Linearantriebe vs Rotationsantriebe: Die Kernwahl für Gelenke humanoider Roboter

Das Robotergelenkmodulist die Kernhardware humanoider Roboter und wird derzeit hauptsächlich in zwei große Kategorien unterteilt: rotierend und linear. Beim Entwurf humanoider Roboter beinhaltet die Wahl häufig Abwägungen auf der Grundlage des Anwendungsszenarios und der Herstellungskosten.

Der grundlegende Unterschied zwischen linearen und rotierenden Aktuatoren

Rotierender Aktuator: Mehrere Untersetzungsgetriebelösungen erfüllen die funktionalen Anforderungen des humanoiden Körpers

• Ein rotierender Aktuator besteht aus einem Motor (rahmenloser Torquemotor), einem Untersetzungsgetriebe (Harmonic Drive, Planetengetriebe, Zykloidgetriebe), Sensoren (Drehmomentsensor), einem Encoder und Lagern (Kreuzrollenlager, Schrägkugellager).

• Präzisions-Planetengetriebe: Geeignet für Körperteile mit hohen Lasten und starker Stoßbelastung; der Herstellungsprozess ist relativ ausgereift. In Bezug auf Verarbeitungstechnologie und Ausrüstung kann es auf hochpräzise CNC-Werkzeugmaschinenlösungen aufgerüstet werden.

• Zykloidgetriebe: Verfügt über eine Struktur, die eine primäre Planetenstufe und eine sekundäre Zykloidenstufe kombiniert, wodurch eine flexible Anpassung an die Anforderungen verschiedener Körperteile möglich ist. Es gibt einen Trend zur Beschleunigung bei der Entwicklung und Iteration neuer Modelle, wobei einige Hersteller gezielte Leichtbauprozesse entwickeln.

• Harmonic-Drive-Getriebe: Ein hochpräzises, leichtes Untersetzungsgetriebe, das für Positionen wie die oberen Gliedmaßen humanoider Roboter geeignet ist. Zu den Innovationen in den Herstellungsverfahren gehören der Einsatz des Feinschneidens für Kernkomponenten des Getriebes sowie die Herstellung von Mikro-Getriebeteilen.

Linearer Aktuator: Motor + lineare Komponenten - Wie Schieben/Ziehen Roboterbewegung + Last ermöglicht?

Ein linearer Aktuator besteht aus einem Motor (rahmenloser Torquemotor), einer Spindel (Planetenrollengewindetrieb, Kugelgewindetrieb) und Sensoren (Drehmomentsensor).

Aufgrund bestehender Bearbeitungsschwierigkeiten verwenden Mikro-Getriebe für geschickte Hände hauptsächlich Trapezgewindespindeln oder Kugelgewindetriebe. Größere Aktuatoren können Planetenrollengewindetriebslösungen nutzen.

Die Kugelgewindetriebstechnologie ist relativ ausgereift; die Schwierigkeit bei der Bearbeitung liegt in der Bearbeitung der inneren Laufbahn der Mutter, insbesondere darin, Schleifscheibeninterferenzen bei Muttern mit großen Steigungen zu vermeiden.

Planetenrollengewindetriebe werden in Standardtyp, inversen Typ usw. unterteilt. Zu den Bearbeitungsverfahren gehören Schleifen und Drehen als Ersatz für Schleifen.

Unterschiede in den Anwendungsszenarien für lineare und rotierende Aktuatoren

• Rotierende Aktuatoren ermöglichen eine Rotation um eine einzelne Achse und geben eine Drehbewegung aus, wodurch humanoide Roboter verschiedene Rotationsbewegungen in unterschiedlichen Winkeln ausführen können. Sie werden typischerweise in Gelenken eingesetzt, die ein hohes Drehmoment erfordern, wie Schultergelenke, die Taille und Hüftgelenke.

• Kostenperspektive: Innerhalb des rotierenden Aktuators entfallen auf das Harmonic Drive, den Drehmomentsensor und den rahmenlosen Torquemotor relativ hohe Kostenanteile von ungefähr 36.0%, 30.0% beziehungsweise 13.5%, was zusammen etwa 79.5% der Kosten des rotierenden Aktuators ausmacht.

• Lineare Aktuatoren wandeln die Drehbewegung des Motors in eine lineare Ausgangsbewegung um und bieten eine gute Stützleistung sowie Tragfähigkeit. Sie werden hauptsächlich in Szenarien mit hohen Lasten und kleinen Rotationswinkeln eingesetzt, wie bei Knien, Ellenbogen und Knöcheln.

• Kostenperspektive: Bei linearen Aktuatoren entfallen auf den Planetenrollengewindetrieb, den Kraftsensor und den rahmenlosen Torquemotor relativ hohe Kostenanteile von ungefähr 64.2%, 16.1% beziehungsweise 7.2%, was zusammen etwa 87.5% der Kosten des linearen Aktuators ausmacht.

Vor- und Nachteile linearer und rotierender Aktuatoren

Rotierende Aktuatoren: Die Produktion und Anwendung rotierender Aktuatoren sind relativ ausgereift und wurden auf dem globalen Markt validiert. Sie eignen sich für Großwinkel-Drehgelenke wie Schultern und Hüften. Sie bieten einen hohen Übertragungswirkungsgrad, und ihre Übertragungsgenauigkeit kann die Anforderungen der meisten humanoiden Roboter erfüllen. Im Vergleich zu linearen Aktuatoren besitzen rotierende Aktuatoren stärkere dynamische Eigenschaften und einen hohen Integrationsgrad.

Lineare Aktuatoren: Der Planetenrollengewindetrieb in linearen Aktuatoren kann durch vorgespannte Muttern leicht eine aufrechterhaltene Steifigkeit und eine spielfreie Übertragung erreichen. Aufgrund des Linien-/Flächenkontakts behalten Planetenrollengewindetriebe eine gute Steifigkeit bei, was für präzise und stabile Operationen der oberen Gliedmaßen vorteilhafter ist.

Lineare Aktuatoren haben jedoch schwächere dynamische Eigenschaften: Aufgrund des hohen Untersetzungsverhältnisses ist die Ausgangsgeschwindigkeit bei gleicher Leistungsdichte relativ niedrig, und die Bandbreite ist schmal, was der Erreichung hochdynamischer Bewegungen nicht förderlich ist (im Vergleich zu Gelenken mit Planetengetriebe oder hydraulischen Antrieben).

Darüber hinaus ist die Systemintegration relativ gering, und die Kosten sind hoch. Das Gelenkende kann externe Kräfte nicht über die Stromschleifenmethode wahrnehmen; die Kraftregelung muss sich auf einen zusätzlichen Kraftsensor stützen, der am Gelenkende installiert ist, was zu einer geringeren Systemintegration und höheren Kosten führt.Derzeit stellt die von Tesla verwendete RVI (Inverted Planetary Roller Screw)-Konfiguration erhebliche Herausforderungen an die Bearbeitungstechnologie.

Sowohl lineare als auch rotierende Aktuatoren haben ihre eigenen Vorteile in Bezug auf Bewegungsform, strukturelle Eigenschaften, Leistungsparameter und Anwendungsszenarien. Derzeit bleiben rotierende Aktuatoren, insbesondere rotierende Harmonic-Drive-Aktuatoren, die Mainstream-Wahl auf dem Markt. Die Auswahl des richtigen Aktuators ist eine wichtige Entscheidung in der Forschung und Entwicklung humanoider Roboter.