Как прогресс в конструировании двигателей формирует следующее поколение роботов

Двигатель в сердце каждого робота

Каждый робот, независимо от его сложности и назначения, в конечном итоге определяется его двигателями. Эти компоненты определяют, насколько быстро робот может двигаться, насколько точно он может позиционировать себя, какую силу он может развивать и как эффективно он использует энергию. За последнее десятилетие прогресс в конструировании двигателей фундаментально изменил возможности роботов, обеспечив как глубокую специализацию для промышленных функций, так и удивительную конвергенцию между типами роботов, которые когда-то считались совершенно отдельными категориями.

История современных робототехнических двигателей — это, во многом, история постоянно-магнитных бесщеточных сервомоторов. Эти устройства завоевали лидирующие позиции, особенно в промышленных шестиосных роботах, благодаря исключительной плотности крутящего момента, надежности и отсутствию проблем с обслуживанием, связанных с щеточными конструкциями. Однако в пределах этой широкой категории развилась богатая экосистема специализированных конфигураций для различных робототехнических приложений.

Шестиосные промышленные манипуляторы: мощь встречает точность

Рабочая лошадка современного производства — шестиосный сочленённый робот — в значительной мере полагается на высокополюсные безкорпусные двигатели в сочетании с волновыми редукторами и абсолютными энкодерами. Эта комбинация обеспечивает крутящий момент, необходимый для манипуляции тяжелыми грузами, при одновременном сохранении точности позиционирования, требуемой для задач, таких как сварка, покраска и сборка.

Безкорпусные двигатели особенно ценны в этих приложениях, потому что они интегрируются непосредственно в структуру сустава робота, исключая вес и объем отдельного корпуса двигателя. Эта тесная интеграция снижает общую инерцию манипулятора, позволяя ускорить ускорения и обеспечить более быстрое управление движением. Тормоза удержания без питания обычно встраиваются для сохранения положения груза при отключении питания — это важная функция безопасности в промышленных условиях, где падение груза может привести к серьезным повреждениям или травмам.

Тенденция к прямому приводу в шестиосных манипуляторах также набирает обороты. Исключив редуктор полностью, двигатели прямого привода достигают нулевой люфта, что критически важно для инспекционных роботов и хирургических манипуляторов, где даже микроскопические ошибки позиционирования недопустимы.

Системы SCARA: скорость прежде всего

Избирательно-послушные сочленённые робототехнические манипуляторы, известные как системы SCARA, требуют принципиально иного набора параметров двигателя. Эти роботы оптимизированы для скорости, особенно в операциях типа pick-and-place, где время цикла является основным конкурентным показателем. Их плоские ротационные оси используют высокий крутящий момент AC сервомоторов, способных к чрезвычайно быстрым ускорениям, позволяя манипулятору мгновенно переходить между позициями с минимальным временем переходного процесса.

Вертикальная ось Z на роботах SCARA представляет собственную проблему для двигателя. Некоторые конструкции используют приводные винтовые передачи, управляемые сервомотором, для этой оси, обеспечивая высокую силу и точность позиционирования. Другие адаптировали линейные двигатели, которые исключают механическую сложность винтовой передачи, жертвуя некоторой способностью развивать силу в пользу превосходной скорости и снижением требований к обслуживанию.

Декартовы и портальные роботы: экономичная простота

На другом конце спектра сложности декартовы роботы и портальные системы отдают приоритет рентабельности и масштабируемости. Эти платформы обычно используют шаговые или сервомоторы, управляющие ремнями или винтовыми механизмами вдоль своих линейных осей. Хотя им не хватает ловкости сочленённых манипуляторов, их простые требования к двигателям переводятся в более низкие затраты на покупку и обслуживание, что делает их привлекательными для крупномасштабных производственных сред, где профиль движения относительно прост.

Шаговые двигатели остаются популярными в декартовых системах для приложений, где абсолютное позиционирование некритично, так как они предлагают привлекательное сочетание крутящего момента, простоты и цены. Когда требуется более высокая производительность, сервомоторы с обратной связью энкодера обеспечивают замкнутое управление, которое может соответствовать или превосходить точность позиционирования более сложных типов роботов.

Совместные роботы: где происходит конвергенция

Возможно, самая интересная тенденция в конструировании двигателей — это конвергенция между архитектурами промышленных и совместных роботов. Совместные роботы, или коботы, первоначально были задуманы как принципиально отличные машины — более легкие, более медленные и по своей природе более безопасные, чем их промышленные аналоги. Но по мере того, как технология безкорпусных двигателей совершенствовалась, механическая архитектура коботов все больше начала напоминать архитектуру промышленных шестиосных манипуляторов.

Современные коботы используют те же безкорпусные бесщеточные двигатели и волновые редукторы, что и промышленные роботы, но с дополнительными датчиками и функциями соответствия, позволяющими им обнаруживать и реагировать на контакт человека. Эта конвергенция означает, что мотор кобота — это, по сути, промышленный мотор с улучшенным зондированием слоев, а не принципиально отличный тип исполнительного механизма.

Возникающие технологии двигателей

Глядя вперед, аксиально-поточные и блинные конструкции двигателей набирают популярность для легких приложений. Эти конструкции предлагают исключительно низкие профили и сниженную инерцию, что делает их идеальными для суставов запястья робота и конечных эффекторов, где каждый грамм имеет значение. Хирургические роботы и системы инспекции являются ранними адептами этих конфигураций двигателей.

Интеграция машинного обучения с системами управления двигателем представляет еще один рубеж. Применяя адаптивные алгоритмы к данным производительности двигателя, роботы могут научиться компенсировать износ, изменения температуры и вариации нагрузки в реальном времени, продлевая срок службы двигателя и поддерживая производительность в течение тысяч часов эксплуатации. Эта интеграция программного и аппаратного обеспечения стирает грань между самим двигателем и интеллектом, который его контролирует, указывая на будущее, в котором робототехнические исполнительные механизмы в равной степени являются вычислительными устройствами, как и электромеханическими.

Эта статья основана на материалах The Robot Report. Читайте оригинальную статью.