Srdce robotického pohybu – Rozhodující role motorů v přesnosti

 

Motory jako jádro robotického hnutí pohánějícího hardware

Jako zdroj hnacího momentu jsou motory klíčové při aplikaci robotických kloubů. Motor, běžně označovaný jako „motor", je zařízení, které převádí nebo přenáší elektrickou energii podle zákona elektromagnetické indukce, který je v obvodech reprezentován písmenem „M". Jeho primární funkcí je generovat hnací moment a dodávat energii pro různé elektrické spotřebiče a mechanická zařízení.

 

V oblasti robotiky je kloubní systém klíčovou součástí pro dosahování různých pohybů, přičemž kloubové motory jsou považovány za prováděcí jednotku celého systému. Kompletní robotický kloub obvykle obsahuje ovladač, ovladač a kloubový motor. Kloubový motor potřebuje nejen provádět úkoly, jako je snížení rychlosti, přenos a zvýšení točivého momentu, ale také musí řídit pohyb kloubu s vysokou přesností.

 

Kloubový motor robota přímo ovlivňuje složité akce, jako je chůze, běh a skákání. Je známý jako „srdce" robota a jeho výkon hraje rozhodující roli v přesnosti a účinnosti robota.

 

Bezjádrový motor: Hnací síla technologie robotických kloubů

Bezjádrové motory se v posledních letech postupně staly oblíbenými v oblasti robotiky díky jejich vysoké účinnosti, nízké hmotnosti a rychlé odezvy. Ve srovnání s tradičními motory mohou bezjádrové motory s rotorem s dutou miskovou strukturou a extrémně nízkou setrvačností reagovat citlivěji na řídicí signály. Tato funkce je ideální pro klouby robotů, zejména ve scénářích, které vyžadují rychlé a přesné pohyby, jako jsou humanoidní roboti provádějící jemné nebo složité akce.

 

Historie a rozšířená aplikace motorů

Historie motorů sahá až do 19. století. V roce 1820 dánský fyzik Hans Christian Ørsted objevil magnetický účinek elektrických proudů, čímž položil základy elektromagnetické teorie. Následující rok vytvořil britský vědec Michael Faraday první experimentální model elektrického motoru. Od té doby se technologie motorů neustále vyvíjela a postupně se stala nepostradatelnou součástí průmyslové výroby a každodenního života.

 

Tradiční motory se obvykle skládají ze statorového vinutí, rotující kotvy nebo rotoru a dalšího příslušenství. Prostřednictvím rotujícího magnetického pole generovaného statorovým vinutím vytváří kotva proud a otáčí se silou magnetického pole. Tento princip konstrukce se uplatňuje dodnes, ale motory nové generace, jako jsou motory bez jádra, přinesly revoluční průlomy v materiálech a struktuře, díky nimž zazáří v robotické technologii.

 

Graf: Historie vývoje motorů

 

 

Existují různé typy motorů, které lze klasifikovat podle různých rozměrů, jako je rozsah použití, konstrukční vlastnosti a pracovní principy. Hlavní klasifikace jsou následující:

• Podle druhu pracovního výkonu: DC motory a AC motory.
• Podle struktury a principu činnosti: včetně stejnosměrných motorů, asynchronních motorů a synchronních motorů.
• Podle použití: hnací motory, řídicí motory atd.

 

Vezmeme-li jako příklad stejnosměrné motory, jejich struktura se obvykle skládá ze statoru a rotoru:

• Stator: Pevná část motoru, která generuje magnetické pole.
• Rotor: Základní komponenta zodpovědná za rotaci a přeměnu energie, nazývaná také kotva, která je výstupním nábojem motoru.

Podobně jako u stejnosměrných motorů se střídavé motory také skládají ze statoru a rotoru jako hlavních součástí, plus skříně a dalších pomocných částí. Bez ohledu na to, zda jde o stejnosměrné nebo střídavé motory, koordinace těchto základních komponent určuje výkon motoru.

 

V robotické technologii vynikly bezjádrové motory. Jejich jedinečný design odstraňuje železné jádro, což umožňuje, aby stator a rotor zapadly lehčeji a kompaktněji, což nejen snižuje setrvačnost, ale také zlepšuje rychlost odezvy a účinnost, takže jsou ideální pro vysoce přesné, maloobjemové robotické spoje.

 

Integrované motory: Dokonalá kombinace zmenšené velikosti a zvýšené účinnosti

Motory mohou fungovat jako samostatné komponenty, ale v mnoha moderních zařízeních jsou často integrovány s jinými částmi a tvoří tak efektivní, jednotné systémy. Tento integrovaný design nejen snižuje celkovou velikost zařízení, ale také zvyšuje využití prostoru a výkon. Například:

• Elektrický pohon tři v jednom: Společná integrace motoru, reduktoru a ovladače motoru, široce používaná v elektrických vozidlech, výrazně snižuje velikost a hmotnost zařízení.
• Elektrický pohon šest v jednom: Kromě motoru, redukce a ovladače obsahuje DC/DC měnič, nabíječku a rozvodnou skříň, což dále optimalizuje využití prostoru.
• Elektrický pohon osm v jednom: Dále integruje systém správy baterie a řídicí jednotku vozidla, čímž poskytuje kompaktnější a efektivnější řešení pro elektrická vozidla.

V oblasti humanoidních robotů umožňuje aplikace bezjádrových motorů nejen vysoce přesné řízení robotických kloubů, ale také podporuje lehkou a kompaktní konstrukci robotické konstrukce. Například integrace bezjádrového motoru s reduktorem a ovladačem může účinně snížit zabírání prostoru pro spoje a zároveň zlepšit celkovou rychlost odezvy a spolehlivost systému.

 

V robotické technologii výběr motoru přímo určuje výkon a efektivitu použití zařízení. Motory běžně používané v robotech zahrnují především následující tři typy: stejnosměrné motory, servomotory a krokové motory.

 

3.1 DC motory

Stejnosměrné motory jsou široce používány v různých oblastech a dělí se především na dva typy: kartáčované DC motory a bezkomutátorové DC motory.

 

3.1.1 Kartáčované stejnosměrné motory

Kartáčované stejnosměrné motory jsou dřívější technologií motorů s následujícími vlastnostmi:

• Jednoduchá konstrukce, nízká cena: Spolehněte se na kontakt mezi kartáči a rotorem, abyste dosáhli komutační funkce.
• Nízké požadavky na pohon: Otáčky motoru jsou přímo úměrné použitému napětí, takže ovládání je intuitivnější.

 

Nevýhody:

• Opotřebení kartáče vede k nutnosti časté údržby.
• Během provozu snadno vzniká elektromagnetické rušení s relativně nízkou spolehlivostí.
• Kratší životnost, díky čemuž je v designu robota méně atraktivní.

 

3.1.2 Bezkomutátorové stejnosměrné motory

Bezkomutátorové stejnosměrné motory jsou vylepšenou verzí stejnosměrných motorů, které vynikají v několika aspektech:

• Použití permanentního magnetu: Odolné, malé rozměry a relativně nízké náklady.
• Elektronická komutace: Nahrazuje tradiční kartáče pro dosažení přepínání magnetického pole, čímž se zvyšuje účinnost a spolehlivost.
• Přesné řízení: Prostřednictvím snímačů polohové zpětné vazby (jako jsou Hallovy snímače, optické kodéry nebo zadní detekční zařízení EMF) mohou bezkomutátorové stejnosměrné motory řídit rychlost a polohu přesněji.

 

Přestože je řídicí obvod složitější, bezkomutátorové stejnosměrné motory výrazně převyšují výkon a životnost kartáčovaných motorů, což z nich dělá preferovaný typ motoru pro kloubové pohony robotů. Zejména bezjádrové bezkomutátorové stejnosměrné motory se svou vysokou účinností, nízkou setrvačností a rychlou odezvou jsou vhodné zejména pro robotické aplikace vyžadující vysokou přesnost a nízkou hmotnost.

3.2 Servomotory

Servomotory, známé také jako akční motory, jsou hlavními prováděcími komponentami v automatických řídicích systémech. Mezi jejich vlastnosti patří:

• Vysoce přesné polohování: Dosahuje úhlového posunutí nebo výstupu úhlové rychlosti na hřídeli přijímáním pulzních signálů.
• Řízení s uzavřenou smyčkou: Servomotory mohou vysílat pulzní signály odpovídající úhlu natočení, čímž tvoří systém s uzavřenou smyčkou kombinací vstupních signálů, čímž je dosaženo přesné regulace otáčení.
• Klasifikace DC a AC: Servomotory se dělí na DC servomotory a AC servomotory. I když existují drobné rozdíly ve výkonu a scénářích aplikace, oba mohou přesně nastavit rychlost a polohu na základě řídicích signálů.
• Vysoce přesné vlastnosti servomotorů je činí široce používanými v přesných operacích robotických koncových efektorů, jako jsou robotická ramena a prsty robota.

3.3 Krokové motory

Krokové motory jsou ovládací prvky s otevřenou smyčkou, které převádějí elektrické impulsní signály na úhlové nebo lineární výchylky. Mezi jejich vlastnosti patří:

• Krokové řízení: Pokaždé, když je přijat pulzní signál, motor se otočí o pevný úhel podle nastaveného úhlu kroku.
• Není potřeba uzavřená smyčka: Krokové motory mohou dosáhnout přesného řízení úhlového posunutí pomocí nepřetržitých elektrických pulzních signálů bez zpětné vazby polohy.
• Nákladově efektivní: Ve srovnání se servomotory jsou krokové motory levnější a jsou vhodné pro aplikace s nižšími požadavky na přesnost.
• Krokové motory se běžně používají v levných součástech v konstrukcích robotů, jako jsou jednoduché spoje, pohony dopravních pásů a další.

 

Humanoidní robot Tesla Optimus používá 28 pohonů, z toho 14 lineárních pohonů a 14 rotačních pohonů. Tyto aktuátory jsou zodpovědné za podporu robota při provádění složitých akcí, jako je chůze a uchopování. Obecně řečeno, bipedální roboty musí být vybaveny 30 až 40 stejnosměrnými servomotory, které jsou kompaktní velikosti a musí splňovat požadavky na vysoký výkon, vysokou hustotu a rychlou odezvu.

 

Optimus používá tři typy lineárních pohonů a tři typy rotačních pohonů. Mezi nimi lineární pohony zahrnují momentové motory bez jádra a planetové kuličkové šrouby, zatímco rotační pohony kombinují momentové motory bez jádra a harmonické redukce. Konkrétní rozdělení pohonů je následující:

• Rameno: 6 otočných ovladačů
• Koleno: 2 lineární pohony
• Zápěstí: 2 rotační + 4 lineární pohony
• Torzo: 2 rotační pohony
• Kyčel: 4 rotační + 2 lineární pohony
• Koleno: 2 lineární pohony
• Kotník: 4 lineární pohony

Tato distribuce pohonů zajišťuje flexibilitu a stabilitu robota ve složitých prostředích.

 

Bezjádrový momentový motor je lehký, vysoce účinný servomotor, speciálně navržený pro robotické klouby a další přesné aplikace. Jeho jedinečná struktura poskytuje následující pozoruhodné vlastnosti:

• Modulární konstrukce, snadná integrace: Bezjádrový momentový motor se skládá ze statoru a rotoru, bez tradiční skříně motoru. Tato konstrukce umožňuje inženýrům přizpůsobit pouzdro, ložiska a součásti snímače podle jejich potřeb, takže je lze přizpůsobit různým strukturám systému.
• Kompaktní velikost, nízká hmotnost: Ve srovnání s motory s krytem motor bez jádra výrazně snižuje celkovou velikost a hmotnost, takže je ideální pro systémy vyžadující integrovaná řešení.
• Vysoký výkon a rychlá odezva: Díky své jedinečné konstrukci nabízí bezjádrový motor rychlou dynamickou odezvu, která splňuje požadavky moderních robotů na vysokou přesnost a energeticky účinný pohyb kloubů.

Díky těmto vlastnostem je bezjádrový momentový motor široce používán ve vysoce výkonných oblastech řízení, včetně robotiky, automobilového průmyslu, letectví a lékařského vybavení.

 

Motor bez jádra je klíčovou součástí šikovných rukou humanoidního robota, zvláště vhodný pro klouby prstů ve scénářích, které vyžadují omezený prostor a vysokou přesnost. Klouby prstů obvykle potřebují miniaturizované motory, které poskytují značnou sílu a zároveň zajišťují nízkou hmotnost a vysokou přesnost. Přední výrobci robotů, jako je Tesla, široce přijímají řešení bezjádrového pohárkového motoru, které poskytuje ideální výkonovou podporu pro obratnost robotických rukou.

 

Hlavní výhody motorů Coreless Cup

Konstrukce bez ozubení, zlepšuje přesnost a hladký provoz: Bezjádrový hrncový motor využívá bezjádrový design bez ozubení, který zcela eliminuje vibrace a hluk způsobený kogulovacím efektem pozorovaným u tradičních motorů. Tato charakteristika výrazně zlepšuje plynulost chodu motoru, díky čemuž je mimořádně vhodný pro vysoce přesné řízení pohybu v kloubech prstů humanoidních robotů.

 

Vysoká účinnost a rychlá odezva: Bezjádrový hrncový motor prolamuje tradiční konstrukci motoru s železným jádrem tím, že využívá konstrukci rotoru bez jádra, což výrazně snižuje ztráty vířivými proudy a zlepšuje účinnost motoru. Mezitím, nízká hmotnost rotoru poskytuje vynikající startovací a brzdné schopnosti a nabízí dynamickou odezvu, která splňuje přesné požadavky na komplexní akce.

 

Úspora energie a spolehlivost: Eliminací energetických ztrát, které se vyskytují u motorů s železným jádrem, prokazuje bezjádrový hrncový motor výjimečný energeticky úsporný výkon. Jeho zjednodušená struktura navíc snižuje mechanické tření, dále zvyšuje životnost a spolehlivost a zajišťuje stabilní výkon i při vysokofrekvenčních provozech.

 

Flexibilní aplikace v miniaturizovaných scénářích: Díky své kompaktní velikosti a lehké konstrukci je bezjádrový pohárkový motor ideální pro miniaturní pohybové jednotky, jako jsou klouby prstů a zápěstí u humanoidních robotů. Navíc jeho konstrukce bez ozubení a vysoká účinnost jej činí široce použitelným v oborech, jako je lékařské vybavení, přesné přístroje a letecký průmysl.

 

Technologický rozvoj a vyhlídky do budoucna

Bezjádrový hrncový motor, integrující energetickou účinnost, vysokou přesnost a stabilitu, představuje vysoce výkonné zařízení pro přeměnu energie. Jak robotická technologie pokračuje vpřed, bezjádrový motor bude dále optimalizovat výkon a poměr objemu, čímž posune šikovné ruce humanoidního robota do efektivnějších aplikací v různých scénářích.

 

Pokračovat ve čtení:Proč humanoidní roboti otevírají nový modrý oceán pro aplikace bezjádrových motorů – část 1