Motus LABS m-drive为机器人行业带来价值

今天的机器人速度很慢，工作空间也很有限
这种说法似乎有些令人震惊。但是，尽管最近在机器学习和视觉系统等领域有了巨大的进步，大多数铰接机器人不能比20世纪50年代引入的最早的机器人移动得更快。这是为什么呢?

简单的答案是，制造真正轻量级机器人手臂的部件是不存在的。通过使用复合材料，在减轻关节之间的联系方面已经取得了一些进展，但机器人关节中的主动部件——致动器——几十年来都没有发生根本变化。在这一领域几乎没有创新，以至于机器人设计师甚至不承认存在问题。没有解决方案的问题不再被视为问题，而是一种约束。设计师们根本没有办法绕过它。

这些缺点的隐性成本可达数千美元。根据机器人工业协会使用的ROI模型，即使是速度的适度提高也会带来相当于或超过机器人成本的额外寿命价值。

机器人驱动器——机器人背后的肌肉
今天在关节机器人手臂中使用的致动器，即有6或7个关节的手臂，通常是一个电机和一个驱动/传动装置的组合。执行机构通常是根据它们能够产生的扭矩来描述的。扭矩的测量单位为牛顿-米(Nm)，可以理解为产生旋转力的“旋转效应”。每个驱动器负责移动其前面的机械臂部分。很容易看出，驱动器离机器人手臂的末端越远，它必须移动的重量就越大。机器人手臂设计中的难题是执行机构必须移动的重量越大，它本身就越重。由于臂上的每个执行器移动的重量更大，每个连续的执行器变得越来越重，把自己的重量负担强加给它上面的下一个执行器。一个中小型机器人可能需要能提供20到400纳米扭矩的致动器。较大的机器人可能需要能够提供数千牛顿米的驱动器。

力矩密度是决定机器人性能的关键
执行器性能的一个重要衡量指标是扭矩密度。执行器的转矩密度等于它能够传递的转矩量除以它的质量。例如，如果一个驱动器能够产生50nm的扭矩，且重量为5kg，我们就可以说它的扭矩密度为10nm / kg。

执行机构通常包括电动机和变速器。用于机器人手臂的马达能够在非常高的速度下产生小扭矩。传输的目的是将低转矩，高速能量的电机转换为一个更高的转矩在较低的速度。变速器的传动比可以被认为是一个扭矩倍增器。例如，一个齿轮比为100:1的变速器将提高1纳米电机的扭矩到100纳米。同时，传动输出以电机输入速度的百分之一旋转。由于这个原因，机器人的变速器有时也被称为减速装置。

“我的目的是彻底改革机器人执行器行业，使
新的应用和突破旧技术的限制。”
Carlos Hoefken - Motus Labs的发明者和联合创始人

停滞不前的发展和当前驱动器的局限性
现代机器人的传动装置的基本原理可以追溯到公元前5世纪。1957年，美国发明家c·w·马瑟(c.w. Musser)为一种新颖的新型传动装置申请了专利，该装置采用了柔性钢元件。马瑟博士的发明，也被称为应变波传动装置，增加了驱动输入和输出元件的啮合面积。在当时，这是一个重大的创新，使得输出负载比以前分布在更大的区域。这提供了更高的扭矩
密度比以前的齿轮传动能够达到。

谐波和Nabtesco驱动器允许大约15 - 20%的接触之间的输入和输出齿轮表面。然而，随着应变波驱动器，直齿齿轮驱动器似乎已经达到了某种平台的扭矩密度。自从引入应变波驱动器以来，扭矩密度的任何增加通常都是以牺牲其他参数为代价的，例如刚度或效率。

“扭矩重量比是关键。”
Esben Ostergaard -联合创始人，通用机器人

motus实验室的突破
Motus M-DRIVE技术通过一种新型的驱动/传动装置，提供了一种全新的减轻驱动器重量的方法。为了实现扭矩密度的更大改进，Carlos Hoefken发明了一种革命性的新设计。Motus M-DRIVE可实现高达80%的输入和输出engagement。严格地说，M-DRIVE不是传统意义上的齿轮传动。与应变波驱动器不同，m驱动器的输入面分布在输出元件的外部而不是内部，它们是通过凸轮从动机构进行运动的。这种安排允许输入负载分布超过4-5倍的面积，可实现在应变波驱动器。这反过来又使相应的更高的扭矩密度:高达四倍于相同重量的扭矩。到目前为止，Motus实验室已经获得了这项新技术的7项美国专利。Motus设计的机械优势还提供了其他性能领域的潜在改进——最显著的是效率和扭转刚度。

效率
应变波驱动由于使用了柔性金属而产生大量热量，内部温度接近润滑剂所能维持的极限。因此，应变波驱动器制造商指定了90分钟或更短的硬性限制，在此期间，机组可以连续运行。应变波驱动器产生的余热也给电机供应商带来了挑战:为了维持合理的电机性能，必须为电机的额定扭矩分配20%或更多的安全裕度。因此，机器人的关节设计者被迫购买比他们实际需要更多的电机扭矩，并承受由此产生的重量损失。相比之下，M-DRIVE架构被设计成运行更凉爽。通过使用Motus Labs解决方案，机器人设计师可以避免这种情况。

刚度
刚度，或扭转刚度，描述了多少齿轮传动变形时，承载载荷。应变波驱动器的一个众所周知的弱点是其弹性，在低速时会引起机械共振和不稳定。由于扭转刚度通常会随着驱动器尺寸的增大而提高，目前机器人设计师的一个常见解决方案是使用比实际需要更多扭矩的驱动器——这再次带来了不必要的重量和成本。Motus M-DRIVE的设计提供了更高的扭转刚度，因为增加了配合表面接触面积，消除了弹性。

弹性材料
由于设计的性质，Motus驱动器是用标准合金制造的，不需要精密加工。Motus的驱动器由钢、铝制成，并在塑料上进行3d打印。材料上的灵活性和简化的制造要求直接转化为Motus客户的成本节省，以及解决独特应用的能力。Motus过去曾被要求为无人机应用以及需要非磁性材料的应用(如半导体处理和MRI机器)提供铝制版本的驱动器。

白皮书为机器人制造商带来了直接的经济效益
当使用Motus M-DRIVE设计机器人时，会产生很多好处:

• 电动机可以是“合适的尺寸”，而不需要过度的安全裕度，以适应齿轮传动的热量。
• 从腕部开始，每个驱动器需要提供更少的输出扭矩，从而在每个关节上逐步降低齿轮传动的重量。
• 每个驱动器需要提供更小的扭矩，这降低了每个电机的扭矩要求，进一步降低了成本和重量。

例如，一个典型的低负载(0-20公斤)机器人在使用Motus解决方案时可能会看到以下好处:

• 每个执行机构所需的扭矩可减少50%
• 每个执行机构可减少65%的重量
• 每执行机构成本降低10%至20%

这还不包括由于驱动器的扭转刚度“合适尺寸”而带来的任何额外节省——可能会导致每个驱动器或驱动器额外节省10%至20%的成本。

为机器人用户带来的经济效益
Motus的优势使得机器人制造商可以通过以下方式更好地服务于他们的终端客户:

•增加机器人工作空间
•通过提高速度来提高生产率
通过减少磨损，延长机器人寿命

根据机器人的类型和安装情况，MOTUS M-DRIVEs所提供的改进可以为终端用户节省相当于或超过机器人成本的成本。这些储蓄是从哪里来的?

增加到
MOTUS M-DRIVE可以将腕式驱动器的扭矩密度提高两倍，这意味着它们的质量降低了一半。这意味着手臂的长度可以增加到68厘米，几乎长了40%。更长的延伸范围意味着机器人的工作单元可以更大，潜在地减少了为特定用户设施服务所需的机器人数量。

增加的速度
机器人手臂的速度和加速度直接取决于每个执行器能够提供的力矩量，以移动每个连杆和关节的重量。这里的难题是，驱动器必须提供更多的扭矩，它变得更重。结果，每一个连续的驱动器的重量成为一个拖曳其后的驱动器。一个合理的类比可能是试着在膝盖和脚踝上绑上负重带跑步。

更长的寿命
MOTUS M-DRIVE的扭矩密度优势为设计人员提供了很大的可靠性安全裕度。例如，传统尺寸为17的齿轮驱动可以提供约30nm的扭矩，而Motus驱动可以提供两倍于相同尺寸的扭矩。这种额外的扭矩“净空”直接转化为更少的驱动磨损和更低的维护成本。这些结果可能取决于机器人的几何形状，但总的来说，Motus驱动器的强大扭矩额定值将使执行器的使用寿命增加20-50%。