Гуманоидный робот имеет по всему телу основные суставы — тазобедренный, коленный, плечевой, голеностопный — а также ловкие исполнительные механизмы пальцев и кончиков пальцев. Эти места движутся часто, вибрируют непрерывно, пространство плотное, и крепёж должен быть достаточно малым и лёгким, сохраняя надёжное соединение при высокочастотном возвратно-поступательном движении. В отличие от автомобилей, в роботах соединения больше подчёркивают сохранение точности и миниатюризацию, а не просто большое усилие зажатия.

Три требования гуманоидного робота к крепежу

Проектные цели крепежа гуманоидного робота можно свести к трём пунктам: высокая точность — посадочные поверхности суставов не должны получать зазор из-за ослабления соединения; высокая защита от самоотвинчивания — при непрерывной возвратно-поступательной вибрации усилие предварительной затяжки не должно затухать; облегчение — каждая соединительная деталь напрямую влияет на энергопотребление и автономность всей машины. В инженерии отсюда ответвляются несколько продуктовых линеек: установочные винты с буртиком для базирования суставов, высокопрочные антивибрационные винты для силовых соединений, резьбовые вставки для корпусов из лёгких сплавов, а также стопорные шайбы для вибронапряжённых мест.

Суставы и редуктор: базирующая функция установочного винта с буртиком

Установочный винт с буртиком (плечикового типа) — ключевая базовая деталь суставов и движущих конструкций гуманоидного робота; он одновременно выполняет три функции: соединение, базирование и вращающуюся опору. Гладкая часть (буртик) служит базирующей осью шарнира и опорной поверхностью вращения, а резьбовой участок стягивает конструкцию сустава. Поскольку диаметр и точность буртика напрямую определяют движущий зазор сустава, такие винты имеют жёсткие требования к соосности, торцевому биению и термической деформации; их применяют в коленных, голеностопных суставах, ловких кистях и местах установки исполнительных механизмов.

Исполнительные механизмы и тросовые шкивы: выбор высокопрочного антивибрационного винта

Места вроде исполнительных механизмов кончиков пальцев и ведущих тросовых шкивов имеют тесное пространство и частое движение, поэтому крепёж должен, миниатюризируясь, сохранять высокую прочность и защиту от самоотвинчивания. В инженерии часто применяют высокопрочные антивибрационные винты из легированной стали класса 12.9 и даже 14.9 в сочетании со специальной обработкой резьбы и поверхности, что экономит место и повышает надёжность и коррозионную стойкость; для чувствительных к весу мест используют винты из титана класса 10.9/12.9 или высокопрочные алюминиевые винты класса 6.8, которые при облегчении решают проблему гальванической коррозии с магниевым сплавом.

Рычажные шарнирные подшипники и шарнирные конструкции

Рычажный шарнирный подшипник — ключевое шарнирное звено линейных исполнительных механизмов (шарико-винтовых тяг) и шатунных конструкций, применяемое для гибких шарниров и допускающее управляемые многонаправленные качания; это базовый элемент биомиметического движения робота. Сопутствующий крепёж в шарнирной точке воспринимает знакопеременные нагрузки и износ качания, поэтому требует высокой прочности, износостойкости и способности противостоять самоотвинчиванию; обычно его применяют в паре с установочным винтом с буртиком и самоконтрящейся гайкой, чтобы шарнирный зазор сохранялся стабильным долгое время.

Облегчённые конструкции: резьбовые вставки и стопорные шайбы

Каркас туловища, рамы рук и основные несущие конструкции ног робота массово выполняют из облегчённых лёгких сплавов и композиционных материалов, и нарезать резьбу напрямую легко сорвать. Тогда для усиления резьбового соединения облегчённых деталей применяют резьбовые вставки, решая сразу три задачи: защита от срыва, повышение прочности соединения, продление срока службы. А в основных суставах — тазобедренном, коленном, плечевом — и точных модулях датчиков применяют стопорные шайбы: в основном из углеродистой и нержавеющей стали, в высококлассных применениях постепенно переходя к высокопрочной легированной стали и облегчённым композиционным материалам, чтобы удовлетворить потребности высокочастотной вибрации, высокой точности и долгого срока службы.

Чек-лист выбора и инженерные рекомендации

• Базирование суставов: установочные винты с буртиком, выбираемые по точности гладкой посадки и требуемому срезу, с контролем термической деформации.
• Силовая защита от самоотвинчивания: высокопрочные антивибрационные винты из легированной стали 12.9/14.9 с антивибрационной обработкой резьбы.
• Места облегчения: винты из титана 10.9/12.9 или высокопрочного алюминия 6.8, заодно исключающие гальваническую коррозию.
• Рамы из лёгких сплавов: резьбовые вставки для усиления резьбы, во избежание срыва при повторной разборке.
• Вибронапряжённые суставы: высокопрочные стопорные шайбы, по уровню вибрации выбирают между углеродистой сталью / легированной сталью / композиционным материалом.

Конструкция сочленений гуманоидного робота предъявляет к крепежу особые требования, вытекающие из природы редуктора. Волновая передача и циклоидный редуктор обеспечивают большое передаточное отношение при малых габаритах, но их выходное водило воспринимает знакопеременную нагрузку с высокой частотой, а каждый винт корпуса редуктора работает на усталость и фреттинг-износ в зоне контактной поверхности. Поэтому для роторных сочленений выбирают винты классов 12.9 с антивибрационным покрытием, момент затяжки считают с запасом по пределу текучести и контролируют на специальном стенде. Помимо усилия, важна компактность: в голеностопном и локтевом сочленениях каждый кубический миллиметр на счету, и разработчики закладывают шестигранники с низкой головкой или винты под внутренний Torx, чтобы не выйти за ограничение по внешнему контуру. Узел, кроме того, должен сохранять герметичность IP65 на случай пота и внешней влаги, и крепёж подбирают с уплотнением головки или расположением точки крепления внутри герметизированной полости.