Почему роликовые винты обеспечивают максимальную производительность в робототехнике

Возможно, вы не знакомы с роликовыми винтами, но эти компактные высокоэффективные винтовые приводы являются важной технологией в производстве повседневных устройств и продуктов. На самом деле, в производстве и сборке вашего автомобиля задействовано, вероятно, более 20 роликовых винтов, выполняющих такие функции, как штамповка, гибка труб и клепка.

Но роликовые винты предназначены не только для автомобильной и тяжелой промышленности, такой как литье под давлением и механическая обработка. Напротив, роликовые винты могут производить наименьшие смещения (движения) любой винтовой технологии, сохраняя при этом чрезвычайно тихую и плавную работу, что делает их идеальными для применения в самых разных областях робототехники.

Что нужно роботам: высокая эффективность, компактный размер

Когда речь идет о прецизионных винтовых технологиях, есть три основных варианта: ходовые винты, шариковые винты и роликовые винты. Ходовые винты универсальны по своей конструкции и материалам, но их эффективность и грузоподъемность относительно невысоки. Шарико-винтовые пары имеют хорошую эффективность, но когда применение требует малого диаметра винта и малого шага, страдает грузоподъемность, поскольку шарики, несущие нагрузку, также должны быть очень маленькими. 

Роликовые винты, с другой стороны, обладают хорошей силой тяги при компактных габаритах, а также превосходной эффективностью — лучшей из всех возможных. Показательный пример: при сравнении значений грузоподъемности и эффективности для различных винтовых технологий одинакового диаметра (все с шагом 1 мм) ролико-винтовая передача имеет в четыре раза большую грузоподъемность, чем шарико-винтовая передача, а эффективность в два раза выше, чем у ходового винта. 

Такое сочетание эксплуатационных и конструктивных характеристик делает роликовые винты идеальным решением для многих робототехнических и связанных с ними применений. Например, роботы, которые используют линейную активацию для соединения суставов (аналогично тому, как бицепс управляет движением вашего предплечья), выигрывают от более высокой грузоподъемности и меньшего веса роликовых винтовых приводов.

В приложениях захвата роботов роликовые винты могут обеспечить чрезвычайно высокие уровни удерживающей силы, необходимые для надежного зажима, и могут сделать это с минимальным входным крутящим моментом. Ключом к такому сочетанию высокого усилия и низкого входного крутящего момента является использование винта с очень маленьким ходом.

Роликовые винты также можно использовать в роботизированных инструментах на конце манипулятора. В этих применениях способность ролико-винтовой передачи создавать большое усилие в небольшом корпусе дает преимущество по сравнению с другими решениями. Это связано с тем, что поддержание низкого веса (массы) критически важно для компонентов, которые находятся на конце манипулятора робота. 

Тяжелые грузы, расположенные на конце манипулятора робота, создают значительную инерцию, что затрудняет точное управление движением робота и, в некоторых случаях, требует более крупных двигателей и других компонентов трансмиссии. Это превосходное отношение мощности к весу является ключевой причиной, по которой роботы для точечной сварки и автореклепочники в подавляющем большинстве используют роликовые винты для приведения в действие.

Тенденции в робототехнике

Современные вычисления, методы производства и аккумуляторные технологии привели к быстрому прогрессу в области автоматизации и электрификации, создав множество новых робототехнических и мобильных применений, которые были невозможны всего несколько лет назад. Одним из примеров является разработка активных протезов (протезов, приводимых в действие двигателями), которые значительно улучшают функционирование и движение людей с ампутированными конечностями.

В отличие от больших промышленных роботов, в которых каждый сустав использует свой двигатель и редуктор, многие активные протезы используют линейный привод с винтовым приводом, что позволяет создавать меньшие, легкие и прочные конструкции. В то время как в активных протезах могут использоваться различные типы винтов, роликовые винты обладают важным преимуществом по сравнению с другими технологиями — непревзойденным соотношением производительности и размера. 

Например, роликовый винт диаметром всего 3,5 мм — достаточно маленький, чтобы поместиться на ладони — может толкать грузы до 227 кг и выполнять движения в микронном и субмикронном диапазоне, чтобы лучше имитировать человеческие суставы и пальцы.

Электромеханические экзоскелеты — еще одна быстро развивающаяся робототехническая технология. Согласно прогнозам, рынок экзоскелетов вырастет более чем на 46% с 2021 по 2026 год, причем на активные экзоскелеты придется большая доля этого роста (по сравнению с пассивными экзоскелетами).

Хотя мы хотели бы иметь возможность запрограммировать роботов на выполнение любой ручной задачи, которая слишком тяжела или рискованна для людей, существует слишком много переменных, чтобы это было практично для многих задач, таких как обрезка ветвей с деревьев в жилых дворах. Решением является управляемый человеком экзоскелет или активно управляемый робот. 

Это сочетает в себе принятие решений человеком с меньшим риском, меньшим количеством травм и повышенной грузоподъемностью. Как и протезы, экзоскелеты сталкиваются с конструктивными ограничениями, связанными с весом, размером и сложностью. И здесь чрезвычайно высокое отношение усилия к размеру и весу делает роликовые винты идеальным решением.

И чем меньше и мобильнее становится роботизированное приложение, тем более сдерживающими факторами становятся такие атрибуты, как энергопотребление, размер и вес. Будь то дроны, автономные подводные аппараты (AUV) или космические вездеходы, требования одинаковы: высокая эффективность, прочность и надежность при минимально возможной занимаемой площади.