Roboții îndeplinesc sarcini specifice pre-planificate, cum ar fi lucrul la linia de asamblare, asistența chirurgicală, preluarea/recuperarea din depozit și chiar sarcini periculoase, cum ar fi îndepărtarea minelor de teren. Roboții de astăzi sunt capabili să gestioneze nu numai sarcini foarte repetitive, ci și funcții complexe care necesită flexibilitate în direcție. și mișcarea. Pe măsură ce tehnologia avansează, viteza și dexteritatea cresc, iar costurile scad, roboții vor fi adoptați treptat pe scară largă. Avantajul de cost de a fi mai mic decât forța de muncă ne oferă, de asemenea, o privire asupra industriei robotice. În plus, progresele în viziunea artificială, puterea de calcul și rețelele vor conduce, de asemenea, la popularizarea aplicațiilor robotice și a acestor mașini de înaltă performanță.
Realizarea omului se datorează următoarelor aspecte ale îmbunătățirii:
1. Senzori complexi
2. Puterea de calcul și algoritmi care permit luarea deciziilor și mișcarea în timp real.
3. Motoare care progresează rapid și precis puterea mecanică pentru a realiza sarcini complexe!
Când selectează în mod specific un tip și un model de motor, proiectantul trebuie să ia în considerare trei factori primari pe care trebuie să ia în considerare.
1. Viteza (și accelerația) minimă și maximă a motorului.
2. Cuplul maxim pe care îl poate furniza motorul și relația dintre curbele de cuplu și viteză.
3. acuratețea și repetabilitatea funcționării motorului (fără senzori și control în buclă închisă); Desigur, există mulți alți factori importanți de luat în considerare atunci când alegeți un motor, cum ar fi dimensiunea, greutatea și costul. Pentru aproape toate actuatoarele robotizate mici sau mijlocii, alegerea motoarelor de antrenare este de obicei între motoare cu perii de curent continuu, motoare cu perii de curent continuu (BLDC) și motoare pas cu pas. (Cu toate acestea, în unele cazuri presele hidraulice vs. pneumatice sunt cea mai bună alegere.)
Motoarele cu perii de curent continuu sunt cea mai veche tehnologie de motoare de curent continuu, cea mai simplă și mai puțin costisitoare. Rotirea rotorului motorului comută (comuta) câmpul magnetic al înfășurărilor din jurul rotorului datorită contactului dintre perii și rotor. Viteza motorului este o funcție de tensiunea aplicată, astfel încât cerințele de acționare sunt modeste, dar gestionarea cuplului este dificilă. Există, de asemenea, probleme de fiabilitate atunci când funcționează din cauza unor factori precum uzura periilor, necesitatea curățării și întreținerii și, potențial, a fi o sursă de zgomot electronic (interferență electromagnetică). Ca urmare a acestor probleme, motoarele de curent continuu cu perii sunt, în cea mai mare parte, opțiunea cea mai puțin atractivă pentru proiectarea roboților.
Motoarele de curent continuu fără perii au apărut în anii 1860 și au beneficiat de două dezvoltări: apariția magneților permanenți robusti, mici, cu costuri reduse; și apariția unor întrerupătoare electronice mici și eficiente (de obicei MOSFET) pentru a comuta fluxul de curent către înfășurări." Comutația electronică" înlocuiește comutația mecanică a motorului periei pentru a controla comutarea câmpului magnetic, interacțiunea dintre bobina de comutare fixă. în jur și magneții de pe miezul rotativ înlocuiesc comutația mecanică a motorului periei, adică utilizează interacțiunea dintre câmpul magnetic și câmpul electric. Prin modificarea frecvenței de comutare a MOFSET, viteza motorului poate fi controlată astfel. În plus, controlerul său de motor poate controla mai bine performanța motorului în comparație cu motoarele cu perii.
Chiar și mai bine, algoritmii avansați, cum ar fi algoritmii de corecție PID (Proportional-Integral-Differential) sau algoritmii de control FOC (Field Oriented Control, numit uneori control vectorial), pot fi consolidați în controlerul motorului. Acest lucru permite ca funcționarea ideală a motorului să fie adaptată la sarcinile reale și variațiile de sarcină, rezultând o performanță mai robustă și mai precisă a motorului. De exemplu, algoritmii/programele de control al motorului pot ține cont de factori relevanți, cum ar fi inerția rotorului și permit acționării motorului să se adapteze și să reducă treptat erorile datorate factorilor mecanici. Astfel de algoritmi fac posibilă controlul precis al accelerației și al cuplului.
Motoarele fără perii (BLDC) necesită circuite de control mai complexe, dar pot prezenta performanțe mai bune decât motoarele cu perii. De obicei, motoarele BLDC trebuie să fie echipate cu un senzor de feedback de poziție, cum ar fi un senzor cu efect Hall, un encoder optic sau un dispozitiv de detectare a potențialului invers.
Un alt tip de motor BLDC folosit în mod obișnuit la roboți este motorul pas cu pas, unde se folosește un electromagnet de comutare, situat lângă miezul central al inelului cu magnet permanent. Motoarele pas cu pas nu se „rotesc” într-un mod convențional; în schimb, își măresc treptat viteza cu ajutorul unui arbore care se rotește constant, permițând astfel un anumit unghi de rotație sau rotație continuă. Motoarele pas cu pas au control repetabil al mișcării: pot fi readuse la poziția anterioară atunci când este necesar.
Unghiurile de pas variază de la 1,8 grade (200 de trepte/rotație) până la 30 de grade (12 trepte/revoluție). Unghiul de pas sau numărul de trepte depinde de numărul de magneți permanenți pe care îi are motorul, dar sunt posibile și valori în afara acestui interval.
La motoarele pas cu pas, dacă se aplică putere, dar nu sunt îndreptate trepte, acestea vor rămâne în poziția inițială; motoarele pas cu pas oferă un cuplu mare la turații mici. Cea mai directă modalitate de a face ca un motor pas cu pas să se rotească este de a activa și dezactiva solenoidul într-un mod ordonat, dar acest lucru poate introduce fluctuații sau vibrații. Motoarele fără perii și motoarele pas cu pas au zone de aplicare parțial suprapuse. Motoarele pas cu pas sunt mai potrivite pentru aplicațiile care necesită mișcări precise de intrare și ieșire (cum ar fi pick and place), mai degrabă decât perioade lungi de rotație susținută, precum și pentru aplicații mai mici care nu necesită cuplu sau viteză mare de la motor. În plus, motoarele pas cu pas au cerințe mai scăzute de eficiență energetică decât motoarele de curent continuu fără perii. Pe lângă motoarele enumerate aici, există multe alte tipuri disponibile. Familiile motrice sunt numeroase și complexe, cu multe subdiviziuni. De exemplu, motorul sincron cu magnet permanent (PMSM) este o combinație între un motor DC fără perii (în ceea ce privește rotorul) și un motor cu inducție AC (în ceea ce privește structura statorului). Se caracterizează prin eficiență energetică ridicată, densitate relativă mare pe unitate de volum mic, raport cuplu-greutate, timp de răspuns rapid și ușurință relativă de control, dar este și relativ costisitor.
Sistemul de mișcare a robotului implică mai mult decât motoare; include trei module funcționale principale.
1.Controler în timp real, manifestat în următoarele trei forme.
Procesoare rapide de calcul pentru uz general, care rulează firmware de control al mișcării.
FPGA-uri orientate spre DSP pentru aplicații de control.
Circuite IC controler specializate cu cablare și algoritmi încorporați.
2. Unul sau mai multe straturi de driver sunt în cascadă pentru a prelua semnalele de nivel scăzut de la ieșirile controlerului și a scoate tensiunea/curentul înalt necesar pentru a porni/opri electronica de control.
3.MOSFET (sau alte dispozitive de comutare, cum ar fi IGBT sau tranzistoare bipolare), care controlează fluxul de curent către înfășurările motorului specifice
Selecția MOSFET depinde în principal de motor și de înfășurările cu dimensiunea necesară curentului și tensiunii. Model MOSFET pentru a determina în jos pentru a selecta driverul după selectarea driver MOSFET de rating MOSFET: uneori poate necesita o serie de driver de repulsie ascendentă, decizia specifică pentru a determina driverul. Uneori pot fi necesare o serie de drivere de amplificare, în funcție de dimensiunea MOSFET-urilor.
4. Probleme care pot fi întâlnite la selectarea unui controler
Selectarea modelului de controler este, de asemenea, foarte strategică și necesită luarea unei decizii înainte de a selecta un anumit furnizor și model. Există multe compromisuri atunci când alegeți dacă să utilizați un procesor de uz general numai pentru controlul motorului, un FPGA cu putere de calcul locală sau un circuit IC de control specializat (de obicei de la un anumit furnizor de control al motorului). Designerii trebuie să ia în considerare factori precum.
De ce complexitate a algoritmului de control aveți nevoie și de câte porturi I/0?
Cine va furniza algoritmul și codul de control: furnizorul de circuite integrate, un partener terț sau un dezvoltator terță parte neafiliat? Cum vor verifica și valida performanța motorului și aplicarea acestuia?
De câtă capacitate de programare a utilizatorului aveți nevoie? Chiar și controlerele dedicate, neprogramabile, vor solicita utilizatorului să selecteze tipul de algoritm, modul de control în buclă închisă (poziție, viteză sau accelerație) și va trebui să seteze o serie de parametri de funcționare. Motorul și aplicația au proprietăți unice de setat? Dacă răspunsul este da, atunci ar fi mai bine să alegeți un I programabil. În schimb, dacă nu este nevoie să modificați algoritmii, un IC dedicat cu algoritmi cablați, solidificați este de preferat unui IC complet programabil. Controlerul trebuie să accepte mai multe tipuri de motoare? Chiar dacă este de același tip, controlerul trebuie să accepte doar o singură dimensiune a motorului în acel model sau o gamă de dimensiuni?
Ce nivel de suport tehnic oferă furnizorul? Ce experiență practică de dezvoltare motrică au? Vor furniza modele de referință specifice care au fost construite și validate, inclusiv circuite de interfață între CI de control și driverul MOSFET?
Există probleme de reglementare de care trebuie să fii conștient? De exemplu, evaluări autorizate de eficiență energetică
(multe aplicații de motor trebuie acum să îndeplinească diverse cerințe de mediu „verzi”). Dacă da, furnizorul înțelege aceste probleme și componentele și algoritmii lor îndeplinesc aceste cerințe?
5. Kiturile de dezvoltare demonstrează performanța controlerului și a interfeței
Pentru mulți ingineri, reunirea tuturor pieselor - controlere, drivere, MOSFET-uri etc. cu algoritmi solidificați sau separați - este o sarcină multidisciplinară, una pe care nu vor să o „pornească de la zero”. Din acest motiv, mulți furnizori oferă plăci de evaluare sau chiar kituri complete cu algoritmi de control, drivere și MOSFET-uri. De exemplu, kitul PMSM trifazat fără senzori Freescale MTRCKTSPNZVM128 utilizează tehnologia de control al motorului fără senzori pentru a conduce un motor trifazat BLDC sau PMSM și este proiectat pentru prototipare și evaluare rapidă folosind potențiale inverse susținute de modulul ADC integrat cu ajutorul unui microcontroler. În plus, acest kit (care include microcontrolerul MC9S12ZVML12) poate fi configurat și pentru evaluarea funcționării bazată pe senzori folosind senzori Hall sau rezolutori. Viitorul roboticii este, de asemenea, foarte promițător, deoarece progresele tehnologice, inclusiv acționarea de precizie prin control și detecție îmbunătățite ale motorului, vor crea noi oportunități. Revoluțiile din domeniile cheie ale senzorilor, controlului și motoarelor vor continua să influențeze schimbările în robotică.