Trong quá trình phát triển robot, một công nghệ cốt lõi rất quan trọng: ứng dụng vòng bi trong lĩnh vực robot hình người. Là thành phần cốt lõi của robot hình người, vòng bi chiếm khoảng 5,5% giá trị của các thành phần chính. Các loại vòng bi khác nhau đóng vai trò không thể thay thế trong các bộ phận khác nhau của robot.
Ⅰ Vòng bi trong hộp giảm tốc
Bộ giảm tốc là cơ chế truyền lực cốt lõi trong robot hình người, có thể so sánh với khớp của con người. Bộ giảm tốc chính xác là thiết bị trung gian kết nối nguồn điện và bộ truyền động. Chức năng của nó là giảm tốc độ cao của mô tơ servo, khuếch đại mô-men xoắn ban đầu của mô tơ servo thông qua tỷ số giảm tốc, đồng thời mang lại khả năng giữ độ cứng cao và định vị có độ chính xác-cao. Bộ giảm tốc robot hình người chủ yếu bao gồm bộ giảm tốc điều hòa, bộ giảm tốc RV và bộ giảm tốc hành tinh. Các loại hộp giảm tốc khác nhau có những yêu cầu khác nhau đối với vòng bi:
1. Vòng bi giảm tốc RV:
Bộ giảm tốc RV, còn được gọi là bộ giảm tốc vectơ quay, bao gồm bộ giảm tốc bánh răng hành tinh-phía trước và bộ giảm tốc bánh răng trụ-cấp sau. Phương thức truyền này là sự phát triển sâu hơn dựa trên công nghệ truyền động hành tinh con lắc cổ điển-. Nó kết hợp nhiều ưu điểm, chẳng hạn như kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, tỷ số truyền rộng, tuổi thọ dài, bảo trì chính xác ổn định, hiệu suất cao và hiệu suất truyền mượt mà.
Bộ giảm tốc RV sử dụng ba loại vòng bi: một vòng bi tiếp xúc góc có thành-mỏng cho ổ trục chính (trục đầu ra), một vòng bi côn có thành-mỏng để định vị trục lệch tâm và đỡ thân chính, một con lăn hình trụ (con lăn kim) để đỡ bánh răng trụ, cụm lồng và một-vòng bi rãnh sâu có thành mỏng để đỡ bánh răng.
2. Vòng bi giảm sóng hài
Các khớp quay của robot chủ yếu sử dụng bộ giảm tốc điều hòa. Công nghệ sản xuất của họ dựa trên sự truyền sóng hài. Bộ giảm tốc điều hòa là một hệ thống truyền động cơ học bao gồm bốn thành phần cơ bản: bộ tạo sóng (ổ trục linh hoạt), ổ trục chéo (ổ trục cứng), bánh răng linh hoạt có vòng bánh răng ngoài (bánh xe linh hoạt) và bánh răng cứng (bánh xe cứng).
① Vòng bi lăn chéo
Có nhiều dòng vòng bi chéo khác nhau dành cho bộ giảm tốc điều hòa, có khả năng chịu được tải trọng đa hướng, đồng thời mang lại độ chính xác và độ cứng cao. Vòng bi chéo được thiết kế đặc biệt cho bộ giảm sóng hài có thể được chia thành hai loại chính dựa trên môi trường ứng dụng của chúng: loại có vòng ngoài tách rời và loại có vòng trong tích hợp. Các phần tử lăn của các vòng bi này là các con lăn hình trụ được bố trí ở góc vuông góc 90 độ theo đường lăn hình chữ V{4}}. Thiết kế này cho phép ổ trục chịu được đồng thời tải trọng từ nhiều hướng, bao gồm mô men dọc trục, hướng tâm và mô men lật. Hơn nữa, những vòng bi này thể hiện độ chính xác cao, độ cứng cao và khả năng chịu tải tổng hợp-tuyệt vời, khiến chúng trở thành thành phần không thể thiếu trong bộ giảm tốc điều hòa.
② Vòng bi linh hoạt Vòng bi linh hoạt được thiết kế đặc biệt cho bộ giảm tốc điều hòa khác với vòng bi truyền thống. Chúng là những ổ bi có thành mỏng-có vòng ngoài mỏng hơn, khiến chúng dễ bị biến dạng hướng tâm. Mặc dù có thành mỏng nhưng chúng vẫn có tính linh hoạt cao và sử dụng vật liệu-chất lượng cao để đảm bảo hoạt động ổn định. Những vòng bi linh hoạt dành cho bộ giảm sóng hài này có khả năng chịu ứng suất-tuyệt vời. Chúng chịu được các ứng suất uốn và mô-men xoắn xen kẽ một cách hiệu quả, duy trì mức độ linh hoạt khi tương tác với cam mặc dù chúng có thiết kế thành tương đối mỏng. Cả vòng trong và vòng ngoài cũng như các con lăn đều được làm bằng thép chịu lực crom carbon-chất lượng cao{9}}và được trang bị một bộ phận giữ nylon tích hợp, đảm bảo ổ trục hoạt động ổn định và hiệu quả trong phần tạo sóng hài của bộ giảm sóng hài.
Bộ giảm tốc điều hòa thường sử dụng một ổ trục chéo và một ổ trục linh hoạt.
3. Hộp giảm tốc hành tinh
Bộ giảm tốc hành tinh là cấu trúc truyền bánh răng hiệu quả nhất. Cơ cấu truyền bánh răng hành tinh chủ yếu bao gồm các bánh răng hành tinh, bánh răng hành tinh và bánh răng mặt trời. Trong bộ giảm tốc hành tinh chính xác, động cơ chính như động cơ servo thường dẫn động bánh răng mặt trời quay. Sự ăn khớp của bánh răng mặt trời với các bánh răng hành tinh làm cho các bánh răng hành tinh quay. Đồng thời, do phía bên kia của bánh răng hành tinh ăn khớp với bánh răng vành trên thành trong của vỏ hộp giảm tốc nên các bánh răng hành tinh được dẫn động bởi vòng quay của chính chúng sẽ lăn trên bánh răng vành cùng hướng với chuyển động quay của bánh răng mặt trời, tạo thành chuyển động “cách mạng” xung quanh bánh răng mặt trời. Sự khác biệt về số răng giữa bánh răng mặt trời và bánh răng bao nhằm đạt được mục đích giảm tốc độ.
Bộ giảm tốc hành tinh chuyển đổi tốc độ quay-cao của động cơ thành đầu ra mô-men xoắn-tốc độ thấp,{2}}cao, phù hợp với nhu cầu truyền động của các bộ phận không có độ chính xác-cao{4}}của robot, chẳng hạn như chi dưới (ví dụ: khớp hông và khớp gối). Bằng cách điều khiển các bánh răng hành tinh quay và quay quanh bánh răng mặt trời, năng lượng cuối cùng sẽ được tạo ra bởi vật mang hành tinh. Nó có cấu trúc đơn giản, chi phí thấp và khả năng chịu tải-cao.
Lấy robot Tesla Optimus Gen-2 làm ví dụ, bộ giảm tốc hành tinh của nó sử dụng vòng bi rãnh sâu và vòng bi lăn kim. Vòng bi rãnh sâu được sử dụng để chịu tải trọng hướng tâm và hướng trục nhỏ hơn, trong khi vòng bi lăn kim được sử dụng để chịu tải trọng hướng tâm rất lớn do các bánh răng hành tinh tạo ra khi chúng quay ở tốc độ cao.
II. Vòng bi khác trong robot hình người
1. Bộ truyền động tuyến tính: Bốn-Vòng bi tiếp xúc điểm
Vòng bi tiếp xúc bốn điểm sử dụng vòng bi trong đó các bi thép của vòng bi tiếp xúc với vòng trong và vòng ngoài tại bốn điểm, đạt được trạng thái tiếp xúc hai{1} điểm. Điều này cho phép chúng chịu được tải trọng hướng trục hai chiều và một tỷ lệ tải trọng hướng tâm nhất định. Thiết kế vòng trong bằng composite chứa được nhiều bóng hơn, tăng khả năng chịu tải-; cấu trúc phân chia tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt và phù hợp với các mối nối có không gian hạn chế-. Góc tiếp xúc thường là 35 độ hoặc 45 độ, với khe hở dọc trục nhỏ, do đó mang lại độ cứng và giới hạn tốc độ cao.
Vòng bi tiếp xúc bốn điểm-thường được sử dụng trong khớp quay và bộ truyền động tuyến tính, kết hợp với vòng bi lăn chéo để đạt được-chuyển động có độ chính xác cao.
2. Vòng bi khớp-tự bôi trơn: Vòng bi tự-bôi trơn đạt được chuyển động ma sát thấp-thông qua vật liệu composite lưỡng kim hoặc chất bôi trơn rắn, có hệ số ma sát thấp tới 0,08, đồng thời có khả năng chống mài mòn cao (tuổi thọ sử dụng trên 10.000 giờ). Trong rô-bốt hình người, chúng chủ yếu được sử dụng trong các mô-đun khớp, có tính năng vận hành-không cần bảo trì, khả năng chịu tải cao và tuổi thọ dài, đáp ứng các yêu cầu về chuyển động tần số-cao và độ chính xác ở cấp độ micron{10}}micron. Ví dụ: vòng bi trượt tự bôi trơn của Changsheng Bearing đã được áp dụng cho các mô-đun khớp của robot hình người của Unitree Robotics, đạt được tỷ lệ thâm nhập trên 80%, khiến họ trở thành nhà cung cấp độc quyền.
Các ứng dụng khác của vòng bi tự bôi trơn trong robot:
Bộ bánh răng giảm tốc: Phù hợp với yêu cầu truyền động có độ chính xác-cao và đảm bảo độ ổn định của chuyển động.
Liên kết khớp: Chịu tải nặng và vận hành{0}tốc độ cao, giảm mức tiêu thụ năng lượng.
Hệ thống truyền động trục vít: Thích ứng với độ chính xác chuyển động ở cấp độ micron{0}}, cải thiện tính linh hoạt tổng thể.
Tóm tắt: Trong kim tự tháp công nghệ của robot hình người, vòng bi tuy nhỏ nhưng lại là lõi quan trọng kết nối các lớp trên và lớp dưới. Nó không chỉ đơn thuần là một đầu nối vật lý mà còn là một công cụ hỗ trợ hiệu suất. Tầm quan trọng của nó thể hiện ở ba khía cạnh: **Nền tảng của độ chính xác trong chuyển động:** Vòng bi-có độ chính xác cao, độ cứng-cao đảm bảo độ mượt mà, độ chính xác và độ ổn định của mọi chuyển động của robot. Từ thao tác-vi mô của bàn tay khéo léo cho đến sự hỗ trợ mạnh mẽ của khớp chân, ngay cả những lỗi nhỏ trong vòng bi cũng được khuếch đại, trực tiếp quyết định hiệu suất chuyển động tổng thể của rô-bốt.
**Đảm bảo về khả năng chịu tải-và tuổi thọ:** Robot hình người cần chịu được tải trọng đa chiều phức tạp-trong môi trường động. Vòng bi tiếp xúc góc có thành mỏng-chuyên dụng, vòng bi lăn chéo và các thiết kế nhẹ khác mang lại khả năng chống-lật vượt trội và độ bền mỏi, tạo thành nền tảng cho hoạt động đáng tin cậy, lâu dài của rô-bốt.
**Chìa khóa để tích hợp và tiết kiệm năng lượng:** Vòng bi-ma sát thấp giúp giảm tổn thất điện năng, cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng và gián tiếp kéo dài độ bền của rô-bốt. Đồng thời, sự xuất hiện của vòng bi nhỏ gọn (chẳng hạn như vòng bi tiếp xúc bốn{2} điểm) giúp tiết kiệm không gian quý giá trong thiết kế khớp nối rô-bốt, cho phép mức độ tích hợp cao hơn.
