7-DOF Robot Kol için Harmonik Eklem Aktüatörleri Nasıl Seçilir?

Merhaba, ben HONPINE Teknik Direktörü Theodore Li. Bu makalede, yedi serbestlik dereceli bir robot kol için harmonik eklem aktüatörlerinin nasıl seçileceğini açıklayacağım.

Yedi serbestlik dereceli veya 7-DOF robot kolu, bir uç efektörün üç boyutlu uzaydaki konumunu ve yönelimini kontrol etmek için genel olarak gereken altı serbestlik derecesine ek olarak bir serbestlik derecesine daha sahiptir. Bu ek serbestlik derecesi kinematik fazlalık olarak bilinir.

Uygun mekanik tasarım ve kontrol algoritmalarıyla bu fazlalık daha fazla hareket esnekliği sağlar, engelden kaçınmayı ve tekillikten kaçınmayı destekler ve insan kolunun hareketlerine benzeyen uyumlu hareketleri mümkün kılar.

Bu özellikler, 7-DOF robot kollarını tıbbi robotik, hassas montaj, esnek işleme ve zorlu ortamlardaki operasyonlara yönelik araştırma ve geliştirme çalışmaları için değerli kılar.

Peki, 7-DOF bir robot kolu için eklem modülleri nasıl seçilmelidir?

7-DOF Robot Kolu için Harmonik Eklem Aktüatörleri Nasıl Seçilir？

Her Aktüatörü Eklemin Yük Gereksinimleriyle Eşleştirin

Aynı aktüatör serisinde, daha büyük bir gövde boyutu genellikle daha yüksek çıkış torku sunar ve daha yüksek eklem yüklerini destekleyebilir. Ancak aktüatör, yalnızca model numarasına göre değil, her bir eklemin gereksinimlerine göre seçilmelidir.

Birçok robot kolu konfigürasyonunda, uç efektörden daha uzakta bulunan eklemler, yükü kolun kendilerinden sonraki daha fazla bileşeniyle birlikte desteklemelidir. Bunun sonucunda, bu eklemler genellikle daha yüksek çıkış torku gerektirir.

Omuz eklemi tipik bir örnektir. Kolun büyük bir kısmını desteklediği ve uç efektör yüküne önemli bir mesafede çalıştığı için, bu konumda genellikle daha büyük bir harmonik eklem aktüatörü seçilir.

Buna karşılık bilek eklemleri; bileğin bükülmesi ve dönmesi, takım yükleri ve distal düzeneğin toplam kütlesinin dikkatle değerlendirilmesini gerektirir. Gerekli tork ve hareket özelliklerini karşılayabildiklerinde, daha küçük ve hafif eklem modülleri genellikle uygundur.

Seçim ilkesi, kolun tamamında aynı modülü kullanmak değil, her eklemin yük gereksinimlerini hesaplamak ve aktüatörü buna uygun şekilde eşleştirmektir.

Örnek: HONPINE TCHL Harmonik Robotik Aktüatörleri

Bu yaklaşımı açıklamak için, HONPINE TCHL Serisi harmonik robotik aktüatörleri kullanan 7-DOF bir robot kolu konfigürasyonunu ele alalım.

Bu örnekte omuzda TCHL 20 eklem modülü, bilekte ise TCHL 14 eklem modülü kullanılır.

TCHL 14, içi boş yapıya ve kablo yönlendirme geçişine sahip kompakt ve hafif bir tasarıma sahiptir. Bu özellikler, distal kütlenin azaltılmasının önemli bir tasarım hedefi olduğu alanı kısıtlı bilek ve robotik boyun düzenekleri için onu bir aday hâline getirir.

Bu konfigürasyon seçim yaklaşımını göstermektedir; her 7-DOF robot kolu için evrensel bir öneri değildir.

7-DOF Cerrahi Robot Kolları Neden Daha Gelişmiş Harmonik Eklem Modüllerine İhtiyaç Duyar?

Uygun hareket planlama ve engelden kaçınma teknikleriyle birleştirilen yedi serbestlik dereceli fazlalıklı tasarım, cerrahi robot koluna sınırlı bir çalışma alanı içinde manevra yapmak için daha fazla serbestlik sağlar.

Bu esneklik, sistemin karmaşık cerrahi prosedürlerin konumlandırma ve erişim gereksinimlerini karşılamasına yardımcı olur.

Burada ele alınan robot kolu özellikleri ayrıca elle yönlendirmeli hareketi, motor tahrikli çalışmayı, API tabanlı uzaktan kontrolü ve otomatik yük tanımlama ile telafiyi içerir.

Bu işlevlerin desteklenmesi, eklem algılama, kontrol tepkisi ve sistem entegrasyonu açısından yüksek gereksinimler doğurur.

Tork Algılama ve Duyarlı Kuvvet Kontrolü

Burada ele alınan kuvvet kontrollü cerrahi kol konfigürasyonu için, entegre yüksek hassasiyetli tork sensörleri eklem modülü tasarımının önemli bir parçasıdır.

Bu sensörler, kuvvete duyarlı kontrol ve çarpışma algılama için geri bildirim sağlar. Bu uygulama için açıklanan performans değerleri, 0.5 N kuvvet kontrol hassasiyeti ve 1,000 Hz üzerindeki kontrol güncelleme hızını içerir.

Amaçlanan yetenek, temas kuvvetlerine milisaniye ölçeğinde yanıt verilmesi ve yerleştirme ile kontrollü vida sıkma gibi hassas görevlerin desteklenmesidir.

Bu değerlerin tanımlı bir konfigürasyon ve test yöntemiyle ilişkilendirilmesi gerekir. Bunlar, her eklem modülü veya her komple robot kolunun ortak özellikleri olarak değerlendirilmemelidir.

Yüksek Bant Genişlikli Tork Kontrolü ve Uyumlu Hareket

Yüksek bant genişlikli kuvvet kontrolü şu şekilde özetlenebilir:

Yüksek bant genişlikli kapalı çevrim tork kontrolü + uyumlu kontrol algoritmaları

Amaç, sistemin tork veya kuvvet tepkisini hedeflenen görev için yeterince hızlı ve hassas hâle getirmektir.

Entegre yüksek çözünürlüklü tork sensörü, bu kontrol yaklaşımı için gereken geri bildirimi sağlar. Tam tepki ayrıca algılama, tahrik ve kontrol algoritmalarının nasıl entegre edildiğine bağlıdır.

Fazlalık Tabanlı Hareket Planlama ve Engelden Kaçınma

Fazlalık tabanlı engelden kaçınma, üç temel unsurla açıklanabilir:

Kinematik fazlalık + null-uzay projeksiyonu + hiyerarşik görev önceliği optimizasyonu

Ek serbestlik derecesi, gerekli uç efektör görevini korurken kolun konfigürasyonunu ayarlamak için daha fazla seçenek sunar.

Hareket planlama, farklı önceliklere sahip çeşitli hedefleri koordine edebilir; örneğin:

1. Güvenli çalışmayı desteklemek için eklem sınırlarına uyulması.

2. Enerji verimliliğini bir optimizasyon hedefi olarak ele alarak, gereksiz eklem hareketlerinin ve eklem hızlarının en aza indirilmesi.

3. Uygun bir kol konfigürasyonunun korunması ve tekilliklere yakınlığın yönetilmesi.

Yeterli fazlalıklı hareket mevcut olduğunda, kontrolör engelden kaçınma gibi ikincil görevleri karşılamak için daha fazla serbestliğe sahiptir. Tüm hedeflerin karşılanıp karşılanamayacağı yine mevcut çalışma alanına, eklem sınırlarına ve görev kısıtlarına bağlıdır.

HONPINE HAG Serisi Harmonik Eklem Modülleri

Zorlu hareket kontrolü uygulamaları için HONPINE, HAG Serisi harmonik eklem modüllerini sunar.

HAG Serisi, hassas hareket kontrolü ve gelişmiş kuvvet algılama özellikleri gerektiren uygulamalar için tasarlanmıştır. Seçilen modele ve konfigürasyona bağlı olarak Safe Torque Off (STO) isteğe bağlı bir özellik olarak sunulmaktadır.

Bu seçenek, komple robotik sistemin güvenlik tasarımının bir parçası olarak değerlendirilebilir. Tek başına, bir eklem modülünün veya robot kolunun belirli bir tıbbi uygulama için onaylandığına dair bir teyit olarak yorumlanmamalıdır.

Bir HAG harmonik eklem modülünü değerlendirirken, belirli konfigürasyon için gerekli algılama performansını, kontrol arayüzlerini ve mevcut güvenlik işlevlerini doğrulayın.

7-DOF Robot Kolları için Harmonik Aktüatörler Hakkında Daha Fazla Bilgi Edinin

Bir harmonik eklem aktüatörü seçmek, her eklemin ne yapması gerektiğini anlamakla başlar. Omuz, dirsek ve bilek eklemlerinin tork, ağırlık, montaj alanı, algılama ve kontrol açısından farklı gereksinimleri olabilir.

7-DOF robot kolları için harmonik döner aktüatörler ve eklem modülleri hakkında daha fazla bilgi almak üzere HONPINE ile iletişime geçin.