机器人关节减速电机的理想设计方法(MIT 迷你猎豹)

在设计机器人时,执行机构的允许质量和所需的输出扭矩由所使用的环境决定。然而,这些需求还是能够预留一个比较大的设计空间让我们来选择合适尺寸的电机和传动比。我们开发出来一种执行机构的设计方法,使力量控制在高度动态的环境下的应用。该方法在给定的致动器重量约束下,优化了用于高精度本体感受力控制的电机选择和传动比。我们在MIT迷你猎豹的主执行器设计中使用了该方法。

关节电机示意

设计动机

MIT猎豹的高速腿式运动需要机器人腿具有大的加速度和扭矩。由于跑步时是在高度动态的环境下,腿的可变阻抗是需要的。然而现有的驱动策略无法满足需求。通常,电动机通过高传动比来实现所需的扭矩输出和封装尺寸。高减速比限制了控制策略的选择。例如,闭环控制仅限于速度相对较慢的动力学。串联弹性执行机构增加了很多附加执行机构,增加了系统的复杂性和惯性。我们相信存在更好的方式。最后,我们开发了一种新颖的执行机构,在许多应用场景中都是最优的。

设计目标

致动器的设计方法旨在于为我们提供理想的致动器。对于MIT的猎豹来说,理想的驱动器要具有如下条件:

1.适当的扭矩输出。显然,执行器必须能够输出所需的扭矩,这个值可能是相当高的。例如,在高速跑步中,地面的反作用力是体重的几倍。

2.高转矩密度。扭矩密度,或连续输出扭矩/质量,相关输出驱动器的大小和重量。扭矩密度越高越好,因为它允许一个更小,更轻和更可逆的驱动器。

3.抗逆向载荷冲击能力高。执行器越可以向后驱动,就越容易移动末端执行器并反向驱动变速器。高回驱动能力保护系统免受环境影响,特别是意外环境影响的损伤。

4.高透明度。透明描述了能量在执行器和末端执行器之间双向流动的容易程度。高透明度允许能量再生,延长电池寿命和使用有效的控制策略,如开环阻抗控制。一个高度可反向驱动的驱动器通常也是高度透明的。

5.效率高。在机器人移动应用中,效率当然是至关重要的—效率越高越好。

实现原理

通过对典型无刷电机的量纲分析,给出了关键的度量指标:间隙半径。即从旋转轴到转子与定子间隙中心的距离。

尤其重要的,我们看到输出转矩与间隙半径的平方成正比,质量与间隙半径成正比,假设转子和定子的厚度保持不变的情况下。因此,我们可以权衡电动机的大小和传动比。对于给定的执行器质量预算和所需的输出扭矩,我们可以使用带有小齿轮箱和减速比的大间隙半径电机,或带有大齿轮箱和减速比的小间隙半径电机,或任何介于两者之间的东西。这种设计方法的最终目标是在这些条件下,考虑组件的惯性、反射齿轮动力学、定向齿轮损耗和期望的控制策略,并输出最优的致动器设计。然而,并不是所有必要的模型都存在(如:定向齿轮损耗)。我们正在努力生成这些模型和创造一个优越的致动器设计工具。然而,以MIT的猎豹为例,考虑到驱动器与环境之间持续的双向交互作用,最小的齿轮传动比显然更优越。这是最佳的最大差距半径,因为这最大限度地提高扭矩密度,同时最小化齿轮传动比。更重要的是,最大限度地提高齿轮传动比可以最大限度地提高扭矩产生效率,这与电机常数有关,相当于扭矩的平方每单位欧姆功率损耗:

因此,我们看到,在许多机器人应用中,最优电动执行机构使电机的间隙半径最大,齿轮传动比最小。

实现的设计结果

为了验证这个方法,我们在MIT猎豹上实现了它。我们使用现有的Emoteq HT-5001三相永磁同步电动机,其间隙半径为77.5毫米,构造了一套定制的电动机。使用一级减速从而获得最小的摩擦损失。

实验表明,执行器优化设计方法实际上允许对猎豹的腿进行高强度的控制,如图所示。

更重要的是,这个设计方法设计出了一个高效的驱动器。下图是与类似产品的对比。

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