U razvoju robota ključna je jedna osnovna tehnologija: primjena ležajeva u polju humanoidnih robota. Kao osnovna komponenta humanoidnih robota, ležajevi čine oko 5,5% vrijednosti glavnih komponenti. Različiti tipovi ležajeva igraju nezamjenjivu ulogu u raznim dijelovima robota.
Ⅰ Ležajevi u reduktorima
Reduktor je osnovni mehanizam za prijenos snage u humanoidnom robotu, uporediv s ljudskim zglobom. Precizni reduktor je srednji uređaj koji povezuje izvor napajanja i aktuator. Njegova funkcija je da smanji veliku brzinu servo motora, pojača originalni obrtni moment servo motora kroz omjere redukcije zupčanika i obezbijedi visoku čvrstoću i visoko{2}}precizno pozicioniranje. Humanoidni robot reduktori uglavnom uključuju harmonijske reduktore, RV reduktore i planetarne reduktore. Različite vrste reduktora imaju različite zahtjeve za ležajeve:
1. Ležajevi RV reduktora:
RV reduktori, također poznati kao rotacioni vektorski reduktori, uključuju prednji- planetarni reduktor zupčanika i stražnji- cikloidni reduktor sa zupčanicima. Ova metoda prijenosa je daljnji razvoj zasnovan na klasičnoj tehnologiji planetarnog prijenosa klatna-klatna. Kombinira brojne prednosti, kao što su kompaktna veličina, lagana, širok prijenosni omjer, dug radni vijek, stabilno precizno održavanje, visoka efikasnost i glatke performanse prijenosa.
RV reduktor koristi tri tipa ležajeva: ugaoni kuglični ležaj sa tankim-zidnim kontaktom za glavni ležaj (izlazno vratilo), tanki-konusni valjkasti ležaj za ekscentrično pozicioniranje vratila i oslonac glavnog tijela, cilindrični valjak (igličasti valjak) za cikloidni tankozidni nosač{1} dubinski{1} žljebljeni kuglični ležaj za oslonac zupčanika.
2. Ležajevi harmonijskog reduktora
Rotacioni zglobovi robota prvenstveno koriste harmonijske reduktore. Njihova proizvodna tehnologija je zasnovana na harmonijskom prenosu. Harmonični reduktor je mehanički prenosni sistem sastavljen od četiri osnovne komponente: generatora talasa (fleksibilni ležaj), ukrštenih valjkastih ležajeva (kruti ležaj), fleksibilnog zupčanika sa spoljnim zupčanikom (fleksibilni točak) i krutog zupčanika (kruti točak).
① Ukršteni valjkasti ležajevi
Postoje različite serije ukrštenih valjkastih ležajeva za harmonijske reduktore, sposobnih da izdrže više{0}}smjerna opterećenja i nude visoku preciznost i krutost. Ukršteni valjkasti ležajevi posebno dizajnirani za harmonijske reduktore mogu se podijeliti u dvije glavne kategorije na osnovu okruženja njihove primjene: oni s podijeljenim vanjskim prstenom i oni s integriranim unutrašnjim prstenom. Kotrljajni elementi ovih ležajeva su cilindrični valjci raspoređeni pod okomitim uglom od 90 stepeni u stazi klizanja u obliku slova V{4}}. Ovaj dizajn omogućava ležaju da istovremeno izdrži opterećenja iz više smjerova, uključujući aksijalne, radijalne i momente prevrtanja. Nadalje, ovi ležajevi pokazuju visoku preciznost, visoku krutost i odličnu kompozitnu nosivost-opterećenja, što ih čini nezamjenjivom komponentom harmonijskih reduktora.
② Fleksibilni ležajevi Fleksibilni ležajevi posebno dizajnirani za harmonijske reduktore razlikuju se od tradicionalnih ležajeva. To su kuglični ležajevi{1}}tankih stijenki sa tanjim vanjskim prstenom, što ih čini sklonim radijalnoj deformaciji. Uprkos svojim tankim zidovima, oni ostaju vrlo fleksibilni i koriste visoko-kvalitetne materijale kako bi osigurali stabilan rad. Ovi fleksibilni ležajevi za harmonijske reduktore posjeduju odličnu nosivost-naprezanja. Oni efektivno izdržavaju naizmjenična naprezanja savijanja i momenta, zadržavajući određeni stupanj fleksibilnosti u interakciji sa bregastima uprkos njihovom relativno tankom dizajnu zidova. I unutrašnji i vanjski prstenovi, kao i kotrljajni elementi, izrađeni su od visokokvalitetnog-visoko-ugljičnog hromiranog čelika za ležajeve i opremljeni su integralnim najlonskim držačem, koji osigurava stabilan i efikasan rad ležaja u dijelu generatora harmonika harmoničkog reduktora.
Harmonični reduktori obično koriste jedan ukršteni valjkasti ležaj i jedan fleksibilni ležaj.
3. Planetarni reduktor zupčanika
Planetarni reduktor zupčanika je najefikasnija struktura zupčanika. Prenosni mehanizam planetarnog zupčanika uglavnom se sastoji od planetarnih zupčanika, nosača planeta i sunčanog zupčanika. U preciznom planetarnom reduktoru, glavni pokretač kao što je servo motor obično pokreće sunčani zupčanik da se okreće. Spajanje sunčevog zupčanika sa planetarnim zupčanicima pokreće planetarne zupčanike da se rotiraju. Istovremeno, pošto se druga strana planetarnog zupčanika spaja sa zupčanikom na unutrašnjem zidu kućišta reduktora, planetarni zupčanici, pokretani sopstvenom rotacijom, kotrljaće se po prstenastom zupčaniku u istom smeru kao i rotacija sunčevog zupčanika, formirajući "revolucionarno" kretanje oko sunčanog zupčanika. Razlika u broju zuba između sunčanog zupčanika i prstenastog zupčanika postiže svrhu smanjenja brzine.
Planetarni reduktor pretvara veliku-brzinu rotacije motora u nisku-brzinu, veliki-izlazni moment, pogodan za potrebe prijenosa ne-visoko-preciznih dijelova robota, kao što su donji udovi (npr. zglobovi kuka i koljena). Pokretanjem planetarnih zupčanika da se rotiraju i okreću kroz sunčani zupčanik, snaga se u konačnici proizvodi od strane nosača planeta. Odlikuje se jednostavnom strukturom, niskom cijenom i visokim kapacitetom{9}}nosivosti.
Uzimajući Tesla Optimus Gen-2 robota kao primjer, njegov planetarni reduktor koristi kuglične ležajeve s dubokim žljebom i igličaste valjkaste ležajeve. Kuglični ležajevi sa dubokim žljebovima se koriste da izdrže manja radijalna i aksijalna opterećenja, dok se igličasti ležajevi koriste da izdrže velika radijalna opterećenja koja stvaraju planetarni zupčanici kada se rotiraju pri velikim brzinama.
II. Drugi ležajevi u humanoidnim robotima
1. Linearni aktuatori: četiri-kontaktni ležajevi
Ležajevi sa četiri-tačkasti kontakt koriste kuglične ležajeve gdje čelične kuglice kugličnog ležaja dodiruju unutrašnji i vanjski prsten u četiri tačke, postižući kontaktno stanje u dvije-tačke. To im omogućava da izdrže dvosmjerna aksijalna opterećenja i određeni udio radijalnih opterećenja. Kompozitni dizajn unutrašnjeg prstena prihvata više kuglica, povećavajući nosivost-nosivosti; podijeljena struktura olakšava instalaciju i pogodna je za-fuge sa ograničenim prostorom. Kontaktni ugao je tipično 35 stepeni ili 45 stepeni, sa malim aksijalnim zazorom, čime se obezbeđuje veliko ograničenje brzine i krutost.
Ležajevi sa četiri-tačkastog kontakta se obično koriste u rotirajućim zglobovima i linearnim aktuatorima, u kombinaciji sa ukrštenim valjkastim ležajevima za postizanje visoke{1}}preciznosti kretanja.
2. Samopodmazujući zglobni ležajevi: Samopodmazujući ležajevi postižu nisko-kretanje trenja putem bimetalnih kompozitnih materijala ili čvrstih maziva, sa koeficijentom trenja od čak 0,08, a također posjeduju visoku otpornost na habanje (vek trajanja preko 10.000 sati). U humanoidnim robotima, oni se uglavnom koriste u zajedničkim modulima, karakterišu rad bez održavanja-, visok kapacitet opterećenja i dug životni vijek, ispunjavajući zahtjeve visoko{9}}pokretanja frekvencije i preciznosti na nivou mikrona{10}}. Na primjer, samopodmazujući klizni ležajevi kompanije Changsheng Bearing{12}}primijenjeni su na zglobnim modulima humanoidnih robota Unitree Roboticsa, postižući stopu penetracije od preko 80%, što ih čini ekskluzivnim dobavljačem.
Ostale primjene -samopodmazujućih ležajeva u robotima:
Reduktorski zupčanici: Odgovaraju zahtjevima visoke{0}}preciznosti prijenosa i osiguravaju stabilnost kretanja.
Zglobne veze: Nošenje teških opterećenja i rad velike{0}}brzine, smanjujući potrošnju energije.
Sistemi zavrtnja: Prilagođavanje preciznosti kretanja na mikronskom{0}}nivou, poboljšavajući ukupnu fleksibilnost.
Sažetak: U tehnološkoj piramidi humanoidnih robota, ležajevi, iako mali, predstavljaju ključno jezgro koje povezuje gornji i donji sloj. To nije samo fizički konektor, već i omogućava performanse, a njegova važnost se očituje u tri aspekta: **Kamen temeljac preciznosti pokreta:** Visoka-preciznost, visoka-ležaji osiguravaju glatkoću, tačnost i stabilnost svakog pokreta robota. Od mikro-manipulacije spretnim rukama do snažne podrške zglobovima nogu, čak i sitne greške u ležajevima se pojačavaju, direktno određujući ukupne performanse pokreta robota.
**Garancija nosivosti-nosivosti i životnog vijeka:** Humanoidni roboti trebaju izdržati složena višedimenzionalna opterećenja u dinamičkim okruženjima. Specijalizovani kuglični ležajevi sa ugaonim kontaktom sa tankim-stinama, ukršteni valjkasti ležajevi i drugi lagani dizajni daju superiornu sposobnost protiv-prevrtanja i čvrstoću na zamor, čineći kamen temeljac dugoročnog-robotovog pouzdanog rada.
**Ključ za energetsku efikasnost i integraciju:** Ležajevi niskog-trenja smanjuju gubitak snage, poboljšavaju energetsku efikasnost i indirektno produžavaju izdržljivost robota. Istovremeno, pojava kompaktnih ležajeva (kao što su kuglični ležajevi sa četiri-tačkasti kontakt) štedi vrijedan prostor u dizajnu zgloba robota, omogućavajući viši stepen integracije.
