Roboter-Gelenkmodullösungen für Arme und Beine humanoider Roboter

Der Einsatz von Roboterarmen nimmt in einer Vielzahl von Branchen rasch zu. Ein Roboteroberkörper kann Teil eines vollständigen humanoiden Roboters sein oder mit einem feststehenden Roboterarm und einer mobilen Basis bzw. einem Roboterarm mit einer geschickten Hand kombiniert werden, um Aufgaben wie das Aufnehmen und Platzieren von Komponenten, Verschrauben, Einsetzen und Entfernen von Steckverbindern, Schalterbetätigung, Handhabung von Kartons, Bedienung von Elektrowerkzeugen, bildverarbeitungsgeführtes Greifen, Kommissionierung in Lagern, Automobilmontage, Montage von 3C-Elektronik, Laborarbeiten und medizinische Unterstützung auszuführen.

Im Zentrum dieser Anwendungen stehenRoboter-Gelenkmodule, die eine entscheidende Rolle bei der Bereitstellung der erforderlichen Bewegung, des Drehmoments, der Präzision und der Reaktionsfähigkeit spielen.

Kleinere Gelenke legen im Allgemeinen den Schwerpunkt auf geringes Gewicht und schnelle Reaktion, während größere Gelenke eine höhere Drehmomentdichte und Zuverlässigkeit erfordern. Eine gute Gelenklösung besteht nicht einfach darin, dasselbe Modul zu vergrößern oder zu verkleinern. Stattdessen sollte jedes Gelenk präzise auf seine spezifischen Last-, Bewegungsbereichs- und Steuerungsanforderungen abgestimmt werden.

Die Roboter-Gelenkmodule von HONPINE umfassen vier Serien harmonischer Gelenkmodule —HPJM,TCHL,HAU undHAG— sowie die Planeten-Gelenkmodulserien HPA und JRM.

In diesem Artikel verwenden wir die HONPINE HPJM-Serie als Beispiel, um eine Roboter-Gelenkmodullösung für die oberen und unteren Gliedmaßen humanoider Roboter vorzustellen.

Gelenklösung für die oberen Gliedmaßen humanoider Roboter: Drehmomentgestufte Konfiguration für Schulter, Ellbogen und Handgelenk

Handgelenk und Finger: 3–10 Nm

Die Handgelenk- und Fingergelenke gehören zu den kleinsten Gelenken eines humanoiden Roboters. Sie erfordern ein äußerst geringes Gewicht und eine schnelle Reaktion, um agile Bewegungen zu ermöglichen.

Die HONPINE HPJM-RE30-40-Serie bietet ein Spitzendrehmoment von 3.3–4.8 Nm bei einem Gewicht von nur 0.19 kg und eignet sich daher hervorragend für Handgelenke, Finger und andere distale Gelenke.

Mit einem breiten Spannungsbereich von 24–48 V, CAN-Kommunikation und einem hochintegrierten Design bietet das Modul eine kompakte Lösung für leichte Gelenke humanoider Roboter.

Ellbogen: 20–50 Nm

Das Ellbogengelenk muss die Last von Unterarm und Hand tragen und gleichzeitig einen ausreichenden Bewegungsbereich bereitstellen.

Die HONPINE HPJM-RE50-60-Serie bietet bis zu 34 Nm Spitzendrehmoment bei einem Gewicht von 0.45 kg. Es sind Untersetzungsverhältnisse von 51, 81 und 101 verfügbar, wodurch sie eine praktische Wahl für Ellbogengelenke humanoider Roboter ist.

Für Anwendungen, die ein höheres Drehmoment erfordern, bietet die HPJM-RE60-70-Serie bis zu 66 Nm Spitzendrehmoment und unterstützt höhere Nutzlastanforderungen.

Schulter: 50–150 Nm

Die Schulter ist eines der größten Gelenke der oberen Gliedmaßen. Sie muss das Gewicht des gesamten Arms tragen und gleichzeitig einen großen Bewegungsbereich ermöglichen.

Die HONPINE HPJM-RE70-80-Serie bietet 69–108 Nm Spitzendrehmoment, während die HPJM-RE80-97-Serie bis zu 217 Nm Spitzendrehmoment liefert und damit ein breites Spektrum an Anforderungen für Schultergelenke von Leichtbau- bis zu Anwendungen mit höherer Last abdeckt.

Die Version mit zwei Encodern unterstützt sowohl CAN als auch EtherCAT und ermöglicht eine präzisere Synchronisierung und koordinierte Steuerung über mehrere Robotergelenke hinweg.

Leichtbauweise für die oberen Gliedmaßen humanoider Roboter

Eine gemeinsame Priorität bei Gelenken der oberen Gliedmaßen humanoider Roboter ist die Gewichtsreduzierung.

Im Vergleich zur Standard-PRO-Serie derselben Größenklasse ist die HONPINE HPJM-REPRO-S-Serie etwa 15%–30% leichter. Dies kann insbesondere für humanoide Roboter wertvoll sein, bei denen die Kontrolle des Gesamtgewichts des Systems entscheidend ist.

Gelenklösung für die unteren Gliedmaßen humanoider Roboter: Ausgleich zwischen hoher Belastbarkeit und Leichtbauweise

Gelenke der unteren Gliedmaßen sind deutlich höheren Belastungs- und Stoßanforderungen ausgesetzt als viele Gelenke der oberen Gliedmaßen. Die zentrale Herausforderung besteht darin, Drehmomentkapazität, Strukturfestigkeit, Reaktionsfähigkeit und Gewicht in Einklang zu bringen.

Knöchel: 30–80 Nm

Das Sprunggelenk spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung des Gleichgewichts und erfordert eine schnelle Reaktion in Verbindung mit ausreichender Drehmomentkapazität.

Die Serien HONPINE HPJM-RE50-70 und HPJM-RE60-70 können für Sprunggelenkanwendungen eingesetzt werden und bieten 34–66 Nm Spitzendrehmoment bei Gewichten von etwa 0.6–0.8 kg.

Dies schafft ein Gleichgewicht zwischen Reaktionsgeschwindigkeit und Tragfähigkeit für Sprunggelenke humanoider Roboter.

Knie: 80–200 Nm

Das Kniegelenk ist beim Gehen, Hocken und anderen dynamischen Bewegungen erheblichen Stoßbelastungen ausgesetzt. Daher erfordert es eine hohe Drehmomentkapazität und einen zuverlässigen Betrieb.

Die HONPINE HPJM-RE80-97-Serie bietet 121–217 Nm Spitzendrehmoment, während die HPJM-RE80-110-Serie bis zu 217 Nm Spitzendrehmoment bietet, wodurch diese Serien für eine Reihe von Knieanwendungen humanoider Roboter geeignet sind.

Die große Hohlkonstruktion mit einer Durchgangsbohrung von 27 mm erleichtert die interne Kabelführung sowie die Durchführung pneumatischer oder hydraulischer Leitungen.

Hüfte: 150–800 Nm

Die Hüfte ist eines der größten und am stärksten belasteten Gelenke eines humanoiden Roboters. Sie muss das gesamte Körpergewicht des Roboters tragen und gleichzeitig mehrachsige Bewegungen ermöglichen.

Die HONPINE HPJM-RE100-120-Serie bietet 267–459 Nm Spitzendrehmoment, während die HPJM-RE110-145-Serie bis zu 491–800 Nm Spitzendrehmoment liefert und Hochdrehmomentoptionen für hochbelastbare Hüftgelenkanwendungen bereitstellt.

Das Produkt ist für eine Lebensdauer von mehr als 10,000 Stunden ausgelegt und behält unter festgelegten Bedingungen für Dauerdrehmoment seine Genauigkeit bei, was eine langfristige Betriebszuverlässigkeit unterstützt.

Warum integrierte harmonische Gelenkmodule für humanoide Roboter wichtig sind

Bei den unteren Gliedmaßen humanoider Roboter besteht eine der wichtigsten technischen Herausforderungen darin, das richtige Gleichgewicht zwischen hoher Tragfähigkeit und Leichtbauweise zu erreichen.

Die HONPINE HPJM-Serie kombiniert ein Harmonic-Drive-Getriebe mit einem rahmenlosen Drehmomentmotor und bietet eine hohe Drehmomentdichte in einer kompakten Bauform. Ein Kreuzrollenlager bietet eine hohe axiale und radiale Tragfähigkeit und zugleich eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Stoßbelastungen.

Diese integrierte Architektur kombiniert die für ein Robotergelenk erforderlichen Hauptkomponenten in einem kompakten Modul und trägt dazu bei, die Komplexität und das Gesamtgewicht der Gelenkbaugruppe zu reduzieren.

Roboter-Gelenkmodule und der Arbeitsraum humanoider Roboterarme

Die grundlegendste Funktion eines Roboterarms besteht darin, nach außen zu greifen. Die eigentliche Herausforderung besteht jedoch darin, ob der Arm einen ausreichend großen Arbeitsraum abdecken, Ziele mit der geeigneten Haltung erreichen und wirksam mit dem Bildverarbeitungssystem, dem Rumpf und den unteren Gliedmaßen des Roboters zusammenwirken kann.

Die obere Gliedmaße wirkt als auskragendes Bauteil und erzeugt daher eine Last mit langem Hebelarm. Bei einem humanoiden Roboter kann das Gewicht des Arms selbst erhebliche Kippmomente auf Hüfte, Taille und untere Gliedmaßen erzeugen.

Ein integriertes Roboter-Gelenkmodul kann dazu beitragen, das Gewicht und die Komplexität jedes Gelenks zu reduzieren und gleichzeitig das für die Anwendung erforderliche Drehmoment sowie die Steuerungs- und Bewegungsleistung beizubehalten. Dies ermöglicht kompaktere und reaktionsschnellere Roboterarme für humanoide Roboter und unterstützt zugleich koordinierte Ganzkörperbewegungen.

Kontaktieren Sie HONPINE, um mehr über unsere Roboter-Gelenkmodule zu erfahren und eine geeignete Gelenklösung für Ihre Anwendung mit humanoiden Robotern zu besprechen.