Auf einen Blick
Die TSL-PG10K28-KW1317+LG04M20Z-END ist ein kompakter, integrierter Aktuator, der für MCP-Gelenke in geschickten Roboterhänden entwickelt wurde. Durch die Kombination aus einem eisenlosen bürstenlosen Motor, einem Planetengetriebe, einem Schneckengetriebe, einem Encoder und einem Treiber in einem einzigen Modul bietet er ein zuverlässiges Drehmoment, eine geschlossene Positionsregelung und eine vereinfachte Systemintegration bei begrenztem Platz in der Handfläche.
Als einer der wichtigsten Endeffektoren, durch die Roboter direkt mit der externen Umwelt interagieren, muss eine geschickte Roboterhand nicht nur in der Lage sein, Objekte zu greifen, sondern auch eine gute Bewegungskoordination, eine präzise Positionssteuerung und eine stabile Leistung bei kontinuierlicher Last bieten.
Bei einer geschickten Hand mit mehreren Fingern ist das MCP-Gelenk, also das Metakarpophalangealgelenk, die Hauptverbindung zwischen der Handfläche und jedem einzelnen Finger.
Um diese Anwendungsanforderungen zu erfüllen, TSL-PG10K28-KW1317+LG04M20Z-END ist geeignet für die unabhängige Betätigung von MCP-Gelenken in geschickten Roboterhänden.
Was erfordert ein MCP-Gelenk von einem Aktor?
Einer der Hauptunterschiede zwischen einer geschickten Roboterhand und einem herkömmlichen Greifer ist die Anzahl der beteiligten Aktuatoren.
Eine geschickte Hand mit mehreren Freiheitsgraden erfordert in der Regel den Einbau mehrerer Aktuatoren in die Handfläche und die Finger. Daher kann ein MCP-Gelenkaktuator nicht ausschließlich auf das maximale Drehmoment ausgelegt werden. Auch Größe, Gewicht, Steuerungsanforderungen, Verkabelung und Systemintegration müssen berücksichtigt werden.
Kompakte Größe
Der Innenraum einer Roboterhandfläche muss nicht nur Motoren, sondern auch Steuerplatinen, Kommunikationskabel, Stromkabel, Sensoren und andere Komponenten aufnehmen. Wenn ein einzelner Aktor zu viel Platz beansprucht, kann dies den Einbau weiterer Gelenkantriebe und elektronischer Bauteile direkt einschränken.
Die TSL-PG10K28-KW1317+LG04M20Z-END kombiniert ein 10-mm-Planetengetriebe mit einem kernloser bürstenloser 13 mm Motor und verwendet eine Schnecken- und Schneckenradstruktur, um die Ausgangsrichtung zu ändern.
Diese Anordnung ist gut für die Installation im Inneren der Handfläche geeignet, wo der Aktor-Ausgang über einen geeigneten mechanischen Übertragungsmechanismus mit dem MCP-Gelenk verbunden werden kann.
Im Vergleich zur Standardversion integriert die END-Version Encoder und Motortreiber noch weiter. Die gesamte axiale Länge vergrößert sich dabei nur um ca. 5 mm. Der Aktuator wird zwar etwas länger, doch dadurch werden externe Treiberplatinen überflüssig und ein Teil der internen Verkabelung vereinfacht, was die Gesamtkonstruktion der beweglichen Hand erleichtern kann.
Geeignetes Drehmoment und Drehzahl
Ein MCP-Gelenk erfordert nicht einfach die höchstmögliche Geschwindigkeit.
Beim schnellen Öffnen und Schließen der Finger benötigt der Antrieb eine ausreichende Geschwindigkeit, um eine natürliche und reaktionsschnelle Bewegung zu erzielen. Sobald der Finger jedoch einen Gegenstand berührt, benötigt das Gelenk ein ausreichendes Drehmoment, um die Greifkraft weiterhin aufrechtzuerhalten.
Der Stellantrieb verwendet ein Gesamtuntersetzungsverhältnis von 1:560, bestehend aus:
- 1:28 Planetengetriebestufe;
- 1:20 Schneckengetriebestufe.
Die wichtigsten Ausgabespezifikationen nach der Reduzierung sind:
- Betriebsspannung: 12 V
- Leerlaufdrehzahl: 50 ±101 TP3T U/min
- Nenndrehzahl 40 ±101 TP3T U/min
- Nennabgabedrehmoment ≥0,75 N·m
- Spitzendrehmoment für 2 Sekunden: 1,5 N·m
- Nennstrom: ≤ 1,5 A
- Spitzenstrom: ≤2,5 A
Dieser Leistungsbereich bietet ein praktisches Gleichgewicht zwischen der normalen Beuge- und Streckgeschwindigkeit des MCP-Gelenks und dem bei Greifvorgängen erforderlichen Drehmoment.
Warum ein Planetengetriebe mit einem Schneckengetriebe kombinieren?
Eine der häufigsten Konstruktionsherausforderungen für Gelenkaktuaktoren geschickter Hände besteht darin, ein hohes Untersetzungsverhältnis und ein ausreichendes Ausgangsdrehmoment auf einem sehr begrenzten Bauraum zu erzielen.
Die ausschließliche Verwendung mehrerer Stufen von konventionellen Stirnrädern erfordert möglicherweise einen relativ großen Platzbedarf in der Ebene. Andererseits kann eine Erhöhung der Anzahl von Planetengetriebestufen zu einer übermäßigen axialen Länge führen.
Aus diesem Grund verwendet der TSL-PG10K28-KW1317+LG04M20Z-END eine Kombination aus Planeten- und Schneckengetriebe.
Zuerst, 1:28 Planetengetriebe sorgt für eine primäre Drehzahlreduzierung und Drehmomentverstärkung. Die koaxiale Struktur des Planetengetriebes prädestiniert es für die direkte Kombination mit einem miniaturisierten eisenlosen burlosen Motor.
Die Ausgabe durchläuft dann einen 1:20 Schneckengetriebe zur weiteren Geschwindigkeitsreduzierung. Gleichzeitig ändert das Schneckengetriebe die Richtung der Kraftübertragung, wodurch die Anordnung des Stellantriebs in einer für ein MCP-Gelenk besser geeigneten Richtung ermöglicht wird.
Dies ist besonders nützlich für dünne Roboterhandstrukturen, bei denen mehrere Aktoren nebeneinander installiert werden müssen.
Darüber hinaus ist das Rückwärts-Selbsthemmungsmoment des Schneckengetriebes größer als 3 N·m. In einer geschickten Hand kann diese Eigenschaft die Abhängigkeit von kontinuierlicher motorischer Leistung beim statischen Halten verringern.
Zum Beispiel muss das Gelenk nach dem Greifen einer Tasse, eines Werkzeugs oder eines zylindrischen Objekts möglicherweise einen festen Winkel beibehalten. Das Schneckengetriebe kann dazu beitragen, die Gelenkposition zu halten und unnötige kontinuierliche Betätigungen zu reduzieren.
Was sind die praktischen Vorteile des integrierten END-Designs?
Für die Prototypenentwicklung ist es nicht schwierig, eine Konfiguration aus Motor, Getriebe, externem Encoder und externem Motortreiber zu verwenden.
Je mehr Freiheitsgrade eine geschickte Hand jedoch aufweist, desto offensichtlicher werden die Probleme der Systemintegration.
Beispielsweise kann eine vier- oder fünfziger Robotikhand (oder: vier- oder fünf-Finger-Roboterhand) mehrere MCP-Aktoren gleichzeitig verwenden. Wenn jeder Aktor einen separaten Motortreiber und einen zusätzlichen Einbauort benötigt, wird wertvoller Platz in der Handfläche beansprucht und der Verkabelungsaufwand nimmt deutlich zu.
Der TSL-PG10K28-KW1317+LG04M20Z-END integriert den Encoder und den Motortreiber direkt in den Aktor selbst. Dies bietet mehrere praktische Vorteile.
Erstens werden weniger Steuerkomponenten in der Handfläche benötigt.
Da die Motorantriebsfunktion direkt in das Aktorulad integriert ist, werden weniger separate Miniatur-Treiberplatinen benötigt.
Dies erleichtert die Anordnung der mechanischen Struktur, der Sensoren, der Steuerungselektronik und anderer Aktoren in der Handfläche.
Zweitens wird die Übertragungsdistanz des Encodersignals verkürzt.
Wenn der Encoder in den Aktor integriert ist, konzentriert sich die Positionserfassung innerhalb des Gelenkmoduls.
Dies reduziert die Notwendigkeit, schwache Encodersignalleitungen über lange Strecken innerhalb der Handfläche zu führen, und trägt zur Vereinfachung des elektrischen Designs bei.
Drittens ist das Design besser für den modularen Austausch geeignet.
Bei einem modularen Design einer geschickten Hand kann jeder MCP-Aktor als eine relativ unabhängige funktionale Einheit betrachtet werden.
Während späterer Tests, Reparaturen oder Wartungsarbeiten kann der Stellantrieb als gemeinsames Modul inspiziert und ausgetauscht werden, ohne dass Motor, Encoder und Treiber wiederholt getrennt und neu angepasst werden müssen.
Viertens vereinfacht es die Regelung von Gelenken im geschlossenen Regelkreis.
Das eigentliche Regelungsziel eines MCP-Gelenks ist nicht einfach die Motordrehzahl. Vielmehr sind es der finale Gelenkwinkel und der vollständige Bewegungsverlauf.
Die Encoder-Rückmeldung bildet die Grundlage für die Gelenkpositionsregelung, wodurch das Steuerungssystem die Motorleistung entsprechend der Zielbewegung anpassen kann.
Wenn zum Beispiel ein zylindrisches Objekt gegriffen wird, können sich die Finger zunächst mit relativ hoher Geschwindigkeit schließen. Wenn sich die Finger der voraussichtlichen Kontaktposition nähern, kann die Bewegungsgeschwindigkeit verringert werden.
Nachdem ein Kontakt mit dem Objekt erkannt oder bestätigt wurde, kann der Aktor in eine Haltephase übergehen.
Diese mehrstufige Bewegungsstrategie ist für geschickte Roboterhände besser geeignet als die Steuerung der Fingerbewegung ausschließlich über eine feste Motorlaufzeit.
Typische Installationsmethoden für MCP-Gelenkanwendungen
Bei praktischen Konstruktionen kann der Aktor im Inneren der Roboterhandfläche installiert werden, wobei der Schneckengetriebeausgang nahe am MCP-Gelenk positioniert ist.
Je nach mechanischer Architektur der geschickten Hand können verschiedene Getriebeanordnungen verwendet werden.
Option 1: Direkte Betätigung nahe dem Gelenk
Der Aktor ist nahe dem MCP-Gelenk installiert, und sein Ausgang treibt die Gelenkwelle über ein geeignetes Verbindungselement an.
Diese Anordnung bietet einen kurzen und klaren Kraftübertragungsweg und eignet sich für Roboterhände mit ausreichend Platz um das MCP-Gelenk.
Ihr Hauptvorteil ist die reduzierte Anzahl von Zwischenübertragungskomponenten, wodurch die Installation, Einstellung und Wartung relativ einfach ist.
Option 2: Koppelbasierte Betätigung
Der Aktor ist in der Handfläche installiert und treibt das MCP-Gelenk über einen kurzen Kopplungsmechanismus an.
Diese Anordnung bietet eine größere Flexibilität bei der Platzierung des Aktors und kann an verschiedene Handgrößen und interne Layouts angepasst werden.
Es ist nützlich, wenn die MCP-Gelenkachse und die Achse des Stellantriebs nicht direkt aufeinander ausgerichtet werden können.
Option 3: Gekoppelte Betätigung des MCP- und anderer Fingergelenke
Einige geschickte Hände verwenden unterangetriebene Mechanismen, bei denen ein Aktuator über Gestänge, Sehnen oder Differentialmechanismen mehrere Gelenke, wie etwa die MCP- und PIP-Gelenke, beeinflusst.
Diese Anordnung kann die Gesamtzahl der Aktuatoren reduzieren und das Gesamtgewicht der Roboterhand verringern.
Der TSL-PG10K28-KW1317+LG04M20Z-END kann in einem solchen System als Hauptstromquelle dienen, wobei eine koordinierte Beugung mehrerer Gelenke durch mechanisches Design erreicht wird.
Allerdings erfordert dieser Systemtyp, dass das Übersetzungsverhältnis und die mechanische Geometrie entsprechend der Fingerlänge, dem Gelenkbewegungsumfang und der erforderlichen Greifkraft neu gestaltet werden.
Geeignete Anwendungen für geschickte Hände
Based on its mechanical structure and output characteristics, this MCP joint actuator can be applied to different types of robotic hand systems.
In humanoid robot dexterous hands, it can be used to drive MCP flexion and extension of the index, middle, ring, and little fingers.
In industrial robotic dexterous end-effectors, it can support tasks such as small-part grasping, sorting, handling, and assembly.
In service robots, it can be used for operating common tools, holding bottles and containers, and performing basic household manipulation tasks.
The actuator can also be used in research and development platforms where a compact and integrated MCP joint solution can reduce the amount of repeated hardware development associated with motor drive and position feedback.
However, different dexterous hands have different requirements for joint speed, torque, installation layout, and control interfaces. Therefore, the actuator should still be matched with the specific mechanical structure and control architecture of each robotic hand project.
Anpassung für verschiedene MCP-Gelenkdesigns
There is currently no completely unified mechanical and electrical standard for dexterous robotic hands.
Different manufacturers use different palm dimensions, joint ranges of motion, mechanical layouts, and control architectures.
Therefore, the TSL-PG10K28-KW1317+LG04M20Z-END can be adjusted according to project requirements, including:
- Adjusting the operating voltage and winding parameters according to the robot power system;
- Changing the reduction ratio according to the required joint speed and grasping force;
- Modifying the output shaft or output interface according to the mechanical structure;
- Adjusting the mounting arrangement and cable direction;
- Selecting suitable drive and feedback configurations according to the control system;
- Customizing cable length and connector type according to the available space inside the palm.
This approach can reduce the need to redesign the complete robotic-hand structure around a standard motor and allows the actuator and MCP joint mechanism to be matched more effectively.
Fazit
The MCP joint is one of the main powered joints that enables finger flexion, enveloping grasping, and stable object holding in a dexterous robotic hand.
Its actuator must solve several problems at the same time within a limited installation space, including torque output, movement speed, position feedback, wiring, and continuous operation.
Die TSL-PG10K28-KW1317+LG04M20Z-END combines a 12 V coreless brushless motor, a 1:28 Planetengetriebe, and a 1:20 worm-and-worm-gear transmission, providing a total reduction ratio of 1:560.
The END version further integrates the encoder and motor driver while increasing the axial length by only approximately 5 mm, providing a compact and easy-to-integrate actuator solution for MCP joints in dexterous robotic hands.
For teams developing humanoid robotic hands, industrial manipulation hands, or research-oriented multi-finger robotic platforms, this highly integrated miniature joint actuator can reduce repeated integration work between mechanical, electrical, and control systems.
As a result, developers can focus more of their efforts on overall hand architecture, grasp planning, motion coordination, and control algorithms.
