Какая лучше коробка передач робот или автомат: автомат или робот. Преимущества и недостатки

Содержание

Какая коробка передач лучше: робот или традиционный «автомат»

Роботизированные коробки передач – удобный и дешевый способ наделить бюджетную модель автоматической трансмиссией. Однако, различия между от классической АКП не только в цене, но и кое в чем другом. Стоит ли «робот» своих преимуществ на фоне тех минусов?

То, что мы называем роботизированной или автоматизированной трансмиссией, на самом деле является обычной механической коробкой с пристроенными к ней электроприводами, которые вместо водителя двигают тяги кулисы и выжимают сцепление. Руководит этими приводами электронный блок, который учитывает несколько факторов, и задача которого – переключить передачу вовремя и как можно быстрее.

Роботизированная автоматическая трансмиссия – это обычная “механика”, к которой приладили сервоприводы, движущие рычаги кулисы и сцепление вместо водителя.

Этот тип трансмиссии конструкторы изобрели не так давно, примерно полтора десятка лет назад, но за это время «роботы» успели заметно усовершенствоваться: стали более проворными и надежными.

Стоит такая трансмиссия несравнимо дешевле и гидромеханической АКП, и бесступенчатого вариатора. Поэтому и получает распространение, причем не только на бюджетных компактных моделях, а также на кроссоверах.

Читайте также: Коробка передач: робот, автомат или механика – в чем разница

Однако, определенная часть автомобилистов роботизированные коробки откровенно не любит. А есть ли за что?

Динамика. Первая проблема, за которую упрекают работов их критики – это задержки при разгоне. Робот «задумывается» на каждой передаче и при кик-дауне, и при обычном ускорении. Это приходится учитывать при обгонах, а толчки и зависания замечают даже пассажиры. На фоне «работа» классическая АКП кажется просто образцом динамики и комфортабельности – хотя как известно, сама не без греха.

Экономичность. Правильный “робот” может обеспечивать экономичность даже лучше обычной механики. Ведь руководит процессом подбора передач и их переключением компьютер, а усложняющих факторов, повышающих аппетит, в виде гидротрансформатора или гидромуфты, нет.

И роботизированная МКП, и гидромеханическая АКП имеют режим ручного переключения. Это удобно для торможений двигателем и движения на подъем под нагрузкой.

Движение в пробках. Есть определенная разница в поведении двух автоматических трансмиссий в условиях напряженного городского трафика.

Читайте также: Как отремонтировать шину в дороге своими руками

Для робота является нежелательным режим, когда машина подолгу тянется на небольшой скорости. Поскольку фактически это происходит при полунажатом сцеплении, его диски будут ускоренно изнашиваться – так “на работе” лучше не ползти, а стоять на месте до тех пор, пока впереди не освободится отрезок пути, который можно преодолеть быстрой короткой «перебежкой». Классический автомат такие условия не считает проблемой, поскольку у него вместо сцепления – потоки смазки между двумя роторами.

Движение в тяжелых условиях. Поскольку за процесс соединения трансмиссии соответствует обычное двухдисковое сцепление (хотя и с приаттаченным сбоку электроприводом), робот, как и классическая АКП, не боится выезжать на бордюр. Не считает он за особую проблему и движение по плохим грунтовкам, и буксование. Правда, «раскачаться», засев в грязи или снегу, на «работе» будет непросто. Словом, осложненные условия движения роботизированная коробка и АКП переживают примерно одинаково, хотя навыки управления в таких ситуациях нужны разные.

Ремонт АКП с гидротрансформатором (на фото) доступен только профессионалам высокого класса. С заменой навесных блоков «робота» справится простой механик.

Долговечность. По сравнению с гидромеханической АКП роботизированная коробка устроена проще, поэтому ремонтировать ее значительно дешевле. По поводу ресурсов, то в обоих случаях он во многом зависит от стиля езды, а также от модели и производителя. В целом долговечность примерно одинакова: если в классическом “автомате” чаще всего подгорают фрикционы, то у «роботов» прежде всего отказывает сервопривод переключений, а также – сцепление.

Цена. Роботизированная “механика” значительно дешевле гидромеханической АКП, и это заметно по ценникам в автосалонах, особенно когда речь идет о бюджетных моделях.

Больше информации о недостатках и плюсах разных коробок передач можно найти тут.

Рекомендация Авто24

К сожалению, автопроизводители часто не оставляют нам выбора, и некоторые новые модели предлагаются исключительно или с роботом, или с “механикой”. Если у вас нет особых драйверских амбиций, то можете смело выбирать роботизированную трансмиссию: на большинстве моделей она довольно живучая, надежная и честно делает свое дело. Ну а если вам не нравится мечтательность «робототехники» и сомнительная долговечность вариатора CVT, то советуем искать классический гидромеханический “автомат”. На новых машинах такую ​​коробку можно найти среди моделей, которые выпускаются давно, или в каталогах брендов, так сказать, второго порядка, которые не спешат за технической модой и используют проверенные технологии недалекого прошлого.

Читайте также: Готовим автомобиль к езде по ямам: как ездить по плохим дорогам

«Робот» или «автомат», «ручка» или «механика»: как правильно называть коробки передач?

Вот с науки и начнём, и не с какой-нибудь, а с «Теории автоматического управления», именно она поможет нам разобраться с коробками – основы ТАУ дают студентам практически любой инженерной специальности. Нет-нет, мы вовсе не собираемся грузить читателей принципами работы регулятора Уатта и описанием пропорционально-интегрального закона как одного из принципов автоматического регулирования систем. ТАУ предлагает куда как более простые постулаты, некоторые из которых мы адаптируем для пояснения несложного, казалось бы, и ясного как день вопроса: чем отличается автомобиль с ручной коробкой от автомобиля с автоматической?

С ответом спешить не будем, а уточним, что ТАУ определяет разбивку всех систем по типу управления на следующие: «ручные», «полуавтоматические» и «автоматические». Что это означает в приложении к автомобилю? Это означает, что если водитель:

  • А – сам выбирает передачу — скажем, решает, что вот сию секунду нужно перейти с третьей на вторую или с шестой на седьмую, и
  • Б – сам переключает ступень с помощью механического привода, на одном конце которого – рука водителя, на другом – каретка синхронизатора…

…то коробка по критерию «тип управления» классифицируется как «ручная».

Сразу перескакиваем на третий случай – «автоматические». Простая логика подсказывает обратное: если электроника думает за водителя по полной программе, при этом

  • А – выбирает ступень, то есть, сама решает, куда переключиться в данный момент – вверх или вниз, и
  • Б – сама осуществляет это переключение…

…стало быть, перед нами коробка передач, которая по критерию «тип управления» классифицируется как «автомат» или «автоматическая».

Селектор коробки передач автомобиля Opel Insignia Country Tourer 2018

С вариантом «полуавтоматическим» сейчас знакомы большей частью гонщики — скажем, управляющие болидами Формулы-1. За водителем в данном случае остаётся только выбор ступени: водитель даёт сигнал – замыкает контакт, а электроника, следуя этому указанию, уже производит сам процесс включения передачи с помощью сервопривода.

Из всего изложенного напрашивается простой вывод: тип коробки передач по критерию «тип управления» не подразумевает ровным счётом никаких конструктивных особенностей той части коробки, в которой трансформируется момент. Это важно, потому что одна и та же коробка, как мы покажем ниже, по критерию «тип управления» будет «автоматической», а по критерию «тип трансформации момента» — «механической». Может ли такое быть?

“Механическая” и “ручная” — это одно и то же?

Да, ещё как может! Только для начала давайте зададимся вопросом, правильно ли называть «ручные» коробки «механическими» — вроде бы, это давно вошло в обиход. Да, мы к этому привыкли, поскольку в 80-е, 90-е и первой половине 2000-х широкий потребитель практически не знал других автоматических коробок кроме гидромеханических, представляющих собой пару гидротрансформатора и планетарного редуктора.

Автоматическая коробка передач 9G-TRONIC Mercedes-Benz

Здесь оговоримся сразу: в рамках настоящего материала мы не рассматриваем эволюцию конструкции коробок. Малой серией порой выпускали такую всячину, что народ недоумевал: зачем? В любом случае, об этом мы напишем отдельную статью, там будет о чём поговорить. Произошедшая подмена «ручные — значит механические» ничего плохого не несёт, тем более, что во многом это отражало потребительскую картину автомобильного мира в три десятилетия до середины двухтысячных.

Механическая коробка передач МТ6 Opel

Между тем, слово «механический» по критерию «тип преобразования момента» означает, что крутящий момент в коробке увеличивается или уменьшается без применения пневматических, электрических или иных устройств, кроме механических. Проще говоря, крутящий момент, поступающий в коробку, меняется за счёт взаимодействия двух любых «железок». Обратите внимание, что мы говорим «железки», а не «шестерёнки»: этот критерий группировки коробок передач уже напрямую увязан с конструкцией агрегата.

Трёхвальные и двухвальные

Итак, конструкция. Начнём с «ручных» коробок, поскольку здесь есть свои особенности. В применении к ним мы часто слышим: «двухвальная» или «трёхвальная». Это очень интересный термин, который поменял значение с течением времени. Когда-то он означал количество валов, участвующих в передаче мощности на ступенях переднего хода. Сейчас он означает количество пар шестерен, через которые передаётся момент на одной передаче переднего хода. У трёхвальных коробок таких пар две: шестерни первой пары размещаются на входном и промежуточном валах, шестерни второй – на промежуточном и выходном. У двухвальных коробок такая пара одна. То есть, количество валов, физически имеющихся в коробке, здесь совершенно ни при чём.

Механическая коробка передач Mercedes-Benz GLA

Напомним, что ещё задолго до появления фольксвагеновских DSG, где ведомые шестерни чётных передач размещаются на одном валу, а нечётных – на другом, ручные коробки стали делать с двумя выходными валами – просто для того, чтобы увеличение количества ступеней не влияло на увеличение длины, а проще говоря, чтобы коробку было легче разместить под капотом при поперечной компоновке силового агрегата. Само собой, ни о каком «преселективном» включении ступеней речи здесь не шло.

Трёхвальные коробки – традиционные, от них стали отказываться по мере вытеснения продольной компоновки компоновки подкапотного пространства на легковых автомобилях от А до D класса поперечной.

Типичный её признак – наличие передачи с передаточным числом 1,0, когда момент передаётся без участия шестерен: минуя промежуточный вал. Передача эта – компромиссная, поскольку при расчёте это число всегда получается или больше, или меньше единицы. Со временем всё большую территорию стали отвоёвывать двухвальные коробки, которые, с одной стороны, дают меньший габарит, а с другой, инженеры, проектируя их, избавлены от необходимости вынужденного применения передачи 1,0.

«Гидро» без «механики»

Возвращаемся к группировке коробок по критерию «трансформация крутящего момента». Наличие гидравлического звена (гидротрансформатора), в котором на части режимов изменяется момент, автоматически относит коробку к типу «гидромеханических», при этом совершенно неважно, как устроена та часть коробки, которая идёт после гидротрансформатора – это может быть и планетарный редуктор, и… вариатор. Да-да, эпитет «гидромеханический» настолько прочно закрепился за классической конструкцией «автомата», состоящего из гидротрансформатора и планетарного редуктора, что по инерции ни к какой другой коробке мы его уже не применяем. А зря.

Схема передачи крутящего момента коробки передач DSG Volkswagen

Эксперты Росстандарта при выдаче сертификата, позволяющего продавать новые автомобили (одобрение типа транспортного средства, ОТТС), обязательно определяют конструктивный тип трансмиссии. Скажем, для версии Nissan Qashqai с вариатором это «гидромеханическая».

Между тем, бывают и коробки передач, сконструированные на базе вариатора, которые нельзя отнести к «гидромеханическим» по той простой причине, что между двигателем и шкивами вариатора нет гидравлического узла, изменяющего момент. А что же там есть? Как правило, это два мокрых многодисковых сцепления, одно из которых отвечает за передний ход, а второе переключает поток мощности на задний. Похожая вариаторная коробка установлена, к примеру, на Lifan X70, у которого в графе «трансмиссия» одобрения типа транспортного средства указано: «механическая».

И вот тут мы подошли к важному моменту: в зависимости от критерия группировки коробок передач, вариаторная коробка без гидротрансформатора может быть одновременно и «механической», и «автоматической». «Механической» она может быть по типу трансформации крутящего момента – в её конструкции отсутствует гидротрансформатор, «автоматической» — по типу управления. А давайте зададимся вопросом: может ли вариаторная коробка быть и «механической», и «ручной»?

Селектор коробки передач автомобиля Jaguar XF Sportbrake 2018

Оказывается, может! Водителю для этого понадобится рычаг с приводом, раздвигающим и сдвигающим половинки пары шкивов – ведущего и ведомого, и не более того. Надобности в этом нет никакой, поэтому такого огорода ни один автопроизводитель городить не станет, однако никаких технических препятствий к организации ручного управления вариатором нет.

“Робот” — это “автомат”?

Теперь давайте попробуем самостоятельно определить тип упомянутой коробки концерна Volkswagen, которая для автомобилей марки VW имеет аббревиатуру DSG, то есть, direct shift gearbox. С одной стороны, водитель машины с коробкой DSG не выбирает передачу и не включает её — стало быть, по типу управления, коробка «автоматическая». В конструкции коробки нет гидротрансформатора – на его месте стоят либо два сухих сцепления, либо два пакета фрикционов, работающих в масляной ванне. Стало быть, по типу трансформации крутящего момента DSG – это типичная механическая коробка, что и фиксирует ОТТС на любую из моделей концерна VW с таким агрегатом — скажем, на Skoda Octavia.

Коробка передач DSG Volkswagen

Уточним, что в потребительской среде российских автовладельцев такие коробки принято называть «роботами». Откуда это пошло? От бездумного перевода западных пресс-релизов и статей. Опять же, если отдельно взятый потребитель представляет себе конструкцию, которую он называет «роботизированной коробкой», то ничего плохого в этом нет, максимум, что может случиться – его не поймут, ведь слово «роботизированный» в применении к трансмиссии не несёт ровным счётом никакого типа конструкции или принципа действия коробки.

Речь может идти как о коробках типа double clutch transmission (то же, что и DSG, только общее название), так и о коробках single clutch transmission, то есть, об агрегатах с одним автоматически срабатывающим сцеплением. Такие коробки были распространены ещё некоторое время назад: например, коробку Easytronic широко применяли в Opel.

Коробка передач Easytronic Opel

Наконец, «роботизированными» коробками часто называют и такие, в которых часть функций по включению передачи берёт на себя электроника. Такие агрегаты хотя и не часто, но встречались на рынке. Скажем, коробка Porsche Sportomatic, разработанная ещё в конце 60-х: у машины было две педали – газ и тормоз, при этом сцепление срабатывало автоматически, когда водитель обычным рычагом переключал каретки синхронизаторов из одного положения в другое. Все нагрузки при этом сглаживал гидротрансформатор.

В общем, давайте говорить правильно! А теперь вернёмся к вопросу, с которого мы начали статью: что же отличает автомобиль с ручной коробкой от машины с «автоматом»? Ответ прост: количество педалей. В первом случае их три, во втором – две. Собственно, это и есть главный вывод, который нужно запомнить, остальное – детали…

Опрос

Теперь, когда вы знаете, как правильно — вы будете иначе называть типы коробок передач?

Всего голосов: Что делать, чтобы роботизированная коробка передач не ломалась

Что может сломаться в «роботе» 

Самый пугающий (но на самом деле самый безобидный) симптом проявляется в следующем: «мозги» коробки в какой-то момент перестают распознавать положение селектора или не разрешают включить Drive или Reverse, а в некоторых случаях — даже завести мотор. В режим самозащиты «робот» может перейти либо при перегреве, либо при сбоях в работе датчиков. Сильный перегрев, кстати, их и «пере­кашивает», делая проблему регулярной.

«Робот» с одним диском, несмотря на простоту конструкции, не может похвастаться огромным ресурсом. Если сама коробка обычно служит долго, то сцепление изнашивается быстрее, чем у опытного водителя, ездящего на «механике» — порой уже через 20–30 тыс. км. Нередки и отказы его серво­привода, которому требуется немалое усилие для размыкания дисков.

Тонким местом преселективных коробок тоже оказались сцепления. Их износ — самая распро­странённая неисправ­ность трансмиссий этого типа. Традици­онные «сухие» диски сцепления, нормально работающие в паре с МКПП, при быстрых и частых пере­ключениях «робота» склонны к перегреву и, как следствие, быстрому износу и деформации, поэтому их применяют только там, где нагрузки на коробку относительно невелики. С мощными моторами или на тяжёлых машинах приходится использовать много­дисковые сцепления, работающие в специальном масле, которое их охлаждает. И всё равно для узла «сухих» сцеплений в пресе­лективной коробке неплохим ресурсом считаются 60–70 тыс. км, «мокрые» могут прослужить вдвое дольше, но их обслужи­вание и замена обходятся значительно дороже. Верные признаки износа сцеплений — толчки при пере­ключениях, вибрации при старте автомобиля с места.

Чтобы коробка переключалась плавно, а сцепления служили долго, требуется очень точная и согласованная работа систем управления сцепле­ниями и сменой передач. Если заведующий этим мехатронный блок настроен недостаточно тонко и неточно исполняет команды электронной программы управления, то коробка начинает методично убивать сама себя.

Именно мехатроника — самая капризная часть «робота». Этот блок, совмещающий в себе электронные и гидравли­ческие части для приводных механизмов, работает в довольно сложных условиях — ему приходится с большой частотой выполнять разные команды, выдер­живать большое давление рабочей жидкости (она отличается от масла, залитого в саму коробку), подстраивать свои режимы под текущие условия езды, режимы и фактический износ сцеплений. В общем, сбои, перегревы, отклонения в работе управляющих соленоидов, загряз­нение масляных каналов, подтёки и даже трещины в корпусе мехатронного блока — список возможных проблем довольно обширен.

Самые редкие, но тоже больно бьющие по карману неисправ­ности связаны с механической частью коробки. Износ валов, шестерёнок, вилок пере­ключения, подшип­ников и прочих деталей редуктора (всё это проявляется специфи­ческим шумом или заминками в пере­ключениях передач) лечится, как правило, только капитальным ремонтом «робота». Либо его полной заменой.

Впрочем, не всё так драматично. Инженеры постоянно работают над повышением надёжности «роботов» с двумя сцеплениями. Если правильно эксплу­атировать и обслуживать, то сегодня даже «сухая» конструкция способна без каких-либо проблем и дорого­стоящих замен пройти 150–200 тысяч пробега.

Робот или автомат на Тойоте Королле лучше?

Дата: 03.02.2015

Любимый многими седан С-класса Тойота Королла представлен на рынке в нескольких комплектациях. Кроме различных объемов двигателей, вариативной частью является и трансмиссия. Тойота Королла может быть оснащена как уже ставшим классикой «автоматом», так и роботизированной механической коробкой передач, так званой Multimode Transmission. Королла с объемом двигателя 1.6 л позволяет ощутить, что же это такое и в чем плюсы и минусы такой трансмиссии для автолюбителя.

Особенности роботизированной коробки передач

Роботизированная механическая коробка передач – это альтернатива уже традиционной автоматической КПП. Принцип работы коробки-робота такой же, как и у механики, но с участием особого устройства под капотом. По команде от электронного блока управления гидроцилиндры в нужный момент замыкают и размыкают сцепление, включают передачу. Водитель непосредственно принимает участие в процессе, задавая на селекторе нужный режим работы робота, передний или задний ход.

Роботизированная коробка передач

Роботизированная коробка передач имеет как достоинства, так и недостатки. Такой робот работает по четкому механизму. Во время того, как авто набирает скорость, при достижении определенных оборотов двигателя машина сама сбрасывает газ, делает заминку. В этот момент механизм выжимает сцепление и включает передачу. Этот процесс сопровождается ощутимой паузой и рывком автомобиля, особенно при интенсивном ускорении. Чем стремительнее авто набирает скорость, тем ощутимее рывки. Именно поэтому Тойоту Короллу на роботе лучше разгонять плавно, не спеша, ни в коем случае не вдавливая педаль в пол. Для плавного движения на роботе рекомендуется использовать одну треть или половину хода педали газа.

Кроме того, во время движения в пробках при каждой остановке нужно переводить рычаг селектора в нейтральное положение до момента следующего трогания с места. В противном случае, если авто стоит и передача включена, сцепление выжато и находится в постоянном напряжении. Это ведет к преждевременному изнашиванию механизма сцепления. Авто с такой коробкой передач стоит ставить на ручной тормоз, что может вызвать некоторые затруднения в холоднее время года. Если остановить автомобиль на роботе на спуске, не используя ручник, у машины будет откат назад. Кроме того, робот требует периодической калибровки и дополнительного обслуживания. Срок службы такой коробки зависит от режима езды. Ресурс робота более ограничен в условиях города (особенно в крупных мегаполисах с частыми пробками) и значительно больше при частой эксплуатации по трассе.

Салон Toyota Corolla на «роботе»

Бережное обращение с коробкой передач и плавный разгон позволяет значительно продлить срок службы такого робота и заметно сэкономить топливо. Прочувствовав алгоритм переключения передач и привыкнув к особенностям поведения роботизированной коробки, можно по-настоящему насладиться движением на авто с такой трансмиссией. Особенно просто «подружиться» с роботом водителем с хотя бы небольшим стажем.

К достоинствам роботизированной трансмиссии можно отнести то, что двигатель сохраняет свою мощность, не теряя лошадиные силы, как на коробке-автомате. Кроме того, автомобили на роботизированной коробке передач признаны более экономичными и экологичными. Именно поэтому в европейской версии предпочтение отдается строго роботизированным коробкам.

АКПП: достоинства и недостатки

Автомобиль на «автомате» также не настолько динамичный, как классическая механика. По сравнению с роботом, на АКПП больше расход топлива. При активном стиле вождения такая коробка требует больших эксплуатационных затрат (более частую смену масла, расходников). По сравнению с автоматом, обслуживание робота обходится дешевле. Однако автоматическая коробка передач значительно облегчает управление авто, что особенно важно для новичков, не имеющих достаточного опыта, внимательности и уверенности в себе, или людей, предпочитающих комфорт и плавность ходу скорости и динамизму.

Тойота Королла на АКПП

Особенности АКПП в Тойоте Королле – слишком длинные верхние передачи, из-за чего разгон зачастую вялый, но плавный, и отсутствие ручного режима (есть возможность лишь ограничить диапазон передач, которые используются). Кроме того, автомобиль на автомате имеет более высокую стоимость, чем его аналог.

Для быстрой и резкой езды ни робот, ни автомат не подходят на все 100%. Впрочем, они повышают безопасность вождения для людей без опыта, но делают авто более спокойным и задумчивым.

Таким образом, выбор между роботом и автоматом в таком авто, как Тойота Королла, зависит от характера вождения и ожиданий владельца от автомобиля. Оба типа коробок передач имеют как достоинства, так и недостатки, при этом оставаясь аналогами друг друга.

Другие статьи

Что лучше зимой автомат или механика?

Вопрос, с какой коробкой предпочтительнее эксплуатировать современный автомобиль в зимних условиях, интересует многих автомобилистов. Многие прекрасно понимают, что вождение транспортного средства (ТС) зимой и летом – большая разница. Особенно, когда речь идет о такой стране, как Россия, с ее суровым климатом. Влияние на сцепление автомобиля с дорогой оказывает не только конструкция автошин (шипованные, липучки, рисунок протектора, индекс скорости и т.д.), но и тип коробки передач, а также тип привода автомобиля. Знание порядка и правил эксплуатации ТС с учетом характерных особенностей трансмиссии поможет каждому автомобилисту увереннее чувствовать себя за рулем автомобиля независимо от погодных и климатических условий.

В настоящее время на автомобили массово устанавливается всего 4 типа коробок передач:

  1. Автоматическая (АКПП).
  2. Механическая (МКПП).
  3. Вариатор.
  4. Роботизированная.

Все остальные названия, вроде «мульти-троник» и т. п., всего лишь разновидности основных конструкций, имеющие незначительные отличия. Рассмотрим характерные особенности эксплуатации вышеперечисленных трансмиссий в зимних условиях.

Коробка-автомат

При эксплуатации автомобиля зимой автомат необходимо. Масло в АКПП должно быть разогрето до положительной температуры до начала движения. Сделать это несложно: просто установите рычаг в положение Dили R, выжмите педаль тормоза и продержите систему в таком положении около минуты. Продолжительность прогрева автоматической коробкиувеличивается пропорционально температуре окружающего воздуха.

Некоторые современные автоматы имеют специальный зимний режим работы. Обозначается символом в виде снежинки. Благодаря внесению в конструкцию коробкиобратной связи, система контролирует отсутствие пробуксовки. Момент двигателя передается на колеса не полностью, и,как следствие, передачи начинают переключаться с небольшой задержкой. Применение этой системы позволяет сократить вероятность заноса при поворотах, и потери контакта с дорогой при движении в гору. Конечно, при эксплуатации АКПП в таком режиме немного возрастает расход топлива, за безопасность приходится доплачивать.

Одна из проблем, с которой может столкнуться владелец такого автомобиля – невозможность продолжить движение, если машина застрянет. Враскачку или каким-либо иным способом ее не высвободить, так как пробуксовка может повредить автомат.

Механическая коробка

К эксплуатации в условиях русской зимы этот узел приспособлен наилучшим образом. Не зря ведь на настоящие внедорожники, как правило, устанавливают именно «механику». Ее не нужно специально греть, грязь и бездорожье механике не страшны, колеса могут буксовать и никаких последствий для «механики» не будет. Все что нужно сделать автомобилисту – соблюдать правила управления автомобилем, корректно работать со сцеплением.

Вариатор

По многим характеристикам и принципу работы вариатор схож с тем, как работает автоматическая коробка. Потому и основные правила по эксплуатации агрегата зимой для них общие:

  • нельзя буксовать;
  • важно прогревать перед началом движения;
  • плавно нажимать на педали газа и тормоза.

Но есть одно существенное отличие, которое касается именно зимнего режима работы вариатора. Автомобиль с такой коробкой передач способен выбраться зимой из снежного сугроба. Главное – не мешать вариатору резкими нажатиями на педаль.

Коробка-робот

Конструкция агрегата максимально приближена к механической коробке передач (МКПП). Разница заключается лишь в том, что процессом переключения передач управляет робот. А вот процесс управления аналогичен работе автоматической трансмиссии или вариатора. На роботе, также как и на классической механике, можно смело пробуксовывать, пытаясь враскачку вытащить автомобиль из ямы или снежного плена. Однако в таком случае обязательно нужно работать в ручном режиме переключения передач, иначе робот повысит номер передачи в процессе пробуксовки, что может привести к поломке агрегата в момент выезда на покрытие с хорошим сцеплением из-за резкого изменения сопротивления на приводе.

Краткий вывод

Коробка-автомат, вариатор, робот – все эти варианты уместны, они помогают управлять автомобилем в более комфортных условиях. Механическая трансмиссия зимой более надежна и эффективна.

Чем отличается коробка автомат от робота и что такое робот

Современные автомобили оборудуются разными типами коробок передач и потребителю особенно при покупке своей первой машины бывает тяжело сделать правильный выбор среди этого разнообразия трансмиссий.

Поэтому в этой статье попробуем понять, чем отличается коробка автомат от робота, именно этот вопрос волнует многих будущих автовладельцев.

Отличие робота от автомата

Коробка автомат. Как вы знаете, в состав автоматической коробки передач входят два основных узла — это гидротрансформатор и редуктор. Гидротрансформатор обеспечивает плавное и безрывковое переключение передач, по сути, он работает вместо сцепления, которое есть на машинах с механической коробкой передач.

Редуктор автомата состоит из определённого набора шестерёнок, они находятся в зацеплении и образуют несколько ступеней: 4, 5, 6 и даже 8.

Из-за особенностей конструкции, автоматическая коробка передач исходя от оборотов мотора и нагнетания масляного давления сама переключает ступени (скорости), без вмешательства водителя. Благодаря такому переключению скоростей, электроника используется по минимуму.

КПП робот что это? Если сказать просто, то на механическую коробку передач поставили блок управления, который состоит из гидропривода и сервопривода (электронный узел). Вот этот блок, без вмешательства человека, заведуют сцеплением и переключением передач.

Коробка робот

Принцип работы робота как у механики, только всё происходит автоматически — гидравлика с электронным управлением всё сделает сама.

Плюсы и минусы автомата и робота

Чтобы лучше понять, чем отличается автоматическая коробка передач от роботизированной, давайте рассмотрим их эксплуатационные характеристики.

1. АКПП значительно снизила нагрузку на водителя при управлении автомобилем, особенно это заметно при движении в городских условиях. Современные автоматические коробки передач (адаптивные) способны даже подстраиваться под каждого водителя, под его стиль езды. Также, автомату свойственно мягкое и незаметное переключение скоростей.

Есть у автоматической коробки передач и минусы — это повышенный расход топлива, особенно в городе и ремонт автомата, который иногда случается, выльется в приличную сумму.

2. Робот относится к механике, значит обслуживание и ремонт будет дешевле, чем у автомата. Расход топлива у автомобиля с коробкой роботом приравнивается к МКПП, а в условиях города даже ниже, что не может не радовать. Ещё, роботы кушают масла по меньше, чем автоматы.

Роботы передают крутящий момент от мотора к колёсам автомобиля без существенных потерь, чего не скажешь об автомате. Большой плюс роботизированной коробки в том, что она поддерживает ручное переключение скоростей, чего нет у многих автоматов.

Есть у робота и минусы — это медленное переключение скоростей и толчки с рывками в работе коробки, это случается довольно часто, если водитель очень сильно давит на педаль газа. Также, в городской черте во время стоянок необходимо рычаг селектора ставить в положение «нейтраль».

А зачем так делать, можете узнать в этом видео, где рассказано о коробке робот.

Подведём итоги, чем отличается автомат от робота:

  • робот — это механическая коробка передач с блоком управления, автомату присуща своя конструкция;
  • при переключениях передач автомат выигрывает у робота по скорости и плавности переключений;
  • у робота есть ручное переключение, а у многих автоматов подобная функция отсутствует;
  • коробка робот потребляет топлива и масла меньше, чем автомат;
  • обслуживание и ремонт роботизированной коробки дешевле, чем автоматической коробки.

Заключение. Моё мнение: робот — это тёмная лошадка, от которой можно ожидать неприятных сюрпризов. Я выбираю автомат, он изучен и предсказуем в работе, тем более, новые автоматические коробки с большим набором передач приближаются уже по расходу топлива к механике и также, эти автоматы могут подстраиваться под каждого водителя.

Кто не согласен с моей точкой зрения, может поделиться в комментариях.

Загрузка…

Выбираем коробку передач — автомат, робот или вариатор — что лучше, советы бывалых.

Выбираем коробку передач — автомат, робот или вариатор — что лучше, советы бывалых.

У этого поста — 4 комментария.

Содержание статьи:

Одним из главных факторов при покупке автомобиля, является его коробка передач. Какая она в нём – автомат или вариатор? И некоторые из нас начинают путаться, решая, что же будет лучше – «автомат», «робот», а может быть «вариатор». Поэтому расскажем немного о каждом из этих видов трансмиссии. Для неподготовленных покупателей эта информация будет крайне полезна.

Сразу стоит уточнить, что «автомат» — самый лучший вариант. Поэтому, если есть возможность, советуем приобрести именно его. «Вариаторы» и «роботы» стали распространяться сравнительно недавно, поэтому пока что не известно об их «подводных камнях», хотя главные недостатки уже знают многие. Озвучим эти недостатки и выделим также все главные достоинства роботизированных трансмиссий.

Достоинства коробки типа «робот»:

Относительно малый расход топлива и недорогая цена и обслуживание самой трансмиссии.

Недостатки:

Не очень хорошая плавность переключения и маленькая скорость переключений.

Как устроен «робот».

Самая известная и качественная роботизированная трансмиссия установлена на автомобилях BMW серии M. Её название – SMG, что означает Sequental M Gearbox. Трансмиссия представляет собой механическую 6-ступенчатую коробку передач, где за отключение сцепления и переключения скоростей отвечает электронная управляемая гидравлика. Скорость переключения передачи молниеносная, она равна всего 0,08 сек.

Но есть и другие методы, как сделать из механической коробки передач «робота». Один из самых известных применяется в Mercedes-Benz A-класса. Суть его в том, что на механическую трансмиссию устанавливается электрогидравлический привод сцепления. Водитель переключает скорости так же, как и на автомобиле с обычной механической трансмиссией, но при этом педали всего две. Сцепления нет, потому как электропривод сам следит за тем, где находится педаль газа и рычаг КП, и сам когда надо отключает сцепление. Чтобы не было сильных рывков при переключении, а также, чтобы автомобиль не заглох, электроника берёт во внимание цифры на датчиках двигателя и ABS.

Другой способ получить «робота» — поставить вместо гидронасосов шаговые электродвигатели. Такое используется на автомобилях Opel и Ford. Но на практике этот способ плохо оправдал себя, несмотря даже на свою относительную дешевизну. После такой замены стали происходить сильные рывки, а скорости начали переключаться с довольно ощутимым опозданием. Правда, аналогичным методом воспользовались и японцы, поставив электроприводы на Toyota Corolla, и у них обошлось без подобных недостатков. Скорости переключаются и быстро, и плавно.

Бесступенчатая трансмиссия или «вариатор».

Здесь всё в точности наоборот. То, с чем были связаны основные недостатки «робота», в бесступенчатой трансмиссии напротив – главные преимущества. Это в частности, хорошая плавность и высокая скорость переключения. Основной же недостаток – высокая стоимость трансмиссии и её обслуживания.

Устройство вариатора.

Основателями такого вида трансмиссии были сотрудники фирмы DAF (Нидерланды). Основной принцип работы прост и доступен. Крутящий момент достигается с помощью резинового ремня, который находится на перемещающихся дисках. Те, в свою очередь, образуют шкивы временной передачи. Есть два вида дисков: ведущие и ведомые. Когда первые раздвигаются, а последние сдвигаются, момент «на выходе» становится меньше. В наши дни вместо кожаного ремня ставится либо наборной ремень из стали, либо большая стальная цепь. Главный минус таких коробок передач – это отсутствие задней скорости и «нейтралки». Но производители трансмиссий находят выход из этого, используя разные способы.

Автоматическая трансмиссия или «автомат»:

Стандартная автоматическая коробка передач включает в себя два главных компонента. Один из них – гидротрансформатор, который служит в качестве маховика. Другой – планетарная коробка передач. Между прочим, всё оснащение автоматических трансмиссий за годы их существования не так уж сильно и поменялось. Единственное, что можно отметить – это возросшее число передач. На Vauxhall Victor их было две, а на Lexus LS460 их уже восемь.

Зато сильно изменились системы управления. В самом начале, когда только придумали «автоматы», скорости переключались с помощью небольшого выключателя, который нужно было двигать вверх и вниз. Позже коробки передач стали делать всё это сами. А ещё позже появилась возможность подстраивать трансмиссию под каждого конкретного водителя. В зависимости от того, как он предпочитает ездить, можно стало выбирать один из нескольких режимов. Для лихачей лучшим вариантом будет режим «спорт», для любителей спокойной езды – «комфорт». Такие «умные автоматы» называются адаптивными.

Плюсы:

Высокая плавность и скорость переключения.

Минусы:

Большой расход топлива и высокая цена эксплуатации и самой трансмиссии.

Другие похожие статьи:

Лучших автоматов 2020 | Auto Express

Не так давно выбор вождения автомобиля с автоматической коробкой передач, а не с механической коробкой передач означал, что вам суждено испытать гнев целого ряда других водителей. Авторитеты больше, чем кто-либо другой, считали коробку с автомобилем делом дьявола, предназначенным только для ленивых водителей представительских седанов, американцев и маленькой старушки внизу по дороге, у которой до сих пор есть свой старый Остин Метро. Как же тогда изменились времена, ведь некоторые из самых популярных автомобилей за последние десять лет были автоматами.

Частично это связано с тем, что современная автоматическая коробка передач стала чудом инженерной мысли, в которой используются передовые технологии, способствующие стремлению современных водителей к скорости и управляемости. Если отойти от автомобилей с высочайшими характеристиками, появится масса обычных моделей с различными типами автоматической трансмиссии. Несмотря на то, что большинство из этой группы довольно хороши, все еще есть действительно ужасные автоматические устройства, что является одной из причин, по которой мы составили этот список — чтобы спасти вас от покупки.Самая запутанная часть состоит в том, что хорошие автомобили с автоматической коробкой передач могут быть разных форм и размеров, поэтому невозможно узнать, какая из них лучше, не опробовав их все.

Быстрое переключение передач, которое ударит вас в спину каждый раз, когда вы опускаете шестеренку, — это здорово на трассе, но в меньшей степени на автостоянке в супермаркете, поэтому выбор лучшего автомобиля также зависит от того, как машина будет. Одним из аспектов автомобилестроения, в котором автоматика последнего поколения может неожиданно превзойти своих собратьев с ручным управлением, является экономия топлива.Самая умная из автоматических автоматов может переключаться более плавно и в лучшую точку диапазона оборотов, чем люди, а это означает экономию топлива.

• Лучшие малолитражки для покупки

Поклонники автоматических коробок передач также будут рекламировать их расслабляющий характер — отдых левой ноги и возможность самому переключать передачи снимают утомление от езды по перегруженным городам и позволяют вам сконцентрироваться на сложных перекрестках и другом движении. Водители, которые не слишком уверены в себе, могут также приветствовать автоматическую коробку передач, поскольку их невозможно остановить и обеспечить плавный уход даже на крутых холмах.

Мы выбрали 10 лучших автомобилей с автоматической коробкой передач для этой функции, но мы не ранжировали их в каком-либо определенном порядке, поскольку они охватывают такой широкий диапазон типов моделей — у нас есть все, от городских автомобилей с автоматом до внедорожников и суперкары. Но прежде чем мы перейдем к списку, вот краткое руководство по различным типам автоматических коробок передач, предлагаемых сегодня.

Типы автоматической коробки передач

«Традиционный» автоматический или гидротрансформаторный автомат

Самый старый и самый известный тип автоматической коробки передач иногда называют «традиционным автоматом», но более точно его называют «автоматом с преобразователем крутящего момента». В нем используется гидравлическая муфта между двигателем и коробкой передач, которая передает мощность под нагрузкой. Они использовались с середины прошлого века и с тех пор постоянно совершенствовались и совершенствовались.

Автомобили с гидротрансформатором предлагают очень плавное, но не обязательно молниеносное переключение передач, за что в некоторых случаях зарабатывают ласковое название «slushbox». Однако эта репутация меняется, во многом благодаря блестящим преобразователям крутящего момента, таким как 8-ступенчатый автомобиль ZF, который устанавливается на десятки мощных автомобилей от BMW до Jaguar.

Коробка передач с двойным сцеплением

Этот тип коробки передач получил множество названий от разных производителей: Volkswagen называет ее DSG, Porsche — PDK, Smart — броской «твинамикой», но все они устроены примерно так же. Система с двойным сцеплением работает с двумя сцеплениями, как следует из названия. Одно сцепление управляет передачами с нечетными номерами, а другое — с четными, и обе муфты работают в тандеме, обеспечивая удивительно быстрое переключение передач.

На ходу автоматика с двойным сцеплением отличается плавностью, быстрым переключением и даже лучше своих соперников с механической коробкой передач по экономии топлива и выбросам.Однако для чистого городского движения они могут быть резкими, а в случае поломки они очень дороги и их сложно ремонтировать.

CVT автоматический (бесступенчатая трансмиссия)

Другой выбор — вариатор или бесступенчатая трансмиссия. Впервые разработанные DAF в 1950-х годах, они используют ремни, а не шестерни, чтобы обеспечить единственную переменную передачу, обеспечивающую плавное и плавное переключение передач. Эти типы коробок передач экономичны и дешевы в ремонте, поэтому лучше избегать их заядлым водителям, поскольку они могут давать автомобилю несколько отключенное ощущение, а также быть шумным под нагрузкой.

Автоматическая механическая коробка передач

Завершающим штрихом является автоматизированная механическая коробка передач. Эти трансмиссии используют обычное сцепление и настройку передач, но роботизируют действие. Они используются в основном в дешевых городских автомобилях — например, Smart до самой последней модели использовала исключительно автоматические механические коробки передач в модельном ряду Fortwo. У них есть преимущество в том, что они дешевы, легки и просты, но часто двигаются по городу и при резком ускорении. Их часто лучше избегать, и вы не найдете ни одного в нашем списке 10.

Итак, помня об этом, нажмите на ссылки ниже или в верхнем левом углу этой страницы, чтобы просмотреть наш список лучших автомобилей с автоматической коробкой передач, имеющихся в продаже сегодня …

Лучшие автомобили с автоматической коробкой передач

Frontiers | Компактные редукторы для современной робототехники: обзор

Введение

Промышленные роботы составляют основу нескольких крупных традиционных производств, включая автомобилестроение или электронику. Сегодня многие регионы мира видят реальную возможность возродить обрабатывающую промышленность, внедряя роботов на малых и средних предприятиях (МСП) и в вспомогательные услуги, как правило, в здравоохранении (SPARC, 2015).

Для крупномасштабных промышленных сред с высокой степенью автоматизации преимущество роботизированных решений по сравнению с людьми-операторами в основном заключается в (i) большей доступности и (ii) способности перемещать — обычно большие — полезные грузы с исключительной точностью позиционирования и высокой скоростью. Эти аспекты имеют решающее значение при разработке и выборе подходящих технологий для промышленного робота, особенно для первичных двигателей и трансмиссий, обеспечивающих движение этих устройств.

Применения в производстве малых и средних предприятий и персональная помощь бросают вызов этой традиционной парадигме робототехники.Ключ к успеху в этих новых приложениях лежит в очень высокой степени гибкости, необходимой для обеспечения безопасного и эффективного прямого сотрудничества с людьми для достижения общих целей. Эта цель требует, чтобы роботы сначала развили способность безопасно взаимодействовать с людьми в дисциплине, обычно называемой pHRI — физическое взаимодействие человека и робота.

pHRI оказывает широкое влияние на срабатывание роботов. Опыт, накопленный за последние десятилетия, в основном в области робототехники в здравоохранении, показывает, что для безопасного и эффективного взаимодействия с людьми роботы должны в основном двигаться, как люди, а значит жертвовать некоторыми из своих традиционных преимуществ с точки зрения полезной нагрузки, точности и скорости.Эта ситуация привела к обширным исследованиям в последние годы, охватывающим оптимальный выбор первичных двигателей и передач для срабатывания HRI (Zinn et al., 2004; Ham et al., 2009; Iqbal et al., 2011; Veale and Xie, 2016 ; Verstraten et al., 2016; Groothuis et al., 2018; Saerens et al., 2019).

Эти работы относятся к более широкой области исследований, изучающих оптимизацию сцепления между первичным двигателем и коробкой передач для данной задачи в автоматических машинах. Краткий обзор основных разработок в этой области дает полезные сведения, позволяющие понять влияние редуктора на общую производительность системы. Паш и Серинг (1983) определили важность инерции при срабатывании и предложили использовать передаточное число для согласования инерции двигателя и отраженной нагрузки в качестве средства минимизации потребления энергии для чисто инерционной нагрузки. Чен и Цай (1993) применили эту идею к области робототехники и определили результирующую способность к ускорению конечного эффектора как определяющий параметр. Ван де Стрете и др. (1998) разделили характеристики двигателя и нагрузки, чтобы распространить этот подход на общую нагрузку, и предоставили метод определения подходящих передаточных чисел для дискретного набора двигателей и коробок передач.Roos et al. (2006) изучали выбор оптимального привода для трансмиссий электромобилей, добавляя вклад КПД коробки передач. Giberti et al. (2010) подтверждают, что инерция ротора, передаточное отношение, КПД коробки передач и инерция коробки передач являются наиболее важными параметрами для выбора срабатывания, и предлагают графический метод оптимизации этого выбора для динамической задачи. Петтерссон и Олвандер (2009) снова сосредоточились на промышленных роботах и ​​представили метод, моделирующий коробку передач с упором на массу, инерцию и трение.Резазаде и Херст (2014) используют очень точную модель двигателя и включают фундаментальный критерий выбора полосы пропускания в дополнение к минимизации энергии. Дрессчер и др. (2016) исследуют влияние трения на планетарный редуктор, в котором кулоновское трение является доминирующим механизмом трения, и демонстрируют, как КПД редуктора обычно становится преобладающим над КПД двигателя при высоких передаточных числах.

По сравнению с исходными моделями коробок передач, использовавшихся в этих работах, где коробки передач моделировались как идеальные передаточные числа, сложность моделей постепенно возрастала.Тем не менее, необходимо сделать важные — и нереалистичные — упрощения, чтобы добиться хорошей практической применимости этих методов. Таким образом, не учитываются такие важные эффекты, как жесткость на кручение и потерянное движение, в то время как модели инерции коробки передач и эффективности сильно упрощены. Это оправданный подход для множества приложений, где упрощенные методы могут помочь инженерам выбрать подходящие трансмиссии. Однако в HRI эти свойства слишком важны для пригодности коробки передач, и их нельзя так сильно упростить.

Следовательно, необходим другой подход для предоставления полезных рекомендаций по выбору коробки передач в HRI, позволяющий избежать чрезмерной сложности задач оптимизации в этой области. Предоставление подробных сведений об эксплуатационных свойствах и характеристиках различных технологий редукторов для обоснованного выбора — еще один вариант, следуя традициям таких работ, как Schempf and Yoerger (1993) или Rosenbauer (1995). Следуя этому подходу, Siciliano et al. (2010), Ли (2014), Шейнман и др.(2016), а также Фам и Ан (2018) предоставляют интересные обзоры высокоточных редукторов для современной робототехники. Однако технологии не анализируются достаточно подробно, чтобы получить хорошее представление о сложных механизмах, в которых они влияют на выполнение роботизированной задачи.

Основная цель данного обзора состоит в том, чтобы дополнить эти работы подробным анализом основных принципов, сильных сторон и ограничений доступных технологий. Помимо возможности прогнозирования будущего технологий редукторов в робототехнике, этот подход может помочь неспециалистам в области редукторов определить подходящие технологии компактных редукторов для многофакторных требований новых робототехнических приложений (López-García et al., 2018). Специалистам по коробкам передач из других областей этот анализ может помочь им получить полезную информацию о конкретных потребностях приложений HRI.

Это исследование начинается с краткого описания основных требований к будущим роботизированным трансмиссиям, чтобы затем представить структуру оценки, предназначенную для оценки пригодности и потенциала конкретной технологии редукторов для этой области. Эта структура включает сильную перспективу pHRI и включает новый параметр — коэффициент скрытой мощности — для оценки внутренней эффективности определенной топологии редуктора. Эта новая структура используется в первую очередь для обзора традиционных технологий редукторов, используемых в промышленных роботах, и новых технологий передачи, которые в настоящее время находятся в процессе выхода на рынок. Наконец, в конце документа приводится краткое изложение результатов этого обзора, а также наши выводы и рекомендации.

Система оценки роботизированных трансмиссий с расширенными возможностями HRI

Контроль

Управление роботизированными устройствами — очень обширная и сложная тема, которая является предметом обширной исследовательской литературы.В этом разделе мы ограничимся введением основных принципов линейности и отраженной инерции, которые являются основными для понимания влияния коробки передач на управление.

Хотя в целом скорость и точность являются противоречивыми требованиями, обычные роботизированные устройства превосходны в достижении высокой точности позиционирования на высокой скорости благодаря использованию жестких приводов с очень линейным поведением (Cetinkunt, 1991). Включение роботизированной трансмиссии влияет на сложность управления в основном двумя способами: вносит дополнительную нелинейность и сильно влияет на отраженную инерцию.

Нелинейности, вызванные включением трансмиссии, принимают в основном форму люфта и / или трения и уменьшают полосу пропускания системы, создавая важные проблемы управления (Schempf, 1990). Заявление о зубчатых колесах приводит к люфту, трению и (нежелательному) соответствию, что затрудняет точное управление. (Hunter et al., 1991) сегодня так же актуально, как и почти 30 лет назад. Для некоторых технологий большие кинематические погрешности передачи и, в частности, нелинейное трение также могут вызвать значительные нелинейности.

Коробки передач также сильно влияют на отраженную инерцию системы. В роботизированном устройстве инерция первичного двигателя обычно на несколько порядков меньше, чем у полезной нагрузки, что делает систему нестабильной и создает серьезные проблемы с управлением. Добавление трансмиссии сильно снижает инерцию полезной нагрузки, которую видит первичный двигатель и которая отражается на него, на коэффициент, равный квадрату передаточного отношения трансмиссии. Таким образом, тщательный выбор трансмиссии может привести к более сбалансированной инерции на обеих сторонах трансмиссии, способствуя минимизации энергопотребления и созданию более надежной, стабильной и точной системы (Pasch and Seering, 1983).

Отраженная инерция особенно важна, когда рабочие органы претерпевают быстрые и частые изменения скорости и / или крутящего момента, что очень часто встречается в задачах автоматизации и робототехники. В этих случаях вводится перспектива полосы пропускания, чтобы подтвердить способность системы отслеживать эти изменения (Sensinger, 2010; Rezazadeh and Hurst, 2014). Это лежит в основе принципа управляемости задним ходом, способности системы демонстрировать низкий механический импеданс, когда она приводится в действие с естественной выходной мощности (с обратным приводом).Это особенно важно при частом двунаправленном обмене энергией между роботом и его пользователем, что типично для реабилитационных устройств или экзоскелетов. Как демонстрируют Ван и Ким (2015), управляемость коробки передач задним ходом включает в себя комбинированный эффект отраженной инерции, отраженного демпфирования и кулоновского трения, и, следовательно, она тесно связана с эффективностью коробки передач.

Это подчеркивает важность для оценки управляющего воздействия определенной технологии коробки передач как возможностей передаточного числа, так и нелинейностей (люфт, трение), которые она вносит.

Безопасность

Промышленные роботы традиционно размещаются за забором в хорошо структурированной среде, где они могут воспользоваться преимуществами своих быстрых и точных движений роботов, не подвергая опасности сотрудников-операторов.

Безопасный pHRI, включающий способность безопасно перемещаться в неструктурированной / неизвестной среде, обязательно тесно связан с управляемостью. Текущая стратегия, используемая робототехниками для достижения этой цели, заключается в формировании механического импеданса (Calanca et al., 2015), то есть позволяя контроллеру соответствия управлять сложным динамическим соотношением между положением / скоростью робота и внешними силами (Hogan, 1984).

Принцип прост: чтобы обеспечить хорошую адаптацию к неопределенной среде, а также целостность человека-оператора / пользователя во время взаимодействия с роботизированным устройством, последний должен двигаться в соответствии с требованиями человека (Karayiannidis et al. др., 2015). Это подчеркивает важность импеданса и внутреннего соответствия (De Santis et al., 2008) и объясняет появление нового типа внутренне гибких приводов для pHRI (Ham et al., 2009), где требуется высокая степень соответствия (Haddadin and Croft, 2016).

С точки зрения управления, инерция полезной нагрузки, отраженная к первичному двигателю, уменьшается на коэффициент, соответствующий квадрату передаточного числа. Таким же образом обычно небольшая инерция ротора первичного двигателя усиливается тем же фактором при отражении в сторону полезной нагрузки, который должен быть добавлен к инерции, возникающей в результате движения роботизированного устройства и груза по соображениям безопасности, а также ограничение рабочих скоростей.

Хотя в большинстве актуаторов pHRI сегодня используются редукторы с высоким передаточным числом, некоторые известные робототехники Seok et al. (2014), Sensinger et al. (2011) видят большой потенциал робототехники в использовании двигателей с высоким крутящим моментом (бегунок), требующих очень малых передаточных чисел. Новые производители робототехнических решений, такие как Genesis Robotics из Канады или Halodi Robotics AS из Норвегии, предлагают актуаторы для робототехники, основанные на этих принципах. По их мнению, увеличение инерции двигателя и уменьшение передаточного числа должно приводить к снижению инерции двигателя, отражаемой на рабочий орган, что обеспечивает более высокие рабочие скорости и / или полезную нагрузку без ущерба для целостности оператора.Низкие передаточные числа также имеют дополнительное преимущество в ширине полосы: они имеют меньшее трение и люфт, уменьшая нелинейность, вносимую коробкой передач. С другой стороны, умеренное передаточное число не может компенсировать нелинейные условия сцепления — обычно зубчатый крутящий момент (Siciliano et al., 2010).

Более пристальный взгляд на спецификации этих новых двигателей вызывает некоторые вопросы с точки зрения достижимой эффективности, веса или компактности, а также последствий для оборудования, возникающих в результате чрезмерной тяги к высоким электрическим токам (HALODI Robotics, 2018; GENESIS Robotics, 2020).

Подводя итог, нет полного соглашения о том, как лучше всего подойти к безопасному срабатыванию для робототехники. Тем не менее, сильные естественные связи между безопасностью и управляемостью столь же очевидны, как и ключевое значение передаточного числа трансмиссии и ее нелинейностей.

Вес и компактность

Облегченная конструкция имеет первостепенное значение для обеспечения совместимости безопасности и хорошей производительности в новых приложениях робототехники (Albu-Schäffer et al., 2008). Новейшие коллаборативные роботы (коботы), такие как легкий робот KUKA, разработанный в сотрудничестве с Институтом робототехники и мехатроники Немецкого аэрокосмического центра (DLR), живут на этом принципе и, следовательно, сильно отличаются от тяжелых и громоздких традиционных промышленных роботов.Благодаря более низкой инерции, легкие коботы обеспечивают более высокую производительность — более высокие скорости — без ущерба для безопасности пользователя.

Этот выгодный аспект облегченной конструкции имеет и другие преимущества. Для мобильных робототехнических систем меньший вес означает большую автономность. В носимых вспомогательных роботизированных устройствах, включая протезы и экзоскелеты, легкий вес также является ключевым аспектом для повышения комфорта (Toxiri et al., 2019).

Высокая компактность — еще одна характерная черта этих новых роботизированных устройств: от коботов до вспомогательных устройств, компактность дает преимущества в маневренности и удобстве взаимодействия.

В роботизированных приложениях, предполагающих тесное сотрудничество с людьми или предоставление мобильных услуг, позиции по своей сути весьма неопределенны. Легкие и компактные конструкции особенно выгодны (Loughlin et al., 2007) для этих применений с двумя последствиями: первичные двигатели и трансмиссии — обычно самые тяжелые элементы в роботизированном устройстве — должны быть легкими и компактными, но легкие конструкции имеют тенденцию требовать меньший крутящий момент.

В отличие от веса коробки передач, определение подходящего критерия для оценки вклада коробки передач в компактность системы является более сложной задачей. Физический объем определенно играет роль, но наш опыт показывает, что реальная форма коробки передач имеет тенденцию иметь большее влияние. Еще один аспект, о котором стоит упомянуть, — это наличие в некоторых конфигурациях редукторов свободного пространства для размещения материала или движущихся частей, таких как электродвигатели или выходные подшипники, также могут представлять особый интерес. Поэтому мы решили включить в нашу структуру оценки приблизительную форму (диаметр × длина) выбранной коробки передач, в то время как наличие дополнительного места можно напрямую оценить с помощью предоставленных цифр для каждой из конфигураций.

Эффективность и виртуальная мощность

КПД

В таких областях, как автомобильные или ветряные турбины, эффективность редукторов долгое время находилась в центре внимания. В робототехнике, с другой стороны, эффективность до недавнего времени не становилась ключевым параметром принятия решения при выборе подходящей коробки передач (Arigoni et al. , 2010; Dresscher et al., 2016).

Более высокая эффективность — более низкие потери — позволяют снизить энергопотребление и прямо положительно влияют как на эксплуатационные расходы, так и на воздействие машины или устройства на окружающую среду.Для мобильных и носимых роботизированных устройств повышение эффективности также помогает снизить вес системы (требуются батареи меньшего размера) и, в конечном итоге, приводит к большей автономности и лучшему удобству использования (Kashiri et al., 2018).

В коробках передач есть еще одно преимущество в снижении потерь: большинство механических трансмиссий, используемых в робототехнике, имеют замкнутую форму и используют какой-то контакт зубьев для передачи крутящего момента и движения между первичным двигателем и рабочим органом. Благодаря этому кинематическое соотношение между входной ω In и выходной скоростями ω Out заблокировано количеством зубцов и определяет его передаточное число i K . В коробке передач без потерь передаточное отношение i τ между выходным и входным крутящими моментами τ точно соответствует обратному передаточному отношению кинематической передачи с противоположным знаком. Но в реальной коробке передач наличие потерь изменяет это равенство, и, поскольку кинематическое передаточное число заблокировано числом зубьев, абсолютное значение передаточного числа должно уменьшаться пропорционально потерям:

ωInωOut = iK = — η iτ = -ητOutτIn; где η — КПД системы.

Следовательно, высокие потери в коробке передач означают, что меньший крутящий момент доступен для рабочего органа и требуются более высокие передаточные числа для достижения такого же усиления крутящего момента.

Коробки передач подвержены нескольким видам потерь. Чтобы классифицировать их, мы принимаем критерии, предложенные Talbot and Kahraman (2014), и разделяем их на зависимые от нагрузки (механические) потери мощности, возникающие из-за скольжения и качения контактных поверхностей, как в контактах шестерен, так и в подшипниках, и нагрузки -независимые (спиновые) потери мощности — возникают из-за взаимодействия вращающихся компонентов с воздухом, маслом или их смесью.

Виртуальная сила

Термин виртуальная мощность, насколько известно авторам, был первоначально введен Ченом и Анхелесом (2006), но это явление, объясняющее аномально высокие потери, присутствующие в некоторых планетных топологиях, долгое время было известно под разными названиями, включая Blindleistung (Wolf, 1958; Mueller, 1998) и скрытая или бесполезная мощность (Macmillan and Davies, 1965; Yu and Beachley, 1985; Pennestri and Freudenstein, 1993; Del Castillo, 2002).

Из-за принципа действия коробка передач всегда включает в себя высокоскоростную сторону с низким крутящим моментом и сторону с высоким крутящим моментом и низкой скоростью. Следовательно, его внутренние зубчатые зацепления обычно подвержены воздействию высокого крутящего момента и низкой скорости или условий высокой скорости и низкого крутящего момента. Однако в некоторых коробках передач из-за их особой топологии некоторые зацепления шестерен могут иметь одновременно высокую скорость и высокий крутящий момент. Зубчатые зацепления могут легко достичь КПД выше 98%, но поскольку генерируемые потери приблизительно пропорциональны произведению относительной скорости двух зубчатых элементов и крутящего момента, передаваемого через зацепление (Niemann et al., 1975), на этих высоконагруженных сетках появляются неожиданно большие потери. Виртуальная мощность обеспечивает основу для оценки вклада этого явления, которое мы в дальнейшем будем называть топологической эффективностью редуктора.

Некоторые из вышеупомянутых авторов предлагают методы для оценки топологической эффективности данной конфигурации и определения ее влияния на общую эффективность системы. В рамках Chen and Angeles (2006) виртуальная мощность определяется как мощность, измеренная в движущейся — неинерциальной — системе отсчета.Скрытая мощность , представленная Ю и Бичли (1985), соответствует виртуальной мощности, когда опорная система является несущим элементом коробки передач, а виртуальное передаточное число мощности — это соотношение между виртуальной мощностью и мощностью, генерируемой внешним крутящим моментом. применяется по ссылке. Используя эти элементы, мы определяем Latent Power Ratio топологии коробки передач как отношение между суммой скрытых мощностей во всех зацеплениях и мощностью, потребляемой коробкой передач.Таким образом, большой коэффициент скрытой мощности соответствует низкой топологической эффективности и указывает на сильную тенденцию к возникновению больших потерь при зацеплении.

Чтобы облегчить понимание практического воздействия на общую эффективность топологической эффективности, характеризующейся скрытым коэффициентом мощности, данной конфигурации редуктора, мы используем на этом этапе уравнения, предложенные Макмилланом и Дэвисом (1965) для расчета упрощенный пример.

Полная коробка передач робототехники обычно включает в себя несколько зацепляющих контактов, каждый из которых имеет разные рабочие условия и параметры, что приводит к различной эффективности зацепления.Эти КПД очень высоки в оптимизированных зубчатых зацеплениях — часто выше 99% — и позволяют нам упростить наши расчеты, учитывая общий уникальный КПД зацепления η м = 99% во всех зацепляющих контактах в нашем редукторе.

Во-первых, эталонный редуктор, идеальный с точки зрения топологической эффективности, имел бы только одно зацепление и коэффициент скрытой мощности L = 1. Таким образом, потери мощности внутри этого эталонного редуктора можно легко рассчитать как функцию входной мощности. как:

Таким образом, общая эффективность зацепления всего редуктора соответствует таковой для одиночного зацепляющего контакта:

ηsys, идеально = PIN-PLossPIN = ηm = 99%;

Неидеальный редуктор с таким же типовым η m во всех его зацеплениях и со скрытым коэффициентом мощности L, характеризующим его топологический КПД, указывает на то, что общие потери в редукторе можно приблизительно оценить следующим образом:

Ploss, L≈ PIN * L * (1-ηm)

И общая эффективность зацепления всей коробки передач теперь составляет:

ηsys, L = PIN-PLoss, LPIN≈L * ηm + (1-L)

Что для η м = 99% и для значения L = 50 дает:

Этот результат следует частично релятивизировать, потому что накопленные потери в первых зацеплениях, задействованных вдоль различных внутренних потоков мощности в коробке передач, приводят к тому, что меньшая виртуальная мощность, прогнозируемая этими уравнениями, будет течь через последующие зацепления. Эффект от этого заключается в том, что КПД обычно будет падать немного медленнее с коэффициентом скрытой мощности, а более реалистичное значение для предыдущего расчета обычно будет между 55 и 60%.

Чтобы частично компенсировать это большое влияние топологической эффективности на общую эффективность, конфигурации с большим скрытым коэффициентом мощности требуют чрезвычайно высокой эффективности зацепления: для достижения эффективности системы> 70% системе с L = 100 требуется средняя эффективность зацепления. выше 99.5%.

Поэтому в нашем дальнейшем анализе мы сосредоточимся только на оценке вклада топологической эффективности в эффективность редуктора. Это позволяет нам использовать упрощенный метод расчета коэффициента скрытой мощности, который, в первую очередь, не учитывает влияние на потери, вызванные уменьшением крутящего момента. Соответствующие расчеты, использованные для определения скрытого отношения мощности различных конфигураций редукторов, проанализированных в этой работе, включены в Приложение I.

Подводя итог, чтобы охарактеризовать важный эффект КПД коробки передач, мы оценим порядок величины трех параметров: (i) потери, зависящие от нагрузки, (ii) пусковой момент без нагрузки и (iii) коэффициент скрытой мощности.Хотя на него дополнительно влияет статическое трение, а не только кулоновское и вязкое трение, мы выбрали пусковой крутящий момент без нагрузки (относительно номинального крутящего момента) в качестве практического способа характеристики потерь, не зависящих от нагрузки. Наши обмены с производителями коробок передач показывают, что это обычная практика, она не зависит от входной мощности и легко доступна в технических данных производителя.

Производительность

По сравнению со специальными машинами и машинами для автоматической сборки промышленные роботы не могут достичь тех же стандартов точности и скорости.Оба аспекта пришлось скомпрометировать, чтобы обеспечить большую степень гибкости и мобильности, а также рабочего пространства (Rosenbauer, 1995). С этой точки зрения HRI — это всего лишь еще один шаг в том же направлении: чтобы удовлетворить дальнейшие потребности в гибкости и мобильности в неструктурированной среде, необходимы дополнительные компромиссы с точки зрения точности и скорости. Этот переход отражен на рисунке 1.

Рисунок 1 . Графическое описание перехода основных задач задач от машин через промышленных роботов и коботов к людям-операторам.

Точность и повторяемость

Множество аспектов редуктора влияют на общую точность полного роботизированного устройства. Эти аспекты долгое время находились в центре внимания традиционной робототехники и сегодня хорошо изучены, поскольку работы, подобные работам Майра (1989), Шемпфа и Йоргера (1993) или Розенбауэра (1995), содержат очень хорошие ссылки для понимания этих сложных влияний. Эти исследования указывают на особо важную роль, которую играют потерянный ход и жесткость на кручение.

Lost Motion — это дальнейшее развитие принципа люфта, который описывает полное вращательное смещение, создаваемое приложением ± 3% от номинального входного крутящего момента.

Жесткость на кручение характеризует податливость всех элементов коробки передач при кручении во всем потоке сил под действием внешнего крутящего момента. Это устанавливается посредством блокировки входа коробки передач и постепенного увеличения крутящего момента, прилагаемого на выходе, при этом регистрируются изменения жесткости на кручение, приводящие к отклонениям от идеально линейного поведения.

По своей природе точные — малые потери хода и линейная высокая жесткость на кручение — редукторы упрощают задачу управления и обеспечивают высокую точность, идеально подходят для управления положением, в то время как менее точные редукторы создают более серьезные проблемы для управления положением и могут использоваться для более гибкого срабатывания. . В технологиях редукторов, где скорость оказывает сильное влияние на потери или с особенно нелинейным трением, также необходимо учитывать вклад этих элементов в точность.

Чтобы охарактеризовать возможности точности, наша конструкция включает потерю движения и жесткость на кручение, а также субъективную оценку изменения эффективности, вызванного изменениями скорости / крутящего момента.

Скорость и полезная нагрузка

Промышленные роботы могут обрабатывать большие полезные нагрузки за счет большой инерции. Для коботов, с другой стороны, соображения безопасности подразумевают, что они не должны обрабатывать такие большие полезные нагрузки, но благодаря более легкой конструкции они действительно могут достичь большего отношения полезной нагрузки к весу.

Соображения безопасности также ограничивают степень, в которой это уменьшение массы может использоваться для увеличения рабочих скоростей (Haddadin et al., 2009). Тем не менее, более низкий крутящий момент способствует использованию более легких и быстрых электродвигателей, что в принципе требует более высоких передаточных чисел для этих приложений.

Критерий для характеристики вклада коробки передач в скорость и характеристики полезной нагрузки должен отражать эти аспекты и побуждать нас использовать в нашей структуре (i) максимальную входную скорость, (ii) максимальный повторяемый выходной крутящий момент, называемый моментом ускорения, и номинальный крутящий момент, (iii ) передаточное число и (iv) отношение крутящего момента к массе как для номинального, так и для момента ускорения.

Сводка

Определение характеристик роботизированных коробок передач — сложная задача: высокая универсальность этих устройств и их сложное взаимодействие с первичными двигателями и системами управления делают прямое сравнение их характеристик особенно сложным.

Передаточное отношение продемонстрировало сильное влияние на производительность робототехнической системы. Это объясняет его предпочтительную роль в литературе, посвященной оптимизации срабатывания роботов, и растущий интерес робототехников к возможностям использования переменных передач (Kim et al., 2002; Карбон и др., 2004; Stramigioli et al., 2008; Жирар и Асада, 2017). Хотя мы убеждены, что трансмиссии с регулируемой передачей очень многообещающие и, безусловно, будут способствовать формированию будущего ландшафта робототехники, мы ограничили наш анализ здесь компактными коробками передач с постоянным передаточным числом. На данный момент мы считаем, что нам лучше всего подойдет этот ограниченный объем, который также может способствовать выявлению потенциальных областей применения и подходящих технологий для трансмиссий с переменным передаточным числом.

На основе этого анализа мы предлагаем схему оценки будущих роботизированных коробок передач на основе следующих параметров:

• Передаточное число

• Ускорение и номинальный выходной крутящий момент

• Вес

• Форма: диаметр × длина

• Ускорение и номинальный крутящий момент к массе

• КПД: пиковое значение и субъективная зависимость от скорости и крутящего момента

• Топологическая эффективность: коэффициент скрытой мощности

• Пусковой момент при прямом и обратном движении без нагрузки в% от номинального входного крутящего момента

• Потери, не зависящие от нагрузки

• Потерянное движение

• Максимальная входная скорость

• Жесткость на кручение

Наша структура включает также эталонный вариант использования, характерный для множества задач pHRI, согласно нашему собственному опыту: моменты ускорения более 100 Нм и передаточные числа более 1: 100, для которых необходимо оптимизировать вес, компактность и эффективность.

Обзор технологий передачи данных, используемых в настоящее время в промышленных роботах

Электродвигатели, оснащенные механическими трансмиссиями, обычно используются в качестве исполнительных механизмов в робототехнике (Rosenbauer, 1995; Scheinman et al., 2016), а также в промышленных роботах. Эти механические трансмиссии почти неизбежно основаны на какой-то зубчатой ​​передаче (Sensinger, 2013).

Благодаря их большей способности снижать общий вес и поскольку электродвигатели имеют тенденцию иметь более высокий КПД на высоких рабочих скоростях, другой характеристикой промышленных роботизированных трансмиссий является использование относительно больших коэффициентов передачи (передаточных чисел), обычно более 1:40 (Розенбауэр, 1995).

Планетарные редукторы

: чрезвычайно универсальная платформа

Планетарные зубчатые передачи

(PGT) — это компактные, универсальные устройства, широко используемые в силовых передачах. Благодаря характерной коаксиальной конфигурации и хорошей удельной мощности они особенно подходят для вращающихся первичных двигателей, таких как электродвигатели.

PGT

могут использовать две дифференцированные стратегии для достижения высоких коэффициентов усиления: (i) добавление нескольких ступеней обычных, высокоэффективных PGT — здесь называемых редукторами и представленных на рисунке 2 — или (ii) использование особенно компактных конфигураций PGT с возможностью получения высоких передаточные числа.

Рисунок 2 . Внутреннее расположение редуктора Neugart с указанием его основных элементов, адаптировано из Neugart (2020) с разрешения © Neugart GmbH. Он также включает схему базовой топологии.

Хотя использование нескольких ступеней редукторов позволяет наилучшим образом использовать эффективность зацепления высоких шестерен и приводит к высокоэффективным редукторам, это обычно приводит к тяжелым и громоздким решениям. Компактные конфигурации PGT с другой стороны могут достигать высоких передаточных чисел в очень компактных формах, но они страдают от удивительно высоких потерь, связанных с высокими виртуальными мощностями (Crispel et al. , 2018).

Особенно компактная конфигурация PGT для высоких передаточных чисел была впервые изобретена Вольфромом (1912) и использовалась в редукторах серии RE компании ZF Friedrichshafen AG (ZF), предназначенных для промышленных роботов (Looman, 1996). Эта конфигурация, показанная на Рисунке 3, сильно зависит от Virtual Power, и ZF представляет собой единственное известное коммерческое применение конфигураций PGT, отличное от обычных редукторов. Хотя производство серии RE было прекращено в 90-х годах, Wolfrom PGT в последнее время пользуются растущим интересом исследовательского сообщества робототехники, как мы резюмировали в предыдущей статье авторов (López-García et al., 2019а).

Рисунок 3 . Внутреннее устройство ZF’s RG Series Wolfrom PGT для роботизированных приложений адаптировано из Looman (1996) с разрешения © 1998 Springer-Verlag Berlin Heidelberg. Он также включает схему базовой топологии.

В таблице 1 представлена ​​оценка PGT. Несмотря на завышенные размеры для нашего теста, мы использовали ZF RG350 Wolfrom PGT, чтобы попытаться оценить потенциал конфигураций PGT с высоким коэффициентом, на основе имеющихся доказательств его пригодности для достижения высоких коэффициентов (Арнаудов и Караиванов, 2005; Mulzer, 2010 ; Капелевич и AKGears LLC, 2013).Для редукторов мы выбрали — при поддержке производителей — подходящие решения из портфолио Wittenstein и Neugart. Стоит отметить важную роль, которую играет максимальное передаточное число на ступень редуктора: в то время как Виттенштейн ближе к максимуму осуществимости, определяемому избеганием контакта между соседними планетами, Нейгарт выбирает в своей серии PLE (серия PLFE может достигать 1: 100 соотношений только в два этапа) более ограничительный подход и, следовательно, для достижения общего усиления 1: 100 требуется три этапа вместо двух для Виттенштейна.Это приводит к менее компактным решениям и более низкой эффективности для приложения 1: 100, но позволяет Neugart достичь более высокого выигрыша — до 1: 512 — без фундаментальных изменений веса, размера или эффективности.

Таблица 1 . Схема оценки решений с планетарной зубчатой ​​передачей.

Редукторы

имеют вес около 4 кг, что не может быть напрямую сравнено с увеличенными размерами RG350. RG350 имеет форму с большим диаметром и меньшей длиной, чем редукторы.Что касается отношения крутящего момента к весу, значения обоих решений кажутся относительно близкими.

Редукторы

имеют большое преимущество в их хорошем КПД (выше 90%), который также менее чувствителен к изменениям рабочих условий, а пусковые моменты холостого хода очень низкие. Конфигурации с высоким коэффициентом передачи показывают, насколько сильно ограничивается топологическая эффективность, что приводит к снижению эффективности. Это, вероятно, объясняет, почему редукторы сегодня являются доминирующей технологией PGT в робототехнике.

PGT показывают самые высокие входные скорости (до 8 500 об / мин), но их потери хода также самые большие (4–6 Arcmin) в обычных редукторах. В робототехнике PGT широко использовались в первых промышленных роботах, тогда как в последние десятилетия их использование сильно сократилось, в основном из-за их ограничений, связанных с уменьшением люфта. Несмотря на то, что существуют механизмы, ограничивающие изначально более значительную обратную реакцию PGT, на практике они основаны на введении определенной предварительной нагрузки, отрицательно влияющей на их эффективность (Schempf, 1990).

Гармонические приводы: без люфта, легкий редуктор деформационной волны

Редуктор Strain Wave был изобретен Массером (1955) и нашел широкое применение в 70-х годах, первоначально в аэрокосмической отрасли. Его основное космическое применение было в качестве элемента механической передачи в аппарате лунохода на Аполло-15 в 1971 году (Schafer et al., 2005).

Его название происходит от характерной деформации его Flexspline , нежесткой, тонкой цилиндрической чашки с зубьями, которая служит выходом.Flexspline входит в зацепление с неподвижным сплошным круглым кольцом с внутренними зубьями шестерни Circular Spline , в то время как он деформируется вращающейся эллиптической заглушкой — волновым генератором , как это видно на рис. обычно называют Harmonic Drive © (HD) из-за очень эффективной стратегии защиты IP.

Рисунок 4 . Внутренняя конфигурация коробки передач Harmonic Drive CSG (слева), адаптированная из Harmonic Drive (2014) с разрешения © 2019 Harmonic Drive SE, и коробки передач E-Cyclo (справа), адаптированная из SUMITOMO (2020) с разрешения © Sumitomo Drive, 2020 Germany GmbH.Также включена схема их базовой топологии KHV, используемая для расчета его скрытого коэффициента мощности в Приложении I.

Для нашего сравнительного анализа мы выбрали два подходящих редуктора Harmonic Drive, CSD-25-2A, предназначенный для интеграции в роботизированное соединение, чтобы обеспечить адекватные структурные граничные условия, и сверхлегкий редуктор CSG-25-LW, представляющий конструктивно достаточное решение. которые можно более точно сравнить с другими технологиями. Совсем недавно SUMITOMO представила новый редуктор E-CYCLO, работающий также на принципе действия волны деформации. SUMITOMO предоставил нам доступ к своему самому последнему каталогу (SUMITOMO, 2020), что позволило нам включить его в наш тест (Таблица 2). Еще одна интересная волна деформации, очень похожая на Harmonic Drive, недавно была также представлена ​​GAM в своей серии коробок передач для робототехники, которая также включает планетарные зубчатые передачи и циклоидные приводы (GAM, 2020).

Таблица 2 . Схема оценки решений волн деформации.

Выбранная модель CSG имеет значительно больший крутящий момент, чем предполагалось в нашем тесте.Форма имеет больший диаметр, чем длина, а вес значительно ниже, чем у других технологий, и приводит к лучшему соотношению крутящего момента к весу среди проанализированных технологий. Действительно, характерное зацепление с несколькими зубьями обеспечивает большее сопротивление крутящему моменту, чем в PGT, что делает эту технологию очень подходящей для соединений, расположенных ближе к рабочему органу, где они часто встречаются в современных промышленных роботах.

Пиковый КПД ниже, чем у редукторов, и ближе к RG350, а КПД особенно чувствителен к условиям эксплуатации.Поезда Strain Wave демонстрируют большие потери, не зависящие от нагрузки, и пусковые моменты без нагрузки, особенно в условиях обратного движения, которые становятся особенно критическими для высоких скоростей и / или низких крутящих моментов (Harmonic Drive, 2014). Для роботизированных устройств HRI, подверженных частым изменениям скорости и полезной нагрузки в сочетании с обменом энергией между роботизированным устройством и пользователем, это означает, что средняя эффективность быстро падает ниже 40–50% (López-García et al., 2019b). Также стоит отметить их большой коэффициент скрытой мощности, указывающий на одновременное присутствие высоких крутящих моментов и скоростей в зацеплении зубьев, что также помогает объяснить относительно низкую эффективность.

Еще раз, благодаря зацеплению с несколькими зубьями, можно достичь потерянных движений ниже 1 угловой минуты, что дает этому редуктору сильное преимущество, которое помогает гармоническим приводам находить широкое применение в промышленных роботах. Они смогли вытеснить PGT из многих приложений, особенно после значительного улучшения характеристик в результате использования новой геометрии зубьев, представленной этой компанией в 90-х годах, что также улучшило линейность их жесткости (Slatter, 2000).

Максимальная входная скорость раньше была сильным ограничением для использования редукторов HD (Schempf, 1990), но новые достижения и улучшения конструкции позволяют им теперь достигать 7500 об / мин.

Циклоидные приводы: для высокой прочности и крутильной жесткости

С момента своего изобретения Лоренцем Брареном в 1927 году (Li, 2014) циклоидные приводы нашли применение в основном в лодках, подъемных кранах и в некотором крупном оборудовании, например, в станах прокатки стальной полосы или станках с ЧПУ. В циклоидных приводах эксцентричное входное движение создает шаткое циклоидальное движение одиночного большого планетарного колеса, которое затем преобразуется обратно во вращение выходного вала и приводит к высокой редукционной способности (Gorla et al. , 2008), см. Рисунок 5.

Рисунок 5 . Внутренняя конфигурация циклоидных приводов SUMITOMO Fine Cyclo F2C-A15 и Fine Cyclo F2C-T155, идентифицирующая их основные элементы, адаптирована из SUMITOMO (2017) с разрешения © Sumitomo Cyclo Drive Germany GmbH, 2017. Он также включает схему лежащих в основе топологий.

Таблица 3 включает лидера рынка (NABTESCO RV) в этом сегменте и основных претендентов (SPINEA и SUMITOMO). RV от NABTESCO и серия Fine-Cyclo T от SUMITOMO включают обычную ступень PGT с предварительным зацеплением.Полезная нагрузка этих устройств больше, чем требуется для нашего теста, и приводит к большому весу. Это уже дает ценную информацию: более компактные решения недоступны на рынке и, согласно информации, предоставленной некоторыми производителями, менее интересны, поскольку для них потребуется высочайшая точность производства и, в конечном итоге, приведет к высоким затратам.

Таблица 3 . Схема оценки решений для циклоидных приводов.

Формы аналогичны коробкам передач с волновой деформацией, а вес больше и ближе к весам PGT по вышеупомянутым причинам.Отношение крутящего момента к массе больше, чем у PGT, но немного ниже, чем у редукторов с деформационной волной. Основное преимущество циклоидных приводов заключается именно в их способности выдерживать большие нагрузки и особенно ударные нагрузки, а также в минимальных требованиях к техническому обслуживанию.

Пиковый КПД выше, чем у редукторов с волновой деформацией, и ближе к КПД PGT, но КПД сильно зависит от условий эксплуатации (Михайлидис и др., 2014), а пусковые моменты холостого хода и скрытая мощность высокие, как аналогично редукторам с волновым напряжением.

Хотя они, как правило, имеют некоторый люфт, который часто компенсируется в их конструкции для достижения уровней, сопоставимых с уровнями редукторов с волновой деформацией, вероятно, за счет немного большего трения. Их жесткость на кручение — самая большая из проанализированных технологий редукторов.

Приводы

Cycloid имеют неотъемлемое ограничение на работу с высокими входными скоростями, вызванное наличием большого и относительно тяжелого планетарного (кулачкового) колеса, что приводит к большой инерции и дисбалансу.Это мотивирует использование, как правило, двух планетарных колес, расположенных последовательно и смещенных на 180 градусов друг к другу, для устранения дисбаланса, уменьшения вибраций и обеспечения большей входной скорости. Это объясняет, как благодаря сочетанию циклоидных приводов со ступенями предварительного зацепления, состоящими из обычных ступеней PGT, циклоидные приводы получили широкое распространение в робототехнике. Такое расположение повышает эффективность, снижает чувствительность к высоким входным скоростям и обеспечивает легкую настройку их передаточных чисел.В 90-х годах гармонические приводы доминировали на рынке роботизированных коробок передач, но усовершенствования циклоидной технологии позволили циклоидным приводам начать покорять бездорожье, сначала в Японии, а затем в других местах (Rosenbauer, 1995). В настоящее время такие производители, как NABTESCO, SUMITOMO или NIDEC, предлагают циклоидные гибриды с интегрированным передаточным механизмом PGT, покрывающие более 60% рынка роботизированных коробок передач, и поэтому они стали новой доминирующей технологией, особенно для проксимальных суставов, подверженных более высоким нагрузкам и меньшим ограничениям по весу (WinterGreen Исследования, 2018).

Наконец, стоит упомянуть наличие относительно большой пульсации крутящего момента, которая вносит нелинейности и усложняет их контроль. Эта пульсация крутящего момента связана с необходимостью использования циклоидных профилей зубьев, чтобы избежать столкновения зубьев между большим планетарным колесом (-ами) и зубчатым венцом, что делает эти устройства чрезвычайно чувствительными к изменениям межцентрового расстояния, возникающим даже из-за небольших производственных ошибок. Существует несколько попыток улучшить эту ситуацию, используя эвольвентные зубья, менее чувствительные к изменениям межцентрового расстояния, с уменьшенными углами давления и / или коэффициентами контакта для минимизации радиальных сил и повышения эффективности (Морозуми, 1970), а также с использованием других форм не -инволютные зубы (Коряков-Савойский и др. , 1996; Хлебаня и Куловец, 2015).

Обзор новых технологий передачи для робототехники

Усилитель крутящего момента REFLEX

Genesis Robotics привлекла большое внимание в сообществе робототехники с появлением их двигателя с прямым приводом, LiveDrive © . Согласно Genesis, LiveDrive в двух доступных топологиях — радиальном и осевом потоках — обеспечивает сравнительные характеристики в соотношении крутящего момента к весу. Двигатель с осевым магнитным потоком может достигать 15 Нм / кг, в то время как радиальный поток ограничен максимум 10 Нм / кг.

Чтобы расширить спектр применения, Genesis Robotics представила совместимую коробку передач, получившую название Reflex , которая показана на рисунке 6. Этот литой под давлением сверхлегкий пластиковый редуктор предназначен для легких роботов, и хотя изначально он был разработан для работы вместе с LiveDrive и поэтому он нацелен на передаточные числа ниже 1:30, он также способен обеспечить передаточные числа до 1: 400 (GENESIS, 2018).

Рисунок 6 . Внутренняя конфигурация и основные элементы редуктора Reflex адаптированы из GENESIS Robotics (2020) с разрешения © 2019 Genesis Robotics.Он также включает схему базовой топологии.

Базовая топология — топология Wolfrom PGT с несколькими меньшими планетами (Klassen, 2019), в которой реактивное (неподвижное) зубчатое колесо разделено на две части для балансировки в соответствии с конструкцией, первоначально предложенной Россманом (1934) и используемой в качестве хорошо в Hi-Red передаче Tomcyk (2000).

В редукторе Reflex выходное кольцо также разделено для облегчения сборки с косозубыми зубьями. Еще одним интересным аспектом этой конструкции является заклеенная лентой форма планет, которая, как подозревают авторы, связана с возможностью предварительной нагрузки системы для достижения нулевого люфта, который, как утверждает Genesis, возможен с этой коробкой передач.По заявлению компании, гибкость пластиковых планетарных колес также дает преимущество для уменьшения люфта.

К сожалению, пока недоступны независимые тесты, чтобы подтвердить данные характеристики, и никаких официальных данных, особенно по эффективности, на данный момент от Genesis не имеется, поэтому в Таблицу 4 включено только значение Latent Power Ratio, вытекающее из его топологии.

Таблица 4 . Система оценки новых технологий редукторов.

Таким образом, хотя лежащая в основе топология Wolfrom указывает на то, что эффективность, безусловно, будет сложной задачей, этот инновационный редуктор демонстрирует большой потенциал, доступный для переосмысления существующих технологий и их адаптации к будущим потребностям робототехники. Genesis Robotics недавно вступила в интересное партнерство с известными промышленными компаниями, такими как Koch Industries Inc. и Demaurex AG.

Проезд Архимеда

IMSystems из Нидерландов является дочерним предприятием Делфтского технологического университета, созданным в 2016 году для использования изобретения Archimedes Drive (Schorsch, 2014).

Привод Архимеда снова повторяет топологию редуктора Wolfrom (также с разрезным реактивным зубчатым венцом в некоторых его конструкциях), но включает в себя революционное нововведение в использовании роликов вместо шестерен для замены зубчатых контактов контактами качения, см. Рисунок 7. Контролируемая деформация планетарных роликов позволяет передавать крутящий момент между планетами аналогично колесам транспортного средства.

Рисунок 7 . Внутренняя конфигурация привода Архимеда с детальным изображением его планет Flexroller адаптирована из IMSystems (2019) с разрешения © 2019 Innovative Mechatronic Systems B.V. со схемой лежащей в основе топологии.

Характеристики, представленные в таблице 4, взятой из брошюры компании (IMSystems, 2019) и доступной по запросу, показывают, что использование топологии Wolfrom дает этому устройству возможность достигать очень высоких передаточных чисел в компактной форме, но это также приводит к низкой топологической эффективности. Согласно IMSystems, замена контакта зубчатого колеса на контакт качения способствует минимизации потерь в контакте, которые, в частности, при передаче крутящего момента между планетарной передачей и кольцевыми роликами должны компенсировать высокое латентное соотношение мощности и приводить к максимальной эффективности. около 80% (IMSystems, 2019).Никаких данных о пусковых моментах или потерях, не зависящих от нагрузки, не приводится.

Чтобы обеспечить передачу высокого крутящего момента без скольжения, необходимо строго контролировать деформацию роликов планетарного механизма, а также производственные допуски коробки передач. Это представляет собой одну из основных технологических проблем, и это ядро ​​инноваций, вносимых этой технологией (Schorsch, 2014).

NuGear

STAM s.r.l. — частная инженерная компания из Генуи, которая помогла разработать роботизированный сустав для гуманоидного робота I-Cub.Их NuGear — это нутирующая коробка передач, которая изначально была задумана (Барбагелата и Корсини, 2000) для космических приложений, но могла бы развить свой потенциал и для робототехники за счет исследования альтернативных производственных средств.

Пока нет общедоступной информации о рабочих характеристиках этой коробки передач, что означает, что мы можем предоставить здесь только предварительный анализ ее топологии и результирующих характеристик, которых можно ожидать на основе ограниченной информации, доступной в основном из проекта Caxman EU ( CAxMan, 2020), для которого NuGear был примером использования, и из доступных патентов (Barbagelata et al., 2016).

На рисунке 8 внутренняя структура NuGear представлена ​​с использованием эквивалентной конфигурации PGT — абстрагируется аспект нутации для облегчения понимания. Таким образом становится ясно, что NuGear напоминает два PGT Wolfrom, для которых несущая используется в качестве входа, соединенных последовательно, и где каждый из них соответствует одному из двух этапов, определенных в Barbagelata et al. (2016). Это еще раз указывает на то, что в этой коробке передач будет присутствовать относительно высокий коэффициент скрытой мощности.Для передаточного числа 1: 100 и при условии сбалансированного усиления 1:10 на каждой из двух ступеней, как предложено в Barbagelata et al. (2016), мы получаем, используя уравнения, выведенные в Приложении I, коэффициент скрытой мощности 32, что указывает на топологическую эффективность, аналогичную таковой у Wolfrom PGT.

Рисунок 8 . Внутренняя конфигурация двухступенчатой ​​коробки передач NuGear для версии с оппозитными контактами планет адаптирована из CAxMan (2020) с разрешения © Stam S.r.l. Он также включает схему базовой топологии.

Еще предстоит подтвердить, в какой степени использование методов аддитивного производства может помочь STAM s.r.l. снизить большие затраты на производство конических зубчатых колес и определить, сможет ли операция нутации достичь достаточной надежности и более компактной формы, которые могли бы открыть дверь для его использования в области робототехники (CAxMan, 2020).

Двусторонний привод

Компания FUJILAB в Иокогаме предложила в Fujimoto (2015) коробку передач с высокой степенью управляемости для робототехники, которая особенно подходит для работы без датчика крутящего момента (Kanai and Fujimoto, 2018).

Как видно из рисунка 9, конфигурация этого устройства снова аналогична PGT от Wolfrom. При такой топологии Fujimoto et al. смогли достичь при передаточном числе 1: 102 КПД при движении вперед 89,9% и КПД при движении назад 89,2%. Пусковой крутящий момент без нагрузки в обратном направлении составил 0,016 Нм в коробке передач с внешним диаметром ~ Φ50 мм (Kanai and Fujimoto, 2018). Стратегия достижения такой высокой эффективности с топологией Wolfrom заключается в оптимизации коэффициентов сдвига профиля (Fujimoto and Kobuse, 2017).

Рисунок 9 . Внутренняя конфигурация двустороннего привода, высокоэффективной коробки передач, способной обеспечивать передаточное число 1: 102 с использованием топологии Wolfrom, любезно предоставлено © Yasutaka Fujimoto.

Эти многообещающие результаты — см. Таблицу 4 — показывают, что выравнивание коэффициентов подвода и углубления посредством оптимизации коэффициентов смещения профиля может привести к чрезвычайно высокой эффективности зацепления. Насколько известно авторам, эта стратегия была первоначально предложена Хори и Хаяши (1994) и особенно интересна в топологии Wolfrom, где она может в конечном итоге обеспечить эффективность выше 90% в сочетании с высокими передаточными числами и компактными топологиями.

Привод подшипника шестерни

Вслед за новаторской работой в этой области Джона М. Враниша из НАСА, результатом которой стало изобретение планетарной шестерни без водила во Вранише (1995) и подшипников с частичными зубьями (Враниш, 2006), NASA Goddard Space Центр управления полетами представил свою концепцию нового зубчатого подшипника в Вайнберге и др. (2008).

Северо-Восточный университет в Бостоне продолжил разработку этого нового привода для роботизированных соединений.Как можно увидеть на Рисунке 10, он включает в себя редуктор Wolfrom, адаптированный для использования без несущей конструкции Vranish и зубчатых подшипников. Подшипники шестерен представляют собой контакты качения, которые предусмотрены для каждой пары зубчатых зацеплений в соответствии с их делительным диаметром и уменьшают нагрузку на подшипники редуктора (Brassitos et al. , 2013). Эта топология обеспечивает удобную интеграцию электромотора, который, следовательно, встроен в полую часть большого солнечного зубчатого колеса в конфигурации, специально предназначенной для космических приложений (Brassitos and Jalili, 2017).

Рисунок 10 . Внутренняя конфигурация зубчатого подшипника, включая встроенный бесщеточный двигатель, адаптирована из Brassitos and Jalili (2017) с разрешения © 2017 Американское общество инженеров-механиков ASME. Справа также показана основная топология Wolfrom с расщепленным реакционным кольцом.

В Brassitos and Jalili (2018) металлический прототип привода с зубчатым подшипником с передаточным числом 1:40 характеризуется жесткостью, трением и кинематической погрешностью.Измерения полностью соответствуют показателям FUJILAB и подтверждают низкий пусковой момент без нагрузки в данной конфигурации (0,0165 Нм для внешнего диаметра коробки передач ~ 100 мм). После экспериментального измерения жесткости, трения и кинематической погрешности их привода (Brassitos and Jalili, 2018) интегрировали эти значения в динамическую модель, которая затем была смоделирована и сравнена с откликом скорости системы при свободном синусоидальном движении, показав хорошие корреляция и предлагает очень удобную высокую линейность передачи.

Предварительные измерения показали хороший комбинированный КПД двигателя и коробки передач Wolfrom с передаточным числом 1: 264 (Brassitos et al., 2013), которые не очень хорошо коррелируют с рассчитанным скрытым коэффициентом мощности 196. КПД не был оценен снова в центре внимания недавних статей авторов, и мы, к сожалению, не смогли на данный момент подтвердить окончательные уровни эффективности, которых могут достичь новые прототипы.

В любом случае, привод с зубчатым подшипником предлагает очень интересные возможности для использования потенциала топологии Wolfrom в робототехнике.Возможность удаления несущей конструкции и встраивания электродвигателя в коробку передач в общем корпусе позволяет получить впечатляюще компактные конструкции. Возможность использования продольных роликов зубчатых подшипников для уменьшения радиальной нагрузки на подшипники также является многообещающим вариантом для повышения компактности и повышения эффективности (Brassitos et al., 2019).

Галакси Драйв

Schreiber and Schmidt (2015) защищает основные инновации, включенные в Galaxie Drive, коробку передач, которую WITTENSTEIN в настоящее время выводит на рынок прецизионных коробок передач через свой стартап Wittenstein Galaxie GmbH, созданный в апреле 2020 года.

Хотя таблица данных и подробная информация еще не доступны, также раскрыты принцип работы и ожидаемая прибыль. Galaxie Drive представляет новый кинематический подход, основанный на линейном наведении одиночного зуба в зубчатом каркасе Teeth Carrier , но, по мнению этих авторов, его топология напоминает топологию деформационно-волнового механизма, см. Рис. 11. Гибкая линия заменена зубцами Держатель, включающий два ряда отдельных зубцов, выполнен с возможностью радиального движения и зацепления с круговой шлицей в качестве вращающегося многоугольного вала выполняет роль генератора волн с многоугольным периметром (Schreiber and Röthlingshöfer, 2017).Следовательно, несколько отдельных зубцов одновременно входят в зацепление с круговой шлицей — так же, как в Harmonic Drive. По словам производителя, это, вместе с двухточечным контактом с высокой устойчивостью к крутящему моменту между каждым отдельным зубом и держателем зубьев, обеспечивает этому устройству характерный нулевой люфт, высокую жесткость на кручение и эталонное соотношение крутящего момента к массе.

Рисунок 11 . Деталь зацепления зубьев коробки передач Galaxy (R) DF, адаптированная из Schreiber (2015) с разрешения © 2020 Wittenstein Galaxie GmbH.Он включает схему базовой топологии KHV.

В ходе прямого обмена мнениями представители Виттенштейна подтвердили, что очевидная проблема трения между отдельными зубьями и их направляющим круговым кольцом решена, и Galaxie может достигать максимальной эффективности выше 90%. Из-за лежащей в основе конфигурации KHV ожидаются большие коэффициенты скрытой мощности, но пока невозможно получить дальнейшее представление об эффективности зацепления, которая будет результатом радиального движения зубьев, которое включает новую логарифмическую спиральную поверхность зуба (Michel, 2015).

Изначально привод Galaxie Drive предназначался для высокоточного оборудования, где высокая жесткость и сопротивление крутящему моменту могут помочь увеличить скорость и повысить производительность. В будущем мы определенно сможем оценить потенциал этой инновационной технологии также для робототехнических приложений.

Обсуждение

Новое поколение роботизированных устройств меняет приоритеты в выборе подходящих коробок передач. Вместо высочайшей точности на высоких скоростях эти устройства предъявляют более строгие требования к легким и очень эффективным устройствам с механическим усилением.

Сверхлегкие приводы деформационных волн (HD, E-cyclo), безусловно, находятся в очень хорошем положении для удовлетворения этих потребностей, что подтверждается их нынешним доминированием в области коботов. При рассмотрении привода волны деформации для роботизированной задачи pHRI, работа при низких крутящих моментах и ​​скоростях должна быть сведена к минимуму, если эффективность должна быть максимальной. Хотя их оптимизированная геометрия зубьев способствует более линейной жесткости на кручение, трение остается в значительной степени нелинейным и зависит от направления, вызывая также определенные ограничения использования.Храповик как следствие ударной нагрузки — еще одно ограничение, которое следует учитывать для этого типа редуктора, которое E-Cyclo не должен иметь (SUMITOMO, 2020).

Циклоидные приводы

прошли долгий путь, чтобы в конечном итоге стать доминирующей технологией в промышленных роботах. Благодаря технологическим достижениям, направленным на уменьшение люфта и ограничений скорости ввода, они теперь могут обеспечивать хорошую точность с приемлемой эффективностью, несмотря на высокие скрытые коэффициенты мощности, возникающие из-за базовой топологии KHV, эквивалентной топологии приводов с волновой деформацией.Использование ступени предварительного зацепления также вносит важный вклад в достижение этой цели за счет повышения базовой топологической эффективности. Сверхлегкие конструкции, подобные конструкции SPINEA, демонстрируют интересный потенциал, но в конечном итоге потребуются более прорывные подходы, такие как пластиковые материалы, чтобы удовлетворить потребности в более легких коробках передач и более высоких передаточных числах, необходимых для HRI. Пока это не станет возможным, циклоидные приводы можно рассматривать только для больших полезных нагрузок, когда их больший вес и результирующая инерция не критичны для работы.Когда особая точность не требуется, можно избежать мер компенсации люфта в пользу повышения эффективности и более низких пусковых моментов. В любом случае следует позаботиться о том, чтобы адекватно управлять пульсацией крутящего момента, и, вероятно, необходимо будет оставить стадию перед включением, чтобы обеспечить высокие скорости входного двигателя.

Невозможность планетарных редукторов снизить люфт при сохранении хороших характеристик и ограничения жесткости на кручение ограничили их использование в промышленной робототехнике. Тем не менее, PGT чрезвычайно универсальны, что демонстрирует их широкое использование во множестве современных промышленных устройств.И они по своей сути эффективны, надежны и относительно просты — дешевы — в производстве. Это может объяснить недавний интерес робототехников к PGT и почему пять из шести изученных здесь принципиально инновационных редукторов основаны на конфигурации PGT с высоким передаточным числом: топологии Wolfrom. Лучшая топологическая эффективность в сочетании с улучшением эффективности зацепления за счет модификации профиля или даже еще одного шага вперед по замене зубьев контактами качения являются многообещающими характеристиками. В сочетании с возможностями, открываемыми их полой топологией, эти элементы потенциально могут способствовать возвращению PGT в робототехнику.

Наше исследование показывает, что большая универсальность технологий редукторов, используемых в робототехнике, представляет собой серьезную проблему для прямого сравнения их характеристик. Как показывают примеры люфта и максимальной входной скорости, адекватные модификации конструкции могут надлежащим образом компенсировать большинство исходных слабых мест определенной технологии за счет компромиссов в других аспектах, обычно включая эффективность, размер, вес и стоимость. Точно так же большие скрытые коэффициенты мощности указывают на существенный топологический недостаток с точки зрения эффективности, но он также может быть — по крайней мере частично — компенсирован соответствующими модификациями. Таким образом, обучающий эффект состоит в том, что выбор подходящей технологии редуктора для определенного применения pHRI является чрезвычайно сложным процессом, требующим глубокого понимания фундаментальных недостатков, возможностей улучшения и производных компромиссов каждой технологии. Наша первоначальная цель исследования — внести свой вклад в простую таблицу выбора, способную помочь неопытным робототехникам в выборе подходящих технологий редукторов для своих робототехнических устройств, поэтому не могла быть достигнута.Вместо этого в данной статье собраны и объясняются основные параметры выбора и связанные с ними проблемы в каждой из доступных технологий, с целью помочь инженерам-роботам pHRI развить необходимые навыки, необходимые для осознанного выбора подходящей, индивидуально оптимизированной коробки передач.

Два важных аспекта роботизированных редукторов для pHRI, к сожалению, не могут быть адекватно оценены в нашем исследовании на данном этапе: шум и стоимость. По мере приближения роботизированных устройств к людям шум привлекает все больше внимания робототехников. Редукторы, безусловно, представляют собой важный источник шума (переносимого по воздуху и от конструкции), но, к сожалению, на данном этапе рекомендуется исключить шум из нашего анализа по двум основным ограничениям. Во-первых, большинство производителей редукторов еще не предоставляют количественных оценок шумовых характеристик, и когда они это делают, они, как правило, следуют другим методам тестирования, которые также не особенно подходят для рабочих условий в pHRI. Во-вторых, современные технологии редукторов все еще должны пройти процесс оптимизации шума.

Стоимость также является важным параметром, делающим технологии pHRI более доступными, и поэтому становится важным при выборе подходящих редукторов для будущих робототехнических технологий. К сожалению, и здесь научному сообществу доступно недостаточное количество исходной информации для систематической справедливой оценки крупномасштабного экономического потенциала определенной технологии редукторов. Прежде чем можно будет определить подходящую основу для оценки этого потенциала, потребуется большой объем исследовательской работы, которая явно выходит за рамки нашего исследования.

Эти два ограничения очерчивают основные рекомендации авторов для интересных направлений будущих исследований. Определение стандартизованных условий испытаний на воздушный и структурный шум в коробках передач, особенно адаптированных к типичным условиям эксплуатации и потребности в pHRI, могло бы позволить прямое сравнение различных технологий и способствовать их оптимизации шума. Кроме того, составление доступных моделей затрат для производственных процессов, связанных с изготовлением редукторов, и их адаптация к специфике конкретных технологий, используемых в робототехнике, позволит создать основу для оценки потенциального (и препятствия) крупномасштабных затрат разные технологии.

Авторские взносы

Все авторы принимали участие в предварительной работе, связанной с этой темой исследования, и внесли свой вклад в концептуализацию структуры, представленной в рукописи. PG работала над созданием подходящей системы оценки для выполнения анализа коробки передач и взяла на себя инициативу в написании рукописи и придании ей текущей формы. PG и ES в равной степени способствовали выявлению потенциально подходящих технологий и их анализу с помощью структуры.Все корректуры авторов прочитали и внесли свой вклад в окончательную версию статьи.

Финансирование

SC, ES (доктор философии) и TV (доктор наук) являются научными сотрудниками Исследовательского фонда Flanders — Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek (FWO). Эта работа частично финансируется Программой исследований и инноваций Европейского Союза Horizon 2020 в рамках Соглашения о гранте № 687662 — проект SPEXOR.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить профессора Ясутака Фудзимото из Йокогамского национального университета, а также компании Neugart GmbH, Harmonic Drive SE, Sumitomo Drive Germany GmbH, Genesis Robotics, Innovative Mechatronic Systems B. V., Stam s.r.l. и Wittenstein Galaxy GmbH за любезную поддержку и полученные объяснения, а также за предоставление нам разрешения на использование прилагаемых изображений их устройств.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https: // www.frontiersin.org/articles/10.3389/frobt.2020.00103/full#supplementary-material

Ссылки

Альбу-Шеффер, А., Эйбергер, О., Гребенштейн, М., Хаддадин, С., Отт, К., Вимбок, Т. и др. (2008). Мягкая робототехника. IEEE Робот. Автомат. Mag. 15, 20–30. DOI: 10.1109 / MRA.2008.927979

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Arigoni, R., Cognigni, E., Musolesi, M., Gorla, C., and Concli, F. (2010). «Планетарные редукторы: эффективность, люфт, жесткость» в Международная конференция VDI по зубчатым колесам (Мюнхен).

Google Scholar

Арнаудов, К., Караиванов, Д. (2005). «Планетарные зубчатые передачи с высшим составом» в Международная конференция VDI по зубчатым колесам , Vol. 1904 (Мюнхен: VDI-Bericht), 327–344.

Барбагелата А. и Корсини Р. (2000). Riduttore Ingranaggi Conici Basculanti . Патент Италии № IT SV20000049A1. Рим: Ufficio Italiano Brevetti e Marchi.

Барбагелата А., Эллеро С. и Ландо Р. (2016). Планетарная коробка передач .Европейский патент № EP2975296A2. Мюнхен: Европейское патентное ведомство.

Brassitos, E., and Jalili, N. (2017). Создание и разработка компактного высокомоментного роботизированного привода для космических механизмов. J. Mech. Робот. 9, 061002-1–061002-11. DOI: 10.1115 / 1.4037567

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Brassitos, E., and Jalili, N. (2018). «Определение характеристик жесткости, трения и кинематической погрешности в трансмиссиях с зубчатыми подшипниками», на Международной конференции по проектированию и проектированию ASME 2018, а также на конференции «Компьютеры и информация в инженерии» (Квебек: цифровая коллекция Американского общества инженеров-механиков). DOI: 10.1115 / DETC2018-85647

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Brassitos, E., Mavroidis, C., and Weinberg, B. (2013). «Зубчатый подшипниковый привод: новый компактный привод для роботизированных соединений», на Международной конференции по проектированию и проектированию ASME 2013, а также на конференции «Компьютеры и информация в машиностроении» (Портленд, Орегон: цифровая коллекция Американского общества инженеров-механиков). DOI: 10.1115 / DETC2013-13461

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Брасситос, Э., Вайнберг, Б., Цинчао, К., и Мавроидис, К. (2019). Контактная система изогнутого подшипника . Патент США № US10174810B2. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

Каланка, А., Мурадор, Р., Фиорини, П. (2015). Обзор алгоритмов совместимого управления жесткими и фиксированными роботами. IEEE / ASME Trans. Мех. 21, 613–624. DOI: 10.1109 / TMECH.2015.2465849

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Карбоне, Г., Mangialardi, L., и Mantriota, G. (2004). Сравнение характеристик полного и полутороидального тяговых приводов. мех. Мах. Теория 39, 921–942. DOI: 10.1016 / j.mechmachtheory.2004.04.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Cetinkunt, S. (1991). Проблемы оптимального проектирования в высокоскоростных высокоточных сервосистемах движения. Мехатроника 1, 187–201. DOI: 10.1016 / 0957-4158 (91) -A

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен, К.и Анхелес Дж. (2006). Потери мощности виртуального потока и механические потери мощности зацепления планетарных зубчатых передач. ASME J. Mech. Des. 129, 107–113. DOI: 10.1115 / 1.2359473

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен, Д. З., и Цай, Л. В. (1993). Кинематический и динамический синтез редукторных робототехнических механизмов. J. Mech. Des. 115, 241–246. DOI: 10.1115 / 1.2919183

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Crispel, S., López-García, P., Verstraten, T., Convens, B., Saerens, E., Vanderborght, B., and Lefeber, D. (2018). «Представляем составные планетарные передачи (C-PGT): компактный способ достижения высоких передаточных чисел для носимых роботов», на Международном симпозиуме по носимой робототехнике (Пиза), 485–489. DOI: 10.1007 / 978-3-030-01887-0_94

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Де Сантис, А., Сицилиано, Б., Де Лука, А., и Бикки, А. (2008). Атлас физического взаимодействия человека и робота. мех.Мах. Теория 43, 253–270. DOI: 10.1016 / j.mechmachtheory.2007.03.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дель Кастильо, Дж. М. (2002). Аналитическое выражение эффективности планетарных зубчатых передач. мех. Мах. Теория 37, 197–214. DOI: 10.1016 / S0094-114X (01) 00077-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дрессчер, Д., де Врис, Т. Дж., И Страмиджоли, С. (2016). «Выбор мотор-редуктора для повышения энергоэффективности», в Международная конференция IEEE 2016 по усовершенствованной интеллектуальной мехатронике (AIM) (Банф, AB: IEEE), 669–675.DOI: 10.1109 / AIM.2016.7576845

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фудзимото Ю. (2015). Эпициклический зубчатый привод и метод его проектирования . Патент Японии № JP2015164100. Токио: Патентное ведомство Японии.

Фудзимото Ю., Кобусе Д. (2017). «Роботизированные приводы с высокой степенью управляемости», на международном семинаре IEEJ по обнаружению, срабатыванию, управлению движением и оптимизации (SAMCON) (Нагаока), IS2–1.

GAM (2020 г.). GSL Трансмиссионный редуктор .Каталог.

ГЕНЕЗИС (2018). Усилитель крутящего момента Reflex — движущая сила будущего . Tech Update Общайтесь.

Гиберти Х., Чинквемани С. и Леньяни Г. (2010). Влияние механических характеристик трансмиссии на выбор мотор-редуктора. Мехатроника 20, 604–610. DOI: 10.1016 / j.mechatronics.2010.06.006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Girard, A., and Asada, H.H. (2017). Использование естественной динамики нагрузки с приводами с регулируемым передаточным числом. IEEE Робот. Автомат. Lett. 2, 741–748. DOI: 10.1109 / LRA.2017.2651946

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Горла К., Даволи П., Роза Ф., Лонгони К., Чиоцци Ф. и Самарани А. (2008). Теоретический и экспериментальный анализ циклоидного редуктора скорости. J. Mech. Des. 130: 112604. DOI: 10.1115 / 1.2978342

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Groothuis, S. S., Folkertsma, G. A., and Stramigioli, S. (2018). Общий подход к достижению стабильности и безопасного поведения в распределенных роботизированных архитектурах. Фронт. Робот. AI 5: 108. DOI: 10.3389 / frobt.2018.00108

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хаддадин, С., Альбу-Шеффер, А., и Хирцингер, Г. (2009). Требования к безопасным роботам: измерения, анализ и новые идеи. Внутр. J. Робот. Res , 28, 1507–1527. DOI: 10.1177 / 0278364

3970

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хаддадин, С., Крофт, Э. (2016). «Физическое взаимодействие человека и робота», в Springer Handbook of Robotics (Cham: Springer), 1835–1874.DOI: 10.1007 / 978-3-319-32552-1_69

CrossRef Полный текст | Google Scholar

HALODI Robotics (2018). Revo1 ™ ДВИГАТЕЛЬ с прямым приводом [Брошюра], Moss. Доступно в Интернете по адресу: https://www.halodi.com/revo1 (по состоянию на 30 апреля 2020 г.).

Хэм, Р. В., Шугар, Т. Г., Вандерборг, Б., Холландер, К. В., и Лефебер, Д. (2009). Соответствующие конструкции приводов. IEEE Робот. Автомат. Mag. 16, 81–94. DOI: 10.1109 / MRA.2009.933629

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гармонический привод A.G. (2014) Технические данные Наборы компонентов CSD-2A . Каталог.

Хлебаня Г., Куловец С. (2015). «Разработка плоскоцентрической коробки передач на основе геометрии S-образной шестерни», в 11. Kolloquium Getriebetechnik (Мюнхен), 205–216.

Google Scholar

Хоган, Н. (1984). «Контроль импеданса: подход к манипуляции», в 1984 American Control Conference (Сан-Диего, Калифорния: IEEE), 304–313. DOI: 10.23919 / ACC.1984.4788393

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хори, К., и Хаяси, I. (1994). Максимальный КПД обычных механических планетарных шестерен парадокса для редуктора. Пер. Jpn. Soc. Мех. Англ. 60, 3940–3947. DOI: 10.1299 / kikaic.60.3940

CrossRef Полный текст

Хантер, И. В., Холлербах, Дж. М., и Баллантайн, Дж. (1991). Сравнительный анализ актуаторных технологий для робототехники. Робот. Ред. 2, 299–342.

Google Scholar

IMSystems (2019). проезд Архимеда.IMSystems — Drive Innovation [Брошюра], Делфт.

Икбал, Дж., Цагаракис, Н. Г., и Колдуэлл, Д. Г. (2011). «Дизайн носимого оптимизированного экзоскелета руки с прямым приводом», на Международной конференции по достижениям в области взаимодействия компьютера и человека (ACHI) (Гозье).

PubMed Аннотация | Google Scholar

Канаи Ю., Фудзимото Ю. (2018). «Бессенсорное управление крутящим моментом для экзоскелета с приводом с использованием приводов с высокой степенью обратного привода», на IECON 2018–44-й ежегодной конференции Общества промышленной электроники IEEE (Вашингтон, округ Колумбия: IEEE), 5116–5121.DOI: 10.1109 / IECON.2018.8591255

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Капелевич А. и AKGears LLC (2013). Анализ планетарных передач с высоким передаточным числом. Коэффициент 3, 10.

Google Scholar

Караианнидис Ю., Друкас Л., Папагеоргиу Д. и Доулжери З. (2015). Управление роботом для выполнения задач и повышения безопасности при ударах. Фронт. Робот. AI 2:34. DOI: 10.3389 / frobt.2015.00034

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кашири, Н., Abate, A., Abram, S.J., Albu-Schaffer, A., Clary, P.J., Daley, M., et al. (2018). Обзор принципов энергоэффективного передвижения роботов. Фронт. Робот. AI 5: 129. DOI: 10.3389 / frobt.2018.00129

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким, Дж., Парк, Ф. К., Парк, Ю., и Шизуо, М. (2002). Конструирование и анализ сферической бесступенчатой ​​трансмиссии. J. Mech. Des . 124, 21–29. DOI: 10.1115 / 1.1436487

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Классен, Дж.Б. (2019). Дифференциальная планетарная коробка передач . Международный патент № WO2019 / 051614A1. Женева: Всемирная организация интеллектуальной собственности, Международное бюро.

Google Scholar

Коряков-Савойский Б., Алексахин И., Власов И. П. (1996). Зубчатая передача . Патент США № US5505668A. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

Ли С. (2014). «Новейшие технологии проектирования зубчатых передач с большими передаточными числами», в материалах Proceedings of International Gear Conference (Lyon), 427–436.DOI: 10.1533 / 9781782421955.427

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Looman, J. (1996). Zahnradgetriebe (Зубчатые механизмы) . Берлин: Springer-Verlag. DOI: 10.1007 / 978-3-540-89460-5

CrossRef Полный текст

Лопес-Гарсия, П., Криспель, С., Верстратен, Т., Сэренс, Э., Конвенс, Б., Вандерборгт, Б., и Лефебер, Д. (2018). «Конструкция планетарного редуктора для активной носимой робототехники, основанная на анализе видов отказов и последствий (FMEA)», на Международном симпозиуме по носимой робототехнике (Пиза), 460–464.DOI: 10.1007 / 978-3-030-01887-0_89

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лопес-Гарсия, П., Криспель, С., Верстратен, Т., Сэренс, Э., Вандерборгт, Б., и Лефебер, Д. (2019a). «Редукторы Wolfrom для легкой робототехники, ориентированной на человека», в Труды Международной конференции по зубчатым колесам 2019 (Мюнхен: VDI), 753–764.

Лопес-Гарсия, П., Криспель, С., Верстратен, Т., Сэренс, Э., Вандерборгт, Б., и Лефебер, Д. (2019b). «Настройка планетарных зубчатых передач для поддержки и воспроизведения конечностей человека», в MATEC Web of Conferences (Варна: EDP Sciences), 01014.DOI: 10.1051 / matecconf / 201928701014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лафлин, К., Альбу-Шеффер, А., Хаддадин, С., Отт, К., Стеммер, А., Вимбек, Т., и Хирцингер, Г. (2007). Легкий робот DLR: концепции проектирования и управления роботами в среде обитания человека. Ind. Робот. Int. J . 34, 376–385. DOI: 10.1108 / 01439

0774386

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Макмиллан Р. Х. и Дэвис П. Б. (1965). Аналитическое исследование систем раздвоенной передачи энергии. J. Mech. Англ. Sci . 7, 40–47. DOI: 10.1243 / JMES_JOUR_1965_007_009_02

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Mayr, C. (1989). Präzisions-Getriebe für die Automation: Grundlagen und Anwendungsbeispiele . Ландсберг: Verlag Moderne Industrie.

Мишель С. (2015). Logarithmische spirale statt evolvente. Maschinenmarkt № . 18, 40–42.

Михайлидис А., Афанасопулос Э. и Оккас Э. (2014). «Эффективность циклоидного редуктора», в International Gear Conference (Lyon Villeurbanne), 794–803.DOI: 10.1533 / 9781782421955.794

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Морозуми, М. (1970). Эвольвентное внутреннее зацепление со смещением профиля . Патент США № US3546972A. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

Мюллер, Х. В. (1998). Die Umlaufgetriebe: Auslegung und vielseitige Anwendungen . Берлин; Гейдельберг: Springer-Verlag. DOI: 10.1007 / 978-3-642-58725-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мульцер, Ф.(2010). Systematik hoch übersetzender koaxialer getriebe (докторская диссертация). Technische Universität München, Мюнхен, Германия.

Google Scholar

Musser, C. W. (1955). Деформационно-волновая передача . Патент США № US2

3A. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

НАБТЕКО (2018). Прецизионный редуктор серии RV — N . CAT.180410. Каталог.

Нойгарт, А. Г. (2020). PLE Эконом Линия .Каталог.

Ниманн Г., Винтер Х. и Хён Б. Р. (1975). Maschinenelemente, Vol. 1 . Берлин; Гейдельберг; Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Спрингер.

Google Scholar

Pasch, K. A., and Seering, W. P. (1983). «О приводных системах для высокопроизводительных машин», в Машиностроение (Нью-Йорк, Нью-Йорк: Машиностроение Общества ASME-AMER), 107–107.

Pennestri, E., and Freudenstein, F. (1993). Механический КПД планетарных зубчатых передач. ASME J. Mech. Des . 115, 645–651. DOI: 10.1115 / 1.2919239

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Петтерссон, М., и Олвандер, Дж. (2009). Оптимизация трансмиссии промышленных роботов. IEEE Trans. Робот. 25, 1419–1424. DOI: 10.1109 / TRO.2009.2028764

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фам, А. Д., Ан, Х. Дж. (2018). Прецизионные редукторы для промышленных роботов, участвующих в четвертой промышленной революции: современное состояние, анализ, дизайн, оценка производительности и перспективы. Внутр. J. Precis. Англ. Manuf. Green Technol. 5, 519–533. DOI: 10.1007 / s40684-018-0058-x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Резазаде, С., и Херст, Дж. У. (2014). «Об оптимальном выборе двигателей и трансмиссий для электромеханических и робототехнических систем», в Международная конференция IEEE / RSJ 2014 по интеллектуальным роботам и системам (Чикаго, Иллинойс: IEEE), 4605–4611. DOI: 10.1109 / IROS.2014.6943215

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Роос, Ф., Йоханссон, Х., Викандер, Дж. (2006). Оптимальный выбор двигателя и редуктора для мехатронных приложений. Мехатроника 16, 63–72. DOI: 10.1016 / j.mechatronics.2005.08.001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Розенбауэр Т. (1995). Getriebe für Industrieroboter: Beurteilungskriterien . Kenndaten, Einsatzhinweise: шейкер.

Россман, А. М. (1934). Механизм . Патент США № US 1970251. Вашингтон, округ Колумбия: У.S. Бюро по патентам и товарным знакам.

Google Scholar

Saerens, E., Crispel, S., García, P. L., Verstraten, T., Ducastel, V., Vanderborght, B., and Lefeber, D. (2019). Законы масштабирования для роботизированных передач. мех. Мах. Теория 140, 601–621. DOI: 10.1016 / j.mechmachtheory.2019.06.027

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шафер И., Бурлье П., Хантшак Ф., Робертс Э. У., Льюис С. Д., Форстер Д. Дж. И Джон К. (2005). «Космическая смазка и характеристики шестерен гармонического привода», , 11-й Европейский симпозиум по космическим механизмам и трибологии, ESMATS 2005 (Люцерн), 65–72.

Google Scholar

Шейнман, В., Маккарти, Дж. М., и Сонг, Дж. Б. (2016). «Механизм и приведение в действие», в справочнике по робототехнике Springer (Cham: Springer), 67–90. DOI: 10.1007 / 978-3-319-32552-1_4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шемпф, Х. (1990). Сравнительное проектирование, моделирование и анализ управления роботизированными трансмиссиями (кандидатская диссертация). № WHOI-90-43. Кафедра машиностроения и Океанографический институт Вудс-Холла, Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс, США.DOI: 10.1575 / 1912/5431

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шемпф, Х. и Йоргер, Д. Р. (1993). Изучение основных рабочих характеристик трансмиссий роботов. ASME J. Mech. Des. 115, 472–482. DOI: 10.1115 / 1.2919214

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шорш, Дж. Ф. (2014). Составной планетарный привод трения . Патент Нидерландов № 2013496. De Haag: Octrooicentrum Nederland.

Google Scholar

Шрайбер, Х.(2015). «Revolutionäres getriebeprinzip durch neuinterpretation von maschinenelementen — Die WITTENSTEIN Galaxie®-Kinematik», в Dresdner Maschinenelemente Kolloquium, DMK (Дрезден), 2015. S.

Шрайбер, Х., Рётлингсхёфер, Т. (2017). «Кинематическая классификация коробки передач, содержащей отдельные упорные зубья, и ее преимущества по сравнению с существующими подходами», в Международной конференции по зубчатым колесам , ICG (Мюнхен).

Шрайбер, Х., Шмидт, М.(2015). Getriebe. Патент Германии № DE 10 2015 105 525 A1. Мюнхен: Deutsches Patent- und Markenamt.

Google Scholar

Сенсинджер, Дж. У. (2010). «Выбор двигателей для роботов, использующих биомиметические траектории: оптимальные критерии, обмотки и другие соображения», в 2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation (Anchorage, AK: IEEE), 4175–4181. DOI: 10.1109 / ROBOT.2010.5509620

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сенсингер, Дж.W. (2013). КПД высокочувствительных зубчатых передач, таких как циклоидные передачи. ASME J. Mech. Des. 135, 071006-1–071006-9. DOI: 10.1115 / 1.4024370

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сенсинджер, Дж. У., Кларк, С. Д., Шорш, Дж. Ф. (2011). «Внешние и внутренние роторы в роботизированных бесщеточных двигателях», , 2011 Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации (Монреаль, Квебек: IEEE), 2764–2770. DOI: 10.1109 / ICRA.2011.5979940

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сеок, С., Wang, A., Chuah, M. Y. M., Hyun, D. J., Lee, J., Otten, D. M., et al. (2014). Принципы разработки энергоэффективного передвижения на ногах и их реализация на роботе-гепарде Массачусетского технологического института. IEEE / ASME Trans. Мех. 20, 1117–1129. DOI: 10.1109 / TMECH.2014.2339013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сицилиано Б., Скиавикко Л., Виллани Л. и Ориоло Г. (2010). Робототехника: моделирование, планирование и управление . Лондон: Springer Science and Business Media. DOI: 10.1007 / 978-1-84628-642-1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Слэттер Р. (2000). Weiterentwicklung eines Präzisionsgetriebes für die Robotik . Санкт-Леонард: Antriebstechnik.

Google Scholar

ПОЗВОНОЧНИК (2017). TwinSpin — высокоточные редукторы — Präzisionsgetriebe . Каталог.

Страмиджоли, С., Ван Оорт, Г., Дертьен, Э. (2008). «Концепция нового энергоэффективного привода», в Международная конференция IEEE / ASME 2008 по передовой интеллектуальной мехатронике (Сиань: IEEE), 671–675.DOI: 10.1109 / AIM.2008.4601740

CrossRef Полный текст | Google Scholar

СУМИТОМО (2017). Fine Cyclo® Spielfreie Präzisionsgetriebe . Каталог 991311 DE 02/2017.

СУМИТОМО (2020). Приводы управления движением E-Cyclo®. Каталог F10001E-1.

Талбот, Д., и Кахраман, А. (2014). «Методология прогнозирования потерь мощности планетарных передач», в International Gear Conference (Lyon-Villeurbanne), 26–28. DOI: 10.1533 / 9781782421955.625

CrossRef Полный текст

Томцик, Х. (2000). Регулирующее устройство с планетарной передачей . Европейский патент № EP1244880B1. Мюнхен: Европейское патентное ведомство.

Google Scholar

Токсири, С., Наф, М. Б., Лаццарони, М., Фернандес, Дж., Спозито, М., Польеро, Т. и др. (2019). «Экзоскелеты с опорой на спину для профессионального использования: обзор технологических достижений и тенденций», в IISE Trans. Ок. Эргон. Гм. Факторы 7, 3–4, 237–249.DOI: 10.1080 / 24725838.2019.1626303

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван де Стрете, Х. Дж., Дегезель П., Де Шуттер Дж. И Бельманс Р. Дж. (1998). Критерий выбора серводвигателя для мехатронных приложений. IEEE / ASME Trans. Мех. 3, 43–50. DOI: 10.1109 / 3516.662867

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вел, А. Дж., И Се, С. К. (2016). На пути к совместимым и пригодным для носки роботизированным ортезам: обзор текущих и новых актуаторных технологий. Med. Англ. Phys. 38, 317–325. DOI: 10.1016 / j.medengphy.2016.01.010

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Verstraten, T., Furnémont, R., Mathijssen, G., Vanderborght, B., and Lefeber, D. (2016). «Энергопотребление мотор-редукторов постоянного тока в динамических приложениях: сравнение подходов к моделированию», в IEEE Robot. Автомат. Lett. 1, 524–530. DOI: 10.1109 / LRA.2016.2517820

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Враниш, Дж.М. (1995). Планетарный привод без носителя и люфта . Патент США № US5409431. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

Враниш, Дж. М. (2006). Подшипники частичной зубчатой ​​передачи . Патент США № US2006 / 0219039A1. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

Ван А. и Ким С. (2015). «Направленная эффективность в редукторных трансмиссиях: характеристика обратного движения в сторону улучшенного проприоцептивного контроля», в IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2015 г.DOI: 10.1109 / ICRA.2015.7139307

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вайнберг Б., Мавроидис К. и Враниш Дж. М. (2008). Зубчатый подшипник привода . Патент США № US2008 / 0045374A1. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

WinterGreen Research (2018). Прецизионные редукторы деформационных волн и редукторы RV и RD: доли рынка, стратегия и прогнозы, во всем мире, с 2018 по 2024 годы . WIN0418002.

WITTENSTEIN AG (2020 г.). Technische Broschüre SP + und TP + Getrieben. Каталог.

Вольф, А. (1958). Die Grundgesetze der Umlaufgetriebe . Брауншвейг: Фридр. Vieweg и Sohn.

Вольфром, У. (1912). Der Wirkungsgrad von Planetenrädergetrieben. Werkstattstechnik 6, 615–617.

Ю. Д., Бичли Н. (1985). О механическом КПД дифференциальной передачи. ASME J. Mech. Пер. Автомат. 107, 61–67.DOI: 10.1115 / 1.3258696

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Зинн М., Рот Б., Хатиб О. и Солсбери Дж. К. (2004). Новый подход к созданию роботов, удобных для человека. Внутр. J. Робот. Res. 23, 379–398. DOI: 10.1177 / 0278364

2193

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Как работает коробка передач с двойным сцеплением | Hyundai Media Newsroom

Чтобы ответить на вопрос, нам нужен небольшой урок истории. Большинство водителей знают о двух типах трансмиссии, используемых при переключении передач на дороге; ручной и автоматический.

Те, кто научился водить машину с механической коробкой передач, несомненно, помнят уроки владения педалью сцепления и рычагом переключения передач. В ручном режиме водитель нажимает на сцепление и манипулирует ручкой через набор передач. Если не сделать это плавно, автомобиль может раскачиваться, что означает не всегда комфортную поездку для пассажиров.

Автоматическая коробка передач, обычно ассоциируемая с американскими автовладельцами, выполняет всю работу за водителя, используя сцепления, гидротрансформатор и шестерни.

Коробка передач с двойным сцеплением (DCT) находится посередине. Эта технология, также известная как полуавтоматическая трансмиссия, была обычным явлением в кругах автоспорта, но стала постоянно появляться в моделях крупносерийного производства.

Развитие трансмиссии с двойным сцеплением

Считается, что трансмиссия этого типа была изобретена французским военным инженером Адольфом Кегрессом до Второй мировой войны, но из-за проблем с его бизнесом он так и не разработал рабочую модель.

Проблема с механическими коробками передач того времени заключалась в том, что ими было трудно управлять, требуя силы и времени, что вдохновило Kégresse на разработку плавной самопереключающейся коробки передач.

Однако только в 1980-х годах DCT вновь появилась в мире гоночных автомобилей, где вопрос времени означал, что в соревнованиях учитывалась каждая секунда. Тогда только в начале 2000-х он дебютировал в коммерческом автомобиле, подчеркнув, что DCT является относительно новой и быстро развивающейся технологией в автомобильной промышленности.

Как работает DCT?

Хотя преимущества автоматической коробки передач по сравнению с механической кажутся очевидными (принимая на себя нагрузку с водителя), почему двойное сцепление считается все более популярной альтернативой, когда автоматические системы менее дороги и менее сложны?

Причина в том, что DCT обеспечивает более быстрое переключение передач и большую экономию топлива, повышая эффективность по сравнению с другими типами трансмиссий.

Что такое авто полуавтомат

Полуавтоматический автомобиль оснащен трансмиссией, сочетающей механическую и автоматическую коробки передач, предлагая лучшее из обоих миров.

Система позволяет водителю легко управлять выбором передачи, предоставляя подрулевые переключатели на рулевом колесе (или модифицированный рычаг переключения передач ). Это означает, что водитель может управлять передачами в « ручном режиме », обычно с переключением на повышенную / пониженную передачу.

Что принципиально, в полуавтомате нет педали сцепления. Вместо этого центральный процессор и датчики автомобиля управляют сцеплением, когда водитель переключает передачу.

Набор приводов и гидравлический двигатель располагаются там, где рычаг переключения передач и педаль сцепления были бы в ручном управлении.

Компьютер автомобиля управляет крутящим моментом двигателя; скорость; положение педали акселератора; и другие функции.

Когда ЦП обнаруживает сценарий, требующий переключения передач, он включает сцепление и временно отключает полуавтоматическую систему переключения передач. После этого исполнительные механизмы переключения будут переключать передачи и отключать сцепление, так что связь между трансмиссией и двигателем восстанавливается.

Каковы преимущества полуавтоматической коробки передач?

Другие различия между автоматической и полуавтоматической

Расположение рычага переключения передач

Автомобили обычно имеют компоновку коробки передач « PRND » (Парковка, Задний ход, Нейтраль и Привод).Между тем, полуавтомат может управляться с помощью рычага или кнопочной системы на колесе. Полуавтоматический режим не будет иметь режима парковки, и вместо режима движения будет автоматический режим.

Переключение передач

В автоматическом режиме переключение передач осуществляется автомобилем, а не водителем. В полуавтоматическом режиме водитель решает, когда переключить передачу, помогая ему переключаться между передачами.

Какие автомобили бывают полуавтоматическими?

Полуавтоматические коробки передач не распространены, но используются в ряде автомобилей:

  • Многие Ferrari, включая 599 GTO.
  • Vauxhall — в небольших автомобилях, таких как Corsa.

Ford — ранний полуавтомат фирмы появился в 1970 году в Maverick и превратился в коробку передач Easytronic, которая используется в некоторых моделях Fiesta.

Правительство Великобритании может допустить на дороги автомобили с продвинутыми системами автономного вождения к весне следующего года.

Что такое коробка передач DSG? Стоит ли покупать один?

Возможно, вы слышали о коробке передач DSG, или интересующий вас автомобиль может быть доступен с коробкой передач DSG в качестве опции.Но что это такое, чем она отличается от других коробок передач и стоит ли покупать машину с такой?

DSG (коробка передач с прямым переключением) — это тип автоматической коробки передач с двумя сцеплениями, которая есть у немногих других автоматических коробок передач. В то время как большинство автомобилей поставляются с одним сцеплением, второе определяет, какую передачу вы, вероятно, захотите выбрать следующей, и готовит ее. Теоретически это означает, что коробка передач всегда готова к вашему следующему ходу, поэтому переключение передач происходит заметно быстро и плавно. Иногда ее также называют коробкой передач с двойным сцеплением, двойным сцеплением или DCT, хотя некоторые производители имеют для этого собственные названия.

Наши любимые автомобили с автоматической коробкой передач

Датчики в коробке передач постоянно измеряют множество параметров, включая скорость вашего движения, интенсивность работы двигателя и положение акселератора, чтобы определить оптимальную передачу и точка переключения. Ваш стиль вождения и режим вождения (если у вашего автомобиля разные режимы) также помогут коробке передач определиться, когда нужно переключаться. Коробка передач с двойным сцеплением способна переключать передачи всего за несколько сотых секунды.

Как и в случае с другими типами автоматических коробок передач, вам придется доплачивать, если вы предпочитаете DSG стандартной механической коробке передач. Коробки передач с двойным сцеплением могут быть тяжелее и, следовательно, немного менее экономичны, чем механические коробки передач. Однако вы можете решить, что это небольшие жертвы ради дополнительной простоты автоматической коробки.

Как водить автомобиль с коробкой передач DSG

Многие люди выбирают автоматические коробки передач, потому что они облегчают вождение, особенно в условиях дорожного движения; вам не нужно беспокоиться о том, чтобы постоянно использовать сцепление левой ногой.Вождение автомобиля с коробкой передач DSG ничем не отличается от вождения большинства других автоматов — вам нужно будет нажать на тормоз, чтобы переключаться между нейтралью, парковкой, задним ходом или движением. Отпускание тормоза при движении задним ходом или движением будет означать, что автомобиль начнет ползти соответственно назад или вперед — это сделано намеренно, так как это облегчает маневрирование на низкой скорости. Когда вы выходите из машины, следует использовать функцию парковки, поскольку она блокирует трансмиссию, но вам все равно придется задействовать ручной тормоз.

Надежны ли коробки передач DSG?

В большинстве случаев шестиступенчатая и семиступенчатая коробка передач DSG будут такими же надежными, как и любая другая коробка передач.Некоторые владельцы сообщают, что старые коробки передач были подвержены периодическим сбоям, но новые коробки, похоже, преодолели это. Неисправности включали шумные пеленги, дрожание и переход в режим «хромого дома» (когда компьютер двигателя ограничивает мощность до минимума).

Однако все механические детали могут со временем изнашиваться, если не обслуживаются или не заменяются должным образом, а автоматические коробки передач сложнее, чем руководства. Если вам нужна автоматическая коробка передач, не позволяйте относительно необычным неисправностям сбивать вас с толку — DSG обычно является одним из наиболее плавных и эффективных типов коробок передач, и большинство из них выдерживают не менее 100 000 миль, если не больше.

В чем разница между DSG и другими автоматическими коробками передач?

Если вы сравниваете разные типы автоматических коробок передач, скорее всего, вы сравниваете и разные автомобильные компании — большинство из них придерживается только одного типа. Основное отличие — второй пакет сцепления DSG, который подготавливает следующую передачу для быстрого, плавного и сравнительно эффективного переключения. Некоторые традиционные автоматические коробки передач с «гидротрансформатором» работают еще плавнее и тише, но обычно они гораздо менее эффективны.

Также можно выбрать вариатор или, в некоторых случаях, автоматическое руководство. CVT (постоянно регулируемая трансмиссия) не имеют различных передач как таковых и, как правило, ставят эффективность выше всего остального. На автомобилях с меньшей мощностью это может означать, что двигатель излишне шумно вращается. С другой стороны, автоматические руководства иногда могут переключать передачи медленно и рывками.

Какие автомобили доступны с коробкой передач DSG?

DSG появились в автомобилях VW Group, таких как оригинальный Audi TT, и вы по-прежнему найдете большинство коробок передач с двойным сцеплением в моделях VW, SEAT, Audi, Skoda и Porsche.Если ни один из них вам не нравится, Ford, Volvo, BMW, Nissan и MG предлагают или предлагали коробки передач DSG.

S tronic — Технологический портал Audi

Коробка передач S tronic с двойным сцеплением — это успешная технология. Он сочетает в себе удобство автоматической коробки передач с эффективностью механической коробки передач и добавляет динамичности. На протяжении большей части модельного ряда S tronic доступен в четырех различных версиях с шестью или семью передачами.


Для продольно установленных двигателей Audi разработала специальную версию семиступенчатой ​​S tronic, в которой шестерни всех передач расположены одна за другой на выходном валу.Три версии для поперечно установленных двигателей имеют единую компоновку с двумя выходными валами, что обеспечивает компактную конструкцию. S tronic для поперечных двигателей доступен с шестью или семью передачами. Сам семиступенчатый S tronic имеет две версии. Какая версия используется с каким двигателем, зависит от передаваемого крутящего момента.

Ниже приводится описание семиступенчатой ​​S tronic для продольных двигателей; однако основной принцип одинаков для всех дизайнов.S tronic состоит из двух узлов и двух многодисковых муфт, управляющих различными передачами. Большая муфта K1, расположенная снаружи, направляет крутящий момент через сплошной вал на зубчатые колеса шестерен с нечетными номерами 1, 3, 5 и 7. Полый вал вращается вокруг сплошного вала. Он соединен с меньшей муфтой K2, которая встроена во внутреннюю часть своего старшего брата и управляет зубчатыми колесами для передач 2, 4 и 6 с четными номерами, а также передачи заднего хода.

Обе структуры трансмиссии постоянно активны, но только одна из них подключена к двигателю одновременно. Например, когда водитель ускоряется на третьей передаче, четвертая передача уже включена во второй конструкции трансмиссии. Процесс переключения происходит при переключении сцепления — К1 размыкается, а К2 замыкается. Переключение передач занимает всего несколько сотых секунды и происходит практически без прерывания тяги. Он настолько плавный, динамичный и комфортный, что водитель этого почти не замечает.

Модуль мехатроники, компактный и прочный блок, включает в себя электронику и элементы управления гидравликой. Его концепция управления позволяет ему изменять скорость процесса переключения передач и точно контролировать необходимую мощность. Многодисковые муфты управляются с высочайшей точностью; Семиступенчатая коробка передач S tronic отзывчива даже при движении с остановками и маневрировании.

Семиступенчатую коробку передач S tronic можно использовать по-разному. В автоматическом режиме есть две программы: D (Драйв) и S (Спорт).Водитель может управлять переключением передач с помощью рычага селектора или штатных подрулевых переключателей за рулем. Еще одна особенность высокопроизводительных моделей — система контроля запуска, которая полностью использует потенциал разгона автомобиля. Спортивный семиступенчатый S tronic для продольных двигателей может выдерживать частоту вращения двигателя до 9000 об / мин.

Все версии S tronic обладают рядом сильных сторон: высокая эффективность, интеллектуальное управление и большой разброс передаточных чисел с очень широкими высшими передачами.Таким образом, высокотехнологичная трансмиссия во многих случаях обеспечивает более низкий расход топлива по сравнению с механической коробкой передач. Сверхкомпактная семиступенчатая коробка передач S tronic в моделях A1 * и A3 весит всего около 70 кг (154,32 фунта). Их два сухих сцепления не требуют отдельной подачи масла, что еще больше увеличивает их эффективность. Все версии S tronic можно комбинировать с системой Audi start-stop.

* Audi A1 Расход топлива в смешанном цикле, л / 100 км: 7,1 — 3,8; Комбинированные выбросы CO₂ в г / км: 162-99


Статус: 2011

Сборочные роботы | Системы автоматизированных сборочных конвейеров

Сборочные роботы

Когда дело доходит до сборки деталей, роботы на конвейере занимают золотую середину между людьми и специализированной или «жесткой» автоматизацией.Сборочный робот движется быстрее и точнее, чем человек, а стандартный инструмент может быть установлен и введен в эксплуатацию быстрее, чем специальное оборудование. Легко реконфигурируемая — во многих случаях требуется только изменение программы — автоматизированная роботизированная сборка — это инвестиции с низким уровнем риска, которые одновременно удовлетворяют требованиям производства, качества и финансов.

Типы роботов сборочного конвейера

Роботизированные сборочные системы представлены в трех конфигурациях: шестиосные шарнирные манипуляторы, четырехосные роботы SCARA и современная конфигурация «Дельта».Дельта-робот, похожий на паука, установленного на потолке, использует двигатели в основании для перемещения трех связанных рук. Это создает машину с непревзойденным ускорением и скоростью, хотя полезная нагрузка меньше, чем у шарнирно-сочлененных конструкций. Обычно дельты имеют только три или четыре оси, но FANUC может обеспечить до шести осей движения для своих роботов M-1iA и M-2iA, что делает их идеальными для высокоскоростной сборки роботов.

Автоматизация сборки может быть оснащена системами технического зрения и датчиками силы.Vision может направлять робота для подбора компонента с конвейера, уменьшая или даже устраняя необходимость в точном расположении, а визуальное обслуживание позволяет роботу вращать или перемещать одну деталь, чтобы она соответствовала другой. Измерение силы помогает при выполнении операций сборки деталей, таких как вставка, давая контроллеру робота обратную связь о том, насколько хорошо детали соединяются друг с другом или какая сила прилагается. Вместе эти сенсорные технологии делают автоматизированную производственную линию рентабельной даже для относительно коротких производственных циклов.

Использование для сборки роботов

Приложения для роботизированной сборки включают автомобильные компоненты, такие как насосы, двигатели и коробки передач. Еще одна отличная область — компьютеры и бытовая электроника, а также медицинские приборы и бытовая техника. Сборочные роботы идеально подходят для задач, требующих скорости и точности, таких как нанесение герметиков и клеев. Они не только могут собирать детали, которые слишком малы или сложны для человека, но и работают быстро и точно, не утомляя и не делая ошибок.Они хороши в приложениях, где чистота имеет первостепенное значение, например, в фармацевтике и сборке медицинских устройств, и они не склонны к изнурительным травмам, таким как синдром запястного канала, которые возникают при повторяющейся работе.

Во многих отраслях короткий жизненный цикл продукта — это образ жизни, и здесь роботизированные манипуляторы сборочного конвейера предлагают финансовые преимущества перед «жесткой» автоматизацией. Сборочный робот обладает гибкостью, позволяя обрабатывать варианты семейства продуктов, даже от цикла к циклу, если он оснащен видеодатчиком или другими датчиками, и его можно быстро и недорого перенастроить, если конструкция продукта изменится.Даже если продуктовая линейка полностью исчезнет, ​​сборочную линию роботов можно быстро перенастроить или развернуть роботов в другом месте, чего нельзя сказать о специальном сборочном оборудовании.

Роботизированные сборочные системы снижают затраты, повышая качество и производительность. В отличие от специализированного оборудования автоматизации, роботы представляют собой гибкие готовые машины, которые можно перенастроить или развернуть по мере необходимости. Возможно, самое важное, что роботы — это зрелая технология, что делает их инвестициями с низким уровнем риска и высокой окупаемостью.Как ведущая компания по автоматизации сборочных линий, Acieta обладает опытом для создания необходимой вам системы.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *