Электрические приводы
Не смотря на то, что многие из читателей, быть может, не имеют опыта обращения с гидравлическими совокупностями, любой каждый день так или иначе соприкасается с электрическими моторами. Независимо от того, являются ли они моторами постоянного тока (довольно часто трудящимися на батареях) для заведения двигателя автомобиля либо моторами переменного тока (трудящимися от сети) для поворота барабана сушилки либо стрелок электрических часов, их возможности прекрасно известны. В робототехнике употребляются разные типы электромоторов и, дабы оценить преимущества и недочёты электрических приводов если сравнивать с гидравлическими совокупностями, нужно подробно разобраться и выяснить, какие конкретно электромоторы подходят для роботов.
Первый коммерческий промышленный робот с электроприводом был применен в 1974 г. шведской корпорацией «АСЕА». Для роботов с электроприводами использовались моторы постоянного тока не столько из-за их большой мощности, сколько из-за возможности легко руководить ими посредством относительно несложной электроники. Не смотря на то, что и требуется постоянный ток, батареи (для неподвижных роботов) употребляются редко.
Вместо этого переменный ток выпрямляется в эквивалентный постоянный.
Мотор постоянного тока включает комплект электромагнитов, закрепленных на выходном валу, что расположен между полюсами громадного магнита (постоянного либо электромагнитного). Громадный магнит имеет два комплекта полюсов и может «толкать около» электромагнит с энергией.
Всегда, в то время, когда электромагнит притягивается громадным магнитом и выравнивается по положению с ним, механизм переключения на выходном валу изменяет электрические соединения с обмотками, так, что громадный магнит в будущем больше не притягивает эту обмотку, а притягивает другую. Так, электромагниты заставляют мотор вращаться, неизменно смотря за притяжением громадного магнита.
Простота в управлении скоростью обеспечивается подаваемым на обмотки мотора напряжением: чем оно выше, тем стремительнее вращается мотор. Подобным образом крутящий момент зависит от трансформации тока. Смена полюсов изменяет направление вращения мотора.
Как контроллер определит, с какой скоростью обязан перемещаться заданный узел, обрисовано в гл. 5, но в случае если известна величина скорости, то чтобы конкретно руководить мотором постоянного тока, нужно величину скорости привести к пропорциональному уровню электрического напряжения (а после этого при необходимости усилить напряжение).
Менее известен шаговый электродвигатель. Данный тип электродвигателя владеет свойством вращаться с некоей скоростью в одном из двух направлений, и останавливаться в любом из правильного числа чередующихся положений.
В более сложных моделях выходные валы смогут поворачиваться к любому из 200 разных угловых положений за оборот (т. е. менее двух градусов за ход). Данный вид мотора используют на некоторых печатных аппаратах.
Принцип действия шагового электродвигателя практически содержится в инверсии мотора постоянного тока с солидным числом электромагнитных обмоток, окружающих постоянный магнит, прикрепленный к выходному валу, и устройством механического переключения, заменяемым электронным эквивалентом. Вращение выходного вала машинально не требует переключения соединений обмоток, каковые бы не смогли вынудить магнитное поле постоянного магнита «догнать» магнитное поле притягивающей обмотки.
Вместо этого благодаря электронному переключению на верную комбинацию полярностей обмотки возможно сделать так, дабы вал притягивался лишь к нужной катушке. Следовательно, возможно определить единственное положение вала, соответствующее конкретной комбинации переключения.
В случае если выбирается эквивалентная комбинация переключения, которая ведет к тому, что постоянный магнит притягивается лишь той обмоткой, которая следует за притягиваемой до того обмоткой, то вал будет поворачиваться на угол, равный расстоянию между смежными обмотками. Методом последующего притяжения магнита к каждой смежной обмотке возможно при полном управлении вынудить вращаться вал с высокой скоростью, в любую секунду зная его положение.
Благодаря такому контролю положения не всегда в обязательном порядке контролировать, где остановился шаговый мотор, что делает его совершенным для обучаемых роботов. Для больших промышленных роботов шаговые электродвигатели сейчас через чур дороги и маломощны, кроме того самые громадные имеют мощность менее 1 л. с. Громаднейшая нужная нагрузка для роботов с шаговыми электродвигателями образовывает около 50 кг, как, к примеру, для робота «Ло-комэн», сделанного компанией «Пендэр Роботикс», Англия.
До недавнего времени считалось, что моторы переменного тока нельзя применять в роботах из-за трудностей в управлении скоростью их вращения. В несложном виде мотор переменного тока складывается из внешних электромагнитов, размещенных около центрального ротора, но без каких-либо устройств механического переключения.
Но по причине того, что переменный ток (к примеру, в электросети) всегда меняет полярность (сперва течет в одном направлении, а позже в противоположном пара раз в секунду — 50 раз в Англии и 60 раз в Соединенных Штатах), переменный ток электроснабжения возможно легко конкретно связать с электромагнитами. Тогда изменение направления тока в обмотках будет изменять в них полярность, как это происходит при механическом переключении в моторе постоянного тока; в обмотках покажется электромагнитное поле для вращения (практически так, как если бы обмотки вращались механически сами).
Скорость вращения ротора на выходном валу (которая «планирует около» вращающимся полем) тесно связана с частотой трансформации направлений переменного тока. В моторе переменного тока уменьшение электрического напряжения не воздействует на скорость вращения; мотор будет вращаться в соответствии с частотой переменного тока , пока напряжение не станет столь низким, что мотор остановится.
самый простым методом постоянного трансформации скорости вращения мотора есть пропорциональное изменение частоты переменного тока. Уменьшение частоты вдвое приведет к такому же понижению скорости.
До недавнего времени изменять частоту переменного тока (независимо для каждого мотора робота) было тяжело. Но благодаря формированию современных электронных устройств, талантливых манипулировать высокими мощностями, стало возмможно легко генерировать изменяющиеся частоты, соответствующие требуемой мощности. Каждое изменение направления тока заставляет мотор некое время вращаться, и чем больше будет трансформаций в секунду, тем стремительнее он будет вращаться.
Такие моторы весьма замечательны и уже производятся. К примеру компания «Фанук» включает их в конструкцию серийно производимых промышленных роботов.
Принято вычислять, что недорогие приводы переменного тока в большинстве роботов будут в конечном итоге медлительно вытеснять менее долговечные приводы постоянного тока.
Рассмотренные выше электромоторы вращаются с громадной скоростью, но с малым крутящим моментом. Исходя из этого, дабы передать мощность от моторов к нагрузке при повышении приводного крутящего момента, нужен передаточный механизм с высоким коэффициентом редукционной передачи. Сравнительно не так давно были созданы низкоскоростные моторы, развивающие большой крутящий момент, в которых использованы магнитные материалы.
Такие моторы легки и компактны и благодаря своим чертям смогут быть связаны с нагрузкой без применения трансмиссий.
На данный момент проводятся исследовательские работы в этом направлении, к примеру в университете Карнеги-Меллон и МТИ, США. В таких роботах любой узел приводится в перемещение конкретно мотором без трансмиссий. Таковой подход может представляться очень спорным, потому, что любой мотор размещается на стороне узла, приводимого в перемещение.
К примеру, мотор, приводящий в воздействие плечо, обязан преодолевать и тяжесть моторов, размещенных на запястье и локте (традиционно эти узлы приводятся в перемещение на расстоянии, с тем дабы уменьшить степень, с которой масса моторов добавляется к нагрузке на другие узлы). В случае если трудности будут преодолены, то управляемые руки будут владеть превосходными особенностями, к примеру отсутствием мертвого хода, низкой податливостью и низким трением, высокой надежностью и сокращенной потребностью в комплексном переналадке и техническом обслуживании. Еще молодой в МТИ пример мотора способен развивать скорость до пяти метров/с.
Вторым видом электрического мотора, что может активно использоваться в конструкциях роботов (особенно для громадных роботов портального типа), есть линейный мотор. В отличие от вторых классических конструкций электромоторов такие моторы вместо вращения создают прямолинейное перемещение. В принципе их возможно разглядывать как моторы переменного тока, у которых «разрезали» одну сторону, после этого «развернули» ее во всю длину.
Руководя полярностью обмоток линейного мотора, возможно вынудить сердечник мотора скользить на протяжении пути с высоким качеством управления. И напротив, линейный мотор может оставаться неподвижным, а «путь» будет скользить относительно мотора. Преимуществом линейных моторов есть то, что они не требуют ни подшипников, ни трансмиссци, исходя из этого потребности в техобслуживании низки.
Моторы способны весьма скоро набирать ускорение и смогут передвигаться со скоростью около 1 м/с.
Линейные моторы редко используются кроме того в исследовательских роботах. Появляется вопрос: что предпочтительнее— электрические приводы либо гидравлические? Что касается роботов первого поколения, то гидравлические моторы используются в тех, каковые употребляются для движения предметов нужной нагрузкой больше десяти килограмм, не обращая внимания на то, что первые гидравлические роботы имели резкие рывки при перемещении, подтекали и были ненадежны.
Легкие роботы, в большинстве случаев трудящиеся в менее вредной среде, в большинстве случаев, приводились в перемещение моторами постоянного тока, поскольку большая цена сервоклапанов мешала применению гидравлики.
Но, не обращая внимания на большое повышение надежности, гидравлические приводы стали реже использоваться не только для легких роботов, предназначенных Для исполнения таких операций, как сборка, но и для трудных работ. Наибольший в мире робот, созданный компанией «Ламбертон Роботикс», манипулирует предметами с нужной нагрузкой 1,5 т, применяя электрические сервомеханизмы постоянного тока. Применение электроприводов возможно растолковать тем, что обслуживание любого робота требует механиков и электриков, а гидравлические роботы нуждаются еще и в других экспертах.
Электроприводы в большинстве случаев энергетически более действенны, чем их гидравлические эквиваленты, и в целом роботы склонны стать бесшумными. Во многих случаях, к примеру по соображениям безопасности, предпочтение может отдаваться скорее гидравлическим, чем электрическим, приводам (талантливым при искрении привести к пожару в воспламеняемой среде). Гидравлические совокупности владеют свойством выдерживать сильные механические удары.
По-видимому, для трудных работ гидравлика в скором времени будет оставаться самые эффективным по цене вариантом. направляться подчернуть, что сборочный робот «ИБМ-7565» с большой нужной нагрузкой в 2,3 кг приводится в перемещение гидравлически. Кое-какие роботы смешанного типа кроме этого применяют гидравлические приводы для основных осей, а электроприводы — для запястья.
Разумеется, для мобильных роботов выбор направляться остановить на электроприводах как для тягового упрочнения (в некоторых маленьких мобильных роботах употребляются шаговые моторы), так и для манипулятора, что несет на себе подвижная платформа. Сам манипулятор вряд ли будет громадным (в случае если платформа обязана транспортировать его), так что электромоторы, возможно, использовались бы кроме того тогда, в то время, когда он был бы немобильным.
Иначе, платформа обязана перемещать не только себя и любой манипулятор, вместе с тем и энергооборудование. На данный момент самый распространенным видом энергооборудования являются автомобильные аккумуляторные свинцо-во-кислотные батареи, каковые разрешают роботам функционировать пара часов. Электрический гидравлический насос, само собой разумеется, более экономичен, чем аккумулятор (при снабжении энергией гидросистемы), неэффективное преобразование энергии из электрической в гидравлическую существенно бы уменьшило период, за который робот имел возможность бы трудиться без перезарядки.
