仿生新效应 | 微电机在机械臂中的应用
- 关键词：机械臂,微电机,Faulhaber
- 摘要：众所周知，可自由移动的机械臂已广泛用于机器人，不过，您可能不知道，它也是三维空间操作非常重要的解决方案。可是人们发现，大多数解决方案难以解决转动轴驱动和机械臂稳定性之间的相互影响。
众所周知，可自由移动的机械臂已广泛用于机器人，不过，您可能不知道，它也是三维空间操作非常重要的解决方案。可是人们发现，大多数解决方案难以解决转动轴驱动和机械臂稳定性之间的相互影响。
若去除移动部件的冗余部分，机械臂的力惯性则相应减小，机械臂的重量越轻，动能则越强，同时能提供同等的稳定性。这无疑对技术提出更高要求。
我们常见的工业机械臂拥有可支撑重型工具的坚固结构，它本身的规格也较大。事实上，这些简单的设计对很多应用而言太过沉重。
易格斯的工程师打算设计一种可提起小负载并能灵活转动的拥有多轴关节的机械臂。它们不仅需要轻质及高度灵活，同时还需要可增加轴心的简单的升级选项。这些要求现在已被新的概念完美诠释，其多轴关节的概念模型由塑料制成并通过线缆控制。线缆则通过紧凑、高性能的直流无刷伺服电机来驱动手臂到肩膀的移动。这种方式能有效防止手臂惯性，允许动态运动，这意味着驱动块能集成到设计中。
仿生方法，更轻质，更高精度
为避免重蹈覆辙做无用功，工程师们选择进一步精炼人体肘关节。它将拥有两个自由度的旋转动作集成到一个关节中，从而确保部件在高精度下运动。耐磨损的塑性关节免维护、不会腐蚀也不导电。关节连接的机械臂也逐渐向轻量化结构发展。铝、碳纤维和玻璃纤维增强型塑料可提供较好的刚度和隔振效果。
和人类的手臂相比，该机器人手臂最弱的部件不是骨头（即主体管）或肌肉（即驱动电机），而是传递动力量的筋。因此，拉力强的“筋”或控制电缆由拥有高度耐磨性和拉伸力的纤维制成，而该纤维则由UHMW-PEmay（超高分子量聚乙烯）高结晶制成。
由于拉伸强度达3000-4000 N/mm，因此当长度超过400公里时才会破坏它们的固有重量。该设计可实现1∶1的负载/固有重量比，若优化结构则会更低。和传统的机械臂一样，它们可用于相机专用配件、传感器以及对轻质要求严苛的工具等新领域。未来，它们甚至可用于人体修复手术中。
由于工具、运动部件、控制模块和实际的驱动均是独立的，因此它们非常适用于移动应用。此外，该组件能从运动部件中去除，因此可减轻机械臂的质量，整体结构也更轻。每个关节还装有磁性角位置传感器，可提高精度，当与高动态电机结合时可生成拥有精确控制功能的机器人模块。
高动态性能，强大且紧凑
紧凑型驱动解决方案需在有限空间内对尽可能多的线缆进行操作，这对高水平动能，实际的功率输出及精确可控性提出更高要求，FAULHABER的电子交换伺服电机则成为最理想的选择。紧凑型电机拥有较低的运动质量和较优的体积比，这使得他们拥有理想的动态性能。
运动控制系统
其优异的热变形允许在短时间进行过载操作，尤其是在快速旋转时，这是其额外优势。此外，24 V直流工作电压非常适合电池供电，这也是移动应用的关键。电机直径仅32 mm，可在四象限模式下实现80%高效稳定的输出。扭矩为97mNm的四极电机可将直径相符的行星齿轮增加至操作机械臂所需的值。
在旋转运动应用区域不同的情况下，行星齿轮的转化系数可在1:4到1:1600或6至20 Nm之间变动，并能实现效率高达96%的连续转矩。其不锈钢外壳和塑料关节一样防水且可通过线缆控制。
事实上，除了转子轴承外，无刷电机不含任何磨损组件，这确保了其使用寿命可达数万小时。其精密齿轮也能长时间免维护保养。
电机的工作温度范围为40到100℃，齿轮为25到90℃，这意味着它们可以应对从北极到热带不同的环境条件。对构建过程中需要运动的各种应用而言，现代化伺服电机是理想的选择，因为它拥有高精度水平，使用寿命长，易于集成到控制系统，因此可用于移动应用和紧凑型设计中。
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