유용한 무게를 들어 올릴 수있는 로봇 팔을 만들고 싶습니다 (예 : 약 1.25 미터까지 뻗을 수있는 팔에 3-6kg). 이를 위해 어떤 액추에이터를 사용할 수 있습니까? 주요 요소와 디자인 포인트는 다음과 같습니다.
답변:
어떤 액추에이터 응용 프로그램에 적합 당신이 구축하고자 팔 종류의 로봇의 작업에 매우 의존한다. 원하는 암 종류를 결정한 후에 는 각 축에 적합한 액츄에이터 를 결정할 수 있습니다 .
설명에서 갠트리 로봇 이 실행 가능하지 않다고 가정하면 특정 용도에 따라 대부분의 사람들이 로봇 팔 을 생각할 때 생각되는 관절 팔 보다 SCARA 팔 을 고려할 수 있습니다 .
SCARA 암의 가장 큰 장점은 대부분 리프팅 강도가 베어링에 있다는 것입니다. 주 어깨, 팔꿈치 및 손목 (요) 조인트는 평평한면에 있습니다. 즉, 모터는 필요한 측면 힘을 생성 할 수있을만큼 강해야하며 나머지 축의 무게를 지탱할 필요가 없습니다.
Z 축, 피치 및 롤 (및 그립)은 모두 중력에 대해 작동해야하지만 Z 축은 충분한 무게를 지탱할 수있을 정도로 기어를 쉽게 조작 할 수 있으며 피치, 롤 및 그립 축만 지원하면됩니다. 다른 축의 무게가 아닌 페이로드 무게.
많은 축이 운동 학적 체인 아래로 모든 축의 무게를 지탱해야하는 관절 식 암과 비교하십시오 .
일반적으로 갠트리 로봇은 선형 액추에이터 를 사용합니다. 기본 X, Y 및 Z 축에 를 사용합니다. 서보 또는 스테퍼 드라이브가있는 리드 스크류와 같은 낮은 성능, 낮은 정확도, 높은 힘의 액추에이터 일 수 있습니다 (힘과 성능은 교역 될 수 있지만 정확도는 항상 백래시로 제한됨). 정밀 엔코더가 장착 된 다이렉트 드라이브 리니어 모터.
나머지 3DOF 조작기는 일반적으로 피치, 롤 및 요에 대해 정밀한 회전 운동이 필요하므로 일반적으로 전기 모터 (스테퍼 또는 서보)가 가장 적합합니다. 합리적으로 높은 기어링을 가진 작은 모터조차도 상당히 높은 하중에 대해 중력에 저항 할 수 있습니다.
서보 (1) 와 스테퍼 의 차이점은 제어의 복잡성과 확실성 간의 절충입니다.
서보 모터에는 위치 피드백을위한 인코더가 필요하지만 스테퍼는 필요하지 않습니다. 즉, 스테퍼가 전기적으로 훨씬 간단 하고 성능이 낮은 경우 제어 관점에서 더 간단합니다.
그래도 모터를 최대한 활용하려면 한계에 가깝게 밀어 넣으면 스테퍼가 예측하기가 훨씬 어려워집니다. 서보에서 위치 피드백을 사용하면 성능을 훨씬 더 적극적으로 조정할 수 있으며 목표 위치 또는 속도에 도달하지 못하면 서보 루프가이를 찾아 수정합니다.
당신이 할 수 있도록 스테퍼를 사용하면 시스템 조정이 보장 은 할 수 항상 상관없이 페이로드의 이동 또는 무게의 원하는 속도의 단계를합니다. 어떤 사람들은 스테퍼 모터에서 누락 된 단계를 감지하기 위해 인코더를 추가 할 것을 제안하지만, 그렇게하려면 먼저 서보 모터를 사용했을 것입니다!
SCARA 암을 사용하면 Z 축이 유일한 선형 축인 반면 나머지 축은 모두 회전 모터로 수행 할 수 있으므로 스테퍼 또는 서보 모터를 다시 사용할 수 있습니다. 이 모터의 크기 조정은 무게가 덜 나가기 때문에 상대적으로 쉽습니다. 부하의 관성을 극복하는 데 필요한 모터는 중력을 극복하기 위해 크기를 정하는 것보다 작습니다.
굴절 식 암을 사용하면 대부분의 축에 하중을 옮기고 들어 올릴 수있는 크기의 액추에이터가 필요하기 때문에 계산이 더 까다 롭지 만 전기 모터를 제어하고 사용하는 것이 가장 쉽습니다.
마지막으로 그리퍼가 있습니다. 여기에서 가장 다양한 액추에이터를 볼 수 있습니다. 어플리케이션에 따라 다양한 액츄에이터를 쉽게 사용할 수 있습니다.
나는 전통적인 모터 구동 그리퍼, 선형 작동 그리퍼, 피에조 플렉스 그립, 공압 작동 그리퍼, 진공 픽업 및 간단한 슬롯 또는 후크가있는 시스템을 사용했습니다. 일반적인 페이로드에 따라 액추에이터가 크게 변경 될 수 있습니다. (2)
으로 Rocketmagnet는 제안 궁극적으로 당신은 당신의 계산기를 중단해야 할 것입니다.
시스템의 운동학, 각 모터의 최대 부하 (인공 암 설계를 사용하는 경우 암이 완전히 확장 된 최악의 경우를 고려), 속도 (기어링이 높은 소형 모터가 제공 할 수 있음)를 고려해야합니다. 속도없이 필요한 힘, 그러나 더 강력한 모터는 기어링 속도가 낮고 속도 등이 높을수록 더 높은 토크를 줄 수 있으며 필요한 위치 정확도입니다.
일반적으로 문제에 더 많은 돈을 투자할수록 더 나은 성능 (속도, 정확도, 전력 소비)을 얻을 수 있습니다. 그러나 사양을 분석하고 현명한 구매 결정을 내리면 로봇의 가격 / 성능을 최적화 할 수 있습니다.
(1) 나의 경험은 산업용 서보 , 일반적으로 로터리 엔코더가있는 브러시 또는 브러시리스 DC 모터에 관한 것이므로 취미 RC 서보 에는 적용되거나 적용되지 않을 수 있습니다 .
(2) 이것에 대해 다른 질문을 게시하는 것이 좋습니다.
액추에이터를 선택할 때는 엔드 이펙터에 필요한 전력량을 계산하여 시작하는 것이 좋습니다. '너무 느리지 않다'고 말할 때, 특히 다른 하중 조건에서 이것이 의미하는 바를 알아야합니다.
예를 들어 다음과 같이 말할 수 있습니다. 0.2m / s에서 6kg, 0.5m / s에서 0kg
팔의 예상 무게를 추가하십시오 : 0.2m / s에서 10kg 및 0.5m / s에서 4kg
이제 전력을 계산하십시오 : 100N * 0.2m / s = 20W 및 40N * 0.5m / s = 20W
따라서 엔드 이펙터에서 최대 출력은 20W입니다. 입니다. 20W 이상을 편안하게 생산할 수있는 액추에이터가 필요합니다.
전기 모터를 액추에이터로 사용하기로 결정했다고 가정합니다. 이들은 여전히 강력한 전기 로봇 시스템을 위해 선택된 액추에이터입니다. (작업장을 태우지 않고이 로봇이 근육 와이어로 성공적으로 작동하게되면 마우스를 먹습니다).
전기 모터를 사용하기 때문에 거의 확실하게 어떤 종류의 기어를 사용하게됩니다. 모터의 기어 트레인이 약 50 % 효율이라고 가정하십시오. 즉, 최소 40W의 전기 모터가 필요합니다. 이것을 신뢰할 수있는 팔로 만들고 싶다면 적어도 60W의 정격 모터를 지정합니다.
다음으로 기어 트레인을 지정해야합니다. 필요한 토크는 무엇입니까? 100N * 1.25m = 125Nm. 그러나 평소와 같이 기어 트레인에 대해서는 이보다 더 많은 토크를 지정해야합니다. 특히 부하를 위쪽으로 가속하려면 여분의 토크가 필요하기 때문입니다. 정격 하중보다 더 많은 기어 트레인을 선택하십시오.
마지막으로, 모터 비율에 기어비를 곱한 값에 효율을 곱한 값이 토크 요구 사항을 초과하지만 최대 기어 부하가 아닌지 확인하십시오.
모바일 플랫폼 : 전기 기계식 선형 액추에이터 는 모바일 플랫폼에 장착 할 수있는 경량 액추에이터에 적합합니다.
배터리 구동 식 : 전동 액추에이터 리니어 액추에이터는 서보 모터보다 적합합니다. 리니어 액추에이터는 움직일 때만 전력을 끌어와 위치를 유지하기 위해 전원이 필요하지 않기 때문입니다.
5-6 DoF : 전기 기계식 리니어 액츄에이터를 사용하면이를 달성하기가 어려울 수 있습니다. 기계적 복잡하고 움직임 범위가 제한되어 있기 때문입니다.
www.firgelli.com에서 리니어 액츄에이터를 사용해 볼 수 있습니다. 소형 리니어 액츄에이터도있어 소규모 적용에 적합합니다.
리니어 액츄에이터를 사용한 암의 기계 설계 개념 : 대부분의 지구 이동 장비에는 유압 리니어 액츄에이터가 있습니다. 리니어 액츄에이터의 조인트 중 일부는이 라인에서 구현 될 수 있습니다.
고려해야 할 두 가지 요소가 더 있습니다 : 복잡성과 비용.
산업용 로봇 팔 http://halcyondrives.com/images/robotic_arm.png의
에서 이미지 http://halcyondrives.com
일반적으로 기어 박스의 토크를 사용하여 조인트를 직접 구동하십시오. 이제 기어 감속이 지원 해야하는 토크와 크기 / 무게를 생각하십니까? 간단하고 크고 비싸기 때문에 재료는 큰 토크를 지원해야합니다.
팔을 완전히 수평으로 늘린 예를 들어 봅시다. 1m에서 6Kg의 하중 만 고려해 봅시다.. 이것은 로봇 팔 자체 무게 (쉽게 4Kg 이상)를 포함하지 않으며 단지 1m를 고려 합니다.
일부 솔루션 산업에서 사용
http://commons.wikipedia.org의 이미지
감속비가 높은 가벼운 기어 감속을 얻으려면 대부분 Strain Wave Gearing 또는 Harmonic drive를 사용하십시오 . 무게가 적고 견고하며 위키 백과에 따르면 유성 기어가 보관할 수있는 곳 (위키 백과) .
그러나 이러한 유형의 기어링은 매우 비싸고 복잡합니다.
http://www.globalrobots.ae의 이미지
다른 간단한 해결책은 이미지에서 볼 수 있듯이 카운터 웨이트를 추가하는 것입니다. 이것은 팔뚝 (나는 이름을 잊어 버림)과 팔에서 작용하는 연결 고리가 있습니다. 스프링도 도움이되며 조인트의 동일한 축에 비트 오프셋을 장착하면 팔이 더 넓어 질수록 힘이 더 커집니다.
이제 적은 비용과 복잡한 솔루션으로 기어 드라이브에서 높은 토크를 제거하여 저렴한 재료를 사용할 수 있다고 생각합니다. 순수한 전자 드라이브의 경우 이것은 선형 액추에이터 입니다.
다양한 선형 액추에이터가 있습니다. 그러나 아이디어는 팔의 어떤 지점에 달려 있는지에 따라 힘이 덜들 것이라는 것입니다.
이 유형의 액추에이터에는 많은 하위 유형이 있으며 효율성, 마모, 힘 등에 영향을 미칩니다. 그러나 일반적으로 힘이 높고 중간 속도가 상대적으로 느립니다 (다시 유형에 따라 다르며 일부 모션 플랫폼 시뮬레이터에서 사용되는 것과 같이 빠르게 다를 수 있습니다).
전기 선형 액추에이터가있는 6 개의 dof 모션 플랫폼 http://cfile29.uf.tistory.com/T250x250/195BAD4B4FDB0AF104C30F .
전기 리니어 액츄에이터는이 응용 분야에서 유압 리니어 액츄에이터를 대체하고 있으며 빠르고 강력해야하며 일부 시뮬레이터의 무게는 2 톤 이상입니다.
더 빠른 속도와 다른 간단한 방법은 벨트 또는 체인 드라이브입니다.
http://images.pacific-bearing.com의 이미지
이것은 물론 산업용으로 만들어졌으며 DIY로 만들어졌으며 응용 분야에 더 많은 것이 있습니다. ). http://bffsimulation.com/linear-act.php
모터가 출력 할 수 있으면 기어링을 적게 사용할 수 있습니다 직경이 2cm 인 풀리를 사용하면 풀 스트로크에서 (손실을 고려하지 않음).
또한이 액츄에이터의 베어링은 대부분의 반경 방향 힘을지지해야하며, "리드 스크류와 너트"에서 베어링은 대부분의 축 방향 힘을받습니다. 따라서 힘에 따라 스러스트 볼 베어링 을 사용해야합니다 .