Достижения в области автоматизации и искусственного интеллекта (ИИ) стимулируют инновации в робототехнике, позволяя ей расширяться в новых отраслях с появлением более компактных и интеллектуальных роботов. Новые разработки в системах технического зрения и сенсорных технологиях требуют изобретательных приложений для роботов в медицине, складском хозяйстве, безопасности и автоматизации процессов. Прорывные технологии создают новые возможности для миниатюрных двигателей для решения уникальных задач рынка робототехники, включая предсказуемый контроль хирургических инструментов, безопасную и эффективную навигацию по складам и необходимую выносливость для выполнения длительных миссий по обеспечению безопасности.
Тенденция 1: мобильность и занимаемая площадь
Переход к роботизированным приложениям для совместной работы требует, чтобы системы были мобильными, быстрыми и компактными. Задачи, которые обычно выполняются руками человека, вызывают потребность в миниатюрных моторных решениях, которые могут имитировать как размер, так и возможности рук, используемых для выполнения работы. Что это означает для продуктов управления движением?
Для роботизированных приводов требуются небольшие мощные двигатели для уменьшения общего размера и веса, особенно в многосуставных решениях (роботизированное запястье, рука, локоть, торс). Компактные решения улучшают удобство использования, автономность и безопасность (более быстрое время реакции из-за меньшей инерции). Роботы-гуманоиды, протезы рук, экзоскелет и роботизированные захваты обычно требуют небольшого устройства с высокой удельной мощностью. Плотность мощности — это количество энергии, вырабатываемой на единицу объема двигателя. Двигатель, вырабатывающий больше мощности в корпусе меньшего размера, увеличивает удельную мощность, что важно там, где пространство ограничено или когда требуется максимальная мощность в фиксированном пространстве.
Высокая удельная мощность позволяет минимизировать механизмы или увеличить возможности в существующих конструкциях, что имеет решающее значение для уменьшения пространства, занимаемого движущимися элементами. Эффективность является ключевым моментом в получении максимальной мощности от данной конструкции, поскольку бесколлекторные (бесщеточные) двигатели постоянного тока (BLDC) играют важную роль в уменьшении габаритов по сравнению с обычными двигателями постоянного тока. Беспазовые двигатели (slotless motor) в сочетании с эффективными планетарными редукторами представляют собой мощный агрегат в небольшом корпусе. Независимо от того, нужна ли вам короткая, плоская, низкопрофильная конфигурация или длинная и тонкая конструкция, бесколлекторные (или бесщеточные) решения могут быть разработаны для удовлетворения конкретных требований клиентов.
Ловкость и маневренность требуют динамичной реакции и плавной работы. Беспазовые двигатели BLDC исключают момент фиксации и обеспечивают точное динамическое движение с двигателями с низким моментом инерции. В высокодинамичных приложениях, которые требуют постоянного ускорения / замедления (например, дельта-роботы и системы подбора и перемещения), критически важны высокие характеристики ускорения. Двигатели постоянного тока без сердечника и шаговые двигатели с дисковыми магнитами обладают очень низкой инерцией, что делает их правильным решением для таких приложений.
Высокоэффективные бесконтактные двигатели постоянного тока — лучший выбор для мобильных приложений с батарейным питанием, позволяющих продлить срок службы без подзарядки. Многие роботизированные приложения работают от батареи, поэтому им требуются эффективные двигатели (КПД до 90%), чтобы обеспечить более длительное время работы. Для некоторых приложений требуется высокий крутящий момент на более низких скоростях, достижимый за счет согласования двигателя с высокоэффективным редуктором (КПД до 90%). Низкий КПД редуктора отрицательно сказывается на общей эффективности системы, сокращая время работы аккумуляторной батареи и увеличивая затраты.
Тенденция 2: надежность и увеличенный срок службы
Роботизированным системам, используемым в приложениях, с тяжелыми условиями эксплуатации, придется выдерживать сложные условия окружающей среды, включая сильные удары и вибрации. Конструкция электродвигателя играет важную роль в надежности и долговечности. Двигатели с металлическими корпусами и фланцами хорошо подходят для работы в суровых условиях окружающей среды, включая наблюдение, осмотр промышленных трубопроводов и канализаций, патрулирование электросетей и автономные управляемые транспортные средства на складе. При таких экстремальных температурах и давлениях и других опасных условиях хорошо спроектированный двигатель обеспечит дополнительный срок службы по сравнению со стандартными двигателями.
От роботов в хирургических операциях требуется, чтобы они выдерживали повторяющиеся циклы высокой температуры и давления во время процесса стерилизации. Чтобы соответствовать этим требованиям, конструкция двигателя включает в себя герметизацию электромеханических и электронных компонентов. Модернизация конструкции может в несколько раз продлить срок службы двигателя, что позволит хирургическому роботу выполнить еще много операций до того, как потребуется обслуживание системы управления движением.
Тенденция 3: Безопасность и аналитика
Коллаборативные роботы (коботы или иногда встречается название совместные роботы), работающие бок о бок с людьми, должны работать безопасно и предсказуемо при столкновении с препятствием. Устройства обратной связи, такие как энкодеры, термисторы и датчики тока, играют роль в защите оператора, пациента и робота. Энкодеры с высоким разрешением обеспечивают точность, необходимую для повторяемого достижения критических положений, повышая эффективность в течение рабочей смены. Термисторы и другие температурные устройства предупреждают операторов о приближении превышения температурных пределов, позволяя временно прекратить работу, чтобы определить источник проблемы и внести исправления.
На производственной линии отказ робота может означать потерю производительности, поэтому предоставленный анализ сэкономит время и деньги. Прецизионные датчики тока могут обнаруживать непреднамеренное взаимодействие с персоналом, быстро останавливая робота до того, как произойдет какое-либо повреждение линии или несчастный случай.
Многие роботизированные системы также собирают различные данные, связанные с выполненной работой, а также для самодиагностики, чтобы упростить профилактическое обслуживание. Встроенные в двигатели термодатчики или датчики момента предоставляют данные в реальном времени для повышения производительности за счет быстрого определения отклонений в ожидаемых уровнях крутящего момента. Более высокий, чем ожидалось, момент, необходимый для завершения установки винта, может предупредить систему о нерешенной проблеме, позволяя выполнить быстрое обновление системы для продолжения производства.
Повышенное потребление тока с течением времени может привести к циклам профилактического обслуживания. Хирургический робот, например, должен предоставить данные для замены двигателя, чтобы предотвратить неожиданную остановку во время операции.
Тенденция 4: автономность и многоосевое управление
Будущее робототехники будет связано с постоянным внедрением автономии и машинного обучения. Приложения для складирования полагаются на более быстрое время доставки, в то время как автономные транспортные средства полагаются на самонавигацию и точную информацию для безопасной работы. Световое изображение, обнаружение и дальность (LiDAR) используется для захвата трехмерных изображений окружающей среды при сканировании с высокой частотой обновления и полагаясь на обратную связь высокого разрешения с минимальной задержкой.
Системы оптического считывания с мелким шагом вместе с высокопроизводительными процессорами интерполяции предоставляют инкрементную информацию о местоположении (от 16 до 20 бит) почти в реальном времени с механической ошибкой в диапазоне 0,25 механического градуса. Использование новых измерительных технологий в сочетании с новейшими оптимизированными двигателями позволяет вносить новшества в отношении того, где и как могут работать автономные транспортные средства.
Когда задачи, которые традиционно требовали вмешательства человека, заменяются автоматизацией, роботизированное решение требует координации множества осей движения и, в некоторых случаях, управления системой технического зрения. Многоосные приложения, такие как хирургические роботы, используют преимущества протоколов связи с последовательным интерфейсом (например, BiSS или SSI), которые позволяют последовательное соединение энкодеров для минимизации сложности проводки.
Громоздкие механизмы оптимизированы за счет использования технологии миниатюрных двигателей в сочетании с достижениями в сенсорной технологии, обеспечивающей возможности последовательного интерфейса. Энкодеры с последовательным интерфейсом связи предоставляют информацию об абсолютном положении на основе технологии магнитного зондирования с типичным разрешением 14 бит и точностью в диапазоне одного механического градуса.
Типы миниатюрных двигателей
Рынок робототехники — большой потребитель электрических приводов для выполнения движения. Используются и выбираются различные типы двигателей, редукторов и энкодеров в соответствии с требованиями приложения, включая бесколлекторные электродвигатели постоянного тока, пазовые и беспазовые электродвигатели постоянного тока, а также шаговые двигатели, в том числе гибридные и двигатели с дисковыми магнитами. Каждая технология электродвигателей имеет преимущества, отлично подходящие для соответствующих приложений робототехники.
Применение миниатюрных двигателей в робототехнике
Миниатюрные двигатели играют жизненно важную роль во все возрастающем количестве роботизированных приложений, требующих небольших, но мощных и эффективных решений для управления движением. Миниатюризация включает в себя тщательное рассмотрение типа используемого двигателя или исполнительного механизма, того, как он вписывается в механические элементы и как он передает мощность и «улавливает» обратную связь от устройств.
Сервисные роботы
Роботизированные приложения берут на себя новые роли в беспилотном контроле, обеспечении безопасности и патрулировании в операционных средах, которые небезопасны для человека или часто повторяются. Эти системы выходят далеко за рамки обычных стационарных камер и систем сигнализации прошлого. Типичные области применения включают наблюдение и инспекцию промышленных трубопроводов и канализаций, наблюдение за электросетями и автономные управляемые транспортные средства на складе.
Двигатели постоянного тока без сердечника (coreless DC motors) и бесколлекторные двигатели постоянного тока вместе с дополнительными редукторами и энкодерами являются идеальным решением для перемещения, обеспечивающим высокий крутящий момент и увеличенное время работы от аккумулятора в легком корпусе.
LiDAR
Технология LiDAR позволяет машинам получать доступ к текущим условиям окружающей среды в 3D, вырабатывать реакцию и затем ориентироваться в ситуации. Машины, использующие LiDAR, варьируются от небольших сервисных роботов до больших автономных транспортных средств, при этом идеальная система LiDAR должна быть компактной, легкой, точной и экономичной. Заказчики предпочитают плоские двигатели для компактности и минимального веса, а также энкодеры среднего и высокого разрешения для точной обратной связи.
Электрические захваты
В течение последнего десятилетия переход от пневматической к электрической технологии в промышленном захвате различных манипуляторов приобрел популярность, так как электрические захваты позволяют лучше контролировать положение пальца захвата, определять захват и контролировать силу и скорость захвата.
Двигатели постоянного тока без сердечника вместе с дополнительными редукторами и энкодерами обеспечивают высокую удельную мощность, низкую инерцию, высокую точность и малый вес, необходимые для соответствия требованиям применения.
Хирургическая робототехника
Хирургические роботы предъявляют уникальные требования к компактным размерам, малому весу, высокой плотности мощности и стерилизации. Хотя не для всех двигателей в хирургической робототехнической системе требуется стерилизуемое решение, другие требования могут быть сосредоточены на надежности и долговечности двигателя, например, в автоклаве. В этих приложениях электроника (статор и коммутационная электроника) полностью залита термореактивной эпоксидной смолой, что гарантирует, что высокие температуры и давления, возникающие в среде парового автоклава, не оказывают отрицательного воздействия на электронику.
В растущей области хирургических роботов высокая степень изменчивости делает невозможным создание единого решения для всех приложений клиентов. Даже в системе заказчика могут быть явные различия в типах двигателей, которые шарнирно соединяют различные оси или приводные рабочие органы. Эти уникальные спецификации требуют гибких настроек (как электрических, так и механических) для удовлетворения потребностей робототехнической системы заказчика.
Настройка разработки под клиентское приложение обеспечивает достижение целей производительности в рамках определенного размера пакета. Понимая ограничивающие точки нагрузки, можно разработать решение, которое обеспечивает оптимальный баланс крутящего момента и скорости в максимально компактной и легкой конструкции.
