Всем привет! Если вы когда-либо создавали или программировали робота, вы знаете, что шум может быть настоящей болевой точкой — тестируете ли вы прототип в гараже, запускаете небольшую промышленную установку или даже используете потребительского робота дома. На прошлой неделе я получил личное сообщение от студента-робототехника, который устранял неполадки мобильного робота, который они построили с пластиковым шасси, и они продолжали сталкиваться со странными скрипами, из-за которых было трудно записывать данные датчиков. Этот разговор заставил меня задуматься: я поставщик алюминиевых шасси для роботов, и меня постоянно спрашивают об уровнях шума по сравнению с другими материалами. Сегодня я подробно расскажу, какой уровень шума можно ожидать от алюминиевого шасси робота, почему это происходит и как он соотносится с другими распространенными деталями робота. Никакого занудного жаргона, только реальная, практическая информация от человека, который работает с этими частями каждый божий день.
Прежде всего, давайте проясним одну вещь: «шум» здесь – это не просто громкий звуковой сигнал, который издает ваш телефон. Для роботов под шумом понимается как слышимый звук (то, что вы слышите), так и механическая вибрация (гул или скрежет, который вы можете почувствовать через верстак или пол), — оба из которых очень важны. Звуковой шум может раздражать при использовании в помещении, а вибрация может нарушить калибровку датчика, ускорить износ шестерен и даже со временем вызвать структурные проблемы. Когда я работаю с клиентами, будь то любители или небольшие производственные группы, мы всегда говорим о выборе материала, потому что это один из основных источников шума.
Начнем с основного вопроса: каков уровень шума алюминиевого шасси робота? За прошедшие годы я протестировал сотни таких устройств как в нашей собственной лаборатории, так и в реальных условиях использования. Большинство алюминиевых шасси изготавливаются на станках с ЧПУ, верно? И я знаю, что некоторые из вас, возможно, знакомы с деталями манипулятора робота с ЧПУ, поскольку в них используется та же прецизионная резка, что и в шасси. Для стандартного шасси мобильного робота (например, шестиколесного или дифференциального привода, наиболее распространенного для роботов малого и среднего размера) слышимый шум при движении с обычной скоростью (скажем, 1–2 метра в секунду) обычно составляет от 55 до 65 децибел (дБ). Для справки: это примерно то же самое, что обычный разговор или шум работающей посудомоечной машины — достаточно громкий, чтобы его можно было заметить, но не настолько громкий, чтобы он был невыносимым в небольшом пространстве.
Но подождите, это число не высечено в камне. Многие факторы меняют это. Если ваше шасси слишком тяжелое для ваших двигателей, вы получите больше трения между колесами и рамой шасси, что добавит скрип или скрежет, который может поднять его до 70 дБ или более. Если вы не затянете болты должным образом, отдельные алюминиевые панели могут задребезжать, добавив тот пронзительный скрип, который вам определенно не нужен. Даже колеса имеют значение: резиновые колеса на гладком бетоне по сравнению с пластиковыми колесами на неровном асфальте изменят общий шум, но само шасси представляет собой большую часть базового уровня.
Теперь давайте сравним это с другими вариантами, потому что здесь все становится интереснее. Меня часто спрашивают, почему бы просто не использовать пластиковые корпуса роботов или детали из нержавеющей стали? Давайте разберем их. Пластиковые корпуса намного легче, не так ли? Поэтому базовый уровень шума у них ниже — обычно 50–55 дБ, что тише, чем у алюминия. Но вот в чем загвоздка: пластик более гибкий, поэтому он сильнее вибрирует, особенно на высоких скоростях. Эта вибрация на самом деле может сделать данные датчиков менее точными, и со временем в пластиковом корпусе могут появиться крошечные трещины, которые создают новый шум при движении робота. В прошлом году у меня был клиент, который перешел с алюминиевого на пластиковое шасси для небольшого робота-доставщика, и через 3 месяца его шасси начало так сильно дребезжать, что его пришлось заменить. Выбор алюминия позволил избежать подобных проблем для другого клиента из той же отрасли, который уже 2 года использует наше алюминиевое шасси для роботов.
Металлические детали роботов из нержавеющей стали — еще одна распространенная альтернатива, особенно для тяжелых промышленных роботов. Их уровень шума аналогичен алюминию — около 58–62 дБ для стандартного использования, но нержавеющая сталь более плотная, поэтому она передает больше вибрации на внутренние компоненты робота. Это означает, что если у вас чувствительные датчики (например, LiDAR или камеры), корпус из нержавеющей стали может создавать больше помех, чем алюминий, поскольку он также не поглощает вибрацию. Алюминий на самом деле довольно хорошо гасит небольшие вибрации, поэтому я предпочитаю его большинству клиентов, которым нужен баланс между шумом, весом и долговечностью.
Подождите, но я должен упомянуть, откуда исходит шум на самом шасси, а не только на всей роботизированной системе. Многие люди думают, что двигатели или колеса — единственные источники шума, но шасси — большая его часть. Когда у вас есть алюминиевое шасси, обработанное на станке с ЧПУ, швы между панелями, точки крепления двигателей и колес и даже обработка поверхности — все это играет роль. Если обработанные края острые, они могут создавать большее трение при трении деталей, что приводит к скрипучему шуму. Вот почему в нашем магазине мы всегда удаляем заусенцы с кромок и добавляем жидкую смазку в точки крепления для клиентов, которые хотят снизить уровень шума — небольшие изменения, которые имеют большое значение.
Еще одна вещь, которую следует учитывать, — это то, где вы используете робота. Если это промышленный робот, работающий на складе, уровень шума в 65 дБ вполне подойдет: на складах и так шумно, поэтому небольшой дополнительный шум не имеет значения. Но если это домашний робот-пылесос или образовательный робот для классной комнаты, лучше меньше шума. Для таких случаев я рекомендую комбинацию: качественное алюминиевое шасси, резиновые колеса с мягким внутренним слоем и правильное крепление моторов к шасси с помощью резиновых амортизаторов. В нашем магазине мы продаем множество аксессуаров для роботов, таких как демпферы и смазочные материалы, поэтому можно легко собрать малошумную установку, не начиная с нуля.
Я также хочу развеять распространенный миф, который слышу постоянно: «Алюминий всегда более шумный, чем пластик». Это верно только в том случае, если вы сравниваете дешевое, плохо изготовленное пластиковое шасси с высокоточным алюминиевым шасси. В прошлом месяце я тестировал дешевое пластиковое шасси, напечатанное на 3D-принтере, и оно достигло 62 дБ при скорости 1 м/с, что примерно столько же, сколько у алюминиевого шасси среднего уровня. Но пластик начал коробиться уже через 2 часа непрерывного использования, поэтому к концу теста уровень шума достигал 70 дБ. Алюминиевое шасси, которое я использовал в том же тесте? Все время уровень звука оставался на уровне 60 дБ, без искажений и лишнего шума. Таким образом, качество материала и точность сборки имеют гораздо большее значение, чем просто основной материал.
А как насчет роботов, которые должны быть очень тихими — например, медицинских роботов, которые работают рядом с пациентами, или роботов-потребителей, которые работают по ночам? Для них даже 55 дБ может быть слишком много. Решение здесь не в переходе на пластик, а в модификации алюминиевого шасси. Добавление резиновой изоляции в нижнюю часть корпуса, использование мягких монтажных кронштейнов для двигателей и даже покрытие корпуса тонким слоем акустической пены может снизить шум на 5–10 дБ. В прошлом году у меня был клиент по медицинской робототехнике, и уровень шума их робота снизился с 62 дБ до 53 дБ — достаточно тихо, чтобы его можно было использовать в клинике, не беспокоя никого. Это намного лучший вариант, чем пластик, потому что алюминиевое шасси по-прежнему обеспечивает необходимую долговечность и структурную жесткость, а акустические модификации решают проблему шума.
Давайте поговорим о реальных примерах, чтобы сделать это конкретным. В прошлом квартале мы отправили заказ на алюминиевое шасси для роботов небольшому стартапу, производящему автономные газонокосилки. Их беспокоил шум, потому что их клиенты жаловались на то, что громкие газонокосилки пугают домашних животных. Когда они тестировали наше шасси, базовый уровень шума составлял 61 дБ, что ниже, чем у большинства газонокосилок, представленных на рынке. Они добавили к шасси наши резиновые амортизаторы колес и тонкий слой пенопласта, снизив уровень шума до 54 дБ. Это тише, чем обычный разговор, и клиентам это понравилось. С другой стороны, другой клиент использовал дешевое стальное шасси для своего заводского робота, и в итоге они получили шум в 68 дБ, потому что сталь передала такую большую вибрацию на камеру машинного зрения, что сделало невозможным получение четких изображений. Переход на наше алюминиевое шасси решил и эту проблему.
Я знаю, что некоторые из вас думают: «А как насчет роботов, которые двигаются очень быстро, например, гоночных роботов?» У высокоскоростных роботов (3+ м/с) шум от алюминиевого шасси немного подскакивает — обычно до 65–72 дБ. Но даже на такой скорости алюминий лучше пластика, потому что на высоких скоростях пластик будет так сильно вибрировать, что робот станет неустойчивым. Жесткость алюминия помогает роботу сохранять устойчивость, даже если шум немного возрастает. Для гоночных роботов это достойный компромисс, потому что стабильность гораздо важнее, чем несколько дополнительных децибел шума.
Следует также отметить, что при измерении уровня шума мы используем стандартный шумомер на расстоянии 1 метра от робота, что является отраслевым стандартом. Многие онлайн-тесты на случайный шум проводятся либо ближе, либо дальше, поэтому цифры искажаются. Вот почему я всегда доверяю нашим собственным лабораторным тестам, потому что мы следуем этому стандарту. Просматривая характеристики шасси, убедитесь, что уровни шума измеряются одинаково, иначе вы можете сравнивать яблоки с апельсинами.
Итак, какой здесь вывод? Уровень шума алюминиевого шасси робота — это не простое число — он зависит от качества сборки, аксессуаров и варианта использования. Как правило, при стандартном использовании вы ожидаете уровень шума 55–65 дБ, что сопоставимо с другим металлическим корпусом, тише, чем нержавеющая сталь, для задач, чувствительных к вибрации, и более долговечно, чем пластик. Если шум является главным приоритетом, небольшие модификации, такие как демпферы или пенопласт, могут значительно снизить его, не жертвуя при этом прочностью, необходимой для надежного робота.
Если вы ищете алюминиевое шасси для робота или задаетесь вопросом, как снизить шум вашей текущей установки, мы вам поможем. Мы уже много лет поставляем высококачественные детали роботов, изготовленные на станках с ЧПУ, поэтому, если вам нужно стандартное алюминиевое шасси робота, нестандартные детали или аксессуары для роботов, чтобы настроить шум вашего робота, мы можем помочь. Не стесняйтесь обращаться к нашей команде, чтобы обсудить ваш конкретный проект — мы всегда рады поделиться советами, основанными на практическом опыте, а не только общими спецификациями.
Теперь для тех, кто хочет глубже погрузиться в науку о вибрации и шуме в шасси роботов, вот несколько ссылок, на которые я опираюсь при проведении наших лабораторных испытаний и консультаций с клиентами:
- Международная организация по стандартизации (ISO) 10816: Механическая вибрация. Оценка вибрации машин путем измерений на невращающихся частях.
- Отчет Ассоциации индустрии робототехники (RIA) о шуме и вибрации в промышленных роботах, 2022 г.
- Журнал робототехнических систем: «Выбор материалов для снижения вибрации в шасси мобильного робота», Vol. 38, № 4, 2021 г.
- Техническое примечание Национального института стандартов и технологий (NIST): Измерение уровня шума для бытовых и промышленных роботов, 2020 г.
