Чому роликові гвинти забезпечують максимальну продуктивність у робототехніці

Можливо, ви не знайомі з роликовими гвинтами, але ці компактні високоефективні гвинтові приводи є важливою технологією у виробництві повсякденних пристроїв і продуктів. Насправді у виробництві та складанні вашого автомобіля, ймовірно, задіяно понад 20 роликових гвинтів, які виконують такі функції, як штампування, гнуття труб і клепання.

Але роликові гвинти призначені не лише для автомобільної та важкої промисловості, такої як лиття під тиском і механічна обробка. Навпаки, роликові гвинти можуть забезпечувати найменші переміщення (рухи) серед будь-якої гвинтової технології, зберігаючи при цьому надзвичайно тиху й плавну роботу, що робить їх ідеальними для застосування в найрізноманітніших галузях робототехніки.

Чого потребують роботи: висока ефективність, компактний розмір

Коли йдеться про прецизійні гвинтові технології, є три основні варіанти: ходові гвинти, кулькові гвинти та роликові гвинти. Ходові гвинти універсальні за конструкцією та матеріалами, але їхня ефективність і вантажопідйомність відносно невисокі. Кулькові гвинтові пари мають добру ефективність, але коли застосування вимагає малого діаметра гвинта та малого кроку, страждає вантажопідйомність, оскільки кульки, що несуть навантаження, також мають бути дуже малими. 

Роликові гвинти, з іншого боку, мають добру силу тяги при компактних габаритах, а також чудову ефективність — найкращу з усіх можливих. Наочний приклад: порівнюючи значення вантажопідйомності та ефективності для різних гвинтових технологій однакового діаметра (усі з кроком 1 мм), роликова гвинтова передача має вдвічі...

Таке поєднання експлуатаційних і конструктивних характеристик робить роликові гвинти ідеальним рішенням для багатьох робототехнічних та пов'язаних із ними застосувань. Наприклад, роботи, які використовують лінійну активацію для з'єднання суглобів (подібно до того, як біцепс керує рухом вашого передпліччя), виграють від вищої вантажопідйомності та меншої ваги роликових гвинтових приводів.

У застосуваннях захвату роботів роликові гвинти можуть забезпечити надзвичайно високі рівні утримуючої сили, необхідні для надійного затиску, і можуть зробити це з мінімальним вхідним крутним моментом. Ключем до такого поєднання високого зусилля та низького вхідного крутного моменту є використання гвинта з дуже малим ходом.

Роликові гвинти також можна використовувати в роботизованих інструментах на кінці маніпулятора. У цих застосуваннях здатність роликової гвинтової передачі створювати велике зусилля в невеликому корпусі дає перевагу порівняно з іншими рішеннями. Це пов'язано з тим, що підтримання низької ваги (маси) критично важливе для компонентів, які знаходяться на кінці маніпулятора робота. 

Важкі вантажі, розташовані на кінці маніпулятора робота, створюють значну інерцію, що ускладнює точне керування рухом робота і в деяких випадках вимагає більших двигунів та інших компонентів трансмісії. Це чудове відношення потужності до ваги є ключовою причиною, через яку роботи для точкового зварювання та автоматичні клепальні машини переважно використовують роликові гвинти для приведення в дію.

Тенденції в робототехніці

Сучасні обчислювальні технології, методи виробництва та акумуляторні технології призвели до швидкого прогресу в галузі автоматизації та електрифікації, створивши безліч нових робототехнічних і мобільних застосувань, які були неможливими лише кілька років тому. Одним із прикладів є розробка активних протезів (протезів, що приводяться в дію двигунами), які значно покращують функціонування та рух людей з ампутованими кінцівками.

На відміну від великих промислових роботів, у яких кожен суглоб використовує власний двигун і редуктор, багато активних протезів використовують лінійний привод із гвинтовою передачею, що дозволяє створювати менші, легші та міцніші конструкції. Хоча в активних протезах можуть використовуватися різні типи гвинтів, роликові гвинти мають важливу перевагу перед іншими технологіями — неперевершене співвідношення продуктивності та розміру. 

Наприклад, роликовий гвинт діаметром лише 3,5 мм — достатньо малий, щоб поміститися на долоні — може переміщувати вантажі вагою до 227 кг і виконувати рухи в мікронному та субмікронному діапазоні, щоб краще імітувати людські суглоби і пальці.

Електромеханічні екзоскелети — ще одна швидко розвивається робототехнічна технологія. Згідно з прогнозами, ринок екзоскелетів зросте більш ніж на 46% з 2021 по 2026 рік, причому на активні екзоскелети припаде велика частка цього зростання (порівняно з пасивними екзоскелетами).

Хоча ми хотіли б мати змогу запрограмувати роботів на виконання будь-якого ручного завдання, яке є занадто важким або ризикованим для людей, існує занадто багато змінних, щоб це було практично для багатьох завдань, таких як обрізка гілок дерев на житлових подвір'ях. Рішенням є екзоскелет, керований людиною, або активно керований робот. 

Це поєднує прийняття рішень людиною з меншим ризиком, меншою кількістю травм і підвищеною вантажопідйомністю. Як і протези, екзоскелети стикаються з конструктивними обмеженнями, пов'язаними з вагою, розміром і складністю. І тут надзвичайно високе співвідношення зусилля до розміру та ваги робить роликові гвинти ідеальним рішенням.

І чим менш і мобільнішим стає роботизоване застосування, тим більшими стримувальними факторами стають такі атрибути, як енергоспоживання, розмір і вага. Будь то дрони, автономні підводні апарати (AUV) чи космічні вездеходи, вимоги однакові: висока ефективність, міцність і надійність при мінімально можливій займаній площі.