Srdce robotického pohybu - Rozhodujúca úloha motorov v presnosti

 

Motory ako hlavné hnutie robotov poháňajúcich hardvér

Ako zdroj hnacieho momentu sú motory rozhodujúce pri aplikácii kĺbov robotov. Motor, bežne označovaný ako „motor", je zariadenie, ktoré premieňa alebo prenáša elektrickú energiu podľa zákona elektromagnetickej indukcie, ktorý je v obvodoch reprezentovaný písmenom „M". Jeho primárnou funkciou je generovanie hnacieho momentu, ktorý poskytuje energiu pre rôzne elektrické spotrebiče a mechanické zariadenia.

 

V oblasti robotiky je kĺbový systém kľúčovým komponentom na dosiahnutie rôznych pohybov, pričom kĺbové motory sú považované za výkonnú jednotku celého systému. Kompletný kĺb robota zvyčajne zahŕňa pohon, ovládač a kĺbový motor. Kĺbový motor musí nielen vykonávať úlohy, ako je znižovanie rýchlosti, prenos a zvyšovanie krútiaceho momentu, ale musí tiež riadiť pohyb kĺbu s vysokou presnosťou.

 

Kĺbový motor robota priamo ovplyvňuje zložité činnosti, ako je chôdza, beh a skákanie. Je známy ako „srdce" robota a jeho výkon hrá rozhodujúcu úlohu v presnosti a efektívnosti robota.

 

Bezjadrový motor: Hnacia sila technológie kĺbov robota

V posledných rokoch sa bezjadrové motory postupne stali obľúbenými v oblasti robotiky kvôli ich vysokej účinnosti, nízkej hmotnosti a rýchlej odozve. V porovnaní s tradičnými motormi môžu bezjadrové motory s rotorom s dutou miskou a extrémne nízkou zotrvačnosťou reagovať citlivejšie na riadiace signály. Táto funkcia je ideálna pre kĺby robotov, najmä v scenároch, ktoré vyžadujú rýchle a presné pohyby, ako sú napríklad humanoidné roboty vykonávajúce jemné alebo zložité akcie.

 

História a rozšírené použitie motorov

História motorov siaha až do 19. storočia. V roku 1820 dánsky fyzik Hans Christian Ørsted objavil magnetický účinok elektrických prúdov, čím položil základy elektromagnetickej teórie. Nasledujúci rok britský vedec Michael Faraday vytvoril prvý experimentálny model elektrického motora. Odvtedy sa motorová technika neustále vyvíja a postupne sa stáva nevyhnutnou súčasťou priemyselnej výroby a každodenného života.

 

Tradičné motory sa zvyčajne skladajú zo statorového vinutia, rotujúcej kotvy alebo rotora a ďalšieho príslušenstva. Prostredníctvom rotujúceho magnetického poľa generovaného vinutím statora vytvára kotva prúd a otáča sa pod silou magnetického poľa. Tento konštrukčný princíp sa uplatňuje dodnes, ale motory novej generácie, ako sú motory bez jadra, priniesli revolučné prelomy v materiáloch a štruktúre, vďaka čomu zažiarili v robotickej technológii.

 

Graf: História vývoja motorov

 

 

Existujú rôzne typy motorov, ktoré možno klasifikovať podľa rôznych rozmerov, ako je rozsah použitia, konštrukčné charakteristiky a pracovné princípy. Hlavné klasifikácie sú nasledovné:

• Podľa druhu pracovného výkonu: jednosmerné motory a striedavé motory.
• Podľa štruktúry a princípu činnosti: vrátane jednosmerných motorov, asynchrónnych motorov a synchrónnych motorov.
• Podľa použitia: hnacie motory, riadiace motory atď.

 

Ak vezmeme ako príklad jednosmerné motory, ich štruktúra sa zvyčajne skladá zo statora a rotora:

• Stator: Pevná časť motora, ktorá generuje magnetické pole.
• Rotor: Hlavný komponent zodpovedný za rotáciu a premenu energie, nazývaný aj kotva, ktorá je výstupným nábojom motora.

Podobne ako jednosmerné motory, aj striedavé motory pozostávajú zo statora a rotora ako základných komponentov, plus krytu a ďalších pomocných častí. Či ide o jednosmerné alebo striedavé motory, koordinácia týchto základných komponentov určuje výkon motora.

 

V technológii robotov vynikli bezjadrové motory. Ich jedinečný dizajn odstraňuje železné jadro, čo umožňuje, aby stator a rotor zapadli ľahšie a kompaktnejšie, čo nielen znižuje zotrvačnosť, ale tiež zlepšuje rýchlosť odozvy a efektivitu, vďaka čomu sú ideálne pre vysoko presné, maloobjemové robotické spoje.

 

Integrované motory: Dokonalá kombinácia zmenšenej veľkosti a zvýšenej účinnosti

Motory môžu fungovať ako samostatné komponenty, ale v mnohých moderných zariadeniach sú často integrované s inými časťami, aby vytvorili efektívne, jednotné systémy. Tento integrovaný dizajn nielen zmenšuje celkovú veľkosť zariadenia, ale tiež zvyšuje využitie priestoru a výkon. Napríklad:

• Elektrický pohon tri v jednom: Spoločná integrácia motora, reduktora a ovládača motora, široko používaná v elektrických vozidlách, výrazne znižuje veľkosť a hmotnosť zariadenia.
• Elektrický pohon šesť v jednom: Okrem motora, reduktora a ovládača obsahuje DC/DC menič, nabíjačku a rozvodnú skriňu, čo ďalej optimalizuje využitie priestoru.
• Elektrický pohon osem v jednom: Ďalej integruje systém správy batérie a ovládač vozidla, čím poskytuje kompaktnejšie a efektívnejšie riešenie pre elektrické vozidlá.

V oblasti humanoidných robotov aplikácia bezjadrových motorov nielen realizuje vysoko presné riadenie kĺbov robotov, ale podporuje aj ľahký a kompaktný dizajn konštrukcie robota. Napríklad integrácia bezjadrového motora s reduktorom a ovládačom môže účinne znížiť zaberanie kĺbového priestoru a zároveň zlepšiť rýchlosť odozvy a spoľahlivosť celého systému.

 

V robotickej technológii výber motora priamo určuje výkon a efektivitu použitia zariadenia. Motory bežne používané v robotoch zahŕňajú hlavne tieto tri typy: jednosmerné motory, servomotory a krokové motory.

 

3.1 jednosmerné motory

Jednosmerné motory sú široko používané v rôznych oblastiach a delia sa hlavne na dva typy: kartáčované jednosmerné motory a bezkartáčové jednosmerné motory.

 

3.1.1 Kartáčované jednosmerné motory

Kartáčované jednosmerné motory sú staršou technológiou motora s nasledujúcimi charakteristikami:

• Jednoduchá štruktúra, nízke náklady: Spoľahnite sa na kontakt medzi kefami a rotorom na dosiahnutie komutačnej funkcie.
• Nízke nároky na pohon: Otáčky motora sú priamo úmerné aplikovanému napätiu, takže ovládanie je intuitívnejšie.

 

Nevýhody:

• Opotrebenie kefy vedie k potrebe častej údržby.
• Elektromagnetické rušenie sa počas prevádzky ľahko vytvára, s relatívne nízkou spoľahlivosťou.
• Kratšia životnosť, vďaka čomu je menej atraktívny v dizajne robota.

 

3.1.2 Bezkartáčové jednosmerné motory

Bezkomutátorové jednosmerné motory sú vylepšenou verziou jednosmerných motorov, ktoré vynikajú v niekoľkých aspektoch:

• Použitie permanentného magnetu: Odolné, malé rozmery a relatívne nízke náklady.
• Elektronická komutácia: Nahrádza tradičné kefy na dosiahnutie prepínania magnetického poľa, čím sa zvyšuje účinnosť a spoľahlivosť.
• Presné ovládanie: Prostredníctvom snímačov spätnej väzby polohy (ako sú Hallove snímače, optické snímače alebo zariadenia na detekciu spätného EMF) môžu bezkomutátorové jednosmerné motory riadiť rýchlosť a polohu presnejšie.

 

Aj keď je riadiaci obvod zložitejší, bezkomutátorové jednosmerné motory výrazne prevyšujú výkon a životnosť kartáčovaných motorov, čo z nich robí preferovaný typ motora pre kĺbové pohony robotov. Najmä bezjadrové bezkomutátorové jednosmerné motory so svojou vysokou účinnosťou, nízkou zotrvačnosťou a rýchlou odozvou sú vhodné najmä pre robotické aplikácie vyžadujúce vysokú presnosť a nízku hmotnosť.

3.2 Servomotory

Servomotory, tiež známe ako akčné motory, sú hlavnými komponentmi v automatických riadiacich systémoch. Medzi ich vlastnosti patrí:

• Vysoko presné polohovanie: Dosahuje uhlové posunutie alebo výstup uhlovej rýchlosti na hriadeli prijímaním impulzných signálov.
• Riadenie s uzavretou slučkou: Servomotory môžu vysielať impulzné signály zodpovedajúce uhlu natočenia, čím vytvárajú systém uzavretej slučky kombináciou vstupných signálov, čím sa dosahuje presné riadenie otáčania.
• Klasifikácia jednosmerného a striedavého prúdu: Servomotory sa delia na jednosmerné servomotory a striedavé servomotory. Aj keď existujú malé rozdiely vo výkone a scenároch aplikácie, obe dokážu presne nastaviť rýchlosť a polohu na základe riadiacich signálov.
• Vysoko presné charakteristiky servomotorov ich robia široko používanými v presných operáciách robotických koncových efektorov, ako sú robotické ramená a robotické prsty.

3.3 Krokové motory

Krokové motory sú riadiace komponenty s otvorenou slučkou, ktoré premieňajú signály elektrických impulzov na uhlové alebo lineárne posunutie. Medzi ich vlastnosti patrí:

• Krokové ovládanie: Pri každom príjme impulzného signálu sa motor otočí o pevný uhol podľa nastaveného krokového uhla.
• Nie je potrebná uzavretá slučka: Krokové motory môžu dosiahnuť presné riadenie uhlového posunu prostredníctvom nepretržitých elektrických impulzných signálov bez spätnej väzby polohy.
• Cenovo výhodné: V porovnaní so servomotormi sú krokové motory lacnejšie a sú vhodné pre aplikácie s nižšími požiadavkami na presnosť.
• Krokové motory sa bežne používajú v lacných komponentoch v konštrukciách robotov, ako sú jednoduché spoje, pohony dopravníkových pásov a ďalšie.

 

Humanoidný robot Tesla Optimus používa 28 pohonov, z toho 14 lineárnych pohonov a 14 rotačných pohonov. Tieto ovládače sú zodpovedné za podporu robota pri vykonávaní zložitých činností, ako je chôdza a uchopenie. Všeobecne povedané, bipedálne roboty musia byť vybavené 30 až 40 jednosmernými servomotormi, ktoré sú kompaktné a musia spĺňať požiadavky na vysoký výkon, vysokú hustotu a rýchlu odozvu.

 

Optimus používa tri typy lineárnych pohonov a tri typy rotačných pohonov. Medzi nimi lineárne pohony zahŕňajú momentové motory bez jadra a planétové guľôčkové skrutky, zatiaľ čo rotačné pohony kombinujú momentové motory bez jadra a harmonické redukcie. Špecifické rozdelenie pohonov je nasledovné:

• Rameno: 6 otočných ovládačov
• Koleno: 2 lineárne pohony
• Zápästie: 2 rotačné + 4 lineárne ovládače
• Torzo: 2 rotačné pohony
• Valec: 4 rotačné + 2 lineárne pohony
• Koleno: 2 lineárne pohony
• Členok: 4 lineárne pohony

Táto distribúcia pohonov zaisťuje flexibilitu a stabilitu robota v zložitých prostrediach.

 

Momentový motor bez jadra je ľahký, vysoko účinný servomotor, špeciálne navrhnutý pre robotické kĺby a iné presné aplikácie. Jeho jedinečná štruktúra poskytuje nasledujúce pozoruhodné vlastnosti:

• Modulárna konštrukcia, jednoduchá integrácia: Momentový motor bez jadra sa skladá zo statora a rotora, bez tradičného krytu motora. Tento dizajn umožňuje inžinierom prispôsobiť kryt, ložiská a komponenty snímača podľa ich potrieb, čím sa prispôsobia rôznym systémovým štruktúram.
• Kompaktná veľkosť, nízka hmotnosť: V porovnaní s motormi v kryte motor bez jadra výrazne znižuje celkovú veľkosť a hmotnosť, vďaka čomu je ideálny pre systémy vyžadujúce integrované riešenia.
• Vysoký výkon a rýchla odozva: Vďaka svojmu jedinečnému dizajnu ponúka bezjadrový motor rýchlu dynamickú odozvu, ktorá spĺňa požiadavky moderných robotov na vysokú presnosť a energeticky efektívny pohyb kĺbov.

Vďaka týmto vlastnostiam je momentový motor bez jadra široko používaný vo vysokovýkonných jazdných oblastiach vrátane robotiky, automobilového priemyslu, letectva a zdravotníckych zariadení.

 

Motor bez jadra je kľúčovým komponentom šikovných rúk humanoidného robota, obzvlášť vhodný pre kĺby prstov v scenároch, ktoré vyžadujú obmedzený priestor a vysokú presnosť. Kĺby prstov zvyčajne potrebujú miniaturizované motory, ktoré poskytujú značnú silu a zároveň zabezpečujú nízku hmotnosť a vysokú presnosť. Poprední výrobcovia robotov, ako je Tesla, široko prijímajú bezjadrové riešenie pohárového motora, ktoré poskytuje ideálnu podporu pre obratnosť ruky robota.

 

Hlavné výhody pohárových motorov Coreless

Konštrukcia bez ozubenia, zlepšuje presnosť a plynulú prevádzku: Bezjadrový hrncový motor využíva bezjadrový dizajn bez ozubenia, ktorý úplne eliminuje vibrácie a hluk spôsobený ozubením, ktoré sa vyskytuje u tradičných motorov. Táto vlastnosť výrazne zlepšuje plynulosť chodu motora, vďaka čomu je mimoriadne vhodný na vysoko presné riadenie pohybu v kĺboch ​​prstov humanoidných robotov.

 

Vysoká účinnosť a rýchla odozva: Motor bez jadra prelomí tradičnú štruktúru motora so železným jadrom prijatím konštrukcie rotora bez jadra, čo výrazne znižuje straty vírivými prúdmi a zlepšuje účinnosť motora. Medzitým, nízka hmotnosť rotora mu dáva vynikajúce štartovacie a brzdné schopnosti a ponúka dynamickú odozvu, ktorá spĺňa presné požiadavky zložitých akcií.

 

Úspora energie a spoľahlivosť: Elimináciou energetických strát, ktoré sa vyskytujú v motoroch so železným jadrom, bezjadrový motor s pohárikom demonštruje výnimočný výkon pri úspore energie. Jeho zjednodušená štruktúra navyše znižuje mechanické trenie, čím sa ďalej zvyšuje životnosť a spoľahlivosť, čím sa zabezpečuje stabilný výkon aj pri vysokofrekvenčných prevádzkach.

 

Flexibilné použitie v miniaturizovaných scenároch: Vďaka svojej kompaktnej veľkosti a ľahkému dizajnu je bezjadrový motor pohára ideálny pre miniatúrne pohybové jednotky, ako sú kĺby prstov a zápästia v humanoidných robotoch. Navyše, jeho dizajn bez ozubenia a vysoká účinnosť ho robia široko použiteľným v oblastiach, ako je lekárske vybavenie, presné prístroje a letecký priemysel.

 

Technologický rozvoj a vyhliadky do budúcnosti

Motor bez jadra, ktorý integruje energetickú účinnosť, vysokú presnosť a stabilitu, predstavuje vysokovýkonné zariadenie na premenu energie. Ako robotická technológia neustále napreduje, bezjadrový motor bude ďalej optimalizovať výkon a pomer objemu, čím posunie šikovné ruky humanoidného robota do efektívnejších aplikácií v rôznych scenároch.

 

Pokračovať v čítaní:Prečo humanoidné roboty otvárajú nový modrý oceán pre aplikácie bezjadrových motorov – 1. časť