Pri razvoju robotov je ena ključna tehnologija: uporaba ležajev na področju humanoidnih robotov. Kot osrednja komponenta humanoidnih robotov ležaji predstavljajo približno 5,5 % vrednosti glavnih komponent. Različni tipi ležajev igrajo nenadomestljivo vlogo v različnih delih robota.
Ⅰ Ležaji v reduktorjih
Reduktor je glavni mehanizem prenosa moči v humanoidnem robotu, primerljiv s človeškim sklepom. Precizni reduktor je vmesna naprava, ki povezuje vir energije in aktuator. Njegova funkcija je zmanjšanje visoke hitrosti servo motorja, povečanje prvotnega navora servo motorja prek prestavnih razmerij ter zagotavljanje visoke trdnosti in visoko-natančno pozicioniranje. Humanoidni robotski reduktorji vključujejo predvsem harmonične reduktorje, reduktorje RV in planetarne reduktorje. Različne vrste reduktorjev imajo različne zahteve za ležaje:
1. Ležaji reduktorja RV:
Reduktorji RV, znani tudi kot reduktorji z rotacijskimi vektorji, vključujejo sprednji-reduktor planetnega zobnika in zadnji-stopenjski cikloidni reduktor z vetrnico. Ta način prenosa je nadaljnji razvoj, ki temelji na klasični tehnologiji planetarnega prenosa z zatičem-nihalom. Združuje številne prednosti, kot so kompaktna velikost, lahka teža, široko prenosno razmerje, dolga življenjska doba, stabilno natančno vzdrževanje, visoka učinkovitost in nemoteno delovanje prenosa.
Reduktor RV uporablja tri vrste ležajev: tanko{0}}kotni kroglični ležaj s kotnim kontaktom za glavni ležaj (izhodna gred), tank{1}}stožčasti valjčni ležaj za ekscentrično pozicioniranje gredi in oporo glavnega telesa, cilindrični valj (igličasti valj) za cikloidno oporo zobnika, sklop kletke in tanko{2}}globokostenski ležaj kroglični ležaj z utori za podporo zobnikov.
2. Harmonični reduktorski ležaji
Rotacijski sklepi robotov uporabljajo predvsem harmonične reduktorje. Njihova tehnologija izdelave temelji na harmoničnem prenosu. Harmonski reduktor je mehanski prenosni sistem, sestavljen iz štirih osnovnih komponent: generatorja valov (gibki ležaj), križnih valjčnih ležajev (togi ležaj), gibljivega zobnika z zunanjim zobniškim obročem (gibko kolo) in togega zobnika (togo kolesa).
① Križni valjčni ležaji
Obstajajo različne serije križnih valjčnih ležajev za harmonične reduktorje, ki lahko prenesejo več{0}}smerne obremenitve ter nudijo visoko natančnost in togost. Križne valjčne ležaje, posebej zasnovane za harmonične reduktorje, je mogoče razdeliti v dve glavni kategoriji glede na njihovo okolje uporabe: tiste z razcepljenim zunanjim obročem in tiste z integriranim notranjim obročem. Kotalni elementi teh ležajev so cilindrični valji, razporejeni pod kotom 90 stopinj v obliki črke V. Ta zasnova omogoča, da ležaj istočasno prenese obremenitve iz več smeri, vključno z aksialnimi, radialnimi in prevračajočimi momenti. Poleg tega ti ležaji izkazujejo visoko natančnost, visoko togost in odlično nosilnost-kompozitnih obremenitev, zaradi česar so nepogrešljiv sestavni del harmoničnih reduktorjev.
② Prilagodljivi ležaji Prilagodljivi ležaji, posebej zasnovani za harmonične reduktorje, se razlikujejo od tradicionalnih ležajev. So tanko{1}}kroglični ležaji s tanjšim zunanjim obročem, zaradi česar so nagnjeni k radialni deformaciji. Kljub tankim stenam ostajajo zelo prilagodljivi in uporabljajo visoko-kakovostne materiale za zagotavljanje stabilnega delovanja. Ti prilagodljivi ležaji za harmonične reduktorje imajo odlično-nosilnost. Učinkovito vzdržijo izmenične upogibne in navorne obremenitve, pri čemer ohranjajo določeno stopnjo prožnosti pri interakciji z odmikači kljub razmeroma tanki stenski zasnovi. Notranji in zunanji obroči ter kotalni elementi so izdelani iz visoko-kakovostnega visoko-ogljično-kromovega ležajnega jekla in so opremljeni z vgrajenim najlonskim držalom, ki zagotavlja stabilno in učinkovito delovanje ležaja v delu harmoničnega generatorja harmonskega reduktorja.
Harmonični reduktorji običajno uporabljajo en križni valjčni ležaj in en gibljivi ležaj.
3. Planetarni reduktor
Planetarni reduktor je najučinkovitejša struktura prenosa zobnikov. Prenosni mehanizem planetnega gonila je v glavnem sestavljen iz planetnih zobnikov, nosilca planeta in sončnega zobnika. V natančnem planetarnem reduktorju glavni pogon, kot je servo motor, običajno poganja sončni zobnik k vrtenju. Začepanje sončnega zobnika s planetnimi zobniki poganja planetne zobnike k vrtenju. Ker se druga stran planetnega gonila ujame z obročnim zobnikom na notranji steni ohišja reduktorja, se bodo planetni zobniki, ki jih poganja lastna rotacija, kotalili na obročnem zobniku v isti smeri kot vrtenje sončnega zobnika in tvorili "revolucionarno" gibanje okoli sončnega zobnika. Razlika v številu zob med sončnim in obročastim zobnikom doseže namen zmanjšanja hitrosti.
Planetarni reduktor pretvori visoko-hitrost vrtenja motorja v nizko-hitrost, visok-navor, primeren za potrebe prenosa ne-visoko-natančnih delov robotov, kot so spodnji udi (npr. kolčni in kolenski sklepi). S pogonom planetnih zobnikov, da se vrtijo in vrtijo skozi sončni zobnik, moč končno oddaja planetni nosilec. Odlikuje ga preprosta zgradba, nizki stroški in visoka-nosilnost.
Če vzamemo za primer robota Tesla Optimus Gen-2, njegov planetarni reduktor uporablja kroglične ležaje z globokimi utori in iglične ležaje. Žlebasti kroglični ležaji se uporabljajo za prenašanje manjših radialnih in aksialnih obremenitev, medtem ko se iglični ležaji uporabljajo za prenašanje ogromnih radialnih obremenitev, ki jih povzročajo planetna gonila, ko se vrtijo pri visokih hitrostih.
II. Drugi ležaji v humanoidnih robotih
1. Linearni aktuatorji: štiri-točkovni kontaktni ležaji
Ležaji s štiri-točkovnim kontaktom uporabljajo kroglične ležaje, kjer se jeklene kroglice krogličnega ležaja dotikajo notranjega in zunanjega obroča v štirih točkah, s čimer se doseže dvo{1}}točkovni kontakt. To jim omogoča, da prenesejo dvosmerne aksialne obremenitve in določen delež radialnih obremenitev. Zasnova kompozitnega notranjega obroča sprejme več kroglic, kar poveča-nosilnost; deljena struktura olajša namestitev in je primerna za-prostorsko omejene spoje. Kontaktni kot je običajno 35 stopinj ali 45 stopinj, z majhno aksialno zračnostjo, kar zagotavlja visoko omejitev hitrosti in togost.
Ležaji s štiri{0}}točkovnim kontaktom se običajno uporabljajo v rotacijskih sklepih in linearnih aktuatorjih v povezavi s križnimi valjčnimi ležaji za doseganje visoko{1}}natančnega gibanja.
2. Samo-zgibni ležaji: samo-mazalni ležaji dosegajo gibanje z nizkim-trenjem zaradi bimetalnih kompozitnih materialov ali trdnih maziv, s koeficientom trenja le 0,08, hkrati pa imajo visoko odpornost proti obrabi (življenjska doba presega 10.000 ur). V humanoidnih robotih se večinoma uporabljajo v skupnih modulih, ki jih odlikuje delovanje-brez vzdrževanja, visoka nosilnost in dolga življenjska doba ter izpolnjujejo zahteve glede visoko-frekvenčnih gibov in mikronske-natančnosti. Na primer, samomazalni drsni ležaji podjetja Changsheng Bearing- so bili uporabljeni za spojne module humanoidnih robotov podjetja Unitree Robotics, s čimer so dosegli stopnjo prodora več kot 80 %, zaradi česar so postali ekskluzivni dobavitelj.
Druge uporabe samo{0}}mazalnih ležajev v robotih:
Reduktorski sklopi: Ujemanje z visoko{0}}natančnimi zahtevami prenosa in zagotavljanje stabilnosti gibanja.
Zgibne povezave: prenašanje velikih obremenitev in visoko{0}}delovanje, kar zmanjšuje porabo energije.
Sistemi vijačnih pogonov: prilagajanje na mikronsko-natančnost gibanja, izboljšanje splošne prilagodljivosti.
Povzetek: V tehnološki piramidi humanoidnih robotov so ležaji, čeprav majhni, ključno jedro, ki povezuje zgornjo in spodnjo plast. Ni le fizični priključek, ampak tudi omogoča zmogljivost, njegova pomembnost pa se kaže v treh vidikih: **Temeljni kamen natančnosti gibanja:** Visoko-natančni, visoko-togotni ležaji zagotavljajo gladkost, natančnost in stabilnost vsakega gibanja robota. Od mikro-manipulacije spretnih rok do močne podpore nožnih sklepov se povečajo tudi najmanjše napake v ležajih, ki neposredno določajo splošno zmogljivost gibanja robota.
**Garancija za-nosilnost in življenjsko dobo:** Humanoidni roboti morajo prenesti zapletene več-dimenzionalne obremenitve v dinamičnih okoljih. Posebni tanko{3}}kroglični ležaji s kotnim kontaktom, križni valjčni ležaji in druge lahke konstrukcije zagotavljajo vrhunske zmogljivosti proti-prevrnitvi in odpornost na utrujenost ter tvorijo temelj robotovega dolgoročnega-zanesljivega delovanja.
**Ključ do energetske učinkovitosti in integracije:** Ležaji z nizkim-trenjem zmanjšajo izgubo moči, izboljšajo energetsko učinkovitost in posredno podaljšajo vzdržljivost robota. Hkrati pojav kompaktnih ležajev (kot so kroglični ležaji s štiri-točkovnim kontaktom) prihrani dragocen prostor pri zasnovi robotskih zglobov, kar omogoča višjo stopnjo integracije.
