Bei der Entwicklung von Robotern ist eine Kerntechnologie entscheidend: der Einsatz von Lagern im Bereich humanoider Roboter. Als Kernkomponente humanoider Roboter machen Lager etwa 5,5 % des Wertes der Hauptkomponenten aus. Verschiedene Lagertypen spielen in verschiedenen Teilen des Roboters eine unersetzliche Rolle.
Ⅰ Lager in Reduzierstücken
Das Untersetzungsgetriebe ist der zentrale Kraftübertragungsmechanismus in einem humanoiden Roboter, vergleichbar mit einem menschlichen Gelenk. Ein Präzisionsreduzierer ist ein Zwischengerät, das die Stromquelle und den Aktuator verbindet. Seine Funktion besteht darin, die hohe Geschwindigkeit des Servomotors zu reduzieren, das ursprüngliche Drehmoment des Servomotors durch Untersetzungsverhältnisse zu verstärken und eine hohe Haltesteifigkeit und hochpräzise Positionierung zu gewährleisten. Zu den Untersetzungsgetrieben für humanoide Roboter gehören hauptsächlich harmonische Untersetzungsgetriebe, RV-Untersetzungsgetriebe und Planetenuntersetzungsgetriebe. Verschiedene Arten von Untersetzungsgetrieben stellen unterschiedliche Anforderungen an die Lager:
1. RV-Reduzierlager:
RV-Untersetzungsgetriebe, auch Rotationsvektor-Untersetzungsgetriebe genannt, umfassen ein Planetengetriebe der vorderen Stufe und ein Zykloiden-Windrad-Untersetzungsgetriebe der hinteren Stufe. Bei diesem Getriebeverfahren handelt es sich um eine Weiterentwicklung der klassischen Stiftpendel-Planetengetriebetechnik. Es vereint zahlreiche Vorteile, wie kompakte Größe, geringes Gewicht, großes Übersetzungsverhältnis, lange Lebensdauer, stabile Präzisionswartung, hohe Effizienz und reibungslose Übertragungsleistung.
Das RV-Untersetzungsgetriebe verwendet drei Arten von Lagern: ein dünnwandiges Schrägkugellager für das Hauptlager (Abtriebswelle), ein dünnwandiges Kegelrollenlager für die exzentrische Wellenpositionierung und Hauptkörperunterstützung, eine Zylinderrolle (Nadelrolle) für die zykloide Getriebeunterstützung, eine Käfigbaugruppe und ein dünnwandiges Rillenkugellager für die Getriebeunterstützung.
2. Harmonische Reduzierlager
Die Drehgelenke von Robotern nutzen hauptsächlich harmonische Untersetzungsgetriebe. Ihre Herstellungstechnologie basiert auf der harmonischen Übertragung. Ein harmonischer Untersetzungsgetriebe ist ein mechanisches Getriebesystem, das aus vier Grundkomponenten besteht: einem Wellengenerator (flexibles Lager), gekreuzten Rollenlagern (starres Lager), einem flexiblen Zahnrad mit einem Außenzahnkranz (flexibles Rad) und einem starren Zahnrad (starres Rad).
① Kreuzrollenlager
Es gibt verschiedene Serien von Kreuzrollenlagern für harmonische Untersetzungsgetriebe, die multidirektionalen Belastungen standhalten und eine hohe Präzision und Steifigkeit bieten. Kreuzrollenlager, die speziell für harmonische Untersetzungsgetriebe entwickelt wurden, können je nach Anwendungsumgebung in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden: Lager mit geteiltem Außenring und Lager mit integriertem Innenring. Die Wälzkörper dieser Lager sind Zylinderrollen, die im rechten Winkel von 90 Grad in einer V--förmigen Laufbahn angeordnet sind. Durch diese Konstruktion kann das Lager gleichzeitig Belastungen aus mehreren Richtungen standhalten, darunter Axial-, Radial- und Kippmomente. Darüber hinaus zeichnen sich diese Lager durch hohe Präzision, hohe Steifigkeit und hervorragende Verbundlastaufnahmefähigkeit aus, was sie zu einem unverzichtbaren Bestandteil von harmonischen Untersetzungsgetrieben macht.
② Flexible Lager Flexible Lager, die speziell für harmonische Untersetzungsgetriebe entwickelt wurden, unterscheiden sich von herkömmlichen Lagern. Es handelt sich um dünnwandige Kugellager mit einem dünneren Außenring, wodurch sie anfällig für radiale Verformungen sind. Trotz ihrer geringen Wandstärke bleiben sie hochflexibel und nutzen hochwertige-Materialien, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten. Diese flexiblen Lager für harmonische Untersetzungsgetriebe verfügen über eine ausgezeichnete Belastbarkeit. Sie halten wechselnden Biege- und Drehmomentbelastungen effektiv stand und behalten trotz ihrer relativ dünnen Wandkonstruktion ein gewisses Maß an Flexibilität im Zusammenspiel mit Nocken. Sowohl die Innen- als auch die Außenringe sowie die Wälzkörper bestehen aus hochwertigem -Qualitäts--Kohlenstoff-Chrom-Lagerstahl und sind mit einem integrierten Nylonhalter ausgestattet, der einen stabilen und effizienten Betrieb des Lagers im Oberwellengeneratorabschnitt des Oberwellenreduzierers gewährleistet.
Harmonische Reduziergetriebe verwenden typischerweise ein Kreuzrollenlager und ein flexibles Lager.
3. Planetengetriebe
Das Planetengetriebe ist die effizienteste Getriebestruktur. Ein Planetengetriebemechanismus besteht hauptsächlich aus Planetenrädern, einem Planetenträger und einem Sonnenrad. In einem Präzisions-Planetengetriebe treibt eine Antriebsmaschine, beispielsweise ein Servomotor, typischerweise das Sonnenrad in Drehung. Der Eingriff des Sonnenrads mit den Planetenrädern treibt die Planetenräder in Drehung. Da die andere Seite des Planetenrads gleichzeitig mit einem Hohlrad an der Innenwand des Untersetzungsgetriebegehäuses kämmt, rollen die Planetenräder, angetrieben durch ihre eigene Drehung, auf dem Hohlrad in der gleichen Richtung wie die Drehung des Sonnenrads und bilden so eine „Revolutionsbewegung“ um das Sonnenrad aus. Der Unterschied in der Zähnezahl zwischen Sonnenrad und Hohlrad dient der Geschwindigkeitsreduzierung.
Das Planetengetriebe wandelt die hohe -Drehzahl des Motors in eine niedrige -Drehzahl und ein hohes-Drehmoment um, das für die Übertragungsanforderungen von nicht-hochpräzisen-Teilen von Robotern wie den unteren Gliedmaßen (z. B. Hüft- und Kniegelenke) geeignet ist. Indem die Planetenräder über das Sonnenrad in Drehung versetzt werden, wird die Leistung letztendlich vom Planetenträger abgegeben. Es zeichnet sich durch eine einfache Struktur, niedrige Kosten und eine hohe Tragfähigkeit aus.
Am Beispiel des Tesla Optimus Gen-2-Roboters verwendet sein Planetengetriebe Rillenkugellager und Nadellager. Rillenkugellager werden verwendet, um kleineren radialen und axialen Belastungen standzuhalten, während Nadellager verwendet werden, um den enormen radialen Belastungen standzuhalten, die von den Planetenrädern bei hoher Drehzahl erzeugt werden.
II. Andere Lager in humanoiden Robotern
1. Linearaktuatoren: Vier-Punktkontaktlager
Vier-Punktkontaktlager verwenden Kugellager, bei denen die Stahlkugeln des Kugellagers die Innen- und Außenringe an vier Punkten berühren, wodurch ein Zwei-Punktkontaktzustand erreicht wird. Dadurch können sie bidirektionalen axialen Belastungen und einem gewissen Anteil radialer Belastungen standhalten. Das Innenringdesign aus Verbundwerkstoff nimmt mehr Kugeln auf und erhöht so die Tragfähigkeit. Die geteilte Struktur erleichtert die Installation und eignet sich für platzbeschränkte Verbindungen. Der Kontaktwinkel beträgt typischerweise 35 Grad oder 45 Grad bei geringem Axialspiel und sorgt so für eine hohe Geschwindigkeitsbegrenzung und Steifigkeit.
Vier{0}}Punktkontaktlager werden üblicherweise in Drehgelenken und Linearaktuatoren in Verbindung mit Kreuzrollenlagern verwendet, um hochpräzise Bewegungen zu erreichen.
2. Selbst-selbstschmierende Gelenklager: Selbst-selbstschmierende Lager erreichen eine reibungsarme Bewegung durch Bimetall-Verbundwerkstoffe oder Festschmierstoffe mit einem Reibungskoeffizienten von nur 0,08 und verfügen gleichzeitig über eine hohe Verschleißfestigkeit (Lebensdauer über 10.000 Stunden). In humanoiden Robotern werden sie hauptsächlich in Gelenkmodulen eingesetzt. Sie zeichnen sich durch wartungsfreien Betrieb, hohe Belastbarkeit und lange Lebensdauer aus und erfüllen die Anforderungen hochfrequenter Bewegungen und Präzision im Mikrometerbereich. Beispielsweise wurden die selbstschmierenden Gleitlager von Changsheng Bearing in den Gelenkmodulen der humanoiden Roboter von Unitree Robotics eingesetzt und erreichten eine Durchdringungsrate von über 80 %, was sie zum exklusiven Lieferanten macht.
Weitere Anwendungen selbstschmierender Lager in Robotern:
Untersetzungsgetriebesätze: Erfüllen hochpräzise Getriebeanforderungen und sorgen für Bewegungsstabilität.
Gelenkverbindungen: Tragen schwerer Lasten und Hochgeschwindigkeitsbetrieb, wodurch der Energieverbrauch gesenkt wird.
Spindelantriebssysteme: Anpassung an Bewegungspräzision im Mikrometerbereich und Verbesserung der Gesamtflexibilität.
Zusammenfassung: In der technologischen Pyramide humanoider Roboter sind Lager, obwohl sie klein sind, ein entscheidender Kern, der die oberen und unteren Schichten verbindet. Es ist nicht nur eine physische Verbindung, sondern auch ein Leistungsfaktor, dessen Bedeutung sich in drei Aspekten zeigt: **Der Eckpfeiler der Bewegungspräzision:** Hoch-Präzisionslager mit hoher-Steifigkeit gewährleisten die Laufruhe, Genauigkeit und Stabilität jeder Roboterbewegung. Von der Mikromanipulation geschickter Hände bis hin zur kraftvollen Unterstützung der Beingelenke werden selbst kleinste Fehler in den Lagern verstärkt und beeinflussen direkt die Gesamtbewegungsleistung des Roboters.
**Garantie für Tragfähigkeit und Lebensdauer:** Humanoide Roboter müssen komplexen mehrdimensionalen Belastungen in dynamischen Umgebungen standhalten. Spezielle dünnwandige Schrägkugellager, Kreuzrollenlager und andere Leichtbaukonstruktionen bieten hervorragende Kippsicherheit und Ermüdungsfestigkeit und bilden den Grundstein für den langfristigen, zuverlässigen Betrieb des Roboters.
**Schlüssel zu Energieeffizienz und Integration:** Reibungsarme-Lager reduzieren den Leistungsverlust, verbessern die Energieeffizienz und verlängern indirekt die Lebensdauer des Roboters. Gleichzeitig spart das Aufkommen kompakter Lager (z. B. Kugellager mit Vierpunktkontakt) wertvollen Platz bei der Konstruktion von Robotergelenken und ermöglicht so einen höheren Integrationsgrad.
