Geniálnu prevodovku Harmonic Drive používajú chirurgické roboty aj NASA

Technológie

7.11.2024

Harmonic Drive alebo prevodovka s ťažnou vlnou je kľúčovou súčasťou nespočetných robotických aplikácií. Tento prevodový systém je mimoriadne presný, s pôsobivým pomerom krútiaceho momentu k hmotnosti, aj keď sa kýva. Ako teda funguje?

Zdanlivo bizarné ozubené koleso Harmonic Drive je v skutočnosti geniálne v tom, ako funguje. Zostava pružnej elipsy v kruhu vytvára pri otáčaní kmitavý pohyb a v každom okamihu sa dotýka iba tretina zubov dvoch hlavných ozubených kolies, ale výsledkom je pozoruhodne kompaktná a ľahká malá prevodovka, schopná dodávať vynikajúci krútiaci moment s absolútnou presnosťou a nulovou vôľou pohonu.

Prevodovku s ťažnou vlnou prvýkrát skonštruoval v roku 1957 C. Walton Musser z Pennsylvánie, kreatívny vynálezca s patentmi na všetko od systémov posilňovača riadenia cez bezzáklzové pušky až po pneumatické nafukovače záchranných viest. Harmonic Drive bol prvýkrát komercializovaný začiatkom 60. rokov 20. storočia. Skladá sa z troch kľúčových komponentov:

Generátor vĺn: Mierne eliptický vstupný náboj s guľôčkovým ložiskom na vonkajšom okraji.
Flex drážka: Pružný komponent v tvare pohára so zubami na vonkajšom obvode. Po vložení podlhovastého generátora vĺn sa radiálne deformuje, ale zachováva si torznú tuhosť.
Kruhová drážka: Úplne tuhý prstenec s vnútornými zubami, podobný planétovému ozubenému kolesu, ktorý má o dva zuby viac ako flex drážka.

Keď sa generátor vĺn otáča, približne 30 % zubov flex drážky na oboch koncoch sa v danom okamihu dotýka zubov kruhovej drážky a vytvára postupujúci vlnový vzor. To spôsobuje, že flex drážka sa otáča v rámci kruhovej drážky, ale v opačnom smere.

Súčasťou geniality tohto systému je nulová vôľa – medzi prevodmi nie je žiadna vôľa, čo je ideálne na presné a jemné ovládanie motora. Jeho kompaktná a ľahká konštrukcia je vhodná pre aplikácie s obmedzeným priestorom. A vďaka malému počtu pohyblivých častí je vysoko spoľahlivý a odolný.

Harmonic Drive používajú priemyselné roboty Fanuc a Universal Robots, a to na úlohy, ako je zváranie a montáž, kde je rozhodujúci opakovateľný a presný pohyb. Chirurgický robot da Vinci, navrhnutý na minimálne invazívne zákroky, sa spolieha na Harmonic Drive vo svojich rukách. Umožňuje mu jemné mikropohyby s nulovou vôľou na maximálnu presnosť pri vykonávaní minimálne invazívnych operácií na ľuďoch.

Dokonca aj rovery NASA Curiosity a Perseverance na Marse obsahujú vo svojich robotických ramenách a kolesách prevodovky s ťažnou vlnou. Aj keď sa Musser nedožil toho, aby sa jeho prevodovka dostala na Mars, takmer 70 rokov po svojom vzniku sa tento pozoruhodný vynález s charakteristickým, ale účelným „kmitaním“ naďalej používa v rôznych oblastiach. Genialita Harmonic Drive spočíva v jeho jednoduchosti, spoľahlivosti a presnosti.