Wie erreicht ein Harmonic-Drive-Aktuator eine hohe Drehmomentdichte?

Einführung

Für ein Robotergelenk reicht ein hohes Drehmoment allein nicht aus.

Ein Aktor kann zwar ein hohes Drehmoment erzeugen, doch wenn er zu schwer oder zu groß ist, kann der Roboter einen Großteil der Leistung einbüßen, die er eigentlich erbringen sollte. Dies ist besonders wichtig bei humanoiden Robotern, kollaborativen Robotern, leichten Roboterarmen und anderen Systemen, bei denen jedes Kilogramm und jeder Millimeter Einbauraum zählt.

Aus diesem Grund ist die Drehmomentdichte zu einem wichtigen Parameter bei der Bewertung moderner Roboteraktuatoren geworden.

Ein Harmonic-Drive-Aktor kann ein hohes Drehmoment-zu-Größe- bzw. Drehmoment-zu-Gewichts-Verhältnis erzielen, indem er mehrere Elemente kombiniert, anstatt sich allein auf die Harmonic-Transformation zu verlassen. Das Endergebnis hängt vom Zusammenspiel zwischen Motor, Untersetzungsverhältnis, Getriebegeometrie, Lagern, Gehäuse, Encoderanordnung, Wärmeauslegung und Regelungsstrategie ab.

Mit anderen Worten:

Eine hohe Drehmomentdichte ist ein Ergebnis auf Aktuatorebene und nicht einfach eine Getriebespezifikation.

Für ein Robotergelenk ist daher nicht die Frage sinnvoller:

Welches Drehmoment kann das Harmonic-Reducer-Getriebe erzeugen?

Es ist:

Wie viel nutzbares Gelenkdrehmoment kann der komplette Harmonic-Drive-Aktor innerhalb einer vorgegebenen Masse, eines vorgegebenen Volumens, einer vorgegebenen Drehzahl und eines vorgegebenen thermischen Bereichs liefern?

Diese Unterscheidung wird besonders wichtig bei der Konstruktion von Gelenken humanoider Roboter, wo der Aktor gleichzeitig Drehmoment, Gewicht, Geschwindigkeit, Effizienz, Steifigkeit, Sensorik und die Fähigkeit zum kontinuierlichen Betrieb in Einklang bringen muss.

Wodurch wird die Drehmomentdichte eines Harmonic-Drive-Aktuators bestimmt?

Die Drehmomentdichte wird üblicherweise als das Verhältnis zwischen Ausgangsdrehmoment und Größe bzw. Masse des Aktuators beschrieben.

Je nach Anwendung können Ingenieure unterschiedliche Bewertungskriterien verwenden, wie zum Beispiel:

• Drehmoment pro Kilogramm

• Drehmoment pro Volumeneinheit

• Nenndrehmoment im Verhältnis zur Aktuatormasse

• Maximales Drehmoment im Verhältnis zur Aktuatormasse

• Kontinuierliches Drehmoment im Verhältnis zum Aktuatorvolumen

• Diese Kennzahlen sind nicht austauschbar.

Ein Aktor kann beispielsweise ein sehr hohes Spitzendrehmoment aufweisen, aber aufgrund der Motorerwärmung ein deutlich geringeres Dauerdrehmoment. Ein anderer Aktor kann etwas schwerer sein, aber bei wiederholtem Betrieb ein wesentlich höheres Dauerdrehmoment liefern.

Für Roboteranwendungen ist es daher sinnvoll, zwischen Folgendem zu unterscheiden:

Maximale Drehmomentdichte und kontinuierliche Drehmomentdichte

Ein humanoider Roboter benötigt möglicherweise ein hohes Spitzendrehmoment beim Beschleunigen, Springen oder bei plötzlichen Bewegungsänderungen, während dasselbe Gelenk auch ein ausreichendes kontinuierliches Drehmoment für das Stehen, Gehen oder sich wiederholende Bewegungen benötigt.

Die Aktorarchitektur muss beides unterstützen.

Der Motor legt den Ausgangspunkt für die Drehmomentdichte fest.

Das Harmonic-Reduziergetriebe erzeugt von sich aus kein Drehmoment.

Der Motor liefert das anfängliche Drehmoment, während das Getriebe die Motordrehzahl und das Drehmoment in die erforderliche Gelenkleistung umwandelt.

Eine vereinfachte Beziehung ist:

Motordrehmoment → Untersetzung → Gelenkausgangsdrehmoment

Für eine optimale Kraftübertragung:

Ausgangsdrehmoment ≈ Motordrehmoment × Untersetzungsverhältnis

Bei einem realen Aktor müssen auch die Übertragungsverluste berücksichtigt werden.

Dies bedeutet, dass die Auswahl eines Motors mit hoher Drehmomentdichte der erste Schritt zur Realisierung eines Aktuators mit hoher Drehmomentdichte ist.

Der bloße Einbau eines größeren Motors ist jedoch nicht immer die beste Lösung.

Ein größerer Motor kann Folgendes bewirken:

• Aktuatormasse

• Gehäusegröße

• Thermische Belastung

• Rotorträgheit

• Stromverbrauch

Stattdessen müssen die Aktuatorentwickler einen geeigneten Betriebspunkt finden, an dem der Motor das erforderliche Drehmoment liefern kann, ohne übermäßig viel Platz zu beanspruchen oder unnötiges Gewicht hinzuzufügen.

Dies ist einer der Gründe, warum die Entwicklung integrierter Aktuatoren wichtig ist.

Der Motor und das Oberschwingungsgetriebe sollten als ein System und nicht als völlig unabhängige Komponenten betrachtet werden.

Hohes Untersetzungsverhältnis trägt zur Vervielfachung des Ausgangsdrehmoments bei

Einer der wichtigsten Faktoren für die Drehmomentdichte von Harmonic-Actors ist das Untersetzungsverhältnis.

Durch ein hohes Untersetzungsverhältnis kann ein relativ kleiner Hochgeschwindigkeitsmotor ein wesentlich größeres Drehmoment erzeugen.

Betrachten wir beispielsweise ein vereinfachtes Getriebe:

Motor → Oberwellenreduzierung → Gelenkausgang

Wenn der Motor ein bestimmtes Eingangsdrehmoment erzeugt, kann das Untersetzungsgetriebe das verfügbare Ausgangsdrehmoment entsprechend seinem Untersetzungsverhältnis und seinem Wirkungsgrad vervielfachen.

Dadurch kann der Motor in einem Drehzahlbereich arbeiten, in dem er effizient Leistung abgeben kann, während das Getriebe diese Drehzahl in die niedrigere Drehzahl und das höhere Drehmoment umwandelt, die vom Robotergelenk benötigt werden.

Ein höheres Reduktionsverhältnis ist jedoch nicht automatisch besser.

Eine Erhöhung des Reduktionsverhältnisses kann folgende Auswirkungen haben:

Ausgangsgeschwindigkeit

• Effizienz

• Rücktreiberfähigkeit

• Dynamisches Verhalten

• Betriebspunkt des Motors

• Thermische Leistung

Daher sollte das Untersetzungsverhältnis entsprechend den tatsächlichen Drehmoment- und Drehzahlanforderungen der Verbindung gewählt werden.

Warum ein hohes Untersetzungsverhältnis nicht automatisch eine hohe Drehmomentdichte bedeutet?

Dies ist ein wichtiger Punkt, der oft übersehen wird.

Angenommen, zwei Aktuatoren verwenden unterschiedliche Untersetzungsverhältnisse.

Der Aktor mit dem höheren Übersetzungsverhältnis kann bei gleichem Motordrehmoment ein höheres Ausgangsdrehmoment erzeugen.

Aber wenn die Erreichung dieses Verhältnisses Folgendes erfordert:

• Zusätzliche Übertragungsstufen

• Größere Komponenten

• Schwerere Lager

• Ein größeres Gehäuse

• Höhere Kühlleistung

Der Gesamtaktor weist möglicherweise keine bessere Drehmomentdichte auf.

Die relevante Kennzahl ist die Leistung des gesamten Aktuators, nicht allein das Untersetzungsverhältnis.

Deshalb muss ein guter Harmonic-Drive-Stellantrieb ausgewuchtet sein:

Motordrehmoment + Untersetzungsverhältnis + Wirkungsgrad + Masse + Volumen

anstatt irgendeinen einzelnen Parameter zu maximieren.

Harmonische Getriebegeometrie trägt zu kompakter Drehmomentkapazität bei

Die mechanische Bauweise eines Harmonic-Getriebes ist ein weiterer Grund dafür, dass es in einem relativ kompakten Gehäuse eine beträchtliche Drehmomentkapazität erreichen kann.

Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Stirnradanordnung, bei der das Drehmoment über ein relativ einfaches Zahnradpaar übertragen wird, nutzt die harmonische Kraftübertragung mehrere Zahneingriffe zwischen der flexiblen Verzahnung und der kreisförmigen Verzahnung.

Dadurch kann die übertragene Last auf mehrere Eingriffspunkte verteilt werden.

Das Ergebnis ist eine Getriebearchitektur, die in der Lage ist, ein signifikantes Drehmoment bei kompaktem Durchmesser zu liefern.

Bei einem Robotergelenk ist dies deshalb wichtig, weil der Aktor oft in einen begrenzten mechanischen Bauraum passen muss.

Der verfügbare Platz könnte bereits belegt sein von:

• Strukturelle Komponenten

• Lager

• Verdrahtung

• Sensoren

• Motorkomponenten

• Kühlwege

Ein Getriebe, das das erforderliche Drehmoment bereitstellen kann, ohne den Gelenkdurchmesser wesentlich zu vergrößern, kann daher direkt zur Drehmomentdichte auf Aktuatorebene beitragen.

Das Abtriebslager ist Teil der Drehmomentdichtegleichung.

Ein häufiger Fehler beim Vergleich von Roboteraktoren ist, sich nur auf den Motor und das Getriebe zu konzentrieren.

Das Abtriebslager kann ebenfalls einen erheblichen Einfluss auf die endgültige Größe und Masse des Aktuators haben.

Ein Robotergelenk überträgt nicht nur ein Drehmoment.

Es kann auch Folgendes auftreten:

• Radiallasten

• Axiallasten

• Umwälzende Momente

• Äußere Kräfte

• Dynamische Einflüsse

Der Aktor benötigt daher eine geeignete Abtriebslageranordnung.

Wenn das Lager überdimensioniert ist, wird der Aktor schwerer.

Ist der Aktor zu klein dimensioniert, bietet er möglicherweise nicht die erforderliche mechanische Belastbarkeit oder Steifigkeit.

Ein gut konstruierter Harmonic-Drive-Aktor integriert die Getriebe- und Lagerstruktur so, dass das Gelenk die zu erwartenden externen Lasten aufnehmen kann, ohne die Gesamtkonstruktion unnötig zu vergrößern.

Dies ist besonders wichtig für die Gelenke humanoider Roboter.

Beispielsweise können an einem Knie- oder Knöchelaktuator erhebliche externe Momente auftreten, die nicht allein durch das Motordrehmoment dargestellt werden.

Die Gehäusekonstruktion kann die Drehmomentdichte erhöhen oder verringern.

Das Aktuatorgehäuse ist ein weiterer Bestandteil der Drehmomentdichtegleichung.

Eine Wohnung muss Folgendes bieten:

• Strukturelle Steifigkeit

• Lagerstütze

• Zahnradausrichtung

• Wärmeableitung

• Schutz für interne Komponenten

Übermäßig viel Baumaterial erhöht jedoch das Gewicht.

Die Herausforderung besteht daher darin, eine ausreichende Steifigkeit bei minimaler unnötiger Masse zu erreichen.

Dies ist insbesondere bei humanoiden Robotern relevant.

Ein schwerer Aktor, der in der Nähe der Hüfte oder des Knies installiert ist, erhöht nicht nur die Gesamtmasse des Roboters, sondern kann auch die Belastung erhöhen, die von den nachgelagerten Gelenken bewegt werden muss.

Dadurch entsteht ein Kaskadeneffekt:

Schwereres Aktuator → Höhere Gelenkbelastung → Höheres erforderliches Drehmoment → Größerer Aktuator → Höhere Gesamtmasse

Das Durchbrechen dieses Kreislaufs ist einer der Gründe, warum leichte Aktuatoren mit hoher Drehmomentdichte für die humanoide Robotik so wichtig sind.

Die Drehmomentdichte hängt vom kontinuierlichen Drehmoment ab, nicht nur vom Spitzendrehmoment.

Beim Vergleich von Harmonic-Drive-Aktuatoren kann das maximale Drehmoment auf einem Datenblatt beeindruckend aussehen.

Das maximale Drehmoment tritt jedoch üblicherweise bei kurzzeitigen Betriebszuständen auf.

Für viele Roboter ist ein kontinuierliches Drehmoment ebenso wichtig.

Stellen Sie sich einen humanoiden Roboter vor, der aufrecht steht.

Die Beingelenke müssen möglicherweise ein Drehmoment kontinuierlich erzeugen, anstatt nur für einige Sekunden.

Ähnlich verhält es sich mit einem Roboterarm, der repetitive Montagearbeiten durchführt: Er kann stundenlang in Betrieb sein.

In diesen Situationen ist folgende Kennzahl sinnvoller:

Kontinuierliches Ausgangsdrehmoment / Aktuatormasse

statt:

Maximales Ausgangsdrehmoment / Aktuatormasse

Ein gut konstruierter Aktor muss daher Folgendes leisten:

• Kupferverluste im Motor

• Eisenverluste

• Lagerverluste

• Übertragungsverluste

• Wärmeübertragung

• Umgebungstemperatur

• Tastverhältnis

Ein hohes Spitzendrehmoment ist zwar nützlich, aber eine hohe kontinuierliche Drehmomentdichte ist für die Leistungsfähigkeit von Robotern in der Praxis oft relevanter.

Das Wärmemanagement setzt der Drehmomentdichte eine praktische Grenze.

Drehmoment erzeugt Wärme.

Dadurch entsteht ein wichtiger Zusammenhang zwischen Drehmomentdichte und thermischer Auslegung.

Mit abnehmender Aktuatorgröße verringert sich auch die verfügbare Oberfläche zur Wärmeableitung.

Gleichzeitig kann ein kompakter Aktor weniger internen Bauraum aufweisen für:

• Kühlkörper

• Kühlkanäle

• Fans

• Thermische Schnittstellen

Der Aktor muss daher die Wärme innerhalb eines kleineren physikalischen Gehäuses bewältigen.

Aus diesem Grund ist eine unbegrenzte Erhöhung der Drehmomentdichte nicht realistisch.

Der Aktuatorentwickler muss ein Gleichgewicht finden zwischen:

Drehmoment → Stromstärke → Wärme → Temperatur → Dauerbetriebsfähigkeit

Ein Aktor, der für einige Sekunden ein extrem hohes Drehmoment erreicht, aber im normalen Betrieb überhitzt, ist möglicherweise nicht für einen Produktionsroboter geeignet.

Deshalb sollte die thermische Leistung zusammen mit den Drehmomentvorgaben bewertet werden.

Der Wirkungsgrad beeinflusst direkt die nutzbare Drehmomentdichte.

Der Wirkungsgrad des Harmonic-Drive-Antriebs ist ein weiterer Faktor, der die Leistung des Aktuators beeinflusst.

Nicht die gesamte zugeführte mechanische Leistung wird in nutzbare Ausgangsleistung umgewandelt.

Ein Teil der Energie geht verloren durch:

• Zahnradverformung

• Reibung

• Lagerverluste

• Schmierung

• Abdichtung

• Andere mechanische Effekte

• Diese Verluste werden in Wärme umgewandelt.

Die Beziehung lässt sich wie folgt vereinfachen:

Eingangsleistung → Nutzbare Ausgangsleistung + Verluste

Höhere Übertragungsverluste bedeuten, dass mehr Wärme vom Aktor abgeführt werden muss.

Dies kann das Drehmoment verringern, das der Aktor kontinuierlich liefern kann.

Beim Vergleich zweier Harmonic-Drive-Aktuatoren mit ähnlichem Spitzendrehmoment ist es daher sinnvoll, Folgendes zu untersuchen:

• Nenndrehmoment

• Kontinuierliches Drehmoment

• Effizienz

• Eingangsgeschwindigkeit

• Tastverhältnis

• Wärmeleistung

• anstatt sich allein auf das maximale Drehmoment zu verlassen.

Warum das Gewicht des Aktuators wichtiger ist als das Gewicht des Reduzierstücks?

Bei einer stationären Industriemaschine hat das Hinzufügen von einigen hundert Gramm möglicherweise nur geringe Auswirkungen auf die Systemleistung.

Bei einem humanoiden Roboter stellt sich die Situation anders dar.

Jeder Aktor trägt zur gesamten bewegten Masse des Roboters bei.

Wird beispielsweise ein Aktor am Oberschenkel installiert, so wird seine Masse Teil der Last, die andere Gelenke bewegen müssen.

Das bedeutet, dass die Aktuatormasse Folgendes beeinflussen kann:

• Beschleunigung

• Energieverbrauch

• Geheffizienz

• Dynamisches Gleichgewicht

• Nutzlast

• Drehmomentanforderungen für die Gelenke

Daher kann ein leichter Aktor mit etwas geringerem absoluten Drehmoment manchmal nützlicher sein als ein schwererer Aktor mit einem höheren maximalen Drehmoment.

Aus diesem Grund gewinnt das Drehmoment-Gewichts-Verhältnis bei der Konstruktion von Aktuatoren für humanoide Roboter zunehmend an Bedeutung.

Motorgröße und Untersetzungsverhältnis müssen aufeinander abgestimmt sein.

Ein Harmonic-Drive-Aktor kann nicht optimiert werden, indem das Getriebe unabhängig vom Motor ausgewählt wird.

Motor und Getriebe müssen als aufeinander abgestimmtes Paar funktionieren.

Ein Designer hat beispielsweise möglicherweise zwei Herangehensweisen:

Option A

Großer Motor + niedrigeres Untersetzungsverhältnis

Option B

Kleinerer Motor + höheres Untersetzungsverhältnis

Beide Ansätze können ein ähnliches Drehmoment erzeugen.

Sie können sich jedoch sehr stark unterscheiden:

• Masse

• Volumen

• Effizienz

• Geschwindigkeit

• Thermisches Verhalten

• Dynamisches Verhalten

• Kosten

Die bessere Lösung hängt vom jeweiligen Gelenk ab.

Bei einem kompakten humanoiden Handgelenk kann die Minimierung von Masse und Durchmesser von entscheidender Bedeutung sein.

Bei einer industriell hochbelasteten Verbindung können ein kontinuierliches Drehmoment und eine hohe Steifigkeit von größerer Bedeutung sein.

Deshalb sollte die Optimierung des Aktuators mit dem tatsächlichen Betriebsprofil des Gelenks beginnen und nicht mit einer vordefinierten Getriebegröße.

Spitzendrehmoment, Nenndrehmoment und Dauerdrehmoment sollten separat bewertet werden.

Bei der Bewertung eines Harmonic-Drive-Aktuators sollten die drei Drehmomentwerte nicht als austauschbar betrachtet werden.

Maximales Drehmoment

Das Spitzendrehmoment stellt das maximale Drehmoment dar, das der Aktor unter festgelegten Bedingungen für eine begrenzte Dauer liefern kann.

Es ist wichtig für:

Beschleunigung

Kurzfristige dynamische Bewegung

Auswirkungen

Schnelle Richtungswechsel

Nenn- oder Dauerdrehmoment

Das Nenndrehmoment stellt das Drehmoment dar, das der Aktor unter definierten Betriebsbedingungen im Dauerbetrieb liefern kann.

Dies ist eher relevant für:

• Gehen

• Wiederholte Bewegung

• Kontinuierlicher Industriebetrieb

• Dauerlast

Überlastkapazität

Manche Anwendungen erfordern auch eine kurzfristige Überlastfähigkeit.

Dies kann wichtig sein, wenn ein Roboter Folgendes erlebt:

• Plötzliche Beschleunigung

• Externer Einfluss

• Notbremsung

• Unerwartete Laständerungen

Das Verhältnis dieser Werte vermittelt ein wesentlich klareres Bild der tatsächlichen Leistungsfähigkeit des Aktuators als eine einzelne Drehmomentzahl.

Warum ist die Drehmomentdichte besonders wichtig für die Gelenke humanoider Roboter?

Humanoide Roboter stellen ungewöhnlich strenge Anforderungen an die Aktuatorkonstruktion.

Ein humanoides Gelenk muss oft in eine Körperstruktur passen, die auf ungefähren menschlichen Abmessungen basiert.

Gleichzeitig muss es genügend Drehmoment aufbringen, um die Masse des Roboters zu bewegen.

Dadurch entstehen widersprüchliche Anforderungen:

Kleine Größe

↓

Geringes Gewicht

↓

Hohes Drehmoment

↓

Hohe Geschwindigkeit

↓

Hohe Effizienz

↓

Thermische Stabilität

Der Aktor muss sie alle ausbalancieren.

Dies stellt insbesondere dann eine Herausforderung dar:

• Hüftgelenke

• Kniegelenke

• Sprunggelenke

• Schultergelenke

• Ellenbogengelenke

Der optimale Aktor für jedes Gelenk kann daher unterschiedlich sein.

Bei einem Beingelenk mit hohem Drehmoment liegt der Fokus möglicherweise auf kontinuierlichem Drehmoment und thermischer Leistung, während bei einem Handgelenksaktuator geringe Masse, kompakte Abmessungen und geringe Trägheit im Vordergrund stehen.

Drehmomentdichte ist nicht dasselbe wie Leistungsdichte

Diese beiden Begriffe werden manchmal verwechselt.

Die Drehmomentdichte beschreibt, wie viel Drehmoment ein Aktor im Verhältnis zu seiner Masse oder seinem Volumen liefern kann.

Bei der Leistungsdichte spielt auch die Drehzahl eine Rolle.

Eine vereinfachte Beziehung ist:

Leistung = Drehmoment × Winkelgeschwindigkeit

Dies bedeutet, dass ein Aktor mit extrem hohem Drehmoment, aber relativ niedriger Drehzahl möglicherweise nicht die gleiche Leistungsdichte wie ein schnellerer Aktor aufweist.

Bei dynamischen Robotern können beide Kennzahlen relevant sein.

Zum Beispiel:

Ein Knieaktuator kann ein hohes Drehmoment bei moderater Geschwindigkeit erfordern.

Ein Handgelenkaktuator benötigt möglicherweise ein geringeres Drehmoment, dafür aber eine hohe Geschwindigkeit.

Ein Radantrieb für einen mobilen Roboter kann ein kontinuierliches Drehmoment und eine relativ hohe Drehzahl erfordern.

Daher sollte bei der Auswahl des Aktuators der gesamte Drehmoment-Drehzahl-Betriebsbereich berücksichtigt werden und nicht nur eine einzelne Drehmomentdichtekennzahl.

Wie wirkt sich die Encoderintegration auf die Aktorarchitektur aus?

Sensoren erzeugen kein direktes Drehmoment, aber sie beeinflussen, wie effektiv der Aktor sein verfügbares Drehmoment nutzen kann.

Ein Harmonic-Drive-Aktor kann Folgendes umfassen:

• Motorseitiger Encoder

• Ausgangsseitiger Encoder

• Doppel-Encoder

• Drehmomentsensor

• Temperaturerfassung

Ein motorseitiger Encoder kann Rückmeldungen für die Motorsteuerung liefern.

Ein ausgangsseitiger Encoder kann die tatsächliche Gelenkausgangsposition nach dem Untersetzungsmechanismus messen.

Bei Anwendungen, die eine hochpräzise Gelenksteuerung erfordern, kann die Messung der Abtriebswelle Informationen liefern, die allein mit dem Motor-Encoder nicht gewonnen werden können.

Dies ist insbesondere dann relevant, wenn der Aktor Folgendes kompensieren muss:

• Übertragungsfehler

• Elastische Verformung

• Externe Lasten

• Positionsabweichungen

Daher sollte die Sensorintegration als Teil der gesamten Aktorarchitektur betrachtet werden.

Verbessert ein Drehmomentsensor die effektive Leistung eines Aktuators mit hoher Drehmomentdichte?

Ein Drehmomentsensor erhöht nicht die mechanische Drehmomentkapazität des Aktuators.

Sein Wert ist ein anderer.

Es liefert dem Steuergerät Informationen über das durch das Gelenk übertragene Drehmoment.

Dies kann Folgendes unterstützen:

• Drehmomentsteuerung

• Kraftsteuerung

• Kollisionserkennung

• Compliance-Kontrolle

• Kontakterkennung

Für humanoide Roboter können diese Informationen insbesondere in folgenden Fällen nützlich sein:

• Gehen

• Objektmanipulation

• Physikalische Interaktion

• Gleichgewichtskontrolle

• Aufgaben mit hohem Kontaktanteil

Die Hinzufügung eines Drehmomentsensors bringt jedoch auch Folgendes mit sich:

• Masse

• Volumen

• Kosten

• Anforderungen an die mechanische Integration

Daher wird die Sensorauswahl zu einem weiteren Bestandteil des Problems der Drehmomentdichteoptimierung.

Das Ziel besteht nicht einfach darin, so viele Sensoren wie möglich zu integrieren.

Ziel ist es, die erforderliche Sensorfähigkeit zu erreichen, ohne die Masse und das Volumen des Aktuators unnötig zu erhöhen.

Die Drehmomentdichte des Harmonic-Drive-Aktuators ist eine Optimierung auf Systemebene.

Aus den vorangegangenen Ausführungen geht hervor, warum die Drehmomentdichte nicht allein dem Harmonic-Reduziergetriebe zugeschrieben werden kann.

Ein vollständiger Aktor umfasst mehrere Elemente:

• Motor

• Harmonische Übertragung

• Lager

• Gehäuse

• Encoder

• Treiber

• Sensoren

• Thermische Struktur

Die endgültige Drehmomentdichte wird durch das Gesamtpaket bestimmt.

Ein Aktor kann beispielsweise ein sehr leistungsstarkes Harmonic-Reducer-Getriebe verwenden, aber dennoch ein schlechtes Drehmoment-Gewichts-Verhältnis aufweisen, wenn:

• Der Motor ist überdimensioniert.

• Das Gehäuse ist unnötig schwer.

• Die Lageranordnung ist ineffizient

• Das Kühlsystem fügt übermäßige Masse hinzu.

• Der Treiber ist physisch vom Aktuator getrennt.

• Die Sensorarchitektur ist schlecht integriert

Aus diesem Grund kann die integrierte Aktuatorkonstruktion einen Vorteil gegenüber der einfachen Montage einzelner Komponenten bieten.

Wie kann integriertes Design das Drehmoment-Gewichts-Verhältnis verbessern?

Die Integration ermöglicht es Konstrukteuren, Komponenten anhand gemeinsamer mechanischer Abmessungen zu optimieren.

Statt zu entwerfen:

Motor → Separates Getriebe → Separater Encoder → Separates Gehäuse → Separater Treiber

Das System kann wie folgt gestaltet werden:

Integrierter Motor + Harmonic-Reduziergetriebe + Encoder + Elektronik + gemeinsamer Ausgang

Dadurch können Duplikate reduziert werden:

• Wohnungen

• Montagevorrichtungen

• Steckverbinder

• Schächte

• Kupplungen

• Mechanische Schnittstellen

Das Ergebnis kann ein kompakterer Aktor mit einer geringeren Gesamtmasse des Systems sein.

Für Roboteranwendungen ist der entscheidende Vergleich daher nicht:

Welcher Reduzierer ist leichter?

Aber:

Welcher komplette Aktor bietet die erforderliche Gelenkleistung bei geringstmöglicher Masse und geringstem Volumen?

Warum ist die mechanische Integration bei Robotergelenken mit hohem Drehmoment wichtig?

Das hohe Drehmoment erzeugt mechanische Belastungen im gesamten Aktor.

Motor, Getriebe, Lager, Gehäuse, Welle und Montagekonstruktion müssen alle diesen Belastungen standhalten.

Wenn der Aktor als eine Ansammlung von unzusammenhängenden Komponenten konstruiert ist, können die mechanischen Schnittstellen unnötig groß werden.

Eine integrierte Architektur ermöglicht dem Designer die Optimierung:

• Lagerplatzierung

• Ladepfade

• Gehäusedicke

• Wellengeometrie

• Motorposition

• Encoderposition

• Wärmewege

Dadurch kann das Verhältnis zwischen Strukturmasse und nutzbarem Drehmoment verbessert werden.

Bei einem Robotergelenk ist dies deshalb wichtig, weil der Aktor nicht einfach nur eine Übertragungskomponente ist.

Es ist Teil des Struktursystems des Roboters.

Was begrenzt die Drehmomentdichte eines Harmonic-Drive-Aktuators?

Es gibt mehrere praktische Grenzen.

Thermische Grenzwerte des Motors

Der Motor kann nicht dauerhaft ein unbegrenztes Drehmoment erzeugen, da Strom Wärme erzeugt.

Übertragungslastgrenzen

Das harmonische Getriebe hat definierte Drehmoment- und Lebensdauergrenzen.

Tragfähigkeit

Das Abtriebslager muss sowohl drehmomentbedingte Belastungen als auch externe Gelenkkräfte aufnehmen können.

Gehäusesteifigkeit

Das Gehäuse muss auch unter Last ausreichend steif bleiben.

Wärmeableitung

Die im Aktor entstehende Wärme muss an die umgebende Struktur abgegeben werden.

Geschwindigkeitsanforderungen

Hohes Drehmoment bei hoher Drehzahl erzeugt einen deutlich höheren Leistungs- und Wärmebedarf.

Gewichtsbeschränkungen

Durch das Hinzufügen von Strukturmaterial kann die Tragfähigkeit erhöht werden, jedoch verringert eine zu große Masse die Drehmomentdichte auf Aktuatorebene.

Diese Einschränkungen beeinflussen sich gegenseitig.

Die Verbesserung eines Parameters kann sich negativ auf einen anderen auswirken.

Deshalb ist die Konstruktion von Aktuatoren im Grunde ein Optimierungsproblem.

Wie vergleicht man die Drehmomentdichte zweier Harmonic-Drive-Aktuatoren?

Beim Vergleich zweier Aktuatoren sollte man vermeiden, nur deren maximales Drehmoment zu vergleichen.

Ein besserer Vergleich sollte Folgendes beinhalten:

1. Kontinuierliches Ausgangsdrehmoment

Welches Drehmoment kann der Aktor im Dauerbetrieb liefern?

2. Maximales Drehmoment

Wie viel Drehmoment kann es bei kurzen dynamischen Ereignissen bereitstellen?

3. Aktuatormasse

Beinhaltet die Drehmomentangabe den kompletten Aktuator?

4. Gesamtabmessungen

Welchen Durchmesser, welche Länge und welches Einbauvolumen hat das Bauteil?

5. Ausgangsgeschwindigkeit

Kann der Aktor das erforderliche Drehmoment bei der erforderlichen Drehzahl liefern?

6. Effizienz

Wie viel Eingangsleistung wird in nutzbare mechanische Leistung umgewandelt?

7. Wärmeleistung

Kann der Aktor sein Nenndrehmoment aufrechterhalten, ohne die zulässige Temperatur zu überschreiten?

8. Encoder-Konfiguration

Wird die Rückkopplung am Motor, an der Abtriebswelle oder an beiden gemessen?

9. Externe Tragfähigkeit

Kann das Abtriebslager die erforderlichen Radial-, Axial- und Momentenbelastungen aufnehmen?

10. Arbeitszyklus

Ist der Aktor für den intermittierenden oder den kontinuierlichen Betrieb ausgelegt?

Dieser Ansatz ermöglicht einen wesentlich aussagekräftigeren Vergleich als die einfache Auswahl des Aktuators mit dem größten Drehmomentwert.

Wie lässt sich die Drehmomentdichte eines Harmonic-Drive-Aktuators verbessern?

Wenn ein Aktor eine höhere Drehmomentdichte benötigt, können Ingenieure mehrere Bereiche gleichzeitig betrachten.

Optimieren Sie den Motorbetriebspunkt

Wählen Sie einen Motor, der das erforderliche Drehmoment ohne übermäßige Masse oder thermischen Aufwand liefert.

Reduktionsverhältnis optimieren

Wählen Sie ein Untersetzungsverhältnis, das ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Drehmomentverstärkung, Geschwindigkeit, Wirkungsgrad und dynamischem Ansprechverhalten gewährleistet.

Reduzierung der Strukturmasse

Verwenden Sie ein entsprechend ausgelegtes Gehäuse und einen geeigneten Lastpfad, anstatt einfach die Materialstärke zu erhöhen.

Lageranordnung optimieren

Die Lagerabmessungen sind entsprechend den tatsächlichen Radial-, Axial- und Momentenbelastungen auszuwählen.

Verbesserung der Wärmeableitung

Optimierte Wärmeleitwege ermöglichen es dem Aktor, ein höheres kontinuierliches Drehmoment ohne übermäßigen Temperaturanstieg aufrechtzuerhalten.

Integrate Electronics

Wo sinnvoll, kann die Integration von Antriebselektronik den Bedarf an externer Hardware und Verkabelung reduzieren.

Optimierung der Sensorintegration

Nutzen Sie die von der Anwendung benötigte Feedback-Architektur, ohne unnötige Komponenten hinzuzufügen.

Die besten Ergebnisse erzielt man in der Regel durch die gemeinsame Optimierung mehrerer Parameter, anstatt die Leistung einer einzelnen Komponente zu maximieren.

Drehmomentdichte von Harmonic-Drive-Aktuatoren für verschiedene Roboteranwendungen

Die erforderliche Drehmomentdichte ist stark anwendungsabhängig.

Beine eines humanoiden Roboters

Beinaktuatoren benötigen typischerweise:

• Hohes Dauerdrehmoment

• Hohes Spitzendrehmoment

• Geringe Masse

• Hohes dynamisches Ansprechverhalten

• Thermische Stabilität

Das Drehmoment-Gewichts-Verhältnis ist besonders wichtig, da die Aktuatormasse direkten Einfluss auf den Gesamtenergiebedarf des Roboters hat.

Humanoide Roboterarme

Armgelenke erfordern im Allgemeinen ein anderes Gleichgewicht zwischen:

• Drehmoment

• Geschwindigkeit

• Gewicht

• Bewegungsumfang

• Präzision

Roboterhandgelenke

Handgelenksaktuatoren legen oft größeren Wert auf:

• Kompakte Größe

• geringe Trägheit

• Geringes Gewicht

• Hohe Positionierungsgenauigkeit

Gelenke für kollaborative Roboter

Cobots benötigen möglicherweise:

• Kompakte Verpackung

• Geringes Spiel

• Gleichmäßige Bewegung

• Drehmomenterfassung

• Kontrollierte Interaktion mit externen Lasten

Gelenke für Industrieroboter

Industrieroboter könnten folgende Prioritäten setzen:

• Nenndrehmoment

• Wiederholbarkeit

• Steifheit

• Nutzungsdauer

• Kontinuierlicher Betrieb

Dies verdeutlicht, warum es kein einheitliches Drehmomentdichte-Ziel gibt, das für jeden Roboter gilt.

Warum die kontinuierliche Drehmomentdichte wichtiger sein kann als die maximale Drehmomentdichte?

Bei Produktionsrobotern ist die beeindruckendste Spezifikation nicht immer die nützlichste.

Ein hohes Spitzendrehmoment kann für dynamische Bewegungen von Vorteil sein, der Aktor muss aber auch während des größten Teils seines Arbeitszyklus zuverlässig funktionieren.

Ein humanoider Roboter kann beispielsweise beträchtliche Zeit damit verbringen:

• Stehen

• Gehen

• Gleichgewicht halten

• Einen Gegenstand halten

Diese Aktivitäten erfordern eine kontinuierliche Aktorleistung.

Ähnlich verhält es sich mit einem Industrieroboter, der dieselbe Bewegung tausende Male wiederholen kann.

Für diese Anwendungen kann die kontinuierliche Drehmomentdichte eine nützlichere Kennzahl in der Technik sein als die maximale Drehmomentdichte.

Eine praktische Methode zur Bewertung von Aktuatoren mit hoher Drehmomentdichte

Vor der Auswahl eines Harmonic-Drive-Stellantriebs muss das tatsächliche Gelenkbetriebsprofil definiert werden.

Ermitteln Sie mindestens Folgendes:

• Erforderliches kontinuierliches Drehmoment

• Erforderliches Spitzendrehmoment

• Erforderliche Geschwindigkeit

• Beschleunigung

• Tastverhältnis

• Externe Last

• Installationsraum

• Maximale Aktuatormasse

• Umgebungstemperatur

• Kühlbedingungen

• Erforderliche Positionsgenauigkeit

• Erforderliche Drehmomentmessung

• Kommunikationsschnittstelle

Vergleichen Sie anschließend den kompletten Aktor mit diesen Anforderungen.

Dadurch wird ein häufiger Fehler vermieden:

Auswahl eines Aktuators auf Basis einer einzigen Hauptspezifikation.

Ein 100-Nm-Stellglied ist nicht unbedingt besser als ein 80-Nm-Stellglied, wenn das 100-Nm-Modell deutlich schwerer, größer oder weniger effizient ist oder das erforderliche Drehmoment im tatsächlichen Arbeitszyklus nicht aufrechterhalten kann.

Die Zukunft von Harmonic Actuators mit hoher Drehmomentdichte

Da Roboter immer kompakter und dynamischer werden, geht die Entwicklung von Aktuatoren über die bloße Erhöhung des maximalen Drehmoments hinaus.

Zukünftige Aktuatorkonstruktionen werden sich voraussichtlich auf die kombinierte Optimierung folgender Aspekte konzentrieren:

• Drehmomentdichte

• Leistungsdichte

• Effizienz

• Thermische Leistung

• Sensorik

• Steuerungsintegration

• Gewicht

• Mechanische Steifigkeit

Dies ist insbesondere für humanoide Roboter relevant.

Ein leistungsstarker humanoider Aktor muss möglicherweise eine präzise harmonische Getriebeübertragung mit Folgendem kombinieren:

• Hochauflösende Encoder

• Integrierte Motorsteuerung

• Drehmomenterfassung

• Kompaktlager

• Leichtes Gehäuse

• Effiziente Wärmewege

• Hochgeschwindigkeitskommunikation

Das Ergebnis ist nicht mehr einfach nur ein Motor mit Getriebe.

Es wird zu einem kompletten Robotergelenkaktuator, der auf die mechanischen und steuerungstechnischen Anforderungen des Roboters zugeschnitten ist.

Wie geht HONPINE bei der Entwicklung von Harmonic-Actuatoren mit hoher Drehmomentdichte vor?

Für Roboteranwendungen entwickelt HONPINE integrierte Lösungen für harmonische Aktuatoren und Robotergelenke, die präzise Kraftübertragung mit Motor-, Sensor- und Steuerungstechnologien kombinieren.

Je nach Aktorarchitektur kann das integrierte System Folgendes umfassen:

• Harmonische Übertragung

• Servomotor

• Hochauflösender Encoder

• Positionsrückmeldung auf der Ausgangsseite

• Integrierter Treiber

• Drehmomenterfassung

• Industrielle Kommunikationsschnittstellen

Ziel ist es nicht einfach, das Drehmoment einer Komponente zu maximieren.

Stattdessen muss der Aktor ein angemessenes Gleichgewicht zwischen Folgendem herstellen:

Ausgangsdrehmoment + Gewicht + Größe + Geschwindigkeit + Präzision + Thermische Leistung

Dieser Ansatz ist besonders relevant für Gelenke humanoider Roboter, kollaborative Roboter, Roboterarme und andere Anwendungen, bei denen die Aktuatormasse und der Installationsraum die Systemleistung direkt beeinflussen.

Für Anwendungen, die eine Kraftrückmeldung erfordern, kann eine integrierte Drehmomentmessarchitektur die Drehmomentregelung, die nachgiebige Bewegung und die Interaktion mit externen Lasten zusätzlich unterstützen.

Häufig gestellte Fragen zur Drehmomentdichte von Harmonic-Drive-Aktuatoren

Was bewirkt die hohe Drehmomentdichte eines Harmonic-Drive-Aktuators?

Die hohe Drehmomentdichte ergibt sich aus dem Zusammenspiel von Motor, Harmonic-Transfer-Getriebe, Untersetzungsverhältnis, Lagern, Gehäuse, Thermosystem und Steuerungsarchitektur. Das Harmonic-Transfer-Getriebe ermöglicht eine hohe Drehmomentverstärkung in kompakter Bauweise, die Drehmomentdichte des Aktuators hängt jedoch vom Gesamtsystem ab.

Führt ein höheres Untersetzungsverhältnis immer zu einer höheren Drehmomentdichte?

Nein. Ein höheres Untersetzungsverhältnis kann zwar das Drehmoment eines Motors erhöhen, aber auch Drehzahl, Wirkungsgrad, Rücklauffähigkeit und thermische Eigenschaften beeinflussen. Daher muss der gesamte Aktor betrachtet werden, anstatt sich allein auf das Untersetzungsverhältnis zu konzentrieren.

Ist die Drehmomentdichte wichtiger als das Spitzendrehmoment?

Für viele Roboteranwendungen ist dies zutreffend. Ein hohes Spitzendrehmoment bedeutet jedoch nicht zwangsläufig, dass ein Aktor dauerhaft ein hohes Drehmoment liefern kann. Drehmoment-Gewichts-Verhältnis, Dauerdrehmoment, Tastverhältnis und thermische Eigenschaften sollten berücksichtigt werden.

Warum ist die Drehmomentdichte für humanoide Roboter wichtig?

Humanoide Roboter unterliegen strengen Gewichts- und Platzbeschränkungen. Ein leichter Aktor mit hohem nutzbarem Drehmoment kann die Gesamtmasse des Roboters reduzieren und zur Verbesserung von Beschleunigung, Energieeffizienz, Balance und Fahrdynamik beitragen.

Wie beeinflusst das Gewicht des Aktuators die Leistung humanoider Roboter?

Die Masse des Aktuators wird Teil der beweglichen Last des Roboters. Schwerere Aktuatoren können das von anderen Gelenken, insbesondere in den Beinmechanismen, benötigte Drehmoment erhöhen. Eine Reduzierung der Aktuatormasse bei gleichzeitig ausreichendem Drehmoment kann daher die Gesamteffizienz des Systems verbessern.

Kann ein Harmonic-Ventilator sowohl ein hohes Drehmoment als auch eine hohe Drehzahl liefern?

Es hängt von der Konstruktion des Aktuators und den Betriebsbedingungen ab. Hohe Untersetzungsverhältnisse erhöhen das Ausgangsdrehmoment, verringern aber die Ausgangsdrehzahl. Motor, Untersetzungsverhältnis, thermische Auslegung und Getriebewirkungsgrad müssen auf den erforderlichen Drehmoment-Drehzahl-Betriebsbereich abgestimmt sein.

Was ist wichtiger: Spitzendrehmoment oder Dauerdrehmoment?

Das hängt von der Anwendung ab. Das Spitzendrehmoment ist wichtig für Beschleunigung und kurze dynamische Vorgänge, während das kontinuierliche Drehmoment für dauerhafte Belastungen und wiederholten Betrieb entscheidend ist. Bei Produktionsrobotern sollten beide Aspekte bewertet werden.

Verringert der Einbau eines Drehmomentsensors die Drehmomentdichte?

Ein Drehmomentsensor kann Masse, Volumen und mechanische Komplexität erhöhen. Durch eine effiziente Integration des Sensors in die Aktorarchitektur lässt sich das zusätzliche Gewicht jedoch minimieren, während gleichzeitig wertvolles Drehmomentfeedback für Kraftregelungs- und Interaktionsanwendungen bereitgestellt wird.

Abschluss

Ein Harmonic-Drive-Aktor erzielt eine hohe Drehmomentdichte durch die kombinierte Optimierung von Motor, Untersetzungsverhältnis, Harmonic-Drive-Getriebe, Lagern, Gehäuse, Wärmedesign, Sensorik und Steuerungssystem.

Die harmonische Kraftübertragung spielt dabei eine wichtige Rolle, da sie eine erhebliche Drehmomentverstärkung innerhalb einer kompakten mechanischen Einheit ermöglicht. Die endgültige Drehmomentdichte des Aktuators hängt jedoch von weit mehr als nur dem Getriebe selbst ab.

Für eine praxisorientierte Roboterkonstruktion sollten Ingenieure Folgendes berücksichtigen:

Kontinuierliches Drehmoment

→ Maximales Drehmoment

→ Geschwindigkeit

→ Reduktionsverhältnis

→ Effizienz

→ Thermische Leistung

→ Aktuatormasse

→ Installationsvolumen

→ Externe Lastkapazität

→ Rückkopplung und Sensorik

anstatt sich auf eine einzige Drehmomentangabe zu verlassen.

Dies ist besonders wichtig bei humanoiden Robotern, wo Aktuatorgewicht, Drehmoment, Geschwindigkeit und thermische Leistung eng miteinander verbunden sind.

Das Ziel besteht daher nicht einfach darin, einen Aktor mit dem höchstmöglichen Drehmoment zu konstruieren.

Ziel ist die Entwicklung eines Aktuators, der das erforderliche nutzbare Drehmoment bei möglichst geringer Masse und möglichst kleinem Volumen liefert und gleichzeitig die vom Roboter geforderte Geschwindigkeit, Präzision, Effizienz, thermische Stabilität und Sensorik beibehält.

Das ist die eigentliche technische Bedeutung von hoher Drehmomentdichte in einem Harmonic-Drive-Aktor.