HONPINE HAG Harmonic Actuator: Hochleistungsaktuator für Roboter-Gelenkbewegungen mit integriertem Antrieb und STO

Moderne Robotergelenke benötigen mehr als ein Präzisionsgetriebe. Da Industrieroboter, kollaborative Roboter, humanoide Roboter und intelligente Automatisierungssysteme immer kompakter und dynamischer werden, müssen Robotergelenkaktuatoren hohe Positioniergenauigkeit, schnelle Reaktionszeiten, kompakte Integration, zuverlässiges Feedback und funktionale Sicherheit in einem einzigen Bewegungssystem vereinen.

Der HONPINE HAG Harmonic Actuator ist für die nächste Generation der Roboterbewegungssteuerung konzipiert. Er vereint ein hochpräzises Harmonic-Getriebe, einen rahmenlosen Drehmomentmotor, hochauflösende Encoder und einen integrierten Servoantrieb in einem kompakten Robotergelenkaktuator. Optionale Funktionen wie Safe Torque Off (STO) und Bremsen bieten zusätzliche Sicherheitsoptionen für Anwendungen, die ein kontrolliertes Drehmomentabschalten und Lasthalten erfordern.

Mit Unterstützung für EtherCAT, CANopen, CAN-FD und RS485 Modbus bietet HAG eine komplette Bewegungssteuerungsplattform für Roboter- und industrielle Automatisierungsanwendungen.

Was ist der HONPINE HAG Harmonic Actuator?

Der HAG Harmonic Actuator ist ein integrierter Roboteraktuator, der die für eine präzise Drehbewegung erforderlichen Hauptkomponenten in einer einzigen Einheit vereint.

Anstatt eines separaten Harmonic-Reduziergetriebes, Motors, Encoders und externen Servoantriebs integriert HAG diese Komponenten in eine kompakte Robotergelenklösung.

Die integrierte Architektur umfasst:

• Hochpräzise harmonische Übertragung

• Rahmenloser Drehmomentmotor

• 20-Bit-Hochgeschwindigkeits-Seitenencoder

• 19-Bit-Ausgangsseiten-Encoder

• Integrierter Servoantrieb

• Optionale STO

• Optionale Bremse

• Hohlwelle

Mehrere industrielle Kommunikationsschnittstellen

Diese integrierte Bauweise reduziert den Bedarf an separaten externen Antriebskomponenten und kann die mechanische und elektrische Integration von Robotergelenken vereinfachen.

Für Roboterhersteller bedeutet dies eine kompaktere Bewegungssteuerungsarchitektur mit weniger externen Komponenten und einem direkteren Zugriff auf die Positions-, Geschwindigkeits- und Stromregelungsfunktionen des Gelenks.

Warum sind integrierte Harmonic-Actuatoren für moderne Roboter wichtig?

Herkömmliche Robotergelenkarchitekturen erfordern oft die separate Installation und Verbindung mehrerer Komponenten. Motor, Harmonic-Drive-Getriebe, Encoder und Servoantrieb können unterschiedliche Bereiche des Roboters belegen und zusätzliche Kabel und Steckverbinder benötigen.

Da Robotergelenke immer kleiner und komplexer werden, kann dieser Ansatz folgende Herausforderungen mit sich bringen:

• Installationsraum

• Kabelführung

• Wärmemanagement

• Elektrische Integration

• Systeminbetriebnahme

• Bewegungssteuerungskonfiguration

Ein integrierter harmonischer Aktor begegnet diesen Herausforderungen, indem er die wichtigsten Bewegungskomponenten in einer Einheit vereint.

Die HAG-Architektur ist besonders relevant für humanoide Roboter, kollaborative Roboter, industrielle Roboterarme und kompakte Automatisierungssysteme, bei denen der verfügbare Gelenkraum begrenzt ist und die dynamische Bewegungsleistung wichtig ist.

Beidseitiges hochauflösendes Feedback für die geschlossene Bewegungssteuerung

Eines der charakteristischen Merkmale des HAG Harmonic Actuators ist seine hochauflösende Encoder-Konfiguration.

HAG verwendet einen 20-Bit-Encoder auf der Hochgeschwindigkeitsseite und einen 19-Bit-Encoder auf der Ausgangsseite. Diese zweiseitige Feedback-Architektur liefert dem Steuerungssystem detaillierte Informationen über die Bewegung sowohl auf der Motor- als auch auf der Ausgangsseite.

Warum ist das wichtig?

Ein Robotergelenk muss nicht nur wissen, wie sich der Motor dreht. Es benötigt auch genaue Informationen über die tatsächliche Ausgangsbewegung nach dem Untersetzungsmechanismus.

Die Rückkopplung auf der Ausgangsseite kann dem Steuerungssystem helfen, die tatsächliche Gelenkposition zu überwachen und Bewegungsfehler innerhalb des Steuerungssystems auszugleichen.

Dies ist besonders wertvoll für Roboteranwendungen, die Folgendes erfordern:

• Präzise Positionierung

• Wiederholbare Bewegung

• Sanfte Richtungsumkehr

• Dynamische Bahnsteuerung

• Stabiler Betrieb unter wechselnden Lasten

Die Kombination aus hochauflösender Rückkopplung und harmonischer Kraftübertragung ermöglicht es HAG, als komplettes geschlossenes Roboterbewegungssystem und nicht nur als Motor-Getriebe-Kombination zu fungieren.

Hochpräzise harmonische Getriebe für Robotergelenke

Der harmonische Übertragungsmechanismus ist ein Schlüsselelement des HAG-Aktuators.

Die Harmonic-Gear-Technologie wird in Robotergelenken häufig eingesetzt, da sie hohe Untersetzungsverhältnisse, kompakte Abmessungen, hohe Positioniergenauigkeit und geringes Zahnflankenspiel ermöglicht.

Für Roboteranwendungen sind diese Eigenschaften wichtig, da das Getriebe direkten Einfluss auf das Verhältnis zwischen Motorrotation und Gelenkbewegung hat.

HAG kombiniert die harmonische Kraftübertragung mit einem rahmenlosen Drehmomentmotor und integrierter Steuerelektronik und schafft so einen kompakten Drehantrieb, der für Roboterbewegungen optimiert ist.

Diese Architektur kann Roboterkonstrukteuren helfen, ein hohes Maß an Bewegungsleistung zu erreichen, ohne neben jedem Gelenk einen herkömmlichen externen Servoantrieb installieren zu müssen.

Integrierte Antriebsarchitektur reduziert die Systemkomplexität

Der Servoantrieb ist in den Sockel des HAG-Aktuators integriert.

Dies ist ein wichtiger Unterschied zwischen HAG- und herkömmlichen Harmonic-Actor-Architekturen, die einen externen Treiber verwenden.

Durch die Integration des Antriebs in den Aktor kann der Roboterkonstrukteur die Anzahl der separat installierten Komponenten reduzieren und die elektrischen Verbindungen um das Gelenk vereinfachen.

Zu den Vorteilen können gehören:

Kompaktere Systemarchitektur:

Das Laufwerk benötigt keinen separaten Montageort.

Vereinfachte Verdrahtung:

Weniger externe Verbindungen können die Komplexität der Verkabelung verringern.

Einfachere Systemintegration:

Motor, Harmonic Transmission, Encoder und Antrieb sind als eine Bewegungssteuerungseinheit ausgelegt.

Reduzierter Installationsraum:

Die integrierte Struktur eignet sich für kompakte Robotergelenke.

Für humanoide Roboter und andere platzbeschränkte Roboterplattformen können diese Eigenschaften besonders wertvoll sein.

STO für eine sicherere Roboterbewegungssteuerung

Sicherheit gewinnt zunehmend an Bedeutung, da Roboter immer näher an Menschen arbeiten und in medizinischen, Labor-, kollaborativen und intelligenten Fertigungsumgebungen eingesetzt werden.

Der HAG Harmonic Actuator kann mit STO (Safe Torque Off) ausgestattet werden.

STO ist eine Sicherheitsfunktion, die verhindert, dass der Motor Drehmoment erzeugt, indem sie die Drehmomenterzeugungsfähigkeit des Antriebs deaktiviert. Wichtig ist, dass STO nicht einfach auf einem normalen Softwarebefehl zum Stoppen des Motors basiert.

Bei sicherheitsrelevanten Systemen muss der STO-Eingang im erforderlichen Sicherheitszustand gehalten werden, bevor die normale Drehmomentproduktion wiederhergestellt werden kann. Die Funktion ist so ausgelegt, dass sie nicht einfach durch herkömmliches Software-Debugging umgangen werden kann.

Dies bietet eine zusätzliche hardwareorientierte Sicherheitsebene für Anwendungen, bei denen die Vermeidung unbeabsichtigter Motordrehmomente wichtig ist.

Wie funktioniert STO im HAG-Aktor?

Wenn die STO-Funktion ausgelöst wird, wird die Drehmomentabgabe des Aktuators sofort deaktiviert.

Bei Anwendungen mit einem vertikalen oder schwerkraftbelasteten Gelenk reicht es jedoch möglicherweise nicht aus, das Motordrehmoment allein zu stoppen, um zu verhindern, dass sich die mechanische Last bewegt.

Aus diesem Grund kann HAG auch mit einer Bremse ausgestattet werden.

Wird STO ausgelöst, kann die Bremse das Gelenk halten und das Risiko eines Herabfallens der Last durch die Schwerkraft verringern. Nachdem das System den entsprechenden Sicherheitszustand bestätigt hat, kann die Bremse über das Steuerungssystem und die Kommunikationsschnittstelle gelöst werden, sofern dies die Sicherheitsarchitektur der Anwendung zulässt.

Diese Kombination erfüllt zwei unterschiedliche Funktionen:

• STO: verhindert, dass der Motor ein Antriebsdrehmoment erzeugt.

• Bremse: Hilft bei Bedarf, die Last mechanisch zu halten.

Diese Funktionen sollten gemäß den geltenden Sicherheitsstandards und der Risikobewertung des Herstellers in die Gesamtarchitektur der Maschinensicherheit integriert werden.

Warum STO- und Bremsfunktionen in medizinischen und sicherheitskritischen Anwendungen wichtig sind?

Roboteraktoren, die in medizinischen Geräten, Laborautomatisierung, kollaborativen Maschinen und anderen Mensch-Maschine-Systemen eingesetzt werden, erfordern möglicherweise zusätzliche Maßnahmen zur Kontrolle unbeabsichtigter Bewegungen.

Stellen Sie sich ein Robotergelenk vor, das eine vertikale Last trägt. Wird das Motordrehmoment ohne geeigneten Haltemechanismus entfernt, kann die Schwerkraft eine Bewegung der Last verursachen.

Eine Bremse kann für mechanisches Halten sorgen, während STO die Drehmomenterzeugung des Motors unterbrechen kann.

Dies macht die Kombination aus STO + Bremse + hochauflösendem Feedback besonders nützlich im Rahmen einer sicherheitsorientierten Bewegungsarchitektur.

Das Vorhandensein von STO auf einem Aktor führt jedoch nicht automatisch dazu, dass der gesamte Roboter oder das gesamte medizinische Gerät sicherheitszertifiziert ist.

Die endgültige Sicherheitsleistung hängt vom Gesamtsystem ab, einschließlich Sicherheitssteuerung, Verkabelung, mechanischer Bremse, Risikobewertung, Softwarearchitektur und geltenden Normen.

EtherCAT, CANopen, CAN-FD und Modbus für flexible Integration

Die Gelenkaktuatoren des Roboters müssen zuverlässig mit der Robotersteuerung kommunizieren können.

HAG unterstützt mehrere industrielle Kommunikationsschnittstellen, darunter:

• EtherCAT mit CiA 402

• CANopen mit CiA 402

• CAN-FD

• RS485 Modbus

Dies ermöglicht die Integration von HAG in verschiedene Roboter- und Automatisierungsarchitekturen.

Für mehrachsige Robotersysteme, die synchronisierte Bewegungen und Echtzeitsteuerung erfordern, bietet EtherCAT eine geeignete Kommunikationsplattform.

CANopen und CAN-FD können in verschiedenen Architekturen für die verteilte Bewegungssteuerung eingesetzt werden, während RS485 Modbus eine weitere Option für die Integration von Industrieanlagen bietet.

HAG unterstützt außerdem duale 24-V-Digital-Ein- und Ausgänge sowie eine ±10-V-Analogschnittstelle und bietet damit zusätzliche Flexibilität für die Steuerung auf Maschinenebene.

Mehrere Bewegungsmodi für verschiedene Robotersteuerungsstrategien

Ein Hochleistungsrobotergelenk muss mehr als nur eine einfache Positionssteuerung unterstützen.

HAG unterstützt mehrere Betriebsmodi, darunter:

• Profilpositionsmodus

• Profilgeschwindigkeitsmodus

• Profil-Drehmomentmodus

• Zyklische synchrone Position

• Zyklische Synchrongeschwindigkeit

• Zyklischer Synchronstrom

• Analogsteuerung

• Zielsuchmodus

Diese Steuermodi ermöglichen die Anpassung des Aktuators an unterschiedliche Roboterarchitekturen und Anforderungen an die Bewegungssteuerung.

Beispielsweise können zyklische Synchronmodi in fortgeschrittenen vernetzten Bewegungssteuerungssystemen eingesetzt werden, während Profilmodi Bewegungsbefehle für bestimmte Automatisierungsanwendungen vereinfachen können.

Diese Flexibilität macht HAG sowohl für die Entwicklung von Robotergelenken als auch für industrielle Bewegungssteuerungsanlagen geeignet.

USB-Inbetriebnahme und Echtzeit-Parameterüberwachung

Die Entwicklung eines Hochleistungs-Robotergelenks ist nicht nur eine Frage der Hardware. Effiziente Inbetriebnahme und Parameteroptimierung sind ebenso wichtig.

HAG bietet eine USB-Debugging-Schnittstelle, die es Ingenieuren ermöglicht, auf wichtige Steuerungsinformationen zuzugreifen und den Laufwerksstatus zu überwachen.

Die Ingenieure können während der Inbetriebnahme mit den Regelkreisen für Position, Geschwindigkeit und Strom arbeiten und die PID-Parameter anpassen.

Dies kann dazu beitragen, die Entwicklungszeit bei der Optimierung der Aktuatorleistung für verschiedene Robotermechanismen, Nutzlasten und Bewegungsprofile zu verkürzen.

Erweiterte Trägheitsidentifizierung für variable Lasten

Robotergelenke arbeiten häufig unter wechselnden Lastbedingungen.

Ein Roboterarm kann verschiedene Werkzeuge oder Werkstücke tragen, während ein humanoider Roboter aufgrund von Haltungsänderungen ständig wechselnden Gelenkbelastungen ausgesetzt sein kann.

HAG beinhaltet eine fortschrittliche Trägheitserkennung zur Verbesserung der Anpassung an variable Lastbedingungen.

Durch die Erkennung von Änderungen der mechanischen Belastung kann das Steuerungssystem seine Bewegungssteuerungsparameter besser an die tatsächlichen Betriebsbedingungen anpassen.

Diese Fähigkeit kann insbesondere bei Roboteranwendungen nützlich sein, bei denen sich Nutzlast und Gelenkdynamik häufig ändern.

Umfassender Schutz für den industriellen Betrieb

HAG verfügt über mehrere Schutzfunktionen, um einen zuverlässigen Betrieb in industriellen Umgebungen zu gewährleisten.

Zu den Schutzfunktionen gehören:

• Überspannungsschutz

• Unterspannungsschutz

• Überstromschutz

• Überhitzungsschutz

• Fehlerschutz beim Tracking

• Schutz vor Synchronisationsfehlern

• Kommunikationsfehlerschutz

• STO

Der Aktor ist zudem für industrielle Betriebsbedingungen ausgelegt und zeichnet sich durch Vibrationsfestigkeit, hohe Isolationsleistung und je nach Konfiguration durch Schutzart bis zu IP40 aus.

Diese Funktionen tragen dazu bei, den Aktor und das gesamte Bewegungssystem vor häufig auftretenden elektrischen, thermischen, Kommunikations- und Steuerungsstörungen zu schützen.

Hohlwellenkonstruktion für vereinfachte Kabelführung

HAG zeichnet sich durch eine Hohlwellenkonstruktion aus, die zusätzliche Flexibilität bei der internen Kabelführung bietet.

Kabel und andere Komponenten können durch den Hohlraum des Aktuators geführt werden, anstatt vollständig um die Außenseite des Gelenks herum angeordnet zu sein.

Bei Roboterarmen und humanoiden Robotern kann eine interne Kabelführung dazu beitragen, die Sichtbarkeit externer Kabel zu reduzieren und eine sauberere mechanische Integration zu ermöglichen.

Die Hohlkonstruktion ist besonders nützlich für Verbindungen, bei denen der Platz begrenzt ist und das Kabelmanagement ein wichtiger Bestandteil der mechanischen Konstruktion ist.

Wo kann der HAG Harmonic Actuator eingesetzt werden?

Die Kombination aus harmonischer Übertragung, hochauflösender Rückkopplung, integrierter Antriebselektronik, Kommunikationsschnittstellen und optionalen Sicherheitsfunktionen macht HAG für eine Reihe von Präzisionsbewegungsanwendungen geeignet.

Industrieroboter

HAG kann als Robotergelenkaktuator für Roboterarme eingesetzt werden, die eine präzise und wiederholbare Drehbewegung erfordern.

Kollaborative Roboter

Die integrierte Architektur kann dazu beitragen, die Anzahl der externen Komponenten um das Gelenk herum zu reduzieren und kompakte kollaborative Roboterkonstruktionen zu unterstützen.

Humanoide Roboter

Humanoide Roboter benötigen kompakte, leichte und leistungsstarke Gelenksysteme, die dynamische und koordinierte Bewegungen ermöglichen.

Die integrierte HAG-Architektur ermöglicht die Kombination von Motor-, Harmonic-Transfer-, Encoder- und Antriebsfunktionen in einem kompakten Gesamtpaket.

Medizin- und Laborautomatisierung

Bei medizinischen und labortechnischen Automatisierungsgeräten bieten die optionalen STO- und Bremsfunktionen zusätzliche sicherheitsrelevante Konstruktionsoptionen, wenn eine kontrollierte Drehmomentabschaltung und Lasthaltung erforderlich sind.

Die endgültige Sicherheitsimplementierung muss stets auf Ebene der kompletten Anlage validiert werden.

Industrielle Automatisierung

Dank der Unterstützung von EtherCAT, CANopen, CAN-FD und Modbus lässt sich HAG in fortschrittliche industrielle Automatisierungs- und Mehrachsen-Bewegungssteuerungssysteme integrieren.

HAG Harmonic Actuator vs. Konventionelle externe Antriebsarchitektur

Der Hauptunterschied zwischen HAG und einem herkömmlichen harmonischen Aktuatorsystem liegt im Integrationsgrad.

Eine konventionelle Architektur kann Folgendes erfordern:

Motor + Harmonic-Getriebe + Encoder + Externer Servoantrieb + Zusätzliche Verkabelung

HAG integriert die wichtigsten Komponenten der Bewegungssteuerung in:

Harmonische Kraftübertragung + rahmenloser Drehmomentmotor + beidseitige Encoder + integrierter Antrieb

Optionale STO- und Bremsfunktionen können die Einsatzmöglichkeiten des Aktuators für sicherheitsorientierte Anwendungen weiter ausbauen.

Dieser integrierte Ansatz kann die Systemkomplexität reduzieren und Roboterherstellern eine kompaktere Grundlage für die Konstruktion von Hochleistungs-Robotergelenken bieten.

HONPINE HAG: Mehr als ein Harmonic-Getriebemotor

Ein herkömmlicher Harmonic-Getriebemotor konzentriert sich primär auf die Umwandlung der Motordrehzahl in ein kontrolliertes Drehmoment.

Der HAG Harmonic Actuator geht noch einen Schritt weiter, indem er das mechanische Getriebe, den Motor, das Rückkopplungssystem, die Antriebselektronik, die Kommunikationsschnittstellen und optionale Sicherheitsfunktionen in einem einzigen Roboteraktuator integriert.

Dadurch eignet sich HAG besonders für Ingenieure, die einen kompletten Robotergelenkantrieb und nicht nur ein eigenständiges Harmonic-Getriebe benötigen.

Seine Kombination aus:

• 20-Bit-Hochgeschwindigkeits-Rückkopplung

• 19-Bit-Ausgangsseitenrückkopplung

• Integrierter Servoantrieb

• Hochpräzise harmonische Übertragung

• STO und optionale Bremse

• Hohlwelle

• EtherCAT / CANopen / CAN-FD / Modbus

• Erweiterte Trägheitsidentifizierung

• Mehrere Schutzfunktionen

bietet eine Grundlage für die Entwicklung kompakter, präziser, reaktionsschneller und sicherheitsbewusster Roboterbewegungssysteme.

Häufig gestellte Fragen zu Harmonic Actuators

Was ist ein Harmonic-Aktor?

Ein Harmonic-Aktor ist eine integrierte Drehbewegungseinheit, die typischerweise einen Motor, einen Harmonic-Reduktionsmechanismus, einen Encoder und eine Ansteuerelektronik kombiniert, um eine kontrollierte, hochpräzise Drehbewegung zu ermöglichen.

Worin besteht der Unterschied zwischen einem Harmonic-Reducer und einem Harmonic-Actuator?

Ein Harmonic-Drive-Getriebe ist in erster Linie ein mechanisches Getriebebauteil, das die Drehzahl reduziert und das Drehmoment erhöht. Ein Harmonic-Drive-Aktor kombiniert das Getriebe mit weiteren Komponenten wie Motor, Encoder und Ansteuerelektronik zu einer kompletten Bewegungssteuerungseinheit.

Warum benötigt ein Robotergelenk einen Ausgangsgeber?

Ein Ausgangsencoder liefert Rückmeldung über die tatsächliche Position des Gelenks auf der Ausgangsseite. Dies kann die Regelung verbessern und es dem Regler ermöglichen, die tatsächliche mechanische Ausgangsleistung zu überwachen, anstatt sich nur auf die Rückmeldung vom Motor zu verlassen.

Was ist STO in einem Roboteraktuator?

STO steht für „Safe Torque Off“ (Sicheres Drehmomentabschalten). Es handelt sich um eine Sicherheitsfunktion, die verhindert, dass der Motor Drehmoment erzeugt, indem die Drehmomenterzeugungsfähigkeit des Antriebs deaktiviert wird. STO sollte als Bestandteil der gesamten Sicherheitsarchitektur der Maschine implementiert werden.

Verhindert STO das Herabfallen eines vertikalen Robotergelenks?

STO deaktiviert das Motordrehmoment, hält aber eine durch die Schwerkraft belastete Achse nicht mechanisch. Für Anwendungen, bei denen eine Last nach dem Abschalten des Drehmoments gehalten werden muss, ist gegebenenfalls eine geeignete mechanische Bremse erforderlich.

Ist HAG für humanoide Roboter geeignet?

Ja. Die kompakte, integrierte Architektur, die harmonische Kraftübertragung, die hochauflösende Rückkopplung, die Hohlwelle und der integrierte Antrieb machen HAG geeignet für die Entwicklung kompakter Robotergelenke, einschließlich potenzieller Anwendungen in humanoiden Robotern.

Welche Kommunikationsprotokolle unterstützt HAG?

HAG unterstützt EtherCAT mit CiA 402, CANopen mit CiA 402, CAN-FD und RS485 Modbus und bietet somit Flexibilität für verschiedene Architekturen der Roboter- und Industrieautomatisierung.

Abschluss

Die nächste Generation von Robotergelenken geht über die traditionelle Kombination aus Motor, Getriebe, Encoder und externem Antrieb hinaus.

Moderne Robotersysteme erfordern zunehmend hohe Präzision, kompakte Integration, hochauflösendes Feedback, intelligente Steuerung, flexible Kommunikation und funktionale Sicherheit innerhalb eines einzigen Aktuators.

Der HONPINE HAG Harmonic Actuator vereint diese Fähigkeiten in einer integrierten Roboterbewegungslösung.

Mit beidseitigen hochauflösenden Encodern, einem präzisen harmonischen Getriebe, integrierter Antriebselektronik, optionalen STO- und Bremsfunktionen, Hohlwellenarchitektur, mehreren industriellen Kommunikationsprotokollen und fortschrittlichen Bewegungssteuerungsfunktionen bietet HAG eine leistungsstarke Plattform für Industrieroboter, kollaborative Roboter, humanoide Roboter, medizinische Automatisierung und fortschrittliche Industrieanlagen.

Für Ingenieure, die die nächste Generation von Robotergelenken entwickeln, bietet HAG einen praktischen Weg von der präzisen harmonischen Kraftübertragung zur integrierten intelligenten Bewegungssteuerung.