Сердце движения робота: решающая роль двигателей в обеспечении точности

 

Двигатели как основное оборудование, приводящее в движение роботов

В качестве источника крутящего момента двигатели играют решающую роль в применении соединений роботов. Двигатель, обычно называемый «двигателем», представляет собой устройство, которое преобразует или передает электрическую энергию в соответствии с законом электромагнитной индукции, обозначаемым в схемах буквой «М». Его основной функцией является создание крутящего момента, обеспечивающего питание различных электроприборов и механических устройств.

 

В области робототехники система суставов является ключевым компонентом для достижения различных движений, а двигатели суставов считаются исполнительной единицей всей системы. Полное соединение робота обычно включает в себя привод, контроллер и двигатель соединения. Двигатель сустава не только должен выполнять такие задачи, как снижение скорости, передача и увеличение крутящего момента, но также должен контролировать движение сустава с высокой точностью.

 

Двигатель сустава робота напрямую влияет на сложные действия, такие как ходьба, бег и прыжки. Его называют «сердцем» робота, и его производительность играет решающую роль в точности и эффективности робота.

 

Двигатель без сердечника: движущая сила технологии соединения роботов

В последние годы двигатели без сердечника постепенно стали популярными в области робототехники благодаря их высокой эффективности, легкому весу и быстродействию. По сравнению с традиционными двигателями, двигатели без сердечника, ротор которых имеет полую чашечную конструкцию и чрезвычайно низкую инерцию, могут более чувствительно реагировать на управляющие сигналы. Эта функция идеально подходит для суставов роботов, особенно в сценариях, требующих быстрых и точных движений, например, когда роботы-гуманоиды выполняют тонкие или сложные действия.

 

История и широкое применение двигателей

История моторов берет свое начало в 19 веке. В 1820 году датский физик Ганс Кристиан Эрстед открыл магнитное действие электрических токов, заложив основу теории электромагнетизма. В следующем году британский учёный Майкл Фарадей создал первую экспериментальную модель электродвигателя. С тех пор моторная техника постоянно развивалась и постепенно стала неотъемлемой частью промышленного производства и повседневной жизни.

 

Традиционные двигатели обычно состоят из обмотки статора, вращающегося якоря или ротора и других аксессуаров. Благодаря вращающемуся магнитному полю, создаваемому обмоткой статора, якорь вырабатывает ток и вращается под действием силы магнитного поля. Этот принцип проектирования сохраняется и по сей день, но двигатели нового поколения, такие как двигатели без сердечника, совершили революционный прорыв в материалах и конструкции, заставив их проявить себя в робототехнике.

 

Диаграмма: История развития двигателей

 

 

Существуют различные типы двигателей, которые можно классифицировать по разным параметрам, таким как диапазон применения, структурные характеристики и принципы работы. Основные классификации следующие:

• По типу рабочей мощности: двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока.
• По конструкции и принципу работы: включая двигатели постоянного тока, асинхронные двигатели и синхронные двигатели.
• По применению: приводные двигатели, двигатели управления и т.д.

 

Если взять в качестве примера двигатели постоянного тока, их конструкция обычно состоит из статора и ротора:

• Статор: Неподвижная часть двигателя, генерирующая магнитное поле.
• Ротор: основной компонент, отвечающий за вращение и преобразование энергии, также называемый якорем, который является концентратором выходной мощности двигателя.

Подобно двигателям постоянного тока, двигатели переменного тока также состоят из статора и ротора в качестве основных компонентов, а также корпуса и других вспомогательных частей. Будь то двигатели постоянного или переменного тока, координация этих основных компонентов определяет производительность двигателя.

 

В робототехнике выделяются двигатели без сердечника. В их уникальной конструкции отсутствует железный сердечник, что позволяет статору и ротору устанавливаться более легко и компактно, что не только уменьшает инерцию, но также повышает скорость реакции и эффективность, что делает их идеальными для высокоточных соединений роботов небольшого объема.

 

Интегрированные двигатели: идеальное сочетание уменьшенного размера и повышенной эффективности

Двигатели могут работать как отдельные компоненты, но во многих современных устройствах они часто интегрируются с другими частями, образуя эффективные унифицированные системы. Такая интегрированная конструкция не только уменьшает общий размер устройства, но также повышает эффективность использования пространства и производительность. Например:

• Электропривод «три в одном»: объединение двигателя, редуктора и контроллера двигателя, широко используемое в электромобилях, значительно уменьшает размер и вес устройства.
• Электропривод «шесть в одном». Помимо двигателя, редуктора и контроллера, он включает в себя преобразователь постоянного тока, зарядное устройство и распределительную коробку, что еще больше оптимизирует использование пространства.
• Электропривод «восемь в одном»: обеспечивает дальнейшую интеграцию системы управления аккумулятором и контроллера транспортного средства, обеспечивая более компактное и эффективное решение для электромобилей.

В области гуманоидных роботов применение бессердечниковых двигателей не только обеспечивает высокоточное управление суставами робота, но также способствует легкому и компактному дизайну конструкции робота. Например, интеграция двигателя без сердечника с редуктором и контроллером может эффективно уменьшить занимаемое пространство, одновременно улучшая скорость реакции и надежность всей системы.

 

В робототехнике выбор двигателя напрямую определяет производительность и эффективность применения оборудования. Двигатели, обычно используемые в роботах, в основном включают следующие три типа: двигатели постоянного тока, серводвигатели и шаговые двигатели.

 

3.1 Двигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока широко используются в различных областях и в основном делятся на два типа: коллекторные двигатели постоянного тока и бесщеточные двигатели постоянного тока.

 

3.1.1 Коллекторные двигатели постоянного тока

Коллекторные двигатели постоянного тока представляют собой более раннюю технологию двигателей со следующими характеристиками:

• Простая конструкция, низкая стоимость: для достижения функции коммутации положитесь на контакт между щетками и ротором.
• Низкие требования к приводу: скорость двигателя прямо пропорциональна приложенному напряжению, поэтому управление становится более интуитивно понятным.

 

Недостатки:

• Износ щеток приводит к необходимости частого технического обслуживания.
• Электромагнитные помехи легко генерируются во время работы и имеют относительно низкую надежность.
• Более короткий срок службы, что делает его менее привлекательным при проектировании роботов.

 

3.1.2 Бесщеточные двигатели постоянного тока

Бесщеточные двигатели постоянного тока представляют собой модернизированную версию двигателей постоянного тока, превосходящую их по нескольким аспектам:

• Использование постоянного магнита: долговечность, небольшой размер и относительно низкая стоимость.
• Электронная коммутация: заменяет традиционные щетки для переключения магнитного поля, повышая эффективность и надежность.
• Точный контроль: благодаря датчикам обратной связи по положению (таким как датчики Холла, оптические энкодеры или устройства обнаружения обратной ЭДС) бесщеточные двигатели постоянного тока могут более точно контролировать скорость и положение.

 

Хотя схема управления более сложна, бесщеточные двигатели постоянного тока значительно превосходят коллекторные двигатели по производительности и сроку службы, что делает их предпочтительным типом двигателя для приводов шарниров роботов. В частности, бесщеточные двигатели постоянного тока без сердечника с их высоким КПД, низкой инерцией и быстрым откликом особенно подходят для роботизированных применений, требующих высокой точности и легкой конструкции.

3.2 Серводвигатели

Серводвигатели, также известные как приводные двигатели, являются основными исполнительными компонентами систем автоматического управления. Их характеристики включают в себя:

• Высокоточное позиционирование: достигается угловое смещение или угловая скорость на валу путем приема импульсных сигналов.
• Управление с обратной связью: серводвигатели могут отправлять импульсные сигналы, соответствующие углу поворота, образуя систему с обратной связью путем объединения входных сигналов, обеспечивая тем самым точное управление вращением.
• Классификация постоянного и переменного тока: Серводвигатели делятся на серводвигатели постоянного тока и серводвигатели переменного тока. Хотя существуют небольшие различия в производительности и сценариях применения, оба могут точно регулировать скорость и положение на основе сигналов управления.
• Высокоточные характеристики серводвигателей делают их широко используемыми в точных операциях роботизированных рабочих органов, таких как роботизированные руки и пальцы роботов.

3.3 Шаговые двигатели

Шаговые двигатели представляют собой компоненты управления с разомкнутым контуром, которые преобразуют электрические импульсные сигналы в угловое или линейное смещение. Их характеристики включают в себя:

• Ступенчатое управление: каждый раз при получении импульсного сигнала двигатель вращается на фиксированный угол в соответствии с заданным углом шага.
• Нет необходимости в замкнутом контуре: шаговые двигатели могут обеспечить точное управление угловым смещением посредством непрерывных электрических импульсных сигналов без обратной связи по положению.
• Экономичность: по сравнению с серводвигателями шаговые двигатели дешевле и подходят для применений с более низкими требованиями к точности.
• Шаговые двигатели обычно используются в недорогих компонентах робототехнических конструкций, таких как простые соединения, приводы конвейерных лент и т. д.

 

Гуманоидный робот Tesla Optimus использует 28 приводов: 14 линейных и 14 вращательных. Эти приводы отвечают за поддержку робота при выполнении сложных действий, таких как походка и хватание. Вообще говоря, двуногие роботы должны быть оснащены от 30 до 40 серводвигателями постоянного тока, которые имеют компактные размеры и должны отвечать требованиям высокой мощности, высокой плотности и быстрого реагирования.

 

Optimus использует три типа линейных приводов и три типа вращательных приводов. Среди них линейные приводы включают в себя моментные двигатели без сердечника и планетарные ролико-шариковые пары, а вращательные приводы сочетают в себе моментные двигатели без сердечника и гармонические редукторы. Конкретное распределение исполнительных механизмов следующее:

• Плечо: 6 поворотных приводов
• Колено: 2 линейных привода
• Наручные: 2 вращательных линейных привода + 4
• Торс: 2 вращательных привода
• Бедро: 4 вращательных линейных привода + 2
• Колено: 2 линейных привода
• Голеностопный сустав: 4 линейных привода

Такое распределение приводов обеспечивает гибкость и стабильность робота в сложных условиях.

 

Моментный двигатель без сердечника - это легкий и высокоэффективный серводвигатель, специально разработанный для роботизированных соединений и других прецизионных приложений. Его уникальная структура обеспечивает следующие примечательные особенности:

• Модульная конструкция, простая в интеграции: моментный двигатель без сердечника состоит из статора и ротора без традиционного корпуса двигателя. Такая конструкция позволяет инженерам настраивать корпус, подшипники и компоненты датчиков в соответствии со своими потребностями, что делает их адаптируемыми к различным структурам системы.
• Компактный размер, легкий вес: по сравнению с корпусными двигателями двигатель без сердечника значительно уменьшает общий размер и вес, что делает его идеальным для систем, требующих интегрированных решений.
• Высокая производительность и быстрый отклик. Благодаря своей уникальной конструкции бессердечниковый двигатель обеспечивает быструю динамическую реакцию, отвечая требованиям современных роботов к высокой точности и энергоэффективности в движении суставов.

Благодаря этим характеристикам бессердечниковый моментный двигатель широко используется в высокопроизводительных областях привода, включая робототехнику, автомобилестроение, аэрокосмическую и медицинскую технику.

 

Чашечный двигатель без сердечника является ключевым компонентом ловких рук робота-гуманоида, особенно подходящим для суставов пальцев в сценариях, требующих ограниченного пространства и высокой точности. Для шарнирных соединений пальцев обычно требуются миниатюрные двигатели, которые обеспечивают значительную силу, обеспечивая при этом легкий вес и высокую точность. Ведущие производители роботов, такие как Tesla, широко применяют бессердечниковый двигатель с чашкой, обеспечивающий идеальную силовую поддержку для ловкости рук робота.

 

Основные преимущества двигателей с чашкой без сердечника

Конструкция без зубцов повышает точность и плавность работы: чашечный двигатель без сердечника имеет конструкцию без зубцов, полностью устраняющую вибрацию и шум, вызванные эффектом зубцов, наблюдаемым в традиционных двигателях. Эта характеристика значительно улучшает плавность работы двигателя, что делает его исключительно подходящим для высокоточного управления движением суставов пальцев гуманоидных роботов.

 

Высокая эффективность и быстрый отклик: чашечный двигатель без сердечника разрушает традиционную конструкцию двигателя с железным сердечником, приняв конструкцию ротора без сердечника, что значительно снижает потери на вихревые токи и повышает эффективность двигателя. Между тем, легкий вес ротора обеспечивает ему превосходные возможности запуска и торможения, обеспечивая динамический отклик, отвечающий точным требованиям сложных действий.

 

Энергосбережение и надежность: устраняя потери энергии, присущие двигателям с железным сердечником, двигатель с чашкой без сердечника демонстрирует исключительные показатели энергосбережения. Кроме того, его упрощенная конструкция снижает механическое трение, что еще больше увеличивает срок службы и надежность, обеспечивая стабильную работу даже при высокочастотных операциях.

 

Гибкое применение в миниатюрных сценариях: благодаря своим компактным размерам и легкой конструкции бессердечный двигатель с чашкой идеально подходит для миниатюрных движущихся узлов, таких как суставы пальцев и запястий гуманоидных роботов. Кроме того, конструкция без зазубрин и высокая эффективность делают его широко применимым в таких областях, как медицинское оборудование, точные инструменты и аэрокосмическая промышленность.

 

Технологическое развитие и перспективы на будущее

Чашечный двигатель без сердечника, сочетающий в себе энергоэффективность, высокую точность и стабильность, представляет собой высокопроизводительное устройство преобразования энергии. По мере того, как робототехнические технологии продолжают развиваться, чашечный двигатель без сердечника будет еще больше оптимизировать выходную мощность и соотношение объемов, позволяя ловким рукам робота-гуманоида выполнять более эффективные применения в различных сценариях.

 

Продолжить чтение:Почему роботы-гуманоиды открывают новый голубой океан для бессердечных двигателей. Часть 1