Daha Fazla Şirket Neden Entegre Robot Eklem Modüllerini Tercih Ediyor?

Geleneksel, harici tahrikli bir eklem sisteminde geliştiricilerin motor, redüktör, kaplin, servo sürücü ve enkoderler dâhil olmak üzere birden fazla bileşen seçip entegre etmesi gerekir. Ayrıca mekanik hizalama, kablo güzergâhı, servo parametrelerinin ayarlanması ve sistem düzeyinde devreye alma işlemlerini de yürütmeleri gerekir.

Birentegre harmonik robot eklem modülü, çerçevesiz tork motoru, harmonik redüktör, çapraz makaralı çıkış rulmanı, FOC servo sürücü kartı, mutlak enkoderler (tekli veya çiftli) ve isteğe bağlı bir fren dâhil olmak üzere temel bileşenleri tek bir gövdede bir araya getirir.

Bu entegre mimari, mekanik tasarımı basitleştirebilir, montaj karmaşıklığını azaltabilir, sistem entegrasyonunu iyileştirebilir ve robot geliştirme döngülerini kısaltabilir.

Bu makalede entegre robot eklem modülleri ile geleneksel dağıtık tahrik çözümleri altı açıdan karşılaştırılmaktadır: tork yoğunluğu ve boyut, montaj güvenilirliği, hareket kontrolü ve güvenlik, mühendislik geliştirme verimliliği, pratik uygulamalar ve olası sınırlamalar.

1. Daha Yüksek Tork Yoğunluğu ve Kompakt Tasarım: İnsansı Robotlar ve Dış İskeletler İçin Temel Avantajlar

Daha Az Ara Mekanik Bileşen

Geleneksel bir dağıtık eklem sistemi; kaplinler, motor montaj braketleri, redüktör adaptör plakaları, harici servo sürücü muhafazaları ve sürücü montaj braketleri dâhil olmak üzere birden fazla ek bileşen gerektirebilir.

Bu bileşenler ek eksenel ve radyal alan kaplarken robotun toplam ağırlığını da artırır.

Örneğin, HONPINEHPJM-RI80-110-PRO-2 entegre robot eklem modülü, 110 mm dış gövde çapıyla 133 Nm nominal tork sağlar.

Benzer bir tork gereksinimi için tasarlanmış dağıtık bir çözümle karşılaştırıldığında entegre modül, birbirinden ayrı birçok montaj ve aktarım bileşenini ortadan kaldırabilir. Motor, redüktör, sürücü ve yapısal tasarıma bağlı olarak sistemde montaj alanı ve bileşen sayısı önemli ölçüde azaltılabilir.

Daha Kompakt Robot Tasarımı İçin İçi Boş Mil Entegrasyonu

Entegre eklem modüllerigenellikle içi boş mil yapısına sahiptir. Bu yapı, güç kablolarının ve EtherCAT ile CAN gibi iletişim kablolarının eklemin merkezindeki açıklıktan geçirilmesine olanak tanır.

Böylece tüm kabloların eklemin çevresinden harici olarak geçirilmesi gerekmez ve daha düzenli bir iç yerleşim elde edilmesine yardımcı olur.

Uygulama örneği: ti5robot T140A İnsansı Robotu

ti5robot T140A insansı robotunun gövdesinde yaklaşık 30 entegre eklem modülü kullanılır. Kol ve bacak kabloları içi boş eklem yapılarından geçirilebilir; bu da dış görünümün kompakt kalmasına yardımcı olur.

Dağıtık tahrik mimarisinde robotun uzuvları boyunca ayrı servo sürücüler ve ilave kablolar için yer ayrılması gerekir. Bu durum muhafaza boyutlarını artırabilir, kablo yönetimini zorlaştırabilir ve hareketli yapıların ağırlığını artırabilir.

Azalan Hareketli Kütle ve İyileşen Dinamik Performans

Robotik sistemlerde hareketli bileşenlerin ağırlığı, atalet ve dinamik performansı doğrudan etkiler.

Dağıtık bir eklem tasarımında ilave motor braketleri, adaptör plakaları ve diğer montaj yapıları hareketli bağlantıların kütlesini artırabilir. Bu bileşenler eklemin dönme ekseninden uzakta konumlandırıldığında toplam atalet momentini de artırabilir.

Entegre eklem modülü, tahrik bileşenlerini eklem gövdesinde bir araya getirerek robot bağlantılarında ihtiyaç duyulan ilave yapıların sayısını azaltabilir.

Genel mekanik tasarıma bağlı olarak bu, hareketli kütlenin azaltılmasına ve ivmelenmenin, tepki hızının ve enerji verimliliğinin iyileştirilmesine yardımcı olabilir.

Uygulama örneği: Alt Ekstremite Rehabilitasyon Dış İskeletleri

Alt ekstremite rehabilitasyon dış iskeletlerinde cihazın ağırlığı, kullanıcı üzerindeki fiziksel yükü doğrudan etkiler.

HONPINEHPJM-RI60-80-PRO-2 entegre eklem modülü, 53 Nm nominal tork sağlar. Entegre tasarımı, ilave motor montaj ve aktarım bileşenlerine duyulan ihtiyacı azaltmaya yardımcı olarak daha kompakt ve hafif dış iskeletlerin geliştirilmesini destekleyebilir.

Dağıtık tahrik çözümünde harici servo sürücüler ve montaj yapıları daha büyük uzuv muhafazaları gerektirebilir; bu da kullanıcıların yürüyüş ve rehabilitasyon egzersizleri sırasında taşıması gereken ağırlığı artırır.

2. Daha Yüksek Montaj Hassasiyeti ve Güvenilirlik: Entegrasyon Sırasında Oluşan Hataların Azaltılması

Fabrika Entegrasyonu ve Kalibrasyonla Montaj Risklerinin Azaltılması

Dağıtık eklem sistemlerinin başlıca zorluklarından biri, mekanik montaj sırasında gereken hassasiyettir.

Geliştiricilerin motor ile harmonik redüktörün doğru hizalandığından ve enkoderin düzgün takıldığından emin olması, ayrıca gerekli mekanik toleransları karşılaması gerekir. Yanlış hizalama veya montaj; titreşime, anormal gürültüye, redüktör aşınmasının hızlanmasına ve hatalı enkoder okumalarına yol açabilir.

Entegre harmonik eklem modülünde temel montaj ve kalibrasyon işlemleri, teslimattan önce üretim tesisinde tamamlanabilir.

Üreticinin kalite kontrol süreçlerine bağlı olarak bu işlemler şunları içerebilir:

• Motor ve harmonik redüktörün eş eksenli hizalanması.

• Redüktör montajı ve ön yükle ilgili ayarlamalar.

• Enkoder montajı ve kalibrasyonu.

• Titreşim ve gürültü kontrolü.

• Sevkiyat öncesi işlev testi.

Böylece hassas montaj işlerinin önemli bir bölümü müşterinin üretim hattından modül üreticisine aktarılır.

Örneğin, kendi montajını yaptığı eklem sisteminde montaj flanşının düzlemselliği veya konumlandırma özellikleri gerekli toleransları karşılamadığında bazı müşteriler anormal gürültü ya da titreşimle karşılaşabilir.

Tasarımda belirtildiği durumlarda H7/h7 geçmesi gibi standartlaştırılmış bir çıkış konumlandırma özelliğine sahip entegre eklem modülü, mekanik montajı kolaylaştırabilir. Müşterinin esas olarak eşleşen bir yük flanşı üretmesi yeterlidir; iç redüktör bileşenlerini monte edip hizalaması gerekmez.

Entegre Çapraz Makaralı Rulmanlar Ek Destek Yapılarına Duyulan İhtiyacı Azaltır

Birçokentegre harmonik eklem modülüçıkış ucunda çapraz makaralı rulmanlar barındırır.

Bu rulmanlar birleşik radyal ve eksenel yükleri desteklemek üzere tasarlanmıştır. Böylece harici yük, belirtilen yük sınırları dâhilinde doğrudan eklem modülünün rulman yapısı tarafından taşınabilir.

Dağıtık tasarımda geliştiricilerin radyal kuvvetleri ve devrilme momentlerini karşılamak için harici destek rulmanları eklemesi gerekebilir.

Ancak uygun tasarlanmamış bir harici rulman düzeni; aşırı kısıtlamaya, montaj hatalarına, titreşime ve anormal gürültüye neden olabilir.

Öte yandan, yeterli çıkış desteği sağlanmazsa aşırı harici yükler bunları taşımak üzere tasarlanmamış bileşenlere aktarılabilir ve bu durum kaplin ömrünü ve redüktör performansını etkileyebilir.

Modülün izin verilen radyal yükü, eksenel yükü ve moment kapasitesi uygulamaya uygunsa entegre çıkış rulmanı yapısı mekanik tasarımı basitleştirebilir.

Elektrik Bağlantılarının ve Kablo Yönetiminin Basitleştirilmesi

Entegre eklem modülleri güç, iletişim ve geri bildirim arayüzlerini daha kompakt bir arka kapakta veya konnektör grubunda birleştirebilir.

Konfigürasyona bağlı olarak mevcut arayüzler CAN, EtherCAT ve güç bağlantılarını içerebilir. Bazı EtherCAT sürümleri, birden fazla eklem arasında zincirleme iletişim için IN-OUT bağlantılarını da destekler.

Dağıtık mimaride her motor için ayrı güç kabloları, motor enkoder kabloları, çıkış enkoder kabloları ve harici servo sürücü bağlantıları gerekebilir.

Eklem sayısı arttıkça kablo demeti karmaşıklaşır; konnektörlerin ve olası elektrik arıza noktalarının sayısı artar.

Onlarca ekleme sahip insansı robotlarda kabloların güzergâhı, konnektör montajı ve bakım önemli mühendislik zorluklarına dönüşebilir.

Entegre modüller kablolama karmaşıklığını azaltmaya ve çok eksenli sistem entegrasyonunu kolaylaştırmaya yardımcı olabilir.

Uygulama örneği: Beş Parmaklı Maharetli Robotik Eller

HONPINEHPJM-RI30-40-PRO-2 kompakt entegre eklem modülü, beş parmaklı maharetli robotik ellerde parmak hareketinin sağlanması gibi uygulamalar için tasarlanmıştır.

Robotik parmağın iç alanı son derece sınırlıdır. Ayrı bir motor, kaplin ve harmonik redüktörden oluşan geleneksel bir kombinasyonu parmak yapısına sığdırmak zor olabilir.

Tahrik bileşenlerini kompakt bir gövdede birleştiren entegre eklem modülü, küçük ve çok eklemli robotik eller tasarlamak için pratik bir çözüm sunar.

3. Gelişmiş Hareket Kontrolü ve Güvenlik Özellikleri: Entegre Sürücüler ve Enkoder Geri Bildirimi

Daha Kapsamlı Kapalı Çevrim Kontrolü İçin Çift Enkoder Geri Bildirimi

Bazı entegre harmonik eklem modülleri, biri motor tarafında, diğeri çıkış tarafında olmak üzere çift enkoderli konfigürasyonları destekler.

Örneğin, HONPINE HPJM-2E-EC çift enkoderli sürümünde şunlar kullanılır:

Motor tarafı enkoderi: Motor konumunu ve hızını ölçer.

Çıkış tarafı enkoderi: Çıkış flanşının gerçek açısal konumunu ölçer.

İki geri bildirim sinyali, kontrol sisteminin hem motor tarafındaki hem de çıkış tarafındaki hareketi izlemesini sağlar.

Bu özellik, yük altında elastik deformasyonun motor tarafı konumu ile gerçek çıkış konumu arasında fark oluşturabildiği harmonik tahrik sistemlerinde özellikle kullanışlıdır.

Çıkış flanşını doğrudan ölçen çift enkoderli konfigürasyon, çıkış konumuna ilişkin geri bildirimi iyileştirebilir ve aktarımdan kaynaklanan konum sapmalarını telafi etmeye yardımcı olabilir.

Dağıtık bir sistemde benzer işlevselliğe ulaşmak için ayrı motor ve çıkış enkoderleri, ek kablolama, uyumlu sürücü donanımı ve ilgili geri bildirim ve kontrol mantığının geliştirilmesi gerekir.

Entegre çift enkoderli modül, daha standart bir donanım ve geri bildirim mimarisi sunarak bu süreci basitleştirebilir.

Arıza Korumasıyla Entegre Konum, Hız ve Akım Kontrolü

Entegre servo sürücü üç temel kontrol döngüsünü destekleyebilir:

• Konum Döngüsü: Eklemin hedef açısal konumunu kontrol eder.

• Hız Döngüsü: Dönme hızını düzenler.

• Akım Döngüsü: Motor akımını kontrol eder ve tork düzenlemesine katkıda bulunur.

Sürücü konfigürasyonuna bağlı olarak entegre koruma işlevleri şunları içerebilir:

• Takip hatası algılama.

• Aşırı gerilim ve düşük gerilim koruması.

• Aşırı akım koruması.

• Sıcaklık izleme ve koruması.

• Çift enkoder tutarlılık kontrolleri.

EtherCAT sürümlerinde arıza bilgileri, 0x603F hata kodu nesnesi dâhil olmak üzere ilgili CiA 402 nesne sözlüğü üzerinden alınabilir. CAN tabanlı sürümler arıza durumunu desteklenen iletişim nesneleri üzerinden bildirebilir.

Bu entegre işlevler, müşterinin geliştirmesi gereken temel sürücü ve arıza yönetimi işlevlerinin kapsamını azaltır.

Dağıtık bir sistemde geliştiricilerin harici servo sürücüyü yapılandırması, kontrol döngülerini ayarlaması ve gerekli arıza yönetimi mantığını uygulaması gerekir.

Örneğin, bir robot eklemi mekanik olarak sıkışırsa uygun şekilde yapılandırılmış bir takip hatası koruma işlevi anormal hareketi algılamaya ve koruyucu bir tepki başlatmaya yardımcı olabilir. Uygun izleme ve koruma olmazsa motor çıkışının sürmesi harmonik redüktöre veya diğer mekanik bileşenlere zarar verebilir.

Rejeneratif Frenleme ve Enerji Yönetimi

Robot yavaşlarken, sürücü mimarisine bağlı olarak motor jeneratör gibi çalışabilir ve enerjiyi DC barasına geri besleyebilir.

Entegre servo sürücüler, genel güç sisteminin bir parçası olarak rejeneratif enerji yönetimini destekleyebilir.

Ancak birden fazla eklem aynı anda yavaşladığında DC bara gerilimi yükselebilir. Bu nedenle sistemin uygun enerji soğurma, geri kazanım veya dağıtım kapasitesine sahip olması gerekir.

Dağıtık çok eksenli bir sistemde geliştiricilerin ayrıca her sürücünün geri kazanılan enerjiyi nasıl yönettiğini ve ortak güç kaynağının DC bara gerilimini nasıl kontrol ettiğini değerlendirmesi gerekir.

Entegre eklem modülü, sürücü düzeyindeki entegrasyonu basitleştirebilir; ancak rejeneratif frenleme yine de uygun sistem düzeyinde güç yönetimi ve uyumlu donanım gerektirir.

4. Daha Kısa Mühendislik Geliştirme Döngüleri ve Daha Az Entegrasyon Karmaşıklığı

Modüler Entegrasyonla Daha Hızlı Robot Geliştirme

Entegre robot eklem modülleristandartlaştırılmış mekanik arayüzler ve iletişim protokolleri sunarak geliştirme sürecini kısaltabilir.

Ürün konfigürasyonuna bağlı olarak desteklenen iletişim arayüzleri CANopen ve EtherCAT'i içerebilir.

Geliştiriciler tüm tahrik bileşenlerini sıfırdan oluşturmak yerine yük taşıyan yapıların tasarımına, eklem düzenine, kablo güzergâhına ve robot hareket kontrolüne daha fazla odaklanabilir.

Tipik bir dağıtık eklem geliştirme süreci şunları içerebilir:

• Motor seçimi.

• Harmonik redüktör seçimi.

• Kaplin seçimi ve doğrulaması.

• Motor montajı ve adaptör flanşının tasarımı.

• Mekanik montaj ve hizalama.

• Enkoder montajı ve kalibrasyonu.

• Servo sürücü konfigürasyonu ve parametre ayarı.

• Çok eksenli iletişim ve sistem devreye alma.

Her aşama mühendislik kaynakları gerektirir; mekanik montaj ve sistem hata ayıklama da kayda değer zaman alabilir.

Birstandartlaştırılmış entegre eklem modülükullanıldığında bu işlerin çoğu ürün müşteriye ulaşmadan önce tamamlanır.

Uygulama örneği: İnsansı Robot Araştırma ve Geliştirme

İnsansı robot geliştiren üniversite araştırma ekipleri ve robotik girişimleri için entegre eklem modülleri prototip geliştirmeyi hızlandırmaya yardımcı olabilir.

Standartlaştırılmış entegre eklemler kullanan bir proje, robotun karmaşıklığına ve geliştirme kaynaklarına bağlı olarak ilk mekanik ve elektrik entegrasyonunu iki ila üç ay içinde tamamlayabilir.

Tamamen dağıtık tahrik mimarisi kullanan benzer bir projede bileşen seçimi, mekanik tasarım, montaj, kalibrasyon ve çok eksenli devreye alma işlemleri için önemli ölçüde daha fazla zaman gerekebilir.

Bu süreler garanti edilen zaman çizelgeleri değil, örnek niteliğindedir; gerçek geliştirme döngüleri proje kapsamına, ekibin deneyimine ve sistemin karmaşıklığına bağlıdır.

Daha Az BOM Bileşeni ve Basitleştirilmiş Tedarik Zinciri

Birentegre eklem modülübirden fazla tahrik bileşenini tek bir ürün biriminde birleştirebilir.

Dağıtık bir çözümde malzeme listesi şunları içerebilir:

• Servo motor.

• Harmonik redüktör.

• Kaplin.

• Çıkış enkoderi.

• Harici servo sürücü.

• Motor montaj braketi.

• Adaptör flanşı.

• Sürücü muhafazası.

Birden fazla kablo grubu ve konnektör.

Bu durum satın alınması, incelenmesi, depolanması ve yönetilmesi gereken ayrı kalemlerin sayısını artırır.

Üreticiler bu bileşenleri standartlaştırılmış bir eklem modülünde birleştirerek tedarik, envanter yönetimi ve giriş kalite kontrolünü basitleştirebilir.

Standartlaştırılmış Testler ve Daha İyi Ürün Tutarlılığı

Entegre eklem modülleri sevkiyat öncesinde standartlaştırılmış testlerden geçirilebilir.

Üreticinin test programına ve ürün özelliklerine bağlı olarak kontrol prosedürleri şunları içerebilir:

• Tork-hız performans testi.

• Gürültü kontrolü.

• Titreşim testi.

• Enkoder kalibrasyonu ve doğrulaması.

• Elektrik güvenliği ve ESD testi.

• Yüksek ve düşük sıcaklık testi.

• İşlevsel çalışma testi.

Dağıtık bir sistemde monte edilmiş her eklemin performansı bileşen toleranslarından, montaj hassasiyetinden, kalibrasyon prosedürlerinden ve operatör deneyiminden etkilenebilir.

Standartlaştırılmış fabrika montajı ve testleri bu farklılıkları azaltmaya ve modüller arasındaki tutarlılığı iyileştirmeye yardımcı olur. Bu, özellikle çok sayıda ekleme sahip robotların veya ekipmanların seri üretiminde önemlidir.

5. Entegre Robot Eklem Modülleri Nerelerde Kullanılır?

Entegre harmonik eklem modüllerinin avantajları, onları çok çeşitli robotik uygulamalar için uygun kılar.

Tipik uygulamalar şunlardır:

İnsansı Robotlar: Kompakt tasarım, yüksek tork yoğunluğu, içi boş milden kablo geçirme ve çift enkoder geri bildirimi, çok eklemli robotik yapıların geliştirilmesini destekler.

Rehabilitasyon Dış İskeletleri: Entegre tahrik bileşenleri, eklem montajının karmaşıklığını azaltmaya ve daha kompakt giyilebilir tasarımları desteklemeye yardımcı olabilir.

İş Birlikçi Robotlar: Entegre hareket kontrolü ve isteğe bağlı fren konfigürasyonları, kompakt robotik kollarda eklem entegrasyonunu basitleştirebilir.

Endüstriyel Robot Kolları: Standartlaştırılmış eklem modülleri mekanik ve elektrik entegrasyonu iş yükünü azaltmaya yardımcı olur.

Maharetli Robotik Eller: Kompakt entegre modüller, alanın kısıtlı olduğu parmak eklemleri için hareket sağlama çözümleri sunabilir.

Mobil Manipülatörler: Entegre eklem modülleri, mobil platformlara monte edilen robotik kolların mekanik ve elektrik tasarımını basitleştirebilir.

Uygun modül; gerekli tork, hız, boyut, ağırlık, içi boş mil çapı, geri bildirim konfigürasyonu, iletişim protokolü ve çalışma koşullarına bağlıdır.

6. Entegre Robot Eklem Modülleri Dağıtık Tahrik Sistemlerinden Her Zaman Daha mı İyidir?

Entegre eklem modülleri önemli avantajlar sunsa da her robot tasarımı için mutlaka en iyi seçenek değildir.

Bazı uygulamalarda dağıtık mimari yine de tercih edilebilir.

Örneğin:

Esnek bileşen seçimi: Dağıtık tasarım, geliştiricilerin motorları, redüktörleri ve sürücüleri özel gereksinimlere göre birbirinden bağımsız seçmesine olanak tanır.

Özelleştirilmiş termal yönetim: Sürücü elektroniğinin motordan ayrılması, bazı yüksek güçlü veya sürekli çalışan uygulamalarda ısının yönetilmesini kolaylaştırabilir.

Bakım ve değiştirme stratejileri: Tasarıma bağlı olarak dağıtık bir sistemdeki münferit bileşenler, tüm eklem grubu değiştirilmeden yenilenebilir.

Mevcut sistemlerle uyumluluk: Bazı yerleşik robot platformlarında standartlaştırılmış harici servo sürücüler zaten kullanılır ve mimarinin bütünüyle değiştirilmesi yeterli fayda sağlamayabilir.

Özel çalışma gereksinimleri: Bazı uygulamalar standart entegre modüllerde bulunmayan özel mekanik yapılar, güç elektroniği veya kontrol konfigürasyonları gerektirir.

Bu nedenle karar; tork yoğunluğu, montaj alanı, termal performans, bakım gereksinimleri, kontrol mimarisi ve toplam sistem maliyeti dâhil olmak üzere robotun genel tasarım hedeflerine göre verilmelidir.

Sonuç: Neden Daha Fazla Şirket Entegre Robot Eklem Modüllerini Tercih Ediyor?

Entegre robot eklem modülleriningiderek daha yaygın kullanılması, robotikteki daha genel bir eğilimi yansıtır: tek tek bileşenlerin entegrasyonundan standartlaştırılmış, modüler ve yüksek düzeyde entegre hareket sistemlerine geçiş.

Çerçevesiz tork motorunu, harmonik redüktörü, çıkış rulmanını, servo sürücüyü, enkoder geri bildirimini ve isteğe bağlı freni kompakt bir ünitede birleştiren entegre eklem modülleri üreticilere şu konularda yardımcı olabilir:

• Mekanik bileşen sayısını ve montaj alanını azaltmak.

• Eklem entegrasyonunu iyileştirmek ve kablo güzergâhını basitleştirmek.

• Montajla ilgili hizalama ve kalibrasyon işlerini azaltmak.

• Daha kapsamlı kapalı çevrim hareket kontrolünü desteklemek.

• Çok eksenli iletişimi ve sistem entegrasyonunu basitleştirmek.

• Robot geliştirme döngülerini kısaltmak ve tedarik zinciri yönetimini kolaylaştırmak.

İnsansı robotlar, dış iskeletler, iş birlikçi robotlar ve diğer çok eklemli robotik sistemlerde bu avantajlar, entegre eklem modüllerini geleneksel dağıtık tahrik mimarilerine cazip bir alternatif hâline getirebilir.

Seçim, yalnızca entegre modül ile ayrı bileşenler arasında değildir. Önemli olan, robotun performans gereksinimlerine, geliştirme kaynaklarına ve uzun vadeli üretim hedeflerine en uygun eklem mimarisini seçmektir.