Робот с двигателем постоянного тока -Какой двигатель для робота-реабилитанта?

Краткий ответ

В реабилитационных и вспомогательных роботах почти всегда используется бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) работает в паре с коробкой передач с высоким передаточным отношением (планетарная для захватов / запястий, гармоническая для тазобедренных / коленных суставов). Двигатели BLDC без сердечника превосходно подходят для деликатной реабилитации рук и запястий, поскольку у них практически отсутствует крутящий момент при зацеплении. Выбирайте двигатель исходя из требуемого крутящего момента и частоты вращения шарнира— а не из мощности по каталогу, затем выбирайте передаточное число так, чтобы двигатель работал в непрерывном режиме. Для колена пациента весом 90 кг это обычно означает напряжение 24 В постоянного тока, обеспечивающее непрерывность около 25 Н · м при снижении ~ 100: 1.

В этом руководстве:

Что такое двигатель постоянного тока для робота-реабилитанта?
Почему реабилитационным роботам требуются специализированные двигатели
Как работает привод реабилитационного робота
Сравнение типов двигателей постоянного тока для реабилитационных роботов
Технические характеристики: крутящий момент в суставе, эффективность и температура
Лучшие области применения двигателей постоянного тока для реабилитационных роботов
Пошаговый выбор двигателя для реабилитационного робота
Распространенные инженерные ошибки
Устранение неполадок
ЧАСТО задаваемые вопросы

Что такое двигатель постоянного тока для реабилитационного робота?

Робот—реабилитолог – это медицинское устройство, которое помогает, направляет или противодействует движениям конечностей пациента во время терапии – вспомните экзоскелеты нижних конечностей для тренировки походки при инсульте, руки для реабилитации верхних конечностей, тренажеры для кистей и пальцев и помощники при походке. Привод , приводящий в движение каждый шарнир, является сердцем машины, и в подавляющем большинстве современных конструкций этот привод представляет собой небольшой бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC), интегрированный с коробкой передач, энкодером и сервоприводом.

Таким образом, термин “двигатель постоянного тока для робота-реабилитолога” редко означает голый двигатель. Он означает сервопривод в сборе.: первичный привод, редуктор, обратная связь и система безопасности, настроенная на взаимодействие с человеком. В отличие от манипулятора промышленного робота, перемещающего полезную нагрузку, привод rehab должен быть послушным, бесшумным и не допускать выхода из строя при контакте с хрупкой конечностью. Это единственное различие определяет все приведенные ниже спецификации.

Для получения дополнительной информации о самом первичном двигателе ознакомьтесь с нашими основами электродвигателя, руководством по параметрам бесщеточного двигателя постоянного тока 24 В и основами серводвигателя , которые лежат в основе восстановительных приводов с замкнутым контуром.

Почему Реабилитационные роботы Требуют Специальных Двигателей

Универсальные двигатели автоматизации оптимизированы по производительности. Приводы Rehab оптимизированы для работы с человеком в контуре, что предъявляет четыре обязательных требования:

Плотность крутящего момента. Привод надевается или монтируется рядом с пациентом, поэтому важен каждый грамм. В литературе по экзоскелетам нижних конечностей в качестве главного критерия выбора указывается удельная мощность (мощность на единицу массы). Напряжение 24 В при 100 Вт и массе менее 400 г типично для тазобедренного или коленного сустава.
Низкое заедание / низкая пульсация крутящего момента. Шаговый или щелевой двигатель с видимыми зубьями ощущается “зазубринами” в конечности и может вызвать спастичность. Двигатели BLDC без паза или сердечника устраняют это.
Бесшумный ход. Терапия проводится в клиниках и на дому; акустический шум выше ~ 40 дБ является клинически нежелательным. Переключение щеток и скрип зубчатых колес устраняются винтовой или гармонической передачей BLDC +.
Безопасность медицинского уровня. Система подпадает под контроль качества по стандарту ISO 13485 и безопасности по стандарту IEC 60601-1 , что подталкивает разработчиков к резервному датчику, электромагнитным тормозам и изолированной герметичной конструкции.

Эти требования являются причиной того, что голый щеточный двигатель постоянного тока — при всей его дешевизне и простоте — все чаще используется в недорогих тренажерах для ходьбы, а не в экзоскелетах, переносимых пациентами, где класс эффективности двигателя и герметичная фланцевая конструкция определяют время безотказной работы в клинике.

Как работает привод реабилитационного робота (шаг за шагом)

Единый шарнирный привод представляет собой замкнутый контур. Приведенная ниже последовательность показывает, что на самом деле происходит, когда коленный сустав помогает шагу:

Команда. Терапевтический контроллер вычисляет целевой момент или угол наклона сустава на основе модели походки.
Привод. Сервопривод подает ток на BLDC использование управления с ориентацией на поле (FOC), считывание показаний датчиков Холла двигателя для коммутации. Смотрите наше руководство по контроллеру двигателя для привода.
Уменьшение. Высокая частота вращения двигателя (тысячи оборотов в минуту) понижается коробкой передач (планетарной или гармонической) до низкой частоты вращения шарнира (десятки оборотов в минуту) при увеличении крутящего момента.
Отзывы. Датчик на выходном валу сообщает фактическое положение шарнира и скорость вращения; датчик крутящего момента или оценка тока двигателя замыкают цикл.
Безопасность. Сторожевой пес следит за выходом из строя; электромагнитный тормоз удерживает сустав при потере питания, предотвращая перелом ноги пациента.

Для получения подробной информации о передаче в этом цикле ознакомьтесь с нашим обзором коробки передач, сравнением гармоник и планет и более широким руководством по выбору двигателя-редуктора.

Сравнение типов двигателей постоянного тока для реабилитационных роботов.

В конструкциях реабилитационных роботов фигурируют пять семейств двигателей. Их преимущества очевидны:

Тип	Непрерывной эффективности, сложность	контроля зубчатых зацеплений / пульсаций	, срок службы	Наилучшего реабилитационного использования,	Щеточный постоянный ток,
75-80%,	Умеренный (коммутатор),	низкий (только ШИМ),	1000-3000 ч,	недорогие тренажеры для походки, не изнашиваемые вспомогательные тележки,	BLDC (с прорезями),
85-95%,	низкий, если без прорезей; немного, если без прорезей,	Средний (фокус + холл),	10000 + ч,	Общие суставы тазобедренного / коленного экзоскелета,	Без сердечника / с полой чашечкой,
80-90%…………………………………..,	%	Близкая к нулю	Средняя	10 000 + ч	реабилитация кисти, запястья, пальцев; деликатная помощь
Сервопривод (бескаркасный BLDC + энкодер)	90-98%	Очень низкий	максимум (замкнутый контур)	10 000 + ч	Мощные приводы для тазобедренных / коленных суставов
Шаговый	40-60% (работает в горячем состоянии)	Высокий (фиксатор)	Низкий (разомкнутый контур)	Хорошо (без щеток)	Редко; поддерживается только фиксированный режим с низкой динамикой

Более полное разделение технологий представлено в нашем сравнении BLDC и сервопривода и в серводвигателе deep dive. Для носимых суставов, BLDC или сервопривод используется по умолчанию; для удобства работы с пальцами специалисты выбирают бесконтактный BLDC – именно в этом сегменте доминируют Faulhaber и Maxon , и именно в этом сегменте находится наш прецизионный планетарный редуктор поддержка программы.

Технические данные: крутящий момент в суставе, эффективность и температура

Требования к крутящему моменту в каждом суставе

Исследования биомеханики показывают крутящий момент в суставе на единицу массы тела при ходьбе. Увеличение веса взрослого человека до 75-90 кг и переход на вспомогательный крутящий момент, который обычно обеспечивает реабилитационное устройство, дает следующие диапазоны планирования. Опубликованные данные для педиатров (бедро 0,7, колено 0,5, голеностопный сустав 1,2 Н · м / кг) и экзоскелет H2 (35 Н · м непрерывного бедра при 24 В / 100 Вт BLDC + 160: 1 гармоника) подтверждают цифры.

	Коэффициент крутящего момента от массы тела в суставе	Типичная постоянная (вспомогательная)	Пиковая	частота вращения сустава	Предпочтительный двигатель
Бедро	0,7 Н · м/ кг	25-35 Н · м	70-180 Н · м	30-60 об/мин	Бескаркасный сервопривод / BLDC
Колено	0,5 Н · м / кг	20-30 Н · м	45-90 Н · м	40-90 об/мин	BLDC + гармонический/планетарный
Голеностоп	1,2 Н · м/кг	20-36 Н · м	60-120 Н · м	50-120 об/мин	Плоский BLDC + гармонический
плечо / локоть	—	3-10 Н · м	6-20 Н · м	100-300 об /мин	Бесконтактный BLDC
Запястье / палец	—	0,2–1,5 Н · м	0,4–3 Н · м	300-600 об / мин	Бесконтактный BLDC

КПД в зависимости от типа двигателя

Двигатель	Типичный КПД	Воздействие на аккумулятор
Постоянный ток с щеткой	75-80%	Умеренный разряд, потеря щетки
BLDC	85-95%	Отлично —ключ для автономного использования
Сервопривод (на базе PMSM)	90-98%	Лучший, но более высокая нагрузка на электронику
Шаговый	40-60%	Плохой – постоянный ток даже при удержании

Пределы температуры и изоляции

Изоляция обмоток двигателя классифицируется в соответствии с IEC 60034-1 (который соответствует температурным классам IEC 60085):

Класс изоляции	Максимальная температура обмоток	Примечание по использованию в реабилитации
Класс B	130 ° C	Подходит для циклов прерывистой терапии
Класс F	155 ° C	Рекомендуется — герметичные корпуса нагреваются
Класс H	180 ° C	Высокопроизводительные корпуса или корпуса с пассивным охлаждением

Приводы Rehab часто герметизируются от чистящих жидкостей и носятся близко к корпусу, поэтому эффективный тепловой потолок ниже, чем указано на заводской табличке. Подберите размер для класса F с запасом в 20-30 ° C и добавьте температурный предел. Срок службы подшипника — см. Режимы отказа подшипников SKF. — также разлагается при температуре выше 80 ° C, поэтому храните смазку для коробки передач в пределах допустимого диапазона.

Формулы крутящего момента и мощности

Используйте их, чтобы перейти от совместных требований к спецификации двигателя:

Выходной крутящий момент: T_out = t₀ × i × η (крутящий момент двигателя × коэффициент полезного действия × КПД коробки передач)
Выходная мощность: P = (T_out × n_out) / 9,55 (с T в Н · м, n в оборотах, P в Вт)
Требуемое соотношение: i = n₀ / n_out а также i = T_out / (T₀ × η)
Входной ток при питании V: I = P_in / V, где P_in = P_shaft / n_motor
Оценка крутящего момента биомеханического соединения: T_joint ≈ F × r (вес сегмента × рычаг момента)

Эти соотношения предполагают зубчатый привод. Там, где возможен прямой привод, взвесьте компромисс между прямым приводом и мотор-редуктором ; для большинства восстановительных соединений уменьшение нагрузки неизбежно. Планирование эффективности также связано с классами эффективности IE.

Математические расчеты двигателя приведены в руководстве по расчету крутящего момента.

Лучшие области применения для реабилитационных роботов-двигатели постоянного тока

Экзоскелеты нижних конечностей (инсульт, тренировка походки SCI): приводы для бедра / колена / лодыжки с высоким крутящим моментом, 24 В постоянного тока + 50: 1-160: 1 гармонический или планетарный редуктор. В реальных устройствах используются двигатели мощностью 100-150 Вт на каждом соединении.
Руки для реабилитации верхних конечностей: поддержка плеча / локтя с помощью BLDC без сердечника для обеспечения низкой инерции и плавности передачи; Редукторные двигатели постоянного тока сохраняйте небольшой форм-фактор, в то время как применение планетарных редукторных двигателей закрывает конец захвата.
Тренажеры для рук и пальцев: BLDC без сердечника мощностью 10-30 Вт в паре с микро-редукторами для контроля усилия на кончиках пальцев.
Тренажеры для развития походки и равновесия (устанавливаются на беговой дорожке): повышенный режим непрерывной работы, часто с плоскими редукторами BLDC для низкопрофильного; червячные редукторы подходят для самоблокирующихся опор, а циклоидальные редукторы -для рам с высокой амортизацией.
Детские экзоскелеты: чрезвычайно чувствителен к весу; 24 В постоянного тока EC-flat BLDC + волновая передача, соотношение разделено для каждого сустава (колено ~ 50: 1, голеностоп ~ 120: 1 в опубликованных сборках). Сравните варианты в нашем руководстве по типам редукторов.

Пошаговый выбор двигателя для робота-реабилитолога

Следуйте этому порядку, чтобы спецификацию задавал двигатель, а не каталог.

Определите нагрузку на сустав. Оцените требуемый постоянный и пиковый крутящий момент, исходя из массы тела и рычага момента (используйте приведенную выше таблицу для каждого шарнира). Добавьте 20-30%-ный запас прочности на трение и падение напряжения.
Зафиксируйте выходную частоту вращения. Определите максимальную угловую скорость сустава по модели походки (размах колена ≈ 60-90 об /мин).
Выберите тип редуктора. Гармонический для бедра / колена (компактный, практически без люфта); планетарный для запястья / захвата (ударопрочный, дешевле); смотрите Различные типы редукторов скорости и руководство по выбору промышленного двигателя.
Выберите передаточное отношение. Установите i = T_out / (T₀ × η) так, чтобы двигатель работал с постоянным крутящим моментом на требуемой частоте вращения. Убедитесь, что частота вращения двигателя n₀ = i × n_out остается ниже предела потерь подшипника / железа (обычно & lt; 8000-10000 об / мин для агрегата напряжением 24 В).
Проверьте мощность и ток. Вычислите P_out, разделите на КПД коробки передач и двигателя для получения P_in, затем I = P_in / V. Убедитесь, что аккумулятор заряжен и водитель может его поддерживать.
Повысьте безопасность. Укажите электромагнитный тормоз, резервный датчик и термовыключатель; убедитесь, что конструкция соответствует стандарту IEC 60601-1.

Рабочий пример: привод коленного сустава для пациента весом 90 кг.

Требования. Вспомогательный привод коленного сустава: непрерывный T_out = 25 Н · м, пиковый 50 Н·м, частота вращения на выходе n_out = 60 об/мин, напряжение питания 24 В.

Шаг 4 — соотношение. Выберите 32-мм BLDC с постоянным крутящим моментом T₀ = 0,30 Н · м и КПД коробки передач η = 0,85:

i = 25 / (0.30 × 0.85) = 98:1 → выберите 100:1

Частота вращения двигателя n₀ = 100 × 60 = 6000 об/мин — комфортно в пределах лимита.

Шаг 5 — мощность и ток.

P_out = (25 × 60) / 9.55 = 157 Вт

P_shaft = 157/0, 85 = 185 Вт; P_in = 185/0, 85 = 218 Вт

I = 218/24 = 9,1 А

Необходимый максимальный крутящий момент двигателя: 50 / (100 × 0.85) = 0.59 Н · м — в пределах 2-кратной перегрузки от номинальной постоянной мощности 0,30 Н·м.

Нелогичное понимание. Для двигателя диаметром 16 мм с T₀ = 0,08 Н · м потребуется i = 25 / (0.08 × 0.85) = 368:1 , форсируя N₀ = 22 000 об / мин — преодолевая потолок потерь подшипников и железа, когда эффективность падает, а вход коробки передач выходит из строя. Большая рама при умеренном соотношении ~ 100: 1 превосходит крошечный мотор при 350: 1. Передаточное число не является бесплатным; оно меняет частоту вращения двигателя в пользу надежности.

Распространенные инженерные ошибки

Выбор зависит от мощности двигателя, а не от крутящего момента в шарнире. Двигатель мощностью 100 Вт с неправильным передаточным отношением обеспечивает либо слишком малый крутящий момент, либо недопустимую частоту вращения. Начните с T_out.
Игнорирование люфта в силовом контуре. 3-Градусный редуктор плюс датчик на стороне двигателя означают, что конечность чувствует потерю движения. Установите датчик на выходе и отдайте предпочтение температуре ≤ 1 ° (гармоника) для бедра / колена.
Недооцениваете температурный запас. Герметичные, изношенные приводы нагреваются сильнее, чем при стендовых испытаниях. Обмотка класса B без запаса срабатывает в середине сеанса.
Выбираем степперы для динамики. Степперы с разомкнутым контуром пропускают шаги при переменной нагрузке на пациента и непрерывно отводят тепло – недостаточно для интерактивной терапии.
Забыли о предохранительном тормозе. Без удерживающего тормоза потеря мощности приводит к падению конечности пациента. Это медицинское, а не косметическое требование.
Падение напряжения аккумулятора. Напряжение 24 В при провисании блока питания до 20 В снижает крутящий момент на 17%. Измерьте напряжение питания в конце разряда, а не номинальное.

Устранение неполадок: Проблема → Причина → Решение

Проблема	Вероятная причина	Решение
Ощущение зазубрины / рывков в шарнире	Крутящий момент при зацеплении или высокий люфт коробки передач	Переключатель резервированный/тигельные мотор BLDC; использовать гармонический редуктор; переместить регулятор выходного вала
мотор перегревается в течение 10-15 мин	для низкорослых долг; низкие тепловые путь	увеличить размер рамки или соотношении; использование класса F; добавить проводимости пластины экзоскелета рамка
больной конечности падает на потери мощности	без удерживающего тормоза	добавить электромагнитным тормозом размера для совместных пик крутящего момента
крутящий момент проседает, как батарея разряжается	пакет проседание ниже двигателя полезной напряжения	размер пакета по V разряд; поднять питания 24-48 в; добавление DC-DC регуляторы
регулятор теряет позиции после перезагрузки	инкрементального энкодера, ни дома ссылкой	Используйте абсолютный датчик или добавьте процедуру самонаведения при включении
коробка передач скулит на низких оборотах	Ступенчатые ступени, недостаточное качество сетки	Используйте спиральные или гармонические ступени; проверьте предварительную нагрузку на подшипник

Часто задаваемые вопросы

Какой тип двигателя используется в роботах-реабилитаторах?В большинстве экзоскелетов и реабилитационных роботов используются бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC), соединенные с коробкой передач с высоким передаточным отношением (планетарным или гармоническим). Бескаркасные двигатели BLDC предпочтительнее для деликатной реабилитации кисти и запястья из-за практически нулевого заедания, в то время как бескаркасные серводвигатели широко распространены в приводах для тазобедренных и коленных суставов.

Почему в экзоскелетах предпочтение отдается бесщеточным двигателям постоянного тока, а не щеточным двигателям?Двигатели BLDC работают с КПД 85-95%, не имеют коллектора, подверженного износу, производят меньше электромагнитных помех и поддерживают десятки тысяч часов непрерывной работы — все это важно для носимого устройства с батарейным питанием, которое пациент носит рядом с собой.

Какой крутящий момент необходим суставу реабилитационного робота?Исследования биомеханики показывают, что крутящий момент в колене составляет около 0,5 Н · м на кг массы тела при ходьбе. Для пациента весом 90 кг это подразумевает максимальный крутящий момент в колене около 45 Н · м; тренажеры для ходьбы с ассистированием обычно рассчитаны на непрерывность 20-30 Н · м при 2-кратном максимальном запасе хода.

Какой редуктор лучше всего подходит для сустава робота-реабилитолога?Гармонические (волновые) приводы обеспечивают высочайшее передаточное отношение при минимальной длине с практически нулевым люфтом, что идеально подходит для тазобедренных и коленных суставов. Планетарные редукторы дешевле, устойчивы к ударам и лучше подходят для захватов и запястий. Червячные передачи самоблокируются, но тратят 30-60% потребляемой мощности в виде тепла.

Какое напряжение типично для двигателей реабилитационных роботов?24 В постоянного тока является стандартом де-факто для носимых роботов-реабилитологов, поскольку он остается ниже предела безопасности 60 В SELV, работает в паре со старыми литий-полимерными батареями и обеспечивает легкость прокладки кабелей. В некоторых настольных реабилитационных устройствах используется напряжение 12 В; в мощных экзоскелетах может использоваться напряжение 48 В.

Какие стандарты безопасности применяются к двигателям реабилитационных роботов?Привод находится внутри медицинского электрического устройства, поэтому система регулируется стандартами IEC 60601-1 (общая безопасность) и ISO 13485 (управление качеством), в то время как сам двигатель соответствует стандарту IEC 60034-1 в отношении классов изоляции и температуры. Многие OEM-производители добавляют электромагнитный тормоз и избыточное измерение положения для обеспечения безопасности пациента.

Почему выбрали Greensky для двигателей реабилитационных роботов?

Greensky Power разрабатывает электродвигатели на заказ и оригинальные приводные устройства для медицинской и вспомогательной робототехники. Наша программа реабилитации роботов охватывает:

BLDC и платформы без сердечника диаметр от 8 мм до 60 мм, 12 В / 24 В / 48 В, с обмотками без прорезей для уменьшения заедания в тренажерах для рук и запястий.
Встроенный редуктор — планетарный, гармонический и плоский мотор-редуктор с люфтом до ≤ 1 ° для плавного регулирования усилия.
Валы с кодирующим устройством и тормозные устройства для повышения вашей квалификации по технике безопасности в соответствии с IEC 60601-1.
Документация для отправки – кривые крутящего момента / частоты вращения, температурный режим и класс изоляции —приведены в соответствие с IEC 60034-1.

Ознакомьтесь с категорией двигателей постоянного тока или свяжитесь с нашей командой инженеров для уточнения размеров конкретного соединения.

Связанные Ресурсы

Ссылки

IEC 60034-1:2022 — Вращающиеся электрические машины, общие требования (классы изоляции и температуры). webstore.iec.ch/en/publication/65446
IEC 60034-30-1 — Классы эффективности линейных двигателей переменного тока. webstore.iec.ch/publication/91195
IEC 60601-1 — Медицинское электрооборудование, общая безопасность (из сборника IEC 60601). медицинское электрооборудование iec-60601
ISO 13485 — Медицинское оборудование — Системы менеджмента качества. iso.org/iso-13485-medical-devices.html
Стандарт ANSI / NEMA MG 1 — Двигатели и генераторы. webstore.ansi.org/standards/nema/ansinemamg2021
NEMA — Ресурсы по продукции для двигателей и генераторов. nema.org/products/pages/motor-and-generator.aspx
Министерство энергетики США — Энергоэффективность двигателей и оптимизация систем. energy.gov — моторные системы
МЭА — Электродвигатели и приводы (энергетическая система). iea.org — электродвигатели
SKF — Неисправности подшипников и их причины. skf.com — неисправности подшипников
Siemens — электродвигатели SIMOTICS. siemens.com — электродвигатели
IEEE Xplore — рецензируемый документ по проектированию микромоторов / приводов. ieeexplore.ieee.org/document/6342334
Технология бесколлекторных двигателей Maxon — EC. maxongroup.com — ec-технология
Faulhaber — Бесщеточные двигатели постоянного тока для медицинского применения. faulhaber.com — бесщеточные двигатели постоянного тока
Бортоул и др., “Роботизированный экзоскелет H2 для восстановления походки после инсульта”. J NeuroEngineering Rehabil (2015). pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4469252
Датчики MDPI (2023) — экзоскелет на одной ножке с напряжением 24 В BLDC + волновой привод для детей с церебральным параличом. mdpi.com/1424-8220/23/13/6103

Это руководство написано командой Greensky Power engineering для проектировщиков и инженеров по закупкам, создающих реабилитационные и вспомогательные роботы. Спецификации представляют собой планируемые диапазоны; проверяйте каждый привод на соответствие стандарту IEC 60601-1 risk file и клиническим требованиям к вашему устройству.

Робот с двигателем постоянного тока – Какой двигатель для робота-реабилитанта?