W rozwoju robotów kluczowa jest jedna podstawowa technologia: zastosowanie łożysk w dziedzinie robotów humanoidalnych. Jako podstawowy element robotów humanoidalnych, łożyska stanowią około 5,5% wartości głównych komponentów. Różne rodzaje łożysk odgrywają niezastąpioną rolę w różnych częściach robota.
Ⅰ Łożyska w reduktorach
Reduktor jest głównym mechanizmem przenoszenia mocy w robocie humanoidalnym, porównywalnym do ludzkiego stawu. Reduktor precyzyjny jest urządzeniem pośrednim łączącym źródło prądu z siłownikiem. Jego funkcją jest zmniejszenie dużej prędkości serwomotoru, wzmocnienie pierwotnego momentu obrotowego serwomotoru poprzez przełożenie redukcji biegów oraz zapewnienie dużej sztywności trzymania i wysokiej-precyzyjności pozycjonowania. Reduktory robotów humanoidalnych obejmują głównie reduktory harmonicznych, reduktory RV i reduktory planetarne. Różne typy reduktorów mają różne wymagania dotyczące łożysk:
1. Łożyska redukcyjne RV:
Reduktory RV, znane również jako reduktory wektora obrotowego, obejmują reduktor planetarny-przedniego stopnia i cykloidalny reduktor wiatraczkowy tylnego-stopnia. Ta metoda transmisji stanowi dalszy rozwój oparty na klasycznej technologii przekładni planetarnej z wahadłem kołkowym. Łączy w sobie wiele zalet, takich jak kompaktowy rozmiar, lekkość, szerokie przełożenie, długa żywotność, stabilna precyzyjna konserwacja, wysoka wydajność i płynna praca przekładni.
W reduktorze RV zastosowano trzy typy łożysk: cienkościenne-łożysko kulkowe skośne do łożyska głównego (wał wyjściowy), cienkościenne-łożysko stożkowe do mimośrodowego pozycjonowania wału i podparcia głównego korpusu, wałeczek cylindryczny (igiełkowy) do podparcia przekładni cykloidalnej, zespół koszyka i cienkościenne-łożysko kulkowe zwykłe do podparcia przekładni.
2. Łożyska redukcyjne harmoniczne
W przegubach obrotowych robotów wykorzystuje się przede wszystkim reduktory harmonicznych. Technologia ich wytwarzania opiera się na transmisji harmonicznych. Reduktor harmonicznych to mechaniczny układ przeniesienia napędu składający się z czterech podstawowych elementów: generatora fal (łożysko elastyczne), łożysk krzyżowych (łożysko sztywne), przekładni elastycznej z zewnętrznym pierścieniem zębatym (koło elastyczne) oraz przekładni sztywnej (koło sztywne).
① Łożyska wałeczkowe skrzyżowane
Istnieje wiele serii łożysk krzyżowych do reduktorów harmonicznych, które wytrzymują obciążenia wielokierunkowe- i zapewniają wysoką precyzję i sztywność. Łożyska wałeczkowe krzyżowe zaprojektowane specjalnie do reduktorów harmonicznych można podzielić na dwie główne kategorie w zależności od środowiska ich zastosowania: łożyska z dzielonym pierścieniem zewnętrznym i łożyska ze zintegrowanym pierścieniem wewnętrznym. Elementy toczne tych łożysk to cylindryczne rolki ułożone pod kątem 90 stopni prostopadle do bieżni w kształcie litery V. Taka konstrukcja umożliwia łożysku jednoczesne wytrzymywanie obciążeń z wielu kierunków, w tym momentów osiowych, promieniowych i wywracających. Co więcej, łożyska te charakteryzują się wysoką precyzją, dużą sztywnością i doskonałą nośnością-zespoloną, co czyni je niezbędnym elementem reduktorów harmonicznych.
② Łożyska elastyczne Łożyska elastyczne zaprojektowane specjalnie do reduktorów harmonicznych różnią się od łożysk tradycyjnych. Są to cienkościenne-łożyska kulkowe z cieńszym pierścieniem zewnętrznym, przez co są podatne na odkształcenia promieniowe. Pomimo cienkich ścianek zachowują dużą elastyczność i wykorzystują-wysokiej jakości materiały, aby zapewnić stabilną pracę. Te elastyczne łożyska do reduktorów harmonicznych charakteryzują się doskonałą-nośnością naprężenia. Skutecznie wytrzymują naprzemienne naprężenia zginające i momentowe, zachowując pewien stopień elastyczności w interakcji z krzywkami pomimo stosunkowo cienkiej konstrukcji ścianek. Zarówno pierścienie wewnętrzne, jak i zewnętrzne oraz elementy toczne są wykonane z wysokiej-jakości stali łożyskowej o wysokiej-węglowej zawartości chromu i są wyposażone w zintegrowany nylonowy ustalacz, zapewniający stabilną i wydajną pracę łożyska w sekcji generatora harmonicznych reduktora harmonicznych.
Reduktory harmonicznych zazwyczaj wykorzystują jedno łożysko krzyżowe i jedno łożysko elastyczne.
3. Reduktor przekładni planetarnej
Przekładnia planetarna jest najbardziej wydajną konstrukcją przekładni zębatej. Mechanizm przekładni planetarnej składa się głównie z przekładni planetarnych, nośnika planet i koła słonecznego. W precyzyjnym reduktorze planetarnym główny element napędowy, taki jak serwomotor, zazwyczaj napędza koło słoneczne w celu obracania się. Zazębienie koła słonecznego z przekładniami planetarnymi powoduje obrót przekładni planetarnych. Jednocześnie, ponieważ druga strona przekładni planetarnej zazębia się z kołem koronowym na wewnętrznej ściance obudowy reduktora, przekładnie planetarne napędzane własnym obrotem będą toczyć się po koronie w tym samym kierunku, w którym obraca się koło słoneczne, wykonując „rewolucyjny” ruch wokół koła słonecznego. Różnica w liczbie zębów między kołem słonecznym a kołem koronowym służy celowi zmniejszenia prędkości.
Reduktor planetarny przekształca wysoką-prędkość obrotową silnika na niską-prędkość i wysoki-moment obrotowy, odpowiedni do potrzeb przekładni nie-wysoko-precyzyjnych części robotów, takich jak kończyny dolne (np. stawy biodrowe i kolanowe). Wprawiając przekładnie planetarne w ruch obrotowy i obrót przez koło słoneczne, moc jest ostatecznie wytwarzana przez nośnik planety. Charakteryzuje się prostą konstrukcją, niskim kosztem i dużą nośnością-.
Biorąc za przykład robota Tesla Optimus Gen-2, jego reduktor planetarny wykorzystuje łożyska kulkowe zwykłe i łożyska igiełkowe. Łożyska kulkowe zwykłe wytrzymują mniejsze obciążenia promieniowe i osiowe, natomiast łożyska igiełkowe wytrzymują ogromne obciążenia promieniowe generowane przez przekładnie planetarne, gdy obracają się one z dużymi prędkościami.
II. Inne łożyska w robotach humanoidalnych
1. Siłowniki liniowe:-łożyska skośne czteropunktowe
W łożyskach czteropunktowych stosuje się łożyska kulkowe, w których stalowe kulki łożyska kulkowego stykają się z pierścieniami wewnętrznym i zewnętrznym w czterech punktach, uzyskując dwu-stan styku. Dzięki temu mogą wytrzymać dwukierunkowe obciążenia osiowe i pewną część obciążeń promieniowych. Kompozytowa konstrukcja pierścienia wewnętrznego mieści więcej kulek, zwiększając-nośność; dzielona struktura ułatwia instalację i nadaje się do połączeń o ograniczonej przestrzeni. Kąt zwilżania wynosi zazwyczaj 35 stopni lub 45 stopni, z małym luzem osiowym, co zapewnia duże ograniczenie prędkości i sztywność.
Łożyska-czteropunktowe są powszechnie stosowane w przegubach obrotowych i siłownikach liniowych w połączeniu z łożyskami krzyżowymi w celu uzyskania-wysokiej precyzji ruchu.
2. Samo-łożyska przegubowe samosmarujące: Łożyska-samosmarujące osiągają ruch o niskim-tarciu dzięki bimetalicznym materiałom kompozytowym lub stałym smarom, przy współczynniku tarcia wynoszącym zaledwie 0,08, a jednocześnie charakteryzują się wysoką odpornością na zużycie (żywotność przekraczającą 10 000 godzin). W robotach humanoidalnych stosuje się je głównie w modułach przegubowych, które charakteryzują się-bezobsługową pracą, dużą nośnością i długą żywotnością, spełniając wymagania-ruchów o wysokiej częstotliwości i precyzji na poziomie mikronów. Na przykład samosmarujące się-łożyska ślizgowe firmy Changsheng Bearing zostały zastosowane w modułach przegubowych robotów humanoidalnych firmy Unitree Robotics, osiągając współczynnik penetracji przekraczający 80%, co czyni ją wyłącznym dostawcą.
Inne zastosowania-samosmarujących się łożysk w robotach:
Zestawy przekładni redukcyjnych: spełniające-wymagania dotyczące precyzyjnych przekładni i zapewniające stabilność ruchu.
Połączenia wspólne: przenoszenie dużych obciążeń i-praca z dużą prędkością, co zmniejsza zużycie energii.
Systemy napędów śrubowych: dostosowywanie się do precyzji ruchu-mikronowej, poprawianie ogólnej elastyczności.
Streszczenie: W piramidzie technologicznej robotów humanoidalnych łożyska, choć małe, stanowią kluczowy rdzeń łączący warstwę górną i dolną. To nie tylko złącze fizyczne, ale także czynnik zapewniający wydajność, a jego znaczenie przejawia się w trzech aspektach: **Kamień węgielny precyzji ruchu:**-wysoka precyzja i-łożyska o dużej sztywności zapewniają płynność, dokładność i stabilność każdego ruchu robota. Od mikro-manipulacji zręcznymi rękami po mocne podparcie stawów nóg, nawet najdrobniejsze błędy w łożyskach są wzmacniane, bezpośrednio determinując ogólną wydajność ruchu robota.
**Gwarancja-nośności i żywotności:** roboty humanoidalne muszą wytrzymywać złożone, wielowymiarowe-obciążenia w dynamicznych środowiskach. Specjalistyczne cienkościenne łożyska kulkowe-skośne, łożyska wałeczkowe krzyżowe i inne lekkie konstrukcje zapewniają doskonałe-przewrócenie się i wytrzymałość zmęczeniową, co stanowi podstawę długoterminowej-niezawodnej pracy robota.
**Klucz do efektywności energetycznej i integracji:** Łożyska-o niskim tarciu zmniejszają straty mocy, poprawiają efektywność energetyczną i pośrednio zwiększają wytrzymałość robota. Jednocześnie pojawienie się łożysk kompaktowych (takich jak łożyska kulkowe cztero-punktowe) pozwala zaoszczędzić cenną przestrzeń w konstrukcji przegubów robota, umożliwiając wyższy stopień integracji.
