Slip Ring
- 又稱: Rotary Electrical Joint, Collector Ring, Electrical Slip Ring
- 類別: Actuation & drivetrain › Transmission
- 標籤: electrical, transmission, actuation, cable-robots
一種旋轉式電氣連接器，能跨越連續旋轉的關節傳遞電力或訊號，而不會讓纜線纏繞。
定義
滑環是一種機電連接器，在固定部件與可無限旋轉的部件之間傳遞電力或訊號。旋轉側的導電環與固定側的固定電刷保持滑動接觸，因此不論關節轉了多少圈，電路都能維持。
它是為了解決每個旋轉關節遲早都會遇到的問題：跨越旋轉軸佈設的纜線會纏繞起來。沒有滑環的設計，要不是把行程限制在略少於一整圈，就是定期反轉解開，或是以其他方式傳送電力。這個限制在 CAD 模型中看不出來，在完成的機器上卻很令人頭痛，因為它會把優雅的連續旋轉設計，變成需要軟體端點限制與原點復歸程序的設計。
它的取捨是磨耗與雜訊。電刷是滑動接觸，因此會磨耗、增加摩擦，並引入電氣雜訊，而雜訊對訊號的影響比對電力更大；這就是為什麼許多設計只讓電力通過滑環，資料則走無線或光學路徑。額定電流、獨立迴路數與額定轉速，是決定某個零件是否合用的規格。
為何重要
連續旋轉是機器人關節能做到、人類關節做不到的少數事情之一，而通常正是滑環讓它成為可能。沒有滑環，設計要不是接受硬性的行程限制，就是得在反轉解纜上投入相當的複雜度，而這個決定會影響到運動學、控制軟體與使用者體驗。它是一個小巧、便宜的元件，少了它卻會重塑整台機器。
主要應用
- 纜線本身就傳送電力的絞盤與捲軸組件
- 連續旋轉的光達（lidar）與雷達轉台
- 攝影機雲台與巡檢頭的水平旋轉軸
- 在週期之間不能反轉解纜的旋轉台與定位器
- 傳遞電力與感測器訊號的風力發電機與起重機旋轉關節
實際應用
Stringman 的 powerline anchor 是一個很好的例子：一個 22 mm、雙線、5 A 的滑環位於捲軸中心，讓 24 V 電力能沿著一條本身正在被捲入與放出的纜線送到夾爪。組裝指南要你把 JST 插頭焊在固定端，把旋轉端穿過捲軸，再用焊錫密封連接器把它接到電源線上，由繩結而不是接頭承受任何負荷。在其他地方，同樣的元件也出現在連續旋轉的光達（lidar）轉台、攝影機水平旋轉軸與纜索機器人中。
常見誤解
- 滑環能免費提供無限旋轉：電刷會磨耗，額定壽命以轉數計算，因此在高循環設計中它是消耗品
- 電力與資料可以隨意共用一個滑環：滑動接觸會引入雜訊，因此訊號迴路常需要獨立的導電環、屏蔽，或完全不同的路徑
- 任何滑環都可以：額定電流、迴路數與額定 RPM 都會限制選擇，規格不足會表現為發熱，而不是明顯的故障
- 它是跨越旋轉關節的唯一方式：旋轉變壓器與無線供電完全不需接觸，但成本與複雜度較高
誰需要了解
- 任何設計必須旋轉超過一整圈之關節的人
- 打造絞盤、捲軸與纜索機器人的人
- 任何在測試時遇到線束纏繞或勾住的人
- 在判斷電力與訊號能否共用一條路徑的設計者
- 任何在指定旋轉光達（lidar）等連續旋轉感測器規格的人
相關術語
影片
- What is a slip ring?: What Make Art
- Introduction to Slip Rings: Moog