Weiterentwicklungen Bei Antriebslösungen Für Radroboter

EINFÜHRUNG

Ingenieure und Wissenschaftler gehen davon aus, dass in den kommenden Jahren Roboter wesentlich zu unserem Leben dazugehören und in allen Bereichen, einschließlich Landwirtschaft, Krankenhäusern, Wartung, Bauwesen und sogar Zuhause, vertreten sein werden. Sie können Menschen in vielen Industriebranchen ersetzen, insbesondere wenn große Präzision gefragt ist. Roboter werden Aufgaben übernehmen, die von Menschen nur schwierig korrekt durchzuführen sind. Oder sie werden Menschen in Situationen ersetzen, die als gefährlich gelten. In vielen dieser Branchen werden sich die Anwendungen verstärkt auf radgetriebene Roboter konzentrieren.

Radroboter bewegen sich am Boden über motorisierte Räder, die sie antreiben. Dieses Design ist einfacher als Trittflächen oder Füße, und durch Nutzung von Rädern können sie einfacher entwickelt, gebaut und programmiert werden, um sich auf einem flachen, nicht übertrieben rauen Gelände fortzubewegen. Radroboter sind auf dem Verbrauchermarkt beliebt, da ihre Differentiallenkung kostengünstig und benutzerfreundlich ist. Roboter können über eine beliebige Anzahl von Rädern verfügen, aber drei Räder sind für das statische und dynamische Gleichgewicht ausreichend. Zusätzliche Räder können für ein besseres Gleichgewicht sorgen. Hier sind jedoch weitere Mechanismen notwendig, um alle Räder auf dem Boden zu halten, insbesondere wenn das Gelände nicht vollkommen eben ist. Die Antriebslösung besteht aus Motoren, die an Getriebe gekoppelt sind, um die Räder anzutreiben, wodurch die Drehmomentkapazität für eine bessere Antriebsfähigkeit erhöht wird.

In diesem Artikel werden Marktbedarf und -nachfrage, Anwendungsanforderungen, Auswahlkriterien, technologische Vorteile und künftige Weiterentwicklungen dieser Roboter behandelt.

MARKTBEDARF UND -NACHFRAGE

Es besteht eine enorme Nachfrage nach Robotern in Krankenhäusern zur Infektionskontrolle, für Gesundheitsdienste, medizinische Abfallentsorgung, Entsorgung biochemischer Proben und allgemeine medizinische Aufgaben. Diese Nachfrage ist im Rahmen der aktuellen weltweiten COVID-19-Pandemie um ein Vielfaches angestiegen. Ein weiterer Wachstumsmarkt ist die Branche Luftfahrt und Verteidigung (A&D), wo Robotern bei Überwachungs- und Militäreinsätzen ein großer Stellenwert zukommt. Ein aufsteigender Markt ist die Rohrleitungsinspektion (z. B. in Unterwassersystemen), bei der Rohrleitungen durch Fahrroboter geprüft werden, wobei Fotos gemacht werden, um Risse oder Defekte in der Infrastruktur leichter erkennen zu können. Die wichtigsten Anforderungen an Produkte, die bei diesen Anwendungen zum Einsatz kommen, sind:

Kompakt und leicht
Hohes Drehmoment
Hohe Haltbarkeit (lange Lebensdauer)
Geringer Rauschpegel (Krankenhaus und A&D)
Hohe Effizienz und niedriger Stromverbrauch

ANWENDUNGSANFORDERUNGEN

(Abbildung 1)Typische Produkte, die in Robotern zum Einsatz kommen, sind Bürsten- oder bürstenlose Gleichstrommotoren, die mit kompakten Planetengetrieben kombiniert werden. Die Anforderungen fallen je nach Anwendung unterschiedlich aus. Typische Spezifikationen von Antriebslösungen sind:

Motor: Eisenloser Gleichstrom-Bürstenmotor/bürstenloser Gleichstrommotor
Getriebe-Konfiguration: Planetengetriebe – 2/3 Stufen, Übersetzungsverhältnis 30:1 bis 120:1
Einbaugröße: < 40 mm Durchmesser
Getriebe-Abtriebsdrehmoment: 4 bis 8 Nm
Getriebe-Abtriebsdrehzahl – 50 bis 150 U/min.

AUSWAHLKRITERIEN

Bei Entwicklung eines anwendungsgerechten Roboters ist die Auswahl eines Motors und Getriebes eine wichtige Aufgabe. Die zu berücksichtigenden Hauptaspekte werden in Abbildung 2 zusammengefasst.

In einem ersten Schritt bei Auswahl eines Motors und Getriebes sind die Betriebsbedingungen und Höchstanforderungen festzulegen, denen das Produkt ausgesetzt ist. Bei Entwicklung und Auswahl eines Motors und Getriebes ist es somit entscheidend, die erforderliche Abtriebsdrehzahl und das benötigte Abtriebsdrehmoment des Rads festzulegen.

Drehmoment
Es ist einfacher, zuerst das erforderliche Abtriebsdrehmoment zu ermitteln und dann die anderen Werte für Motor und Getriebe festzulegen. Das Drehmoment des Rads sollte je nach Roboterbeschleunigung, Raddurchmesser, Tragfähigkeit (ausreichender Wert, um den gesamten Roboter bei Ausfall der Aktuatoren oder Radschlupf ziehen zu können), Steigungsfähigkeit und Überwindungsfähigkeit von Hindernissen ermittelt werden. Reibung und Effizienz sollten bei Berechnung des endgültigen Drehmoments ebenfalls berücksichtigt werden.

Drehzahl
Nach Festlegen des Drehmoments wird in einem nächsten Schritt die Drehzahl ermittelt, die zum Drehen des Rads benötigt wird. Legen Sie zunächst die gewünschte Drehzahl des Rads (d. h. endgültige Abtriebsdrehzahl) fest, bevor Sie Motoren und Getriebe auswählen. Der Roboterhersteller legt generell die Drehzahl endgültig fest, mit welcher der Roboter angetrieben werden soll, wobei der Raddurchmesser für die benötigte Abtriebsdrehzahl des Rads entscheidend ist.

Einbauraum
Nachdem die grundlegenden Leistungskenndaten des benötigten Motors festgelegt wurden, wird im nächsten Schritt sichergestellt, dass die gesamte Motoreinheit (Encoder + Bremse + Motor+ Getriebe) in Ihren Roboter passt und einwandfrei eingebaut werden kann. Mit dem Encoder kann gemessen werden, wie weit sich die Antriebswelle des Motors dreht. Das Bremssystem hilft, das Drehmoment zu halten und eine dynamische Bremsung im Notfall zu gewährleisten. Es gibt verschiedene Typen von Encodern und Bremsen, die bei Robotern zum Einsatz kommen.

Spannung
Über die Betriebsspannung wird der Motor angetrieben. Typischerweise gilt: Je höher die Spannung, desto größer die Drehzahlfähigkeit des Motors. Sie können anhand der Spannungskonstante (Gegen-EMK-Konstante) im Datenblatt des Motors festlegen, wie schnell sich der Motor pro Volt dreht.

Betriebstemperatur
Dies ist oft kein Problem, aber wenn Ihre Motoreinheit eingekapselt ist, möchten Sie bestimmt eine Überhitzung des Motors vermeiden. Der Temperaturbereich für das Getriebe muss beachtet werden, da die Temperatur die Langzeitschmierung beeinflussen und die Leistung mit der Zeit beeinträchtigen kann.

Gewicht
Sie müssen die Masse der Last kennen, um das Drehmoment bei Motorauswahl festlegen zu können. Eine Schätzung der Masse (oder noch besser die eigentliche Masse) ist bei Auswahl eines Motors entscheidend. Bei Entwicklung eines Motors auf der Grundlage einer Schätzung sollte eine Sicherheitsmarge von ca. 25 % angewendet werden. Mit der Drehmoment-Konstante im Datenblatt des Motors kann ermittelt werden, wie hoch das Abtriebsdrehmoment pro Ampere ist.

Kosten
Manchmal kann es verlockend sein, Getriebe von Grund auf neu zu bauen, da dies günstiger sein könnte. Wenn Sie sich jedoch Zeit nehmen möchten, das neue Getriebe zu entwickeln, zusammenzubauen und zu testen, ist es oft günstiger, das Getriebe aus einem Standardkatalog auszusuchen.

Präzision/Genauigkeit/Effizienz
Wie modern sollte Ihr Getriebe sein? Radmotoren vertragen oft etwas weniger Präzision und Genauigkeit. Diese Getriebemotoren werden auf unterschiedlichem Gelände und für verschiedene Drehmomentprofile verwendet. Aber da nicht bei allen Anwendungen eine hohe Leistung (wie geringeres Rauschen/weniger Schwingungen) benötigt wird, ist eine geringere Präzision tolerierbar. Bei einem Roboterarm oder -instrument sind jedoch oft spielarme Systeme mit höherer Präzision und Genauigkeit notwendig.

Zuverlässigkeit und Rauschpegel
Bei den meisten Anwendungen ist höhere Zuverlässigkeit der treibende Faktor. Außerdem muss die Motoreinheit den erforderlichen Arbeitspunkten standhalten können. Bei einigen wichtigen Anwendungen, wie Überwachungsrobotern, ist ein geringer Rauschpegel zusammen mit höherer Zuverlässigkeit ein ausschlaggebender Faktor, sodass Motor und Getriebe diese beiden Anforderungen erfüllen muss.

Nehmen wir ein Beispiel. Bei einer Anwendung mit einem Radroboter wird eine Produktspezifikation für die Antriebslösung von Portescap mit folgenden Angaben erstellt:

Motordetails: – Gleichstrom-Bürstenmotor DC 35 GLT
Hauptgetriebe: – Planetengetriebe, 3 Stufen, Stirnrad, 99,8 gesamte Getriebeübersetzung

TECHNOLOGISCHE VORTEILE

Viele Radroboter nutzen eine Differentiallenkung, bei der separat angetriebene Räder zum Fortbewegen verwendet werden. Ein harmonisches Design besteht aus einem 4-Rad- Roboter mit jeweils 2 Paaren von Antriebsrädern. Jedes Paar dreht sich in dieselbe Richtung. Wenn sich die Radpaare nicht mit derselben Geschwindigkeit fortbewegen, bewegt sich der Roboter langsamer und kann nicht geradeaus fahren. Ein optimales Design besitzt einen Differentiallenkmechanismus, ähnlich wie bei einem Auto, das dem Roboter ermöglicht, nach links oder rechts abzubiegen. Dafür ist nur ein einziger Motor notwendig. Bei einer anderen üblichen Roboterkonfiguration kommen Motoren zum Einsatz, deren Räder nicht mit der Differentiallenkung, sondern unabhängig voneinander angetrieben werden. In diesem Fall muss jedes Rad mit separaten Motoren bewegt werden.

Die allgemeinen Spezifikationen der Lösung sind wie folgt definiert:

Einbaugröße: – 32 mm Durchmesser x 115 mm Länge
Getriebe Abtriebsdrehmoment-Kapazität: 8 Nm
Getriebe Abtriebsdrehzahl: 80 U/min
Lebensdauer: – 1.000 Stunden
Höchsttemperatur: – 125 °C

Ein Portescap Produkt besitzt den Vorteil, weniger Stauraum zu benötigen sowie eine höhere Drehmomentkapazität und größere Haltbarkeit zu besitzen, und ist somit für zahlreiche Radroboter- Anwendungen geeignet.(Abbildung 3)

KÜNFTIGE WEITERENTWICKLUNGEN BEI RADROBOTERN

Der größte Nachteil der Radroboter besteht darin, dass sie nicht gut auf felsigem Gelände, starkem Gefälle oder Gebieten mit geringer Reibung eingesetzt werden können. Die Nachfrage nach einem Roboter, der allein diese Einschränkungen überwinden kann, steigt Tag für Tag. Dazu sind Änderungen des Robotermechanismus, wie Schienen (Differentialantrieb), kompakte 4-Rad-Lenkung, Differentialantrieb 2 Räder + passive Rolle(n), notwendig. Dies macht den Roboter komplexer und erfordert detaillierte Studien mit Auswirkungen auf den Kostenaufwand.

Ohne größere Änderungen in der gesamten Architektur vorzunehmen, können gezielte Anforderungen zur Optimierung der Antriebslösung berücksichtigt werden. In diesem Artikel werden die Verbesserungen der Antriebslösungen vorgestellt, um die Leistung der Radroboter hinsichtlich Haltbarkeit, Effizienz und niedrigem Rauschpegel zu steigern:

Neuere Lagerlösungen – Nadellager (Abbildung 4) verhindern Ausfälle durch Berühren von Kanten und ermöglichen eine leichtgängige Drehung der Planetenräder auf Planetenstiften.
Optimales Getriebe – Verzahnung in Kombination mit geringeren Torsionskräften für niedrigeres Rauschen (Abbildung 5).
Erweiterte FEA-Analyse – Hilft bei Erkennung potenzieller Störungen und deren Beseitigung in einem frühen Entwicklungsstadium (Abbildung 6).
Fortschrittliche akustische Simulation – Vorhersage von Rauschen und Optimierung des Designs für wichtige Anwendungen, bei denen der Rauschpegel ausschlaggebend ist (Abbildung 7).

WENDEN SIE SICH AN EINEN INGENIEUR

Abbildung 1 – Unterschiedliche Achskonfigurationen für typische Radroboter verstehen
Abbildung 2 – Auswahlkriterien für Motor + Getriebe
Abbildung 3 – Motor-Getriebe-Verbindung
Abbildung 4 – Neue Lagerlösung
Abbildung 5 – Getriebelösung mit niedrigem Rauschpegel
Abbildung 6 – Erweiterte FEA-Analyse
Abbildung 7 – Fortschrittliche akustische Simulation