قلب حرکت ربات - نقش تعیین کننده موتورها در دقت

 

موتورها به عنوان هسته اصلی حرکت ربات محرک سخت افزار

موتورها به عنوان منبع گشتاور حرکتی، در کاربرد اتصالات ربات بسیار مهم هستند. موتور که معمولاً به آن "موتور" گفته می شود، وسیله ای است که انرژی الکتریکی را طبق قانون القای الکترومغناطیسی که با حرف "M" در مدارها نشان داده می شود، تبدیل یا انتقال می دهد. وظیفه اصلی آن تولید گشتاور حرکتی، تامین نیرو برای وسایل برقی مختلف و دستگاه های مکانیکی است.

 

در زمینه رباتیک، سیستم مشترک یک جزء کلیدی برای دستیابی به حرکات مختلف است که موتورهای مشترک واحد اجرای کل سیستم در نظر گرفته می شوند. یک اتصال کامل ربات معمولاً شامل یک راننده، کنترل کننده و موتور مشترک است. موتور مفصل نه تنها باید کارهایی مانند کاهش سرعت، انتقال و افزایش گشتاور را انجام دهد، بلکه باید حرکت مفصل را با دقت بالا کنترل کند.

 

موتور مفصل ربات به طور مستقیم بر اعمال پیچیده مانند راه رفتن، دویدن و پریدن تأثیر می گذارد. به عنوان قلب ربات شناخته می شود و عملکرد آن نقش تعیین کننده ای در دقت و کارایی ربات دارد.

 

موتور بدون هسته: نیروی محرکه پشت فناوری مشترک ربات

در سال‌های اخیر، موتورهای بدون هسته به دلیل کارایی بالا، وزن سبک و ویژگی‌های پاسخ سریع، به تدریج در زمینه رباتیک مورد علاقه قرار گرفته‌اند. در مقایسه با موتورهای سنتی، موتورهای بدون هسته، با روتورشان که ساختار فنجانی توخالی و اینرسی بسیار کم دارند، می توانند با حساسیت بیشتری به سیگنال های کنترل پاسخ دهند. این ویژگی برای مفاصل ربات ایده آل است، به خصوص در سناریوهایی که نیاز به حرکات سریع و دقیق دارند، مانند ربات های انسان نما که اقدامات ظریف یا پیچیده را انجام می دهند.

 

تاریخچه و کاربرد گسترده موتورها

تاریخچه موتورها به قرن نوزدهم برمی گردد. در سال 1820، هانس کریستین اورستد، فیزیکدان دانمارکی، اثر مغناطیسی جریان های الکتریکی را کشف کرد و پایه و اساس نظریه الکترومغناطیسی را گذاشت. سال بعد، دانشمند بریتانیایی مایکل فارادی اولین مدل آزمایشی موتور الکتریکی را ایجاد کرد. از آن زمان، تکنولوژی موتور به طور مداوم توسعه یافته و به تدریج به بخشی ضروری از تولید صنعتی و زندگی روزمره تبدیل شده است.

 

موتورهای سنتی معمولاً از سیم پیچ استاتور، آرمیچر یا روتور چرخان و سایر لوازم جانبی تشکیل شده اند. از طریق میدان مغناطیسی دوار ایجاد شده توسط سیم پیچ استاتور، آرمیچر جریان تولید می کند و تحت نیروی میدان مغناطیسی می چرخد. این اصل طراحی تا به امروز ادامه داشته است، اما موتورهای نسل جدید، مانند موتورهای بدون هسته، پیشرفت های انقلابی در مواد و ساختار ایجاد کرده اند و باعث درخشش آنها در فناوری ربات شده است.

 

نمودار: تاریخچه توسعه موتورها

 

 

انواع مختلفی از موتورها وجود دارد که می توان آنها را بر اساس ابعاد مختلف از جمله محدوده کاربرد، مشخصات ساختاری و اصول کار طبقه بندی کرد. طبقه بندی های اصلی به شرح زیر است:

• بر اساس نوع توان کار: موتورهای DC و موتورهای AC.
• بر اساس ساختار و اصل کار: از جمله موتورهای DC، موتورهای آسنکرون و موتورهای سنکرون.
• بر اساس کاربرد: موتورهای محرک، موتورهای کنترل و غیره.

 

با در نظر گرفتن موتورهای DC به عنوان مثال، ساختار آنها معمولاً از استاتور و روتور تشکیل شده است:

• استاتور: قسمت ثابت موتور که میدان مغناطیسی ایجاد می کند.
• روتور: جزء اصلی که وظیفه چرخش و تبدیل انرژی را بر عهده دارد، آرمیچر نیز نامیده می شود، که هاب خروجی توان موتور است.

مشابه موتورهای DC، موتورهای AC نیز از استاتور و روتور به عنوان اجزای اصلی، به علاوه پوشش و سایر قطعات کمکی تشکیل شده‌اند. چه موتورهای DC یا AC، هماهنگی این اجزای اصلی عملکرد موتور را تعیین می کند.

 

در فناوری ربات، موتورهای بدون هسته برجسته شده اند. طراحی منحصربه‌فرد آن‌ها هسته آهنی را حذف می‌کند و به استاتور و روتور اجازه می‌دهد سبک‌تر و فشرده‌تر قرار بگیرند، که نه تنها اینرسی را کاهش می‌دهد، بلکه سرعت پاسخ و کارایی را نیز بهبود می‌بخشد، و آنها را برای اتصالات ربات با دقت بالا و حجم کم عالی می‌کند.

 

موتورهای یکپارچه: ترکیبی عالی از اندازه کاهش یافته و راندمان افزایش یافته

موتورها می‌توانند به‌عنوان اجزای مستقل عمل کنند، اما در بسیاری از دستگاه‌های مدرن، اغلب با سایر قطعات ادغام می‌شوند تا سیستم‌های کارآمد و یکپارچه را تشکیل دهند. این طراحی یکپارچه نه تنها اندازه کلی دستگاه را کاهش می دهد، بلکه استفاده از فضا و عملکرد را نیز افزایش می دهد. به عنوان مثال:

• درایو الکتریکی سه در یک: ادغام موتور، کاهنده و کنترل کننده موتور با هم که به طور گسترده در وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شود، اندازه و وزن دستگاه را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.
• درایو الکتریکی شش در یک: علاوه بر موتور، کاهنده و کنترلر، شامل مبدل DC/DC، شارژر و جعبه توزیع است که استفاده از فضا را بیشتر بهینه می کند.
• درایو الکتریکی هشت در یک: سیستم مدیریت باتری و کنترل‌کننده خودرو را بیشتر ادغام می‌کند و راه‌حلی فشرده‌تر و کارآمدتر برای خودروهای الکتریکی ارائه می‌دهد.

در زمینه ربات های انسان نما، استفاده از موتورهای بدون هسته نه تنها باعث رانندگی با دقت بالا در اتصالات ربات می شود، بلکه طراحی سبک وزن و فشرده ساختار ربات را نیز ارتقا می دهد. به عنوان مثال، ادغام یک موتور بدون هسته با یک کاهنده و کنترل کننده می تواند به طور موثر اشغال فضای مفصل را کاهش دهد و در عین حال سرعت پاسخ و قابلیت اطمینان کلی سیستم را بهبود بخشد.

 

در فناوری رباتیک، انتخاب موتور مستقیماً عملکرد و اثربخشی کاربرد تجهیزات را تعیین می کند. موتورهایی که معمولا در ربات ها استفاده می شوند عمدتاً شامل سه نوع زیر هستند: موتورهای DC، موتورهای سروو و موتورهای پله ای.

 

3.1 موتورهای DC

موتورهای DC به طور گسترده در زمینه های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند و عمدتاً به دو نوع تقسیم می شوند: موتورهای DC برس دار و موتورهای DC بدون جاروبک.

 

3.1.1 موتورهای DC برس خورده

موتورهای DC برس دار یک فناوری موتور قدیمی هستند که دارای ویژگی های زیر است:

• ساختار ساده، کم هزینه: برای دستیابی به عملکرد کموتاسیون به تماس بین برس ها و روتور تکیه کنید.
• الزامات درایو کم: سرعت موتور مستقیماً با ولتاژ اعمال شده متناسب است، بنابراین کنترل بصری تر است.

 

معایب:

• سایش برس منجر به نیاز به نگهداری مکرر می شود.
• تداخل الکترومغناطیسی به راحتی در حین کار با قابلیت اطمینان نسبتا کم ایجاد می شود.
• طول عمر کوتاه تر، که باعث می شود در طراحی ربات جذابیت کمتری داشته باشد.

 

3.1.2 موتورهای DC بدون جاروبک

موتورهای DC بدون جاروبک یک نسخه ارتقا یافته از موتورهای DC هستند که در چندین جنبه عالی هستند:

• استفاده از آهنربای دائمی: بادوام، اندازه کوچک و هزینه نسبتا کم.
• کموتاسیون الکترونیکی: جایگزین برس های سنتی برای دستیابی به سوئیچینگ میدان مغناطیسی، بهبود کارایی و قابلیت اطمینان.
• کنترل دقیق: از طریق سنسورهای بازخورد موقعیت (مانند سنسورهای هال، رمزگذارهای نوری یا دستگاه‌های تشخیص EMF پشت)، موتورهای DC بدون جاروبک می‌توانند سرعت و موقعیت را با دقت بیشتری کنترل کنند.

 

اگرچه مدار کنترل پیچیده تر است، موتورهای DC بدون جاروبک به طور قابل توجهی از نظر عملکرد و طول عمر بهتر از موتورهای برس خورده عمل می کنند و آنها را به نوع موتور ترجیحی برای درایوهای مشترک ربات تبدیل می کند. به ویژه، موتورهای DC بدون براش بدون هسته، با راندمان بالا، اینرسی کم و پاسخ سریع، به ویژه برای کاربردهای روباتی که نیاز به دقت بالا و طراحی سبک وزن دارند، مناسب هستند.

3.2 سروو موتورها

سروو موتورها که به عنوان موتورهای محرک نیز شناخته می شوند، اجزای اصلی اجرا در سیستم های کنترل اتوماتیک هستند. ویژگی های آنها عبارتند از:

• موقعیت یابی با دقت بالا: با دریافت سیگنال های پالس به جابجایی زاویه ای یا خروجی سرعت زاویه ای روی شفت می رسد.
• کنترل حلقه بسته: سروموتورها می توانند سیگنال های پالسی مربوط به زاویه چرخش را ارسال کنند و با ترکیب سیگنال های ورودی، یک سیستم حلقه بسته را تشکیل دهند و در نتیجه به کنترل چرخش دقیق دست می یابند.
• طبقه بندی DC و AC: سرو موتورها به سروو موتورهای DC و سروو موتورهای AC تقسیم می شوند. در حالی که تفاوت های جزئی در عملکرد و سناریوهای کاربردی وجود دارد، هر دو می توانند دقیقاً سرعت و موقعیت را بر اساس سیگنال های کنترل تنظیم کنند.
• ویژگی‌های با دقت بالا موتورهای سروو باعث می‌شود که آنها به طور گسترده در عملیات دقیق پایانه‌های رباتیک مانند بازوهای رباتیک و انگشتان ربات مورد استفاده قرار گیرند.

3.3 استپر موتور

موتورهای پله ای اجزای کنترلی حلقه باز هستند که سیگنال های پالس الکتریکی را به جابجایی زاویه ای یا جابجایی خطی تبدیل می کنند. ویژگی های آنها عبارتند از:

• کنترل پله: هر بار که سیگنال پالس دریافت می شود، موتور با یک زاویه ثابت مطابق با زاویه گام تنظیم شده می چرخد.
• بدون نیاز به حلقه بسته: موتورهای پله ای می توانند کنترل جابجایی زاویه ای دقیق را از طریق سیگنال های پالس الکتریکی پیوسته بدون بازخورد موقعیت به دست آورند.
• مقرون به صرفه: در مقایسه با موتورهای سروو، موتورهای پله ای قیمت کمتری دارند و برای کاربردهایی با دقت کمتری نیاز دارند.
• موتورهای پله ای معمولاً در قطعات کم هزینه در ساختارهای ربات مانند اتصالات ساده، درایوهای تسمه نقاله و غیره استفاده می شوند.

 

ربات انسان نمای تسلا اپتیموس از 28 محرک با 14 محرک خطی و 14 محرک چرخشی استفاده می کند. این عملگرها وظیفه پشتیبانی از ربات در انجام اقدامات پیچیده مانند راه رفتن و گرفتن را بر عهده دارند. به طور کلی، ربات‌های دوپا باید به سروو موتورهای 30 تا 40 DC مجهز شوند، این موتورها از نظر اندازه جمع و جور هستند و باید نیازهای قدرت، چگالی بالا و پاسخ سریع را برآورده کنند.

 

Optimus از سه نوع محرک خطی و سه نوع محرک چرخشی استفاده می کند. در میان آنها، محرک های خطی شامل موتورهای گشتاور بدون هسته و پیچ های غلتکی سیاره ای هستند، در حالی که محرک های چرخشی موتورهای گشتاور بدون هسته و کاهنده های هارمونیک را ترکیب می کنند. توزیع ویژه محرک ها به شرح زیر است:

• شانه: 6 محرک چرخشی
• زانویی: 2 محرک خطی
• مچ: 2 محرک خطی چرخشی + 4
• تنه: 2 محرک چرخشی
• هیپ: 4 محرک خطی چرخشی + 2
• زانو: 2 محرک خطی
• مچ پا: 4 محرک خطی

این توزیع محرک انعطاف پذیری و پایداری ربات را در محیط های پیچیده تضمین می کند.

 

موتور گشتاور بدون هسته یک موتور سروو سبک وزن و با راندمان بالا است که به طور خاص برای اتصالات رباتیک و سایر کاربردهای دقیق طراحی شده است. ساختار منحصر به فرد آن ویژگی های قابل توجه زیر را ارائه می دهد:

• طراحی مدولار، آسان برای ادغام: موتور گشتاور بدون هسته شامل یک استاتور و روتور، بدون محفظه موتور سنتی است. این طراحی به مهندسان اجازه می دهد تا محفظه، یاتاقان ها و اجزای حسگر را بر اساس نیاز خود سفارشی کنند و آن را با ساختارهای مختلف سیستم سازگار کنند.
• اندازه جمع و جور، سبک وزن: در مقایسه با موتورهای محفظه ای، موتور بدون هسته به طور قابل توجهی اندازه و وزن کلی را کاهش می دهد و آن را برای سیستم هایی که به راه حل های یکپارچه نیاز دارند ایده آل می کند.
• عملکرد بالا و پاسخ سریع: موتور بدون هسته به دلیل طراحی منحصر به فرد خود، پاسخ دینامیکی سریعی را ارائه می دهد که نیازهای حرکت مفصلی با دقت بالا و انرژی کارآمد ربات های مدرن را برآورده می کند.

به لطف این ویژگی ها، موتور گشتاور بدون هسته به طور گسترده در زمینه های رانندگی با عملکرد بالا، از جمله رباتیک، خودرو، هوا فضا و تجهیزات پزشکی استفاده می شود.

 

موتور فنجان بدون هسته جزء کلیدی دستان ماهرانه ربات انسان نما است، به ویژه برای مفاصل انگشتان در سناریوهایی که به فضای محدود و دقت بالا نیاز دارند، مناسب است. مفاصل انگشت معمولاً به موتورهای مینیاتوری نیاز دارند که نیروی قابل توجهی را فراهم کنند و در عین حال وزن سبک و دقت بالا را تضمین کنند. تولید کنندگان پیشرو ربات، مانند تسلا، به طور گسترده ای از راه حل موتور فنجان بدون هسته استفاده می کنند، که پشتیبانی قدرت ایده آلی را برای مهارت دست ربات ارائه می دهد.

 

مزایای اصلی موتورهای بدون هسته

طراحی بدون دندانه، دقت و عملکرد روان را بهبود می بخشد: موتور فنجانی بدون هسته از طراحی بدون هسته و بدون دندانه استفاده می کند و لرزش و سر و صدای ناشی از اثر چرخشی که در موتورهای سنتی دیده می شود را کاملاً حذف می کند. این ویژگی به طور قابل توجهی نرمی کار موتور را بهبود می بخشد و آن را برای کنترل حرکت با دقت بالا در مفاصل انگشتان ربات انسان نما بسیار مناسب می کند.

 

راندمان بالا و پاسخ سریع: موتور فنجانی بدون هسته با اتخاذ طراحی روتور بدون هسته، ساختار موتور سنتی هسته آهنی را می شکند و تلفات جریان گردابی را تا حد زیادی کاهش می دهد و راندمان موتور را بهبود می بخشد. در همین حال، ویژگی سبک وزن روتور به آن توانایی راه اندازی و ترمز عالی می دهد و عملکرد پاسخ پویا را ارائه می دهد که نیازهای دقیق اقدامات پیچیده را برآورده می کند.

 

صرفه جویی در انرژی و قابلیت اطمینان: با حذف اتلاف انرژی موجود در موتورهای هسته آهنی، موتور فنجانی بدون هسته عملکرد فوق العاده ای در صرفه جویی در انرژی نشان می دهد. علاوه بر این، ساختار ساده آن اصطکاک مکانیکی را کاهش می دهد، طول عمر و قابلیت اطمینان را بیشتر می کند و عملکرد پایدار را حتی در عملیات های فرکانس بالا تضمین می کند.

 

کاربرد انعطاف پذیر در سناریوهای کوچک: موتور فنجانی بدون هسته با اندازه جمع و جور و طراحی سبک وزن برای واحدهای حرکتی مینیاتوری مانند مفاصل انگشت و مچ در روبات های انسان نما ایده آل است. علاوه بر این، طراحی بدون دندانه و راندمان بالا آن را به طور گسترده در زمینه هایی مانند تجهیزات پزشکی، ابزار دقیق و هوافضا قابل استفاده می کند.

 

توسعه فناوری و چشم اندازهای آینده

موتور فنجانی بدون هسته، با ادغام بازده انرژی، دقت بالا و پایداری، نشان دهنده یک دستگاه تبدیل انرژی با کارایی بالا است. با ادامه پیشرفت فناوری رباتیک، موتور فنجان بدون هسته، توان خروجی و نسبت حجم را بیشتر بهینه می‌کند و دست‌های ماهر ربات انسان‌نما را به سمت کاربردهای کارآمدتر در سناریوهای مختلف سوق می‌دهد.

 

به خواندن ادامه دهید:چرا روبات‌های انسان‌نما اقیانوس آبی جدیدی را برای کاربردهای موتور بدون هسته باز می‌کنند - قسمت 1