Torque Density

• Detto anche: Specific Torque, Torque-to-Weight Ratio
• Categoria: Actuation & drivetrain › Ratings
• Tag: actuation, motors, sizing, humanoids, legged-robots

Coppia per unità di massa o di volume: il dato che decide se un robot riesce a portare i propri attuatori.

Definizione

La densità di coppia è la quantità di coppia che un attuatore produce per unità di massa o di volume, di solito espressa in newton metro per chilogrammo. È il numero che decide se un progetto sta in piedi, perché in qualsiasi robot che muove i propri arti ogni attuatore deve sollevare, oltre al carico utile, anche gli attuatori più esterni lungo la catena.

È questa ricorsione a rendere il dato decisivo e non semplicemente utile. Il giunto della spalla porta il motore del gomito, il motore del polso e la pinza, quindi un piccolo miglioramento della densità di coppia all'estremità si somma procedendo verso l'interno. È anche il motivo per cui i robot con zampe e gli umanoidi ne sono molto più sensibili dei bracci industriali fissi, che possono imbullonare a terra un riduttore pesante e ignorarne la massa.

La densità di coppia si aumenta in tre modi: motori migliori, di solito brushless di grande diametro in cui la coppia cresce con il raggio; una maggiore riduzione, che si paga in velocità e reversibilità; e una struttura più leggera, che si paga in rigidezza. Poiché la seconda strada è la più economica, i valori pubblicati descrivono spesso un gruppo con riduttore invece del solo motore: per confrontare i numeri bisogna quindi verificare che cosa è stato pesato.

Perché è importante

La densità di coppia è il vincolo che decide se un robot con zampe riesce anche solo a stare in piedi. Ogni chilogrammo di attuatore deve essere portato dai giunti a monte, quindi il progetto o sta in piedi o entra in una spirale: motori più pesanti richiedono motori più pesanti. È anche la specifica più facile da gonfiare in una scheda tecnica, perché includere o escludere riduttore, alloggiamento e controller cambia il valore in modo drastico.

Applicazioni principali

• Dimensionare gli attuatori per robot con zampe e umanoidi, dove la massa si somma lungo la catena
• Confrontare su base omogenea moduli attuatori di fornitori diversi
• Decidere tra un motore più grande e una riduzione maggiore
• Stimare se il progetto di un arto starà in piedi o finirà in una spirale di componenti sempre più pesanti
• Valutare attuatori per droni ed esoscheletri, dove ogni grammo va portato

In pratica

Confrontare dati omogenei: verificare se la massa dichiarata comprende riduttore, alloggiamento ed elettronica, e se il valore di coppia è continuo o di picco. La coppia di picco può essere più volte quella continua ed è limitata dalla capacità termica, quindi una densità di coppia lusinghiera descrive spesso uno spunto che l'attuatore non è in grado di sostenere. In pratica, i motori brushless di grande diametro abbinati a uno stadio planetario o cicloidale a basso rapporto sono il modo in cui la maggior parte dei robot con zampe moderni raggiunge un valore utilizzabile senza rinunciare alla reversibilità.

Idee sbagliate comuni

• Un valore più alto è sempre meglio: di solito si ottiene con la riduzione, che costa velocità e reversibilità
• I valori dichiarati sono confrontabili: includere o escludere riduttore, alloggiamento e controller cambia il numero di parecchie volte
• Il dato utile è la densità di coppia di picco: la coppia continua è quella che un robot può mantenere, mentre il picco è limitato dal calore
• Conta solo per gli umanoidi: qualsiasi macchina che porta i propri attuatori, compresi droni ed esoscheletri, ne è governata

Chi dovrebbe saperlo

• Chiunque progetti un arto in cui ogni giunto porta quelli successivi
• Costruttori che confrontano moduli attuatori di fornitori diversi
• Chiunque abbia un robot che non riesce a sollevare il proprio braccio in piena estensione
• Ingegneri che valutano un motore più grande rispetto a un rapporto di riduzione più alto
• Studenti che imparano perché i robot umanoidi sono difficili in un modo in cui i bracci fissi non lo sono

Termini correlati

• Gear Ratio
• Quasi Direct Drive
• BLDC Motor
• Payload
• Backdrivability

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