melakukan itu maka Anda mungkin juga telah menggunakan motor servo! Posting Anda bagus tetapi gagal mengatakan servo atau stepper , karena stepper dengan umpan balik adalah servo! . Juga stepper adalah motor DC brushless , dan memiliki lebih banyak kutub, akan menghasilkan lebih banyak torsi (dengan kecepatan kecil) sehingga membutuhkan pengurangan gigi lebih sedikit, meskipun kurang efisien. Juga lengan robot industri cenderung memiliki pegas untuk mengimbangi atau bahkan lebih banyak kekuatan daripada yang dibutuhkan untuk melawan keseimbangan.
Diego C Nascimento

1
Sementara Anda secara teknis benar @DiegoCNascimento dalam pengalaman saya, dalam pengaturan industri dan penelitian, motor stepper dengan encoders tidak disebut servos. Karena karakteristik kinerja, perilaku, dan teknik kontrol mereka sangat berbeda, Anda tidak ingin seseorang menganggap Anda salah satu ketika Anda berbicara tentang yang lain. Inilah sebabnya mengapa di sini pada robotika kita mencoba untuk menjadi eksplisit tentang apakah kita berbicara tentang rcservo , servomotor atau stepper-motor .
Mark Booth

13

Saat Anda memilih aktuator, instruktif untuk memulai dengan menghitung berapa banyak daya yang Anda butuhkan pada efektor akhir. Ketika Anda mengatakan 'tidak terlalu lambat' Anda harus tahu apa artinya ini, terutama di bawah kondisi beban yang berbeda.

Misalnya, Anda dapat mengatakan: 6kg pada 0,2 m / s dan 0kg pada 0,5 m / s

Sekarang tambahkan estimasi berat lengan: 10kg pada 0,2 m / s dan 4kg pada 0,5 m / s

Sekarang hitung daya: 100N * 0.2m / s = 20W dan 40N * 0.5m / s = 20W

Jadi output daya puncak pada efektor akhir adalah 20W . Anda akan membutuhkan aktuator yang dapat menghasilkan lebih dari 20W dengan nyaman.

Saya akan berasumsi bahwa Anda akhirnya memutuskan untuk menggunakan motor listrik sebagai aktuator Anda. Ini masih merupakan aktuator pilihan untuk sistem robot listrik yang kuat. (Jika Anda berhasil membuat robot ini bekerja dengan kawat otot tanpa membakar bengkel Anda, saya akan memakan mouse saya).

Karena Anda menggunakan motor listrik, Anda hampir pasti akan menggunakan beberapa jenis roda gigi. Asumsikan gir kereta pada motor adalah sekitar 50% efisien. Ini berarti Anda akan memerlukan motor listrik yang diberi peringkat setidaknya 40W. Jika Anda ingin ini menjadi lengan yang dapat diandalkan, saya akan spec motor yang dinilai untuk setidaknya 60W.

Selanjutnya Anda perlu menentukan kereta persneling. Apa yang dibutuhkan torsi? 100N * 1.25m = 125Nm. Tapi seperti biasa, Anda perlu menentukan torsi lebih dari ini untuk kereta gigi, paling tidak karena Anda akan memerlukan beberapa torsi cadangan untuk dapat mempercepat beban ke atas. Pilih kereta roda gigi yang bisa mengambil lebih dari beban terukur.

Terakhir, pastikan bahwa torsi motor dikalikan dengan rasio roda gigi dikalikan dengan efisiensi yang melebihi kebutuhan torsi Anda, tetapi bukan beban gigi maksimum.


Apa yang Anda maksud dengan tetapi bukan beban gigi maksimum ? Saya akan menafsirkan bahwa itu berarti Anda tidak boleh menggunakan motor yang memiliki torsi cukup untuk merusak kereta gigi Anda jika Anda secara tidak sengaja memerintahkannya, tetapi akan lebih baik jika orang lain tidak harus belajar dengan cara yang sulit. * 8 ')
Mark Booth

@ MarkBooth - Benar. Sangat mungkin bagi motor untuk merusak persnelingnya sendiri jika rasio roda gigi cukup tinggi. Sebaiknya memasukkan faktor itu ke dalam perhitungan.
Rocketmagnet

5

Platform seluler: Aktuator linier elektro-mekanis dapat menjadi pilihan yang baik untuk aktuator ringan yang dapat dipasang pada platform seluler.

Bertenaga baterai: Aktuator linier elektro-mekanis merupakan pilihan yang baik di atas motor servo, karena aktuator linier hanya menarik daya ketika sedang bergerak, dan tidak membutuhkan daya untuk menahan posisinya.

5-6 DoF: Mungkin sulit untuk mencapai ini menggunakan aktuator linier elektro-mekanis, karena mereka rumit secara mekanis dan memiliki jangkauan gerak terbatas

Anda dapat mencoba aktuator linier dari www.firgelli.com. Mereka memiliki miniatur linear aktuator juga, yang bagus untuk aplikasi skala kecil.

Konsep desain mekanik untuk lengan menggunakan aktuator linier: Sebagian besar peralatan pemindah tanah memiliki aktuator linier hidrolik. Beberapa sambungan untuk aktuator linier dapat diimplementasikan pada baris ini.


3

Ada dua faktor lagi yang perlu dipertimbangkan: Kompleksitas dan biaya.

Lengan robot industri seperti itu

lengan robot industri http://halcyondrives.com/images/robotic_arm.png
Gambar dari http://halcyondrives.com

biasanya menggunakan torsi dari gearbox untuk mengarahkan langsung sambungan, sekarang pikirkan tentang torsi yang harus didukung oleh pengurangan gear dan ukuran / beratnya? Sederhana besar dan mahal, material mereka perlu mendukung torsi yang sangat besar.

600Kgf/cm

Beberapa solusi yang digunakan industri

Strain Wave Gearing atau Harmonic drive

Strain Wave Gearing atau Harmonic drive
Gambar dari http://commons.wikipedia.org

200:1?10:1

Namun gearing jenis ini sangat mahal dan kompleks.

Mata air dan pemberat

Gambar motor industri 6DOF
Gambar dari http://www.globalrobots.ae

Solusi sederhana lainnya adalah menambahkan bobot counter seperti yang Anda lihat pada gambar. Ini memiliki hubungan untuk bertindak baik di lengan (saya lupa namanya) dan di lengan. Pegas juga akan membantu, dan jika dipasang pada sumbu yang sama dari sambungan tetapi sedikit offset, itu akan memberi kekuatan lebih ketika lengan menjadi lebih panjang.

Solusi berbiaya rendah dan lebih kompleks untuk sistem penggerak mekanis

Sekarang untuk solusi yang lebih murah dan lebih kompleks, yang harus saya pikirkan adalah melepas torsi tinggi pada penggerak roda gigi, sehingga Anda dapat menggunakan bahan yang lebih murah. Untuk drive elektronik murni, ini akan menjadi aktuator linier .

Ada berbagai aktuator linier. Tetapi idenya adalah bahwa itu akan mengambil kekuatan yang lebih sedikit (tergantung pada titik lengan mana yang terpasang).

  • "Nut" dan tipe leadscrew

memimpin aktuator linier sekrup

Aktuator jenis ini memiliki banyak sub-tipe, dan itu mempengaruhi efisiensi, keausan, gaya, dan banyak lagi. Tetapi secara umum, mereka memiliki kekuatan yang tinggi dan kecepatan relatif lambat hingga sedang (ini lagi akan tergantung pada jenisnya, dapat bervariasi dengan cepat, seperti yang digunakan pada beberapa simulator platform gerak).

Platform gerak 6 dof dengan aktuator linier listrik http://cfile29.uf.tistory.com/T250x250/195BAD4B4FDB0AF104C30F .

Aktuator linier listrik menggantikan aktuator linier hidrolik pada aplikasi ini, dan mereka harus cepat dan kuat, beberapa simulator mudah berbobot lebih dari 2 ton.

  • Penggerak sabuk atau rantai

Untuk kecepatan lebih dan metode sederhana lainnya adalah sabuk atau rantai drive seperti itu

aktuator penggerak linear sabuk
Gambar dari http://images.pacific-bearing.com

Ini tentu saja merupakan buatan industri, ini buatan DIY, dan memiliki lebih banyak untuk aplikasi: (ya itu memiliki ruang untuk banyak perbaikan, tetapi merupakan bentuk yang baik untuk menunjukkan seberapa cepat dan kuat dapat bahkan dalam desain ini ). http://bffsimulation.com/linear-act.php

50Kgf/cm50Kgf

Juga bantalan pada aktuator ini akan perlu untuk mendukung sebagian besar gaya radial, di mana dalam "leadscrew dan mur" bantalan akan mengambil sebagian besar gaya aksial. Jadi tergantung pada gaya yang Anda butuhkan untuk menggunakan bantalan bola dorong .


1

Saya pikir taruhan terbaik Anda adalah servos hobi biasa, jika mereka tidak memiliki torsi yang cukup, gunakan beberapa servos secara paralel pada sambungan yang sama. Pilihan yang baik adalah Dynamixel servos dari Robotis tetapi harganya lebih mahal dari pada hobbi servos, dan Anda harus meretas protokol komunikasi karena dikendalikan oleh ttl / rs232 / rs485, atau menggunakan konverter usb2dynamixel (atau usb2ax). Keuntungannya adalah torsi, kecepatan, dan presisi.

Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.
Judi bola