Wie wählt man den richtigen Roboter-Gelenkantrieb für spezialisierte Roboteranwendungen aus?

Warum die Auswahl eines Robotergelenks zu einer technischen Herausforderung wird?

Die Entwicklung der Robotik geht über standardisierte Industrieroboterarme hinaus. Humanoide Roboter, kollaborative Roboter, mobile Manipulatoren, Operationsroboter, Inspektionsroboter, Spezialroboterarme und intelligente Automatisierungsanlagen stellen immer vielfältigere Anforderungen an Robotergelenksysteme .

Bei herkömmlichen Industrierobotern können Ingenieure eine relativ standardisierte Kombination aus Servomotor, Präzisionsgetriebe, Encoder und Antrieb wählen. Dieser Ansatz gestaltet sich jedoch deutlich schwieriger, wenn eine neue oder hochgradig kundenspezifische Roboterplattform entwickelt wird.

Ein kompaktes Roboterhandgelenk erfordert möglicherweise extrem geringes Gewicht und einen kleinen Installationsraum. Ein humanoides Roboterbein benötigt unter Umständen eine hohe Drehmomentdichte, hohe Steifigkeit, schnelle dynamische Reaktionsfähigkeit und zuverlässige Positionsrückmeldung. Ein kollaborativer Roboter benötigt möglicherweise Drehmomentmessung und Kollisionserkennung. Ein chirurgischer Roboter legt möglicherweise Wert auf Präzision, gleichmäßige Bewegung, kompakte Abmessungen und geringe Übertragungsfehler.

Diese Anforderungen lassen sich nicht immer durch die einfache Wahl eines größeren Motors oder eines Getriebes mit höherer Übersetzung erfüllen.

Die eigentliche technische Herausforderung besteht darin, herauszufinden, welche Art von Robotergelenkarchitektur die richtige Kombination aus Drehmoment, Geschwindigkeit, Präzision, Steifigkeit, Gewicht, Rückkopplung, Sicherheit und Integration für das gesamte Robotersystem bieten kann.

Hier kann ein integrierter Robotergelenkaktuator eine praktische Lösung bieten.

Anstatt Motor, Harmonic-Reducer, Encoder, Antrieb, Bremse und Drehmomentsensor als völlig separate Komponenten zu behandeln, kombiniert ein integriertes Gelenkmodul die Schlüsselfunktionen zu einer koordinierten Einheit, die auf die Anforderungen des Roboters zugeschnitten werden kann.

Beginnen Sie mit dem Roboterproblem, nicht mit der Aktorspezifikation.

Einer der häufigsten Fehler bei der Auswahl von Robotergelenken ist, mit einer Produktspezifikation zu beginnen.

Ingenieure könnten zunächst folgende Frage stellen:

Welches Drehmoment liefert dieser Aktuator?

Das Drehmoment allein entscheidet jedoch nicht darüber, ob ein Aktor geeignet ist.

Ein besserer Ansatz ist es, mit dem eigentlichen Problem zu beginnen, das der Roboter lösen muss.

Was ist die Nutzlast?

Wie lang ist die Roboterverbindung?

Was ist die maximale Gelenkgeschwindigkeit?

Wie häufig beschleunigt und verzögert das Gelenk?

Welche Positioniergenauigkeit ist erforderlich?

Wie viel Installationsfläche steht zur Verfügung?

Wie viel Gewicht kann das Gelenk dem Roboter hinzufügen?

Muss das Gelenk die Erfassung externer Kräfte unterstützen?

Benötigt der Roboter einen Absolutwertgeber?

Nutzt der Controller EtherCAT, CANopen oder CAN-FD?

Benötigt eine vertikale Achse eine Haltebremse?

Benötigt der Roboter eine interne Kabelführung?

Ist der Aktor auch in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen, Staub oder anderen anspruchsvollen Bedingungen funktionsfähig?

Diese Fragen beschreiben das eigentliche technische Problem.

Erst wenn diese Anforderungen verstanden sind, sollten der geeignete harmonische Aktor, die Motorkonfiguration, die Encoderarchitektur, die Kommunikationsschnittstelle und die mechanische Struktur ausgewählt werden.

Problem 1 – Das Robotergelenk ist zu schwer

Bei mehrachsigen Robotern stellt das Gelenkgewicht ein Problem dar, das mit zunehmender Achsenzahl immer gravierender wird.

Ein schwererer Aktor erhöht nicht nur das Gesamtgewicht des Roboters, sondern kann auch die Belastung des vorherigen Gelenks erhöhen.

Beispielsweise kann zusätzliches Gewicht am Handgelenk den Drehmomentbedarf des Ellbogens erhöhen. Das erhöhte Drehmoment im Ellbogen kann wiederum den Bedarf des Schultergelenks erhöhen.

Dadurch entsteht ein Kaskadeneffekt innerhalb der gesamten Roboterstruktur.

Bei humanoiden Robotern und leichten Roboterarmen ist das Problem noch bedeutsamer, da jedes zusätzliche Kilogramm die Fahrdynamik, den Energieverbrauch, die Nutzlastkapazität und das Ansprechverhalten der Steuerung beeinflussen kann.

Lösung: Erhöhung der Drehmomentdichte auf Gelenkebene

Ein Robotergelenkaktuator mit hoher Drehmomentdichte kann Ingenieuren helfen, das erforderliche Ausgangsdrehmoment zu erreichen, ohne die Gelenkgröße und das Gewicht unnötig zu erhöhen.

Dies ist einer der Gründe, warum die harmonische Kraftübertragung bei kompakten Robotergelenken weit verbreitet ist.

Durch die Kombination eines rahmenlosen Motors mit hoher Drehmomentdichte mit einem kompakten Harmonic-Reduziergetriebe kann der Aktor innerhalb eines relativ kleinen Bauraums ein beträchtliches Ausgangsdrehmoment erzeugen.

Bei Anwendungen, bei denen jedes Gramm zählt, kann eine integrierte Gelenkarchitektur auch die Anzahl der zusätzlich benötigten mechanischen Komponenten, Montagevorrichtungen, Kupplungen und externen Übertragungskomponenten rund um den Aktor reduzieren.

HONPINE bietet verschiedene Gelenkplattformen an, die auf das erforderliche Gleichgewicht zwischen Drehmoment, Größe, Gewicht und Leistung abgestimmt sind.

Bei ultrakompakten Robotergelenken konzentriert sich die TCHL-Plattform auf die Minimierung von Gelenkabmessungen und Gewicht bei gleichzeitiger Beibehaltung einer beträchtlichen Leistungsfähigkeit.

Für leistungsstärkere Anwendungen, die einen breiteren Drehmomentbereich und eine größere Anpassungsfähigkeit erfordern, bietet HPJM-PRO eine weitere Konfiguration.

Für Anwendungen, die von leichten bis hin zu hochbelastbaren Robotergelenken reichen, bietet HAG eine skalierbare Plattform.

Ziel ist es nicht, den größten Aktor zu empfehlen.

Ziel ist es, das kleinste und leichteste Gelenk zu finden, das die tatsächlichen Last- und dynamischen Anforderungen des Roboters zuverlässig erfüllen kann.

Problem 2 – Der Roboter benötigt ein hohes Drehmoment, hat aber nur begrenzten Installationsraum.

Eine häufige Herausforderung bei Spezialroboterarmen ist der Mangel an verfügbarem Platz.

Der Konstrukteur hat möglicherweise ausreichend Platz für das Roboterglied, aber nur einen sehr begrenzten Durchmesser oder eine sehr begrenzte axiale Länge für das Gelenk.

Eine Vergrößerung des Motors mag zwar das Drehmomentproblem lösen, schafft aber ein anderes Problem der mechanischen Integration.

Durch den Einbau eines externen Getriebes kann sich die Gesamtlänge vergrößern.

Das Hinzufügen eines externen Encoders kann die Struktur weiter verkomplizieren.

Externe Kabel können benachbarte Verbindungen beeinträchtigen.

Lösung: Verwendung einer integrierten Harmonic-Joint-Architektur

Ein kompakter Harmonic-Drive-Aktor kann Motor, Getriebe, Encoder und Antriebselektronik in einer einzigen Lösung auf Gelenkebene integrieren.

Dadurch kann der Konstrukteur das Gelenk als Funktionsmodul betrachten, anstatt jede Komponente einzeln zu konstruieren.

Die Hohlwellenbauweise kann einen weiteren wichtigen Vorteil bieten.

Anstatt Kabel und pneumatische Leitungen außen um das Gelenk herum zu verlegen, kann der Innenraum für die Kabelführung genutzt werden.

Dies kann insbesondere für mehrachsige Roboterarme, humanoide Roboter, chirurgische Roboter und kompakte Manipulationssysteme von großem Wert sein.

Ziel ist es nicht einfach nur, den Aktor zu verkleinern.

Ziel ist es, den Platzbedarf und die mechanische Komplexität beim Bau des kompletten Robotergelenks zu reduzieren.

Problem 3 – Hohe Positionsgenauigkeit erforderlich, Übertragungsfehler dürfen jedoch nicht ignoriert werden

Viele Roboteranwendungen erfordern mehr als nur die Bewegung von Punkt A nach Punkt B.

Präzisionsmontage, Dosieren, Schleifen, Schweißen, Halbleiterhandhabung, optische Geräte und medizinische Robotik erfordern unter Umständen eine genaue Bahnverfolgung und wiederholbare Positionierung.

Bei diesen Anwendungen spielen die Übertragungseigenschaften eine wichtige Rolle.

Spiel, Torsionsverformung, Encoderauflösung, Struktursteifigkeit und Regelungsverhalten können allesamt die Endposition des Roboter-Endeffektors beeinflussen.

Lösung: Kombination von präziser harmonischer Übertragung mit hochauflösender Rückkopplung

Ein Präzisions-Harmonikgetriebemotor kann ein hohes Untersetzungsverhältnis und geringes Zahnflankenspiel in einer kompakten Bauweise bieten.

Der Reduzierer selbst ist jedoch nur ein Teil der Lösung.

Die Feedback-Architektur spielt ebenfalls eine Rolle.

Bei hochpräzisen Robotergelenken kann ein Absolutwertgeber dem Steuerungssystem direkte Positionsinformationen liefern.

Bei anspruchsvolleren Anwendungen können motorseitige und ausgangsseitige Encoder kombiniert werden, um zusätzliche Informationen über das Verhalten des Getriebes und die tatsächliche Gelenkleistung zu erhalten.

Dadurch entsteht eine umfassendere Regelungsarchitektur mit geschlossenem Regelkreis.

Bei Anwendungen, die eine hohe Wiederholgenauigkeit erfordern, sollte daher das Ziel darin bestehen, die gesamte Übertragungs- und Rückkopplungskette zu bewerten, anstatt das Getriebespiel oder die Encoderauflösung unabhängig voneinander zu betrachten.

Problem 4 – Der Roboter muss mit seiner Umgebung interagieren

Die alleinige Positionssteuerung ist für nicht jeden Roboter ausreichend.

Stellen Sie sich einen Roboter vor, der eine Oberfläche poliert.

Der Roboter muss beim Abfahren einer vorgegebenen Bahn eine bestimmte Kontaktkraft aufrechterhalten.

Betrachten wir einen kollaborativen Roboter.

Der Roboter muss unerwartete äußere Kräfte erkennen und angemessen darauf reagieren können.

Betrachten wir einen humanoiden Roboter.

Seine Gelenke müssen möglicherweise dynamisch auf den Kontakt mit dem Boden, Objekten oder Menschen reagieren können.

Bei diesen Anwendungen benötigt der Roboter mehr Informationen als nur Position und Geschwindigkeit.

Es muss Kraft und Drehmoment verstehen.

Lösung: Drehmomentmessung auf der Ausgangsseite hinzufügen

Ein integrierter Drehmomentsensor kann einen herkömmlichen Bewegungsaktuator in eine leistungsfähigere Kraftregelungsschnittstelle verwandeln.

Wenn der Drehmomentsensor innerhalb der Gelenkarchitektur entsprechend positioniert ist, kann der Regler Informationen über das am Ausgang wirkende Drehmoment empfangen.

Diese Informationen können Folgendes unterstützen:

• Kraft-Positions-Regelung

• Kollisionserkennung

• nachgiebige Bewegung

• Kontakterkennung

• Drag-Unterricht

• Präzisionsmontage

• Polieren und Schleifen

• Mensch-Roboter-Interaktion

Die TCHL- und HAG-Plattformen von HONPINE können mit Drehmomentsensoren für Anwendungen konfiguriert werden, bei denen eine Kraftrückmeldung zu den funktionalen Anforderungen des Roboters gehört.

Wichtig ist, dass die Drehmomentmessung bereits bei der Entwicklung der Roboterarchitektur berücksichtigt wird und nicht erst im Nachhinein hinzugefügt wird.

Die mechanische Integration, die Sensorposition, die Verkabelung, die Abtastrate, die Regelbandbreite und die Kompatibilität des Reglers beeinflussen allesamt die endgültige Kraftregelungsleistung.

Problem 5 – Der Roboter benötigt eine schnelle dynamische Reaktion

Humanoide Roboter und hochdynamische Roboterarme stellen andere Anforderungen an Gelenkaktuatoren als herkömmliche Automatisierungsmechanismen mit niedriger Geschwindigkeit.

Häufiges Beschleunigen und Abbremsen kann hohe Momentanbelastungen erzeugen.

Der Aktor muss schnell reagieren und dabei veränderliche Trägheitsmomente und kurzzeitige Drehmomente bewältigen.

Dies bedeutet, dass das Nenndrehmoment allein für die Auswahl des Aktuators nicht ausreicht.

Ingenieure müssen außerdem das Spitzendrehmoment, das zulässige Lastdrehmoment, die Rotorträgheit, die thermische Belastbarkeit, die Getriebesteifigkeit, die Motorcharakteristik und die Regelbandbreite berücksichtigen.

Lösung: Die Verbindung an das dynamische Lastprofil anpassen

Der geeignete Robotergelenkmotor sollte anhand des tatsächlichen Bewegungsprofils und nicht einfach anhand der maximalen statischen Last ausgewählt werden.

Beispielsweise kann ein Gelenk, das dauerhaft einer hohen Last standhält, eine andere Konfiguration erfordern als ein Gelenk, das nur kurzzeitig hohen Beschleunigungen ausgesetzt ist.

Der richtige Aktor muss daher im Gleichgewicht sein:

Dauerdrehmoment + Spitzendrehmoment + Drehzahl + Trägheitsmoment + thermische Leistung + Getriebesteifigkeit.

Die verschiedenen Harmonic-Joint-Plattformen von HONPINE bieten unterschiedliche Leistungsbereiche, sodass Ingenieure einen Aktor entsprechend den dynamischen Eigenschaften jedes einzelnen Gelenks auswählen können.

Dieser Ansatz ist besonders wichtig für humanoide Roboter, Hochgeschwindigkeitsroboterarme und andere Systeme mit häufigen Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen.

Problem 6 – Der Roboter erfordert sowohl Kompaktheit als auch hohe Steifigkeit

Die Verkleinerung der Aktuatorgröße kann mitunter eine strukturelle Herausforderung darstellen.

Ein Robotergelenk muss nicht nur Drehmoment erzeugen, sondern auch Verformungen durch äußere Belastungen widerstehen.

Bei unzureichender Gelenksteifigkeit können am Roboter Positionsfehler am Endeffektor auftreten, selbst wenn der Encoder selbst eine sehr hohe Auflösung aufweist.

Dies ist besonders wichtig für Roboterarme mit großer Reichweite, Anwendungen mit hohen Nutzlasten, Präzisionsbearbeitung, Schweißen und kraftgesteuerte Manipulation.

Lösung: Drehmomentdichte und mechanische Steifigkeit gemeinsam auswerten.

Ein Hochleistungs-Harmonikgelenkmodul sollte daher sowohl nach Drehmomentdichte als auch nach mechanischer Steifigkeit bewertet werden.

Das Getriebe, die Lager, das Gehäuse, die Abtriebsstruktur und die Montagefläche tragen alle zur endgültigen Gelenksteifigkeit bei.

Bei anspruchsvollen Roboteranwendungen sollten Ingenieure den gesamten Lastpfad vom Motor über die harmonische Kraftübertragung bis zum Roboterglied berücksichtigen.

Die verschiedenen Gelenkplattformen von HONPINE decken unterschiedliche Lastniveaus und strukturelle Anforderungen ab, sodass Ingenieure eine geeignete Konfiguration auswählen können, anstatt für den gesamten Roboter die gleiche Gelenkarchitektur zu verwenden.

Problem 7 – Unterschiedliche Robotergelenke haben völlig unterschiedliche Anforderungen

Ein weit verbreiteter Irrglaube ist, dass ein Roboter für jedes Gelenk die gleiche Aktuator-Spezifikation verwenden sollte.

In Wirklichkeit können Schulter, Ellbogen, Handgelenk, Taille, Knie, Knöchel und andere Gelenke völlig unterschiedliche Anforderungen haben.

Beispielsweise benötigt die Schulter eines humanoiden Roboters möglicherweise ein hohes Drehmoment und einen relativ großen Arbeitsbereich, während beim Handgelenk Kompaktheit und geringe Trägheit Priorität haben.

In ähnlicher Weise kann die Basisachse eines Industrieroboterarms eine hohe Tragfähigkeit erfordern, während für sein Endgelenk ein wesentlich kleinerer Aktor benötigt werden kann.

Lösung: Aufbau einer Aktuatorarchitektur auf Gelenkebene

Anstatt einen einzigen Aktor für den gesamten Roboter auszuwählen, können die Ingenieure den Roboter in verschiedene Gelenkkategorien unterteilen.

Ein typischer Designprozess könnte Folgendes berücksichtigen:

Hochbelastbare Verbindungen

Erfordern ein hohes Dauerdrehmoment, ein hohes Spitzendrehmoment, eine hohe Steifigkeit und eine robuste mechanische Konstruktion.

Verbindungen für mittlere Belastungen

Es bedarf eines ausgewogenen Verhältnisses zwischen Drehmoment, Drehzahl, Gewicht und Einbaumaßen.

Leichte Handgelenk- und Endgelenke

Geringes Gewicht, kompakte Abmessungen, geringe Trägheit und hohe Reaktionsfähigkeit haben Priorität.

Kraftgesteuerte Gelenke

Erfordert eine Drehmomentmessung und eine geeignete Rückkopplungsarchitektur.

Vertikale Fugen

Zur Sicherheit kann eine integrierte Haltebremse erforderlich sein.

Dieser Ansatz ermöglicht es dem Roboterhersteller, jedes Gelenk entsprechend seiner tatsächlichen Funktion zu optimieren.

Problem 8 – Externe Laufwerke und mehrere Komponenten erhöhen die Integrationskomplexität

Ein herkömmliches Robotergelenk kann aus einem Servomotor, einem Getriebe, einem Encoder, einem externen Servoantrieb, einer Bremse, Kabeln, Steckverbindern und zusätzlichen mechanischen Schnittstellen bestehen.

Jede Komponente muss separat ausgewählt und integriert werden.

Dadurch entstehen mehr mechanische Schnittstellen, mehr Verkabelung, mehr potenzielle Fehlerquellen und mehr Entwicklungsarbeit.

Für Roboterhersteller, die eine neue Plattform entwickeln, kann dies die Entwicklungszeit erheblich verlängern.

Lösung: Verwendung eines integrierten Robotergelenkmotors

Ein integrierter Robotergelenkmotor vereint mehrere Kernfunktionen in einem einzigen Modul.

Je nach Konfiguration kann das Gelenk Folgendes integrieren:

• rahmenloser Drehmomentmotor

• Oberwellenreduzierer

• Absolutwertgeber

• Antriebselektronik

• Bremse

• Drehmomentsensor

• Kommunikationsschnittstelle

• interne Anschlüsse

Dieser Ansatz erlaubt es den Ingenieuren, den Aktor als standardisiertes Funktionsmodul zu behandeln.

Der Vorteil besteht nicht nur in der Einsparung von Installationsplatz.

Es kann auch die mechanische Konstruktion, die elektrische Verkabelung, die Softwareintegration, das Testen und die Wartung vereinfachen.

Für Unternehmen, die neue Roboterplattformen entwickeln, kann dies dazu beitragen, den Übergang vom Prototyp zur Serienproduktion zu verkürzen.

Problem 9 – Der Robotercontroller verwendet unterschiedliche Kommunikationsarchitekturen

Verschiedene Roboterhersteller verwenden möglicherweise unterschiedliche Steuerungsarchitekturen.

Einige Systeme nutzen EtherCAT für die Hochgeschwindigkeits-Echtzeit-Bewegungssteuerung.

Andere verwenden möglicherweise CANopen oder CAN-FD zur verteilten Aktorsteuerung.

Für einige Anwendungen sind möglicherweise zusätzliche digitale oder analoge Schnittstellen erforderlich.

Wenn der Aktor nicht zur Controller-Architektur passt, müssen die Ingenieure möglicherweise zusätzliche Kommunikationshardware oder -software entwickeln.

Lösung: Wählen Sie die Kommunikationsschnittstelle zusammen mit dem Gelenk.

Die Kommunikation sollte daher als Teil des Aktuatorauswahlprozesses betrachtet werden.

Die verschiedenen gemeinsamen Plattformen von HONPINE unterstützen je nach Modell und Konfiguration Kommunikationsoptionen wie EtherCAT, CANopen und CAN-FD.

Dadurch kann die Aktorarchitektur an das Gesamtsteuerungssystem des Roboters angepasst werden, anstatt den Roboterhersteller zu zwingen, die Steuerung um den Aktor herum neu zu konstruieren.

Für OEM-Roboterentwickler kann diese Kompatibilität insbesondere beim Übergang von Prototypensystemen zu Seriensystemen von großer Bedeutung sein.

Problem 10 – Spezialroboter können nicht immer Standardaktoren verwenden

Dies ist vielleicht eine der wichtigsten Herausforderungen für neue Robotikunternehmen.

Ein Standardaktuator kann zwar das richtige Drehmoment, aber den falschen Durchmesser aufweisen.

Es mag zwar die richtigen Abmessungen haben, aber das maximale Drehmoment ist unzureichend.

Es mag mechanisch passen, aber es fehlt das erforderliche Kommunikationsprotokoll.

Es erfüllt zwar möglicherweise die Drehmomentanforderung, fügt aber zu viel Gewicht hinzu.

Es liefert zwar Positionsrückmeldung, aber nicht die für die Anwendung erforderliche Drehmomentmessung.

Aus diesem Grund benötigen spezialisierte Robotersysteme oft kundenspezifische Gelenkaktuatoren.

Lösung: Passen Sie den Aktor an den Roboter an, nicht den Roboter an den Aktor.

Bei spezialisierten Roboterarmen sollte der Aktor zusammen mit der mechanischen Struktur und der Steuerungsarchitektur bewertet werden.

Mögliche Anpassungsanforderungen können Folgendes umfassen:

Mechanische Konfiguration: Außendurchmesser, axiale Länge, Hohlwelle, Montageschnittstelle und Anschlussposition.

Leistungsmerkmale: Nenndrehmoment, Spitzendrehmoment, Drehzahl, Untersetzungsverhältnis und Steifigkeit.

Rückmeldung: Encoderauflösung, motorseitige/ausgangsseitige Encoderkonfiguration und Drehmomenterfassung.

Steuerung: EtherCAT, CANopen, CAN-FD und weitere Kommunikationsanforderungen.

Sicherheit: Haltebremse, STO und weitere Schutzfunktionen.

Umgebungsbedingungen: Betriebstemperatur, Schutzanforderungen und anwendungsspezifische Umgebungsbedingungen.

Hier kann ein gemeinsamer Modullieferant, der sowohl Produktplattformen als auch die Möglichkeit zur kundenspezifischen Entwicklung bietet, einen größeren Mehrwert bieten als ein Lieferant, der nur ein Standardgetriebe anbietet.

Wie wählt man das richtige Harmonic-Joint-Modul für verschiedene Roboteranwendungen aus?

Anstatt zu fragen, welches Produkt das „beste“ ist, können Ingenieure damit beginnen, das Problem zu identifizieren, das sie lösen müssen.

Für ultrakompakte Roboterarme und leichte Gelenke

Wenn die größte Herausforderung in begrenztem Platz und hohem Gelenkgewicht besteht, sollten kompakte Abmessungen, geringe Masse, geringe Trägheit und ausreichende Drehmomentdichte Priorität haben.

Für diese Anwendungen kann eine hochintegrierte und kompakte Gelenkarchitektur wie die TCHL-Plattform von HONPINE in Betracht gezogen werden.

Typische Anwendungsgebiete sind kompakte kollaborative Roboter, Desktop-Roboterarme, Roboterhandgelenke, medizinische Mechanismen und Präzisionsautomatisierung.

Für Hochleistungsroboterarme

Wenn der Roboter ein höheres Drehmoment, eine höhere Präzision, ein breiteres Spektrum an Konfigurationsmöglichkeiten und eine stärkere dynamische Leistungsfähigkeit benötigt, muss das Gelenk unter Berücksichtigung des gesamten Last- und Bewegungsprofils ausgewählt werden.

Die HPJM-PRO-Plattform kann in Betracht gezogen werden, wenn die Anwendung eine hohe Drehmomentdichte, präzise harmonische Übertragung, absolute Encoder-Rückmeldung, industrielle Kommunikation und kundenspezifische Anpassung erfordert.

Für humanoide Roboter und industrielle Roboterplattformen

Humanoide Roboter und Industrieroboter benötigen typischerweise ein wesentlich breiteres Spektrum an Gelenkfunktionen.

Unterschiedliche Gelenke können deutlich unterschiedliche Drehmomentwerte, Geschwindigkeiten, Steifigkeiten, Rückkopplungssysteme und Sicherheitsfunktionen erfordern.

Die HAG-Plattform bietet eine skalierbare Gelenkarchitektur, die einen breiten Drehmomentbereich abdeckt, mit Optionen wie Absolutwertgebern, Drehmomentsensoren und Bremsen.

Der entscheidende Vorteil liegt nicht einfach im maximalen Drehmoment.

Es geht um die Fähigkeit, eine Aktuatorplattform auf Gelenkebene zu entwickeln, die an verschiedene Positionen innerhalb desselben Roboters angepasst werden kann.

Ein praktischer Prozess zur Auswahl von Robotergelenken

Für Roboterhersteller kann die Auswahl der Aktuatoren durch die Befolgung eines strukturierten Prozesses vereinfacht werden.

Schritt 1 – Definition der mechanischen Belastung

Bestimmen Sie die Nutzlast, die Gliedlänge, die Schwerkraftlast, die äußere Kraft, das Trägheitsmoment und das maximal zulässige Gelenkmoment.

Berechnen Sie nicht nur das nominelle Betriebsdrehmoment. Berücksichtigen Sie Beschleunigung, Verzögerung, Notstopps und mögliche Stoßbelastungen.

Schritt 2 – Bewegungsprofil definieren

Ermitteln Sie die erforderliche Geschwindigkeit, Beschleunigung, Verzögerung, den Tastgrad, die Betriebsfrequenz und die Dauerlast bzw. die intermittierende Belastung.

Dies hilft dabei zu bestimmen, ob das Gelenk für ein kontinuierliches Drehmoment, ein Spitzendrehmoment oder ein dynamisches Hochgeschwindigkeitsverhalten optimiert werden sollte.

Schritt 3 – Definition der physikalischen Randbedingungen

Ermitteln Sie den maximalen Gelenkdurchmesser, die axiale Länge, das zulässige Gesamtgewicht, die Anforderungen an die Hohlwelle, die Montageart und die Anforderungen an die interne Kabelführung.

Bei kompakten Robotern sollten diese Einschränkungen vor der Auswahl des Aktuators definiert werden.

Schritt 4 – Genauigkeits- und Feedbackanforderungen definieren

Ermitteln Sie die Positioniergenauigkeit, die Wiederholgenauigkeit, die Encoderauflösung und ob eine Rückmeldung von der Motor- und der Ausgangsseite erforderlich ist.

Falls die Anwendung eine Kraftregelung erfordert, ist zu prüfen, ob ein integrierter Ausgangsdrehmomentsensor notwendig ist.

Schritt 5 – Definition der Steuerungsarchitektur

Bitte prüfen Sie das Kommunikationsprotokoll, die Controller-Kompatibilität, die Spannung, die Rückkopplungsschnittstelle, die Steuermodi und die erforderlichen Sicherheitsfunktionen.

Dadurch wird verhindert, dass die mechanische Auswahl später zu Problemen bei der elektrischen Integration führt.

Schritt 6 – Auswahl der geeigneten gemeinsamen Plattform

Erst nachdem die vorhergehenden Anforderungen definiert wurden, sollte die geeignete Aktorplattform ausgewählt werden.

Hier können verschiedene HONPINE-Plattformen auf unterschiedliche Anforderungen abgestimmt werden, anstatt für jede Anwendung einen Standardaktuator zu verwenden.

Warum ein anwendungsorientierter Ansatz besser ist als ein produktorientierter Ansatz?

Für Roboterhersteller ist der wertvollste Aktuatorlieferant nicht unbedingt derjenige mit dem größten Produktkatalog.

Die wichtigere Frage ist jedoch, ob der Lieferant die Beziehung zwischen dem Aktor und dem Roboter versteht.

Ein Gelenkaktuator beeinflusst:

Robotergewicht → Gelenkmoment → Strukturdesign → Energieverbrauch → dynamisches Verhalten → Regelungsleistung → Nutzlast → Gesamtarchitektur des Roboters.

Die Auswahl eines Robotergelenks ist daher eine ingenieurtechnische Entscheidung auf Systemebene.

HONPINE verfolgt den Ansatz, verschiedene Harmonic-Joint-Plattformen für unterschiedliche Anwendungsanforderungen bereitzustellen und gleichzeitig die Anpassung zu unterstützen, wenn eine Standardkonfiguration den Konstruktionsanforderungen des Roboters nicht gerecht werden kann.

Dies ermöglicht es den Kunden, vom eigentlichen Anwendungsproblem auszugehen und sich rückwärts zur passenden gemeinsamen Architektur vorzuarbeiten.

Ein Engineering-Partner für unterschiedliche Anforderungen an Robotergelenke

Eine neue Roboterplattform benötigt möglicherweise mehrere verschiedene Gelenktypen.

Die Schulter benötigt möglicherweise ein hohes Drehmoment.

Beim Ellbogen muss möglicherweise ein Gleichgewicht zwischen Drehmoment und Gewicht gefunden werden.

Das Handgelenk erfordert möglicherweise eine ultrakompakte Bauweise.

Ein kraftgesteuertes Gelenk benötigt möglicherweise einen integrierten Drehmomentsensor.

Für eine vertikale Verbindung kann eine Bremse erforderlich sein.

Eine andere Verbindung erfordert möglicherweise eine bestimmte Hohlwellenabmessung oder Kommunikationsschnittstelle.

Anstatt diese als völlig unabhängige Projekte zu behandeln, kann eine gemeinsame Aktuatorplattform und ein gemeinsamer Entwicklungspartner dazu beitragen, den Entwicklungsprozess zu vereinfachen.

Die Plattformen HPJM-PRO, TCHL und HAG von HONPINE bieten unterschiedliche Ausgangspunkte für diese Anforderungen, während die Anpassungsmöglichkeiten es erlauben, die Gelenkarchitektur an den jeweiligen Roboter anzupassen.

Ziel ist es nicht, dass jeder Roboter den gleichen Aktor verwendet.

Ziel ist es, jedem Roboter dabei zu helfen, die Aktuatorkonfiguration zu finden, die seinen jeweiligen mechanischen und Steuerungsanforderungen entspricht.

Vom Roboterkonzept zur Produktion: Die richtige Gelenkarchitektur entwickeln

Für Robotikunternehmen, die ein neues Produkt entwickeln, kann die Entscheidung für den Aktor langfristige Auswirkungen auf den gesamten Roboter haben.

Die Änderung des Gelenks, nachdem die mechanische Struktur, die Steuerung, die Software und die Verkabelung bereits entwickelt wurden, kann teuer und zeitaufwändig sein.

Deshalb sollte der Aktor bereits in der frühen Architekturphase berücksichtigt werden.

Ein geeigneter harmonischer Robotergelenkaktuator kann die mechanische Kraftübertragung, den Motor, die Rückkopplung, die Steuerungsschnittstelle und die optionale Sensorik, die der Roboter benötigt, in einer integrierten Plattform bereitstellen.

Für Unternehmen, die humanoide Roboter, kollaborative Roboter, Industrieroboterarme, Spezialroboterarme, medizinische Roboter, mobile Manipulatoren und fortschrittliche Automatisierungsanlagen entwickeln, kann dies die Komplexität der Roboterentwicklung von der Gelenkebene aufwärts reduzieren.

Finden Sie die passende Lösung für harmonische Robotergelenke für Ihre Anwendung

Es gibt keinen universellen Robotergelenkaktuator, der für jedes Robotersystem ideal ist.

Die richtige Lösung hängt vom Verhältnis zwischen Last, Geschwindigkeit, Präzision, Gewicht, Steifigkeit, Bauraum, Rückkopplung, Kraftregelung, Kommunikation, Sicherheit und Umweltanforderungen ab.

Für ein leichtes Roboterhandgelenk wird möglicherweise ein völlig anderer Aktor benötigt als für das Knie eines humanoiden Roboters.

Ein Präzisionsmedizinroboter benötigt möglicherweise ein anderes Feedback als ein robuster Industrieroboterarm.

Ein kollaborativer Roboter legt möglicherweise Wert auf Drehmomentmessung, während ein Industrieroboter eher Wert auf Steifigkeit und kontinuierliches Drehmoment legt.

Aus diesem Grund bietet HONPINE mehrere Plattformen für harmonische Gelenkantriebe anstelle einer einzigen standardisierten Konfiguration an.

HPJM-PRO, TCHL und HAG bieten unterschiedliche technische Grundlagen für verschiedene Roboterarchitekturen, während die Anpassungsmöglichkeiten dabei helfen, den Aktor an anwendungsspezifische mechanische und Steuerungsanforderungen anzupassen.

Wenn Sie einen humanoiden Roboter, einen kollaborativen Roboter, einen Industrieroboterarm, einen Spezialroboterarm, einen medizinischen Roboter, einen AGV/AMR-Manipulator oder ein Präzisionsautomatisierungssystem entwickeln, ist der beste Ausgangspunkt nicht unbedingt ein Produktkatalog.

Beginnen wir mit dem technischen Problem.

Definieren Sie die erforderlichen Anforderungen an Drehmoment, Drehzahl, Gewicht, Abmessungen, Präzision, Steifigkeit, Rückkopplung, Kommunikation und Sicherheit.

Wählen Sie anschließend die gemeinsame Architektur aus, die diese Anforderungen erfüllt.

HONPINE hilft Robotikingenieuren dabei, von der Frage „Welchen Aktor sollten wir kaufen?“ zur Frage „Welche Gelenklösung benötigt unser Roboter tatsächlich?“ zu gelangen.