Serce ruchu robota — decydująca rola silników w precyzji

 

Silniki jako podstawowy sprzęt napędzający ruch robota

Jako źródło momentu napędowego, silniki odgrywają kluczową rolę w zastosowaniu przegubów robotów. Silnik, powszechnie nazywany „silnikiem", to urządzenie przetwarzające lub przesyłające energię elektryczną zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej, oznaczanym w obwodach literą „M". Jego podstawową funkcją jest generowanie momentu napędowego, zapewniającego moc różnym urządzeniom elektrycznym i mechanicznym.

 

W robotyce system przegubów jest kluczowym elementem umożliwiającym uzyskanie różnych ruchów, a silniki przegubowe są uważane za jednostkę wykonawczą całego systemu. Kompletny przegub robota zazwyczaj obejmuje sterownik, sterownik i silnik przegubu. Silnik przegubu musi nie tylko wykonywać zadania, takie jak zmniejszanie prędkości, przenoszenie i zwiększanie momentu obrotowego, ale także musi kontrolować ruch stawu z dużą precyzją.

 

Silnik przegubu robota bezpośrednio wpływa na złożone czynności, takie jak chodzenie, bieganie i skakanie. Nazywa się go „sercem" robota, a jego wydajność odgrywa decydującą rolę w precyzji i wydajności robota.

 

Silnik bezrdzeniowy: siła napędowa technologii połączeń robotów

W ostatnich latach silniki bezrdzeniowe stopniowo stały się ulubionymi silnikami w robotyce ze względu na ich wysoką wydajność, lekkość i szybką reakcję. W porównaniu z tradycyjnymi silnikami, silniki bezrdzeniowe, których wirnik ma strukturę pustego panewki i wyjątkowo niską bezwładność, mogą reagować z większą czułością na sygnały sterujące. Ta funkcja idealnie sprawdza się w przypadku przegubów robotów, zwłaszcza w scenariuszach wymagających szybkich i precyzyjnych ruchów, np. w przypadku robotów humanoidalnych wykonujących subtelne lub złożone czynności.

 

Historia i powszechne zastosowanie silników

Historia silników sięga XIX wieku. W 1820 roku duński fizyk Hans Christian Ørsted odkrył magnetyczne działanie prądów elektrycznych, kładąc podwaliny pod teorię elektromagnetyczną. W następnym roku brytyjski naukowiec Michael Faraday stworzył pierwszy eksperymentalny model silnika elektrycznego. Od tego czasu technologia silników stale się rozwija i stopniowo staje się nieodzowną częścią produkcji przemysłowej i życia codziennego.

 

Tradycyjne silniki zazwyczaj składają się z uzwojenia stojana, obrotowego twornika lub wirnika i innych akcesoriów. Poprzez wirujące pole magnetyczne generowane przez uzwojenie stojana, twornik wytwarza prąd i obraca się pod wpływem pola magnetycznego. Ta zasada projektowania jest kontynuowana do dziś, ale silniki nowej generacji, takie jak silniki bezrdzeniowe, dokonały rewolucyjnego przełomu w zakresie materiałów i konstrukcji, dzięki czemu błyszczą w technologii robotów.

 

Wykres: Historia rozwoju silników

 

 

Istnieją różne typy silników, które można klasyfikować według różnych wymiarów, takich jak zakres zastosowań, cechy konstrukcyjne i zasady działania. Główne klasyfikacje są następujące:

• Według rodzaju mocy roboczej: silniki prądu stałego i silniki prądu przemiennego.
• Ze względu na strukturę i zasadę działania: w tym silniki prądu stałego, silniki asynchroniczne i silniki synchroniczne.
• Według zastosowania: silniki napędowe, silniki sterujące itp.

 

Biorąc za przykład silniki prądu stałego, ich konstrukcja zazwyczaj składa się ze stojana i wirnika:

• Stojan: Stała część silnika, która wytwarza pole magnetyczne.
• Wirnik: Podstawowy element odpowiedzialny za obrót i konwersję energii, zwany także twornikiem, który stanowi piastę wyjściową mocy silnika.

Podobnie jak silniki prądu stałego, silniki prądu przemiennego składają się również ze stojana i wirnika jako głównych elementów, a także z obudowy i innych części pomocniczych. Niezależnie od tego, czy są to silniki prądu stałego, czy prądu przemiennego, koordynacja tych podstawowych komponentów decyduje o wydajności silnika.

 

W technologii robotów wyróżniają się silniki bezrdzeniowe. W ich unikalnej konstrukcji usunięto żelazny rdzeń, dzięki czemu stojan i wirnik można dopasować lżej i bardziej kompaktowo, co nie tylko zmniejsza bezwładność, ale także poprawia szybkość reakcji i wydajność, dzięki czemu idealnie nadają się do precyzyjnych połączeń robotów o małej objętości.

 

Zintegrowane silniki: idealne połączenie zmniejszonych rozmiarów i zwiększonej wydajności

Silniki mogą działać jako samodzielne komponenty, ale w wielu nowoczesnych urządzeniach często są integrowane z innymi częściami, tworząc wydajne, zunifikowane systemy. Ta zintegrowana konstrukcja nie tylko zmniejsza całkowity rozmiar urządzenia, ale także zwiększa wykorzystanie przestrzeni i wydajność. Na przykład:

• Napęd elektryczny „trzy w jednym": połączenie silnika, reduktora i sterownika silnika, szeroko stosowane w pojazdach elektrycznych, znacznie zmniejsza rozmiar i wagę urządzenia.
• Napęd elektryczny „sześć w jednym": oprócz silnika, reduktora i sterownika zawiera przetwornicę DC/DC, ładowarkę i skrzynkę rozdzielczą, co dodatkowo optymalizuje wykorzystanie przestrzeni.
• Napęd elektryczny osiem w jednym: dodatkowo integruje system zarządzania akumulatorem i sterownik pojazdu, zapewniając bardziej kompaktowe i wydajne rozwiązanie dla pojazdów elektrycznych.

W dziedzinie robotów humanoidalnych zastosowanie silników bezrdzeniowych nie tylko zapewnia wysoką precyzję napędzania przegubów robotów, ale także sprzyja lekkiej i kompaktowej konstrukcji konstrukcji robota. Na przykład zintegrowanie silnika bezrdzeniowego z reduktorem i sterownikiem może skutecznie zmniejszyć zajętość przestrzeni wspólnej, poprawiając jednocześnie ogólną szybkość reakcji i niezawodność systemu.

 

W technologii robotyki wybór silnika bezpośrednio determinuje wydajność i efektywność zastosowania sprzętu. Silniki powszechnie stosowane w robotach obejmują głównie następujące trzy typy: silniki prądu stałego, silniki serwo i silniki krokowe.

 

3.1 Silniki prądu stałego

Silniki prądu stałego są szeroko stosowane w różnych dziedzinach i dzielą się głównie na dwa typy: szczotkowe silniki prądu stałego i bezszczotkowe silniki prądu stałego.

 

3.1.1 Szczotkowe silniki prądu stałego

Szczotkowe silniki prądu stałego to wcześniejsza technologia silników o następujących cechach:

• Prosta konstrukcja, niski koszt: polegaj na kontakcie szczotek z wirnikiem, aby osiągnąć funkcję komutacji.
• Niskie wymagania dotyczące napędu: Prędkość silnika jest wprost proporcjonalna do przyłożonego napięcia, dzięki czemu sterowanie jest bardziej intuicyjne.

 

Wady:

• Zużycie szczotek powoduje konieczność częstej konserwacji.
• Podczas pracy łatwo powstają zakłócenia elektromagnetyczne, które charakteryzują się stosunkowo niską niezawodnością.
• Krótsza żywotność, co czyni go mniej atrakcyjnym w projektowaniu robotów.

 

3.1.2 Bezszczotkowe silniki prądu stałego

Bezszczotkowe silniki prądu stałego są ulepszoną wersją silników prądu stałego, wyróżniającą się pod kilkoma względami:

• Zastosowanie magnesu stałego: trwałe, małe rozmiary i stosunkowo niski koszt.
• Komutacja elektroniczna: zastępuje tradycyjne szczotki, aby uzyskać przełączanie pola magnetycznego, poprawiając wydajność i niezawodność.
• Precyzyjne sterowanie: Dzięki czujnikom sprzężenia zwrotnego położenia (takim jak czujniki Halla, enkodery optyczne lub urządzenia wykrywające tylne pole elektromagnetyczne) bezszczotkowe silniki prądu stałego mogą precyzyjniej kontrolować prędkość i położenie.

 

Chociaż obwody sterujące są bardziej złożone, bezszczotkowe silniki prądu stałego znacznie przewyższają silniki szczotkowe pod względem wydajności i żywotności, co czyni je preferowanym typem silników do wspólnych napędów robotów. W szczególności bezrdzeniowe, bezszczotkowe silniki prądu stałego, charakteryzujące się wysoką wydajnością, niską bezwładnością i szybką reakcją, są szczególnie odpowiednie do zastosowań robotycznych wymagających wysokiej precyzji i lekkiej konstrukcji.

3.2 Serwomotory

Serwosilniki, zwane również silnikami wykonawczymi, są podstawowymi elementami wykonawczymi w automatycznych systemach sterowania. Ich cechy obejmują:

• Precyzyjne pozycjonowanie: osiąga przemieszczenie kątowe lub prędkość kątową na wale poprzez odbiór sygnałów impulsowych.
• Sterowanie w pętli zamkniętej: Serwomotory mogą wysyłać sygnały impulsowe odpowiadające kątowi obrotu, tworząc system w pętli zamkniętej poprzez połączenie sygnałów wejściowych, uzyskując w ten sposób precyzyjną kontrolę obrotu.
• Klasyfikacja DC i AC: Serwosilniki dzielą się na serwosilniki prądu stałego i serwosilniki prądu przemiennego. Chociaż istnieją niewielkie różnice w wydajności i scenariuszach zastosowań, oba mogą precyzyjnie regulować prędkość i pozycję w oparciu o sygnały sterujące.
• Wysoka precyzja właściwości serwomotorów sprawia, że ​​są one szeroko stosowane w precyzyjnych operacjach robotycznych efektorów końcowych, takich jak ramiona robota i palce robota.

3.3 Silniki krokowe

Silniki krokowe to elementy sterujące w otwartej pętli, które przekształcają sygnały impulsów elektrycznych na przemieszczenie kątowe lub przemieszczenie liniowe. Ich cechy obejmują:

• Sterowanie krokowe: Po każdym odebraniu sygnału impulsowego silnik obraca się o stały kąt zgodnie z ustawionym kątem kroku.
• Nie ma potrzeby stosowania pętli zamkniętej: silniki krokowe mogą osiągnąć precyzyjną kontrolę przemieszczenia kątowego poprzez ciągłe sygnały impulsów elektrycznych bez sprzężenia zwrotnego położenia.
• Ekonomiczne: w porównaniu do serwomotorów, silniki krokowe są tańsze i nadają się do zastosowań o niższych wymaganiach dotyczących precyzji.
• Silniki krokowe są powszechnie stosowane w tanich komponentach konstrukcji robotów, takich jak proste złącza, napędy taśm przenośnikowych i nie tylko.

 

Robot humanoidalny Tesla Optimus wykorzystuje 28 siłowników, w tym 14 siłowników liniowych i 14 siłowników obrotowych. Siłowniki te odpowiadają za wspieranie robota w wykonywaniu złożonych czynności, takich jak chód i chwytanie. Ogólnie rzecz biorąc, roboty dwunożne muszą być wyposażone w serwomotory prądu stałego o mocy od 30 do 40, które mają niewielkie rozmiary i muszą spełniać wymagania dotyczące dużej mocy, dużej gęstości i szybkości reakcji.

 

Optimus wykorzystuje trzy typy siłowników liniowych i trzy typy siłowników obrotowych. Wśród nich siłowniki liniowe obejmują bezrdzeniowe silniki momentowe i planetarne śruby kulkowe, natomiast siłowniki obrotowe łączą w sobie bezrdzeniowe silniki momentowe i reduktory harmonicznych. Konkretny rozkład siłowników jest następujący:

• Ramię: 6 siłowników obrotowych
• Kolano: 2 siłowniki liniowe
• Nadgarstek: 2 obrotowe + 4 siłowniki liniowe
• Tułów: 2 siłowniki obrotowe
• Biodro: 4 obrotowe + 2 siłowniki liniowe
• Kolano: 2 siłowniki liniowe
• Kostka: 4 siłowniki liniowe

Takie rozmieszczenie siłowników zapewnia elastyczność i stabilność robota w złożonych środowiskach.

 

Bezrdzeniowy silnik momentowy to lekki, wysokowydajny serwosilnik, zaprojektowany specjalnie do przegubów robotycznych i innych precyzyjnych zastosowań. Jego unikalna struktura zapewnia następujące godne uwagi cechy:

• Modułowa konstrukcja, łatwa do zintegrowania: Bezrdzeniowy silnik momentowy składa się ze stojana i wirnika, bez tradycyjnej obudowy silnika. Taka konstrukcja pozwala inżynierom dostosować obudowę, łożyska i elementy czujnika do swoich potrzeb, dzięki czemu można je dostosować do różnych struktur systemów.
• Kompaktowy rozmiar i lekkość: w porównaniu z silnikami w obudowie silnik bezrdzeniowy znacznie zmniejsza całkowity rozmiar i wagę, dzięki czemu idealnie nadaje się do systemów wymagających zintegrowanych rozwiązań.
• Wysoka wydajność i szybka reakcja: dzięki unikalnej konstrukcji silnik bezrdzeniowy zapewnia szybką reakcję dynamiczną, spełniając wymagania nowoczesnych robotów dotyczące wysokiej precyzji i energooszczędnego ruchu stawów.

Dzięki tym cechom bezrdzeniowy silnik momentowy jest szeroko stosowany w dziedzinach wymagających wysokich wydajności, w tym w robotyce, motoryzacji, lotnictwie i sprzęcie medycznym.

 

Bezrdzeniowy silnik miskowy to kluczowy element zręcznych rąk humanoidalnego robota, szczególnie odpowiedni do stawów palców w scenariuszach wymagających ograniczonej przestrzeni i dużej precyzji. Przeguby klinowe zazwyczaj wymagają zminiaturyzowanych silników, które zapewniają znaczną siłę, zapewniając jednocześnie lekkość i wysoką precyzję. Wiodący producenci robotów, tacy jak Tesla, powszechnie stosują bezrdzeniowy silnik kubkowy, zapewniający idealne wsparcie mocy dla zręczności rąk robota.

 

Podstawowe zalety bezrdzeniowych silników kubkowych

Konstrukcja pozbawiona zębów, poprawia precyzję i płynność pracy: Bezrdzeniowy silnik miskowy ma konstrukcję bezrdzeniową, pozbawioną zębów, całkowicie eliminującą wibracje i hałas powodowany przez efekt zębaty obserwowany w tradycyjnych silnikach. Ta cecha znacząco poprawia płynność pracy silnika, dzięki czemu wyjątkowo nadaje się do precyzyjnego sterowania ruchem w przegubach palców humanoidalnych robotów.

 

Wysoka wydajność i szybka reakcja: Bezrdzeniowy silnik kubkowy przełamuje tradycyjną konstrukcję silnika z żelaznym rdzeniem, przyjmując konstrukcję bezrdzeniową wirnika, co znacznie zmniejsza straty prądów wirowych i poprawia wydajność silnika. Jednocześnie lekka konstrukcja wirnika zapewnia mu doskonałe możliwości rozruchu i hamowania, oferując dynamiczną reakcję, która spełnia precyzyjne wymagania złożonych działań.

 

Oszczędność energii i niezawodność: Eliminując straty energii występujące w silnikach z żelaznym rdzeniem, bezrdzeniowy silnik garnkowy charakteryzuje się wyjątkową wydajnością w zakresie oszczędzania energii. Dodatkowo uproszczona konstrukcja zmniejsza tarcie mechaniczne, dodatkowo zwiększając żywotność i niezawodność, zapewniając stabilną pracę nawet w przypadku operacji o wysokiej częstotliwości.

 

Elastyczne zastosowanie w zminiaturyzowanych scenariuszach: dzięki kompaktowym rozmiarom i lekkiej konstrukcji bezrdzeniowy silnik kubkowy idealnie nadaje się do miniaturowych jednostek ruchu, takich jak stawy palców i nadgarstków robotów humanoidalnych. Co więcej, jego konstrukcja pozbawiona zębów i wysoka wydajność sprawiają, że jest on szeroko stosowany w takich dziedzinach, jak sprzęt medyczny, instrumenty precyzyjne i lotnictwo.

 

Rozwój technologiczny i perspektywy na przyszłość

Bezrdzeniowy silnik kubka, łączący efektywność energetyczną, wysoką precyzję i stabilność, stanowi wysokowydajne urządzenie do konwersji energii. W miarę ciągłego rozwoju technologii robotyki bezrdzeniowy silnik kubka będzie w dalszym ciągu optymalizować moc wyjściową i stosunek objętości, popychając zręczne ręce humanoidalnego robota do bardziej wydajnych zastosowań w różnych scenariuszach.

 

Kontynuuj czytanie:Dlaczego roboty humanoidalne otwierają nowy błękitny ocean dla zastosowań w silnikach bezrdzeniowych – część 1