Motus LABS m-drive为机器人行业带来价值

今天的机器人很慢，他们的工作时间有限
这句话似乎有些令人震惊。然而，尽管最近在机器学习和视觉系统等领域取得了巨大进展，但大多数铰接式机器人的移动速度不可能比20世纪50年代推出的最早的机器人快得多。这是为什么呢?

简单的答案是，制造真正重量轻的机器人手臂所需的部件是不存在的。通过使用复合材料，在减轻关节之间的连接方面取得了一些进展，但机器人关节中的主动组件——驱动器——几十年来没有根本改变。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能高达数千美元。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。

机器人执行器——机器人背后的肌肉
今天，在有6或7个关节的机械手臂中使用的执行器，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”。每个执行器负责移动机器人手臂的前面部分。很容易看出，驱动器离机器人手臂末端越远，它必须移动的重量就越大。机器人手臂设计的难题是，驱动器移动的重量越大，它本身就变得越重。由于每一个执行器向下移动的重量更大，每一个连续的执行器变得越来越重，将其自身的重量负担加到它上面的下一个执行器上。一个小型到中型机器人可能需要驱动器能够提供20到400纳米之间的扭矩。较大的机器人可能需要能够提供数千牛顿米的驱动器。

扭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。一个执行器的扭矩密度等于它能传递的扭矩量除以它的质量。例如，如果一个驱动器能够产生50纳米的扭矩，重量为5公斤，我们就可以说它的扭矩密度为10纳米每公斤。

执行机构通常包括一个电机和一个变速器。用于机器人手臂的电机能够在非常高的速度下产生小的扭矩。变速器的目的是将电机的低转矩、高速能量转换为低速时高得多的转矩。变速器的传动比可以看作是一个扭矩倍增器。例如，一个齿轮比为100:1的变速器将把1纳米电机的转矩提高到100纳米。同时，传输输出将以马达输入速度的1:100旋转。由于这个原因，机器人的变速器有时也被称为减速机。

“我的目的是彻底改革机器人执行器行业，使
新应用和突破旧技术限制。“
Carlos Hoefken - 发明家＆联合创始人，Motus Labs

停滞不前的发展和当前驱动器的局限性
当代机器人传输在返回5世纪的公元前5世纪的齿轮的基本原则上运行。1957年，美国发明人C. W.莫纳专利了一种新型的新型齿轮，其特点是柔性钢元件。莫塞耶的发明博士，交替称为应变波传动装置，增加了驱动输入和输出元件网格的区域。当时，这是一个重要的创新，使输出负载能够比以前分布在更大的区域上。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驱动器允许在输入和输出齿轮表面之间约15 - 20%的啮合。然而，与污点波驱动，直齿传动似乎已经达到了一种高原的扭矩密度。自引入应变波驱动以来，扭矩密度的任何增量都是以牺牲其他参数为代价的，如刚度或效率。

“重量比的扭矩是关键。”
Esben Ostergaard -通用机器人联合创始人

Motus Labs突破
Motus M-DRIVE技术提供了一种全新的方式，通过一种新型的驱动/传动，降低驱动器重量。为了更好地提高扭矩密度，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。严格来说，M-DRIVE不是传统意义上的齿轮传动。与应变波驱动不同，M-DRIVE的输入面分布在输出元件的外部而不是内部，它们通过凸轮从动机构进行运动。这种安排允许输入负载分布在应变波驱动所能达到的4-5倍的面积上。这反过来又相应地产生了更高的扭矩密度:在相同重量下扭矩可达4倍。迄今为止，Motus实验室已经获得了这项新技术的7项美国专利。Motus设计的机械优势也在其他性能领域提供了潜在的改进，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，应变波驱动制造商规定了90分钟或更少的硬限制，在此期间，设备可以连续运行。应变波驱动产生的多余热量也给电机供应商带来了挑战:为了维持电机的合理性能，必须将20%或更多的安全边际分配给电机的额定转矩。因此，机器人关节设计者不得不购买比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架构被设计为运行更凉爽。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，承载负荷。应变波驱动的一个众所周知的弱点是其弹性，这可能会在低速下引入机械共振和不稳定性。由于扭转刚度通常随驱动器尺寸的增大而提高，如今机器人设计师的一个常见解决方案是使用扭矩大于实际需要的驱动器——这又带来了不必要的重量和成本。Motus M-DRIVE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。

材料的灵活性
由于设计的性质，Motus Drive采用标准合金建造，无需精密加工。Motus Drives已采用钢，铝制成立，并以塑料3D印刷。材料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。过去已呼吁MOTUS以提供其驱动器的铝制版本，用于无人机应用，以及需要非磁性材料的应用 - 如半导体处理和MRI机器。

白皮书为机器人制造商带来的直接经济效益
当机器人使用Motus M-DRIVE设计时，会产生一些好处:

• 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。
• 从手腕开始，每个执行器需要提供更少的输出扭矩-导致在每个关节的齿轮驱动器的重量逐渐降低。
• 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，当使用Motus解决方案时，典型的低载荷(0-20公斤)机器人可以看到以下好处:

• 每个执行器需要高达50％的扭矩
• 每个执行器可减少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扭转刚度的“适当尺寸”所带来的额外节省——可能会使每个驱动器或驱动器额外节省10%至20%的成本。

为机器人用户带来经济效益
Motus的优势使机器人制造商可以通过以下方式更好地服务终端客户:

•通过增加的REACH更大的机器人工作空间
•通过提高速度提高生产率
•减少磨损，延长机器人寿命

根据机器人类型和安装，Motus M-Drives提供的改进可以节省最终用户，等于或超过机器人的成本。这些储蓄来自哪里？

增加到
MOTUS M-DRIVE可以将手腕致动器的扭矩密度提高两倍 - 意味着它们的群体减小了一半。这意味着臂长度可以增加高达68厘米 - 近40％更长。更长的达到意味着机器人工作单元可以更大，可能减少服务给定用户设施所需的机器人数量。

增加的速度
机器人臂速度和加速度直接取决于每个致动器的扭矩量能够供应以移动每个连杆和接头的重量。在这里，难题是致动器必须供应的扭矩越多，它变得越重。结果，每个连续执行器的重量变成拖动它的拖动。合理的类比可能试图在一个人的膝盖和脚踝上用体重带搭配。

更长的寿命
Motus M-Drive扭矩密度优势使设计人员具有大的安全余量，可靠性。然而，例如，传统尺寸17齿轮驱动器可以提供约30nm的扭矩，Motus驱动器可以提供相同尺寸的扭矩量的两倍。这种额外的扭矩“净空”转化为较少的驱动器磨损和降低维护成本。这些结果可以根据机器人几何形状而变化，但通常，Motus驱动器的鲁棒扭矩额定值将导致执行器的可用寿命增加20-50％。