Kuinka nostaa banaania: opas robotiikan moottoreille

Tämä viesti puhuu robottisovellusten sähkömoottoreiden perusteista. Se on tarkoitettu kaikille, jotka haluavat tietää vähän moottorista. Se ei ole tarkkaa, mutta tulevat viestit kaivaavat syvemmälle robottiikan moottoroinnin ja ohjauksen yksityiskohtia.

Mitä moottorit ovat? Mitä moottoreita voidaan käyttää robottisovelluksiin? Vaikka nämä kysymykset saattavat vaikuttaa yhtä aikaa yksinkertaisilta ja monimutkaisilta, haluan ensin kertoa teille, mistä en aio puhua tässä viestissä:

  • Automoottorit
  • Helikopteri- ja lentokoneet
  • Rakettimoottorit
  • Tuulimylly ja vesimyllyt
  • Kaikenlaiset ei-sähkömoottorit

(Tiedän mitä ajattelet: jälleen yksi viesti, joka ei puhu rakettimoottoreista, minne me kaikki menemme, mikä on jopa tämä maailma ja niin edelleen. Tiedän ja olen pahoillani.) Myöhemmin on myös tietyntyyppisiä sähkömoottoreita, joista puhun lyhyesti tunnustaaksesi niiden olemassaolon, mutta sitten en enää mitään.

Aion puhua tässä postituksessa robotteissa käytetyistä sähkömoottoreista.

Huomaa: Sana robotti kattaa niin monia käsitteitä, ja määritelmien ja tulkintojen laajuus on niin lähellä ääretöntä, etten edes yritä määritellä sitä täällä ja nyt.

Otetaan vain yhtä mieltä siitä, että robotilla on “aivot” (tietokone), jotkut “aistit” (anturit) tarttumaan siihen, mitä tapahtuu sen ympärillä, ja “lihakset” (toimilaitteet) liikkeen ja vuorovaikutuksen aikaansaamiseksi maailman kanssa.

Miksi puhun sinulle moottoreista? Aion vastata tähän kolmella kysymyksellä (ja kolmella vastauksella), olettaen että tavoitteeni on tehdä robotteja.

  1. MITÄ ME HALUAMME? Haluamme tehdä robotteja, jotka liikkuvat. Haluamme liikettä. Hyvä esimerkki voisi olla, että haluat suunnitella robottivarren, joka voi nostaa banaanin sinulle (tässä on lopulta mitä otsikossa oli kyse).
  2. Miksi me haluamme sitä? No, robotti, joka ei liiku, ei oikeastaan ​​ole robotti, eikö niin? Enemmän kuin kallio tai ruukukukka. Mutta taas, robotiikan määritelmät vaihtelevat suuresti.
  3. MITEN TEE SITÄ? Teemme sen sähkömoottoreilla. Koska tänään (eli vuoden 2017 lopussa) sähkömoottorointi on helpoimmin käytettävä tekniikka liikkeen luomiseen. Ei tietenkään ainoa, mutta halvin, saatavissa oleva ja helpoin käyttää.

Voimme olla yhtä mieltä siitä, että robottilaitteet ovat parempia pieniä, hyvin integroituja eivätkä ole liian ahneita energiankulutuksessa. Toisaalta robotti on mukava, jos se voi liikkua tasaisesti, heiluttaa käsiään tai nostaa asioita. Ja ole itsenäinen. (Niin monia hienoja ominaisuuksia voitaisiin lisätä tähän luetteloon, kuten hieroa kaulaasi tai tehdä sinulle voileipä, mutta pidetäänpa yksinkertaisuutta ja jatka banaanin kanssa.)

Tämä johtaa luonnollisesti meitä kohti pieniä ja tehokkaita sähkömoottoreita, tyyppejä, joita on helppo ostaa, integroida ja hallita.

Joten nyt, kun meillä on aihe (sähkömoottorit robottisovelluksiin), palatkaamme takaisin alkuperäiseen kysymykseen:

Mitä moottorit ovat?

Sähkömoottori on laite, joka muuntaa sähköenergian (sähkö jännitteellä ja virralla) mekaaniseksi energiaksi (lineaariseksi tai - enimmäkseen - pyörimisliikkeeksi).

Sähköenergia on moottorin tulo ja mekaaninen energia lähtö. Joten toistaiseksi, jos lopetat lukemisen tämän lauseen jälkeen (mutta älä tee), moottori on taikalaatikko, joka pystyy liikkumaan sähköstä.

Moottori, jota yksinkertaistaa black-magic-laatikko. Käytä mustamaagiaa varoen.

Tätä taikuutta kutsutaan suurimmaksi osaksi myös sähkömagneetismiksi. Puhumme siitä myöhemmin.

Huomaa: Jos käytät samaa taikalaatikkoa ja käytät kiertoliikettä ulostuloon (josta tulee siis tulo), saat sähköenergiaa, joka tulee entiseltä tulo-nyt-lähtö-puolelta. Tulosta kutsutaan generaattoriksi, ja emme puhu heistä enempää kuin tämä huomautus.

Maagisen b… hum, sähkömoottorien luokkia ja alaluokkia on useita.

Päätin esitellä heille tällä tavalla. Tässä on luettelo moottorien luokista:

  • AC-synkronimoottorit
  • AC asynkroniset moottorit
  • DC-moottorit
  • Muut moottorit (askelmoottori jne.)

Mutta ennen kuin kaipaamme näihin, tarvitsemme jonkin verran perustaa.

Kuinka sähkömoottorit toimivat?

Odottaa joiltakin viimeisen luokan moottoreista, kaikki luettelon edelliset käyttävät sähkömagneettisuutta muuntaakseen sähköä liikkeelle. Ajamalla virtaa rautapalkin ympäri kelattuun lankaan, esimerkiksi (jota kutsutaan sähkömagneetiksi), syntyy magneettikenttä, joka voi houkutella tai hylätä joko magneetit, joko rautamateriaalit, tai muut sähkömagneetit.

Joten periaatteessa tässä on resepti:

  • Ota kelat ja aseta ne ympyrään (ne eivät saa pysty liikkumaan).
  • Ota magneetti ja laita se ympyrän keskelle. Magneetin pitäisi pystyä pyörimään pysyessään keskellä.
  • Laita virta keloihin yksi toisensa jälkeen ja seuraa, että keskimagneetti pyörii, sen yksi napa on kiinnitetty moottorikäämiin.

Onnea, olet juuri tehnyt sähkömoottorin.

Huomaa nyt, että kokoonpanot voivat vaihdella: kelat voivat olla keskellä (joskus raudan ympärillä, joskus ei), magneetit voivat muodostaa ympyrän, joskus ei voi olla magneetteja ollenkaan jne. Jokainen kokoonpano on moottorityyppi yllä olevasta luokkaluettelosta.

Sanaston suhteen nämä ovat tärkeimmät sanat, joita tarvitset jatkamiseen:

  • Staattori: moottorin osa, joka ei liiku (esim. Edellisen reseptin kelat)
  • Roottori: osa, jolla on pyörimisliike (esim. Reseptin keskimagneetti)
  • Kelat: Joskus voin sanoa käämitykset, joskus kelat. Kela on lanka, jolla on erittäin ohut eristysholkki ja joka on kääritty oikein useita kertoja itsensä tai ankkurin ympärille (katso alla).
  • Harjat: Niitä on vain, jos roottorissa on kelat. Harjat ovat pari pieniä liikkumattomia osia, jotka muodostavat sähköisen kosketuksen käämien roottorin (kommuttorin läpi) ja virtalähteen kitkan avulla, jolloin roottori voi… pyöriä.
  • Kommutaattorit: Niitä on vain, jos roottorissa on kelat. Roottorin johtavat osat ovat vaihtoehtoisesti kosketuksessa harjojen kanssa. Jokainen kommutaattoripari on kytketty roottorin pariin käämeihin.
  • Ankkuri: rautapitoinen materiaali, joskus laminoitu pahojen sähkömagneettisten temppujen välttämiseksi, jonka ympärille kääritään käämi tai kela.
  • Kotelo: Moottorin ympärillä oleva osa, joka suojaa sisäosaa kaikenlaiselta ulkoiselta häirinnältä (pöly, vesi, huono musiikki jne.)
  • Vääntömomentti: Kiertovoima, jonka moottori voi tuottaa ulostulossa.
  • Nopeus: Tämä on helppoa; pyörimisnopeus moottorin ulostulossa.
Huomaa: Sekä vääntömomentti että nopeus ovat erittäin tärkeitä tietoja, jotka moottori tietää, koska ne määrittelevät kuinka paljon painoa robottivarsi voi nostaa (esimerkiksi) ja millä nopeudella se pystyy siihen. Jotkut banaanit voivat olla raskaita, ole varovainen.
Niiden ohella muut käsitteet, kuten nimellisjännite, vääntömomenttivakio tai kuormitusvirta, ovat kriittisiä moottoria valittaessa, mutta niistä voidaan puhua toisessa tarkemmassa postissa.
Esimerkki käynnissä olevasta sähkömoottorista. Vau, ja se liikkuu. (lähde)

Jotkut näistä sanoista auttavat meitä ymmärtämään tämän viestin seuraavan osan:

Kaivaminen moottorityyppeihin

Poistetaan kaksi ensimmäistä moottoriluokasta. Synkroniset ja asynkroniset moottorit ovat vaihtovirtamoottoria, joka tarkoittaa vaihtoehtoista virtaa. AC tulee lähinnä ”raa'aa” seinäpistorasiasta, ja voimme edustaa sitä loputtomina virran aalloina (sinimuotoiset käyrät). Se ei sovellu robottiin, pääasiassa siksi, että se on aivan liian paljon voimaa.
Synkroniset ja asynkroniset moottorit ovat yleensä liian suuria käytettäväksi roboteissa, jopa ihmisen kokoisissa. (Monet DC-moottorit ovat myös liian suuria.)

Kuka haluaa joka tapauksessa rakentaa robotin tällä?

Tämän avulla voimme lyhentää luetteloa ja välttää monia hankalia selityksiä:

  • DC-moottorit
  • Muut moottorit (askelmoottori jne.)

Kullekin kategorialle ja alaluokalle selitän periaatteessa miten moottorit valmistetaan ja miten ne toimivat, puhun sitten joistakin niiden eduista ja haitoista ja mistä niitä löydämme.

Moottorit, luokka 1: DC-moottorit

DC tarkoittaa tasavirtaa. Se on tasainen virtakäyrä (erilainen kuin vaihtovirta-aallot), ja sitä käytetään paristoissa tai useimpien kodin laitteiden käyttämien virtalähteiden ulostulossa.

Voimme jakaa tämän luokan kahteen osaan: Harjatut tasavirtamoottorit ja Harjattomat tasavirtamoottorit.

  • Harjatut tasavirtamoottorit

Harjattu tasavirtamoottori koostuu kelatusta roottorista ja suurimmasta osasta staattorina pysyviä magneetteja. Koska roottorissa on käämitys, sen on oltava jännitteinen magneettikentän muodostamiseksi. Joten löydämme myös harjat ja kommutaattorit virtauksen sallimiseksi käämiin.

Pieni resepti selittämään, miten se periaatteessa toimii:

  • Käytä akkua moottorin napoihin. Sähkö virtaa harjojen läpi ensimmäiselle kommutaattoripaarille ja sitten ensimmäiselle kelaparille.
  • Tämän kelaparin ympärillä olevasta ankkurista tulee sähkömagneetti ja siinä on nyt kaksi napaa.
  • Roottorin pohjoisnapa vetoaa yhden staattorin pysyvien magneettien etelänapaan; roottorin etelänapa vetoaa vastakkaisen pysyvän magneetin pohjoisnapaan, staattoriin. Tämä saa roottorin kääntymään mukauttamaan asemaansa.
  • Roottorin kääntyessä kommutaattorit muuttivat asentoaan ja uusi pari kelaa syötetään voimalla harjojen ja kommutaattorien kautta.
  • Roottorin täytyy kääntyä uudelleen mukauttaakseen uutta vetovoima-asemaansa ja niin edelleen.
Toinen varastettu kuva (lähde)

On harjattujen DC-moottorien alaluokka, jota kutsutaan ytimeksi moottoriksi, joka roottori muodostuu vain käämityksestä ilman ankkuria, ts. Ilman rautaydintä, ts. Ytimestä. Magneetit sijaitsevat moottorin keskellä, kotelon sisäpuolen sijasta, kuten tavallisilla harjattuilla DC-moottoreilla. Tämä on yleinen tekniikka hyvin pienissä harjattuissa DC-moottoreissa ja tarjoaa nämä edut: suuret kiihtyvyydet ja korkea dynamiikka (roottorin pienemmän hitauden takia), vähemmän sähköisiä ääniä ja suurempi hyötysuhde.

Harjattu tasavirtamoottori on robotiikan yleisin moottori, ja sitä käytetään eniten valmistuksen helppouden ja sen vuoksi naurettavan hinnan vuoksi markkinoilla. Nämä ovat selvästi ammattilaisia, samoin kuin niiden helppous ja monta tapaa hallita.

Huomautus: Palaamme vielä kerran selittääksemme harjatun tasavirtamoottorin ohjaustavan eri tavan.

Näillä moottoreilla on haittoja: Ensinnäkin laatu liittyy kustannuksiin (halvempi, huonoin laatu). Tämä tarkoittaa toisinaan huonoja materiaaleja, heikkoja kokoonpanoja ja ylikuumenevia moottoreita. Harjat, laadusta riippumatta, ovat heikko osa moottoria, koska ne ovat aina kitkasäätimen kanssa. Ajan myötä ja moottorin käytöstä riippuen, harjat kuluvat ja aiheuttavat pölyä; kytkemistä ei siis aina tehdä kollektoriin, mikä johtaa merkittävään nopeuden ja vääntömomentin menetykseen.
Lopussa kaikki nämä haitat vaikuttavat voimakkaasti moottorin elämään.

Useat kuuluisat ei-fiktiiviset robotit ovat harjattaneet tasavirtamoottorit laitteistonsa sisälle. Todennäköisesti joillakin fiktiivisillä roboteilla on myös joitain.
Nao, Pepper, Roomba tai Asimo: kaikissa niissä on harjattuja tasavirtamoottoreita (ja myös joitain muita tyyppejä).

  • Harjattomat tasavirtamoottorit

Kuten nimestä käy selvästi ilmi, tässä tasavirtamoottorien alaluokassa ei ole harjoja ja kollektoreita tekemään virtalähteen ja roottorin välistä sähkökytkentää.

Harjaton DC-moottori (BLDC) toimii samalla periaatteella kuin harjattu DC-moottori, sähkömagneettisuus. Roottori, jota ei voida käyttää, on kuitenkin tehty kestomagneeteista.

Staattorin kelat on sijoitettu joko roottorin ympärille (ulkopuolella olevat moottorit) tai roottorin keskelle - sisäpuolelle (ulommat moottorit, kotelon ollessa osa roottoria). Nämä kelat on järjestetty parilla, jotka sijaitsevat molemmilla puolilla, jotta ne saavat pohjoisnavan ja etelänavan, kun ne saavat virtaa. Käämien lukumäärä on aina kolminkertainen, koska ne ovat aina 3 vaihetta (siksi 3 johtoa tulee ulos BLDC: stä).

Tällä hetkellä olen varma, että kuvaa voidaan sekä arvostaa että pitää myönteisenä:

Vasemmalla, juoksija; oikealla, juoksija (lähde).

Resepti:

  • Voitele käämejä peräkkäin (tarvitset sitä varten erityisen ohjauskortin).
  • Pyörivä magneettikenttä luodaan, jolloin roottorin magneetti kääntyy tarttumaan muuttuviin napoihin:
Yksinkertaistettu näkymä ulokkeesta (BLDC: llä on yleensä enemmän käämiä). Sinistä (miinus) houkuttelee punainen (plus) ja punainen sininen. (lähde)

Tämän tyyppisiä moottoreita voidaan hallita monin tavoin. Joissain tapauksissa roottorin sijainti voidaan tarvittaessa erottaa erilaisilla ratkaisuilla. Löydät lisätietoja tulevasta viestistä.

Hyödyt ja miinukset: ensimmäinen puolue on selkeä: harjat eivät tarkoita kosketusta, kitkaa eikä kulumista; se merkitsee parasta luotettavuutta ja parasta tehokkuutta (kitka tarkoittaa energian menetystä lämmönä).

Sisäosat BLDC tuottavat enemmän nopeutta kuin vääntömomenttia roottorin hitauden vuoksi. Päinvastoin, BLDC: n juoksijalla on enemmän vääntöä ja vähemmän nopeutta. Halutusta toiminnosta riippuen tämä voi olla etu tai haittapuoli.

Tärkeitä haittoja on hinta, kalliimpi kuin heidän serkkunsa harjatut moottorit. Se selitetään monilla tekijöillä (käämitysrakenne, magneetit, jotkut elektroniset osat jne.).

Toinen haittapuoli on, että BLDC on useimmiten vaikeampi hallita, ja tarvitsevat elektronisen ohjauskortin.
Niiden mahdollinen suuri nopeus, kuten harjattujen moottoreidenkin tapauksessa, voi myös tarkoittaa, että moottorin ulostulossa käytetään alennuslaitetta nopeuden alentamiseksi ja vääntömomentin lisäämiseksi. Tämä tarkoittaa aina tehokkuuden menetystä, mutta sitä käytetään hyvin usein.

Pieni osa vaihdelaatikosta moottorin nopeuden vähentämiseksi. (lähde)
Huomaa: Vähennys on ratkaiseva osa koko moottoroinnin valintaprosessia. Pysyäksesi perusteissa pitäkää mielessä, että reduktorilla - joka koostuu yhdessä koottuista hammaspyöristä - on tarkoitus vähentää nopeutta ja puhumattakaan tehokkuudesta moninkertaistaa moottorin vääntömomentti, johon se on kytketty.

Monissa kuuluisissa roboteissa on harjattomat tasavirtamoottorit sekä harjatut moottorit. Koska "halvat" robotit ja lelurobotit ovat kuitenkin kalliimpia ja monimutkaisempia hallita kuin harjatut moottorit, eivät välttämättä sisällä mitään BLDC: tä.

Ennen siirtymistä seuraavaan luokkaan

Haluaisin avata täällä sivuttaisen tärkeän kategorian servomoottoreista.

Tällainen moottori on oikeastaan ​​enemmän kuin moottori, se on ”laatikko” (jälleen), joka sisältää tasavirtamoottorin (joko harjattu tai harjaton), pienennyksen moottorin lähtöakselilla, anturin, joka tietää lähtökohdan, ja elektroninen ohjauskortti.

Servomoottorit. Toisessa kuvassa tämä servomoottori oli kiltti näyttämään meille sisäpuolensa. (lähde 1, lähde 2)

Tätä toimilaitetta käytetään laajasti robotiikassa, koska se säätää lähtön kulma-asentoa riippumatta vääntömomentista, jota on käytettävä (teknisten tietojen rajoissa). Se toimii suljetussa silmukassa, anturi antaa palautteen sijainnista ja elektroninen kortti korjaa sen melkein samaan aikaan.

Kuvittele esimerkiksi tämä sovellus yhden aseellisen banaanin nostorobotissasi: Voit valita tarkan kulman käsivarrelle, kun nostat keltaisia ​​hedelmiä. Jos banaania sattuu syömään samanaikaisesti, paino muuttuu, mutta käsivarsi pysyy samassa asennossa suljetun silmukan ja aseman jatkuvan korjaamisen ansiosta.

Plussaa ovat hyvin integroidut toiminnot, jotka mahtuvat pieneen laatikkoon, joten kokoaminen suurempiin robottiosiin on erittäin helppoa; myös ohjaus on jo olemassa, eikä tarkoita uuden suunnittelua, mikä säästää sekä aikaa että rahaa.

Huonot puolet ovat siitä, että jotkut heistä eivät sovi valitsemallesi sovellukselle. Lisäksi monilla servomoottoreilla on huono laatu ja huono hallinta.

Mistä tahansa DC-moottorista voidaan tehdä servomoottori sillä ehdolla, että lisäät anturin, vähentämis- ja ohjaustoiminnot. Nyt tiedät, että se on jo olemassa kokonaisuutena. Siisti.

Kuuluisa robottivaunu Asimo on valmistettu, kuten aiemmin totesin, tasavirtamoottoreista. Se oli osittain totta, koska jotkut sen toimilaitteista ovat itse asiassa servomoottoreita, jotka on valmistettu BLDC-moottoreista.

Kolme robottia Poppy, Ergo Jr. ja Reachy, jotka ovat erittäin sidoksissa ranskalaiseen yritykseen Pollen Robotics, on tehty servomoottoreista.

Itse asiassa servomoottoreita käytetään useammin henkilökohtaisiin robottiprojekteihin. Miksi niin? Koska servomoottori on halpa verrattuna kaikkiin sen tarjoamiin toimintoihin (moottorointi, vähennys, anturi, suljetun silmukan ohjaus). Sinulla ei välttämättä ole paljon rahaa henkilökohtaisten projektien toteuttamiseen ja joudut kohtaamaan tämän valinnan:

  • etsi tasavirtamoottori, suunnittele alennus ja kaivaa itsesi syvälle moottorin ohjauksen viidakkoon, mikä voi viedä viikkoja, ellei kuukausia; tai
  • osta itsellesi servomoottori voidaksesi nostaa kyseisen banaanisi sinä päivänä, jona ostat ne (et ole aivan varma, että löydät kuitenkin sekä servomoottorin että banaanin samasta kaupasta).

Valinta on tavallaan itsestään selvä.

Lisäksi kuuluisat ja halvat työkalut (kuten elektroniset levyt Arduino, Raspberry Pi jne.) Antavat ihmisille, jotka eivät ole ammattilaisia, pääsyn helppoon robotiikkaan hallitsemalla monenlaisia ​​moottoreita, mukaan lukien servomoottorit.

Moottorit, luokka 3: muut moottorit

Tässä viimeisessä kategoriassa puhun askelmoottoreista ja sitten hyvin lyhyesti muista tyypeistä, jotka eivät ole kovin yleisiä.

  • Askelmoottorit:

Nämä moottorit eroavat tasavirtamoottoreista. Ne ovat kuitenkin harjattomia synkronisia DC-moottoreita, mutta niiden toiminnot eroavat niin paljon BLDC: stä, että laitan ne toiseen luokkaan. Sisällä käytetty tekniikka on edelleen sähkömagneettisuutta, mutta myös rakenne ja hallinta ovat erilaisia.
Askelmoottori sallii pyöriä hyvin hitaasti "laskiessaan" askelia. Se voi myös pitää sijainnin tarkkaan kulmaan.

Mitä ne eroavat servomoottoreista? Askelmoottoreilla on suurempi vääntömomentti, ja suljetun silmukan ohjausta ei välttämättä tarvita (vaikka sitä olisi mahdollista käyttää palautteen avulla).

Hyvin melko askelmoottori (lähde)

Askelmoottorissa on roottori, staattori ja kotelo. Roottori on jaettu useisiin vaiheisiin (tai hampaisiin), useimmiten 48 tai 200. Tämä johtaa vastaavasti jakamaan 360 ° käännös 7,5 ° tai 1,8 ° portaan kohden (jotkin muut portaat ovat mahdollisia: 12, 24, jopa 400). Se on valmistettu joko kestomagneeteista (kestomagneetti-askelmat), tavallisesta raudasta (muuttuvan reluktanssin askelmat) tai näiden molempien sekoituksesta (hybridi-askelmat). Staattorissa on kelat jaettu vaiheisiin (2 vaihetta, kutsutaan bipolaariseksi, tai 4 vaihetta, nimeltään unipolaariseksi).

Tieteen kannalta tämä askelmoottori suostui avautumaan kuolemansa jälkeen (lähde)

Kuinka ne toimivat? Tässä on toinen yksinkertainen resepti:

  • Levitä virtaa kelojen muodostamiin sähkömagneetteihin yksi vaihe peräkkäin erillisellä elektronisella ohjauskortilla.
  • Varmista, että roottorin hampaat kohdistuvat sähkökäyttöisiin sähkömagneetteihin, kun taas muut hampaat ovat siirtyneet tyhjäkäynnissä oleviin sähkömagneetteihin.
  • Joka kerta kun seuraavaan vaiheeseen syötetään virtaa, roottori pyörii hieman, jotta lähempät hampaat voivat kohdistua vastaaviin sähkömagneetteihinsa ja niin edelleen.
Pyörivän askelmoottorin neljä yksinkertaistettua vaihetta. (lähde)

Niitä on 3 erityyppistä askelmaa (pysyvä magneetti, muuttuva reluktanssi ja hybridi) ja erilaisia ​​tapoja niiden ohjaamiseen. En kuitenkaan halua puhua niistä tarkemmin tässä viestissä.

Hyödyt: Käytetään usein suoran käytön sovelluksissa (ei vähennyksiä tarvita). Erittäin tarkka sijainti, tämä moottoritekniikka tarjoaa erilaisia ​​tapoja hallita, mukaan lukien joitain tapoja parantaa vielä enemmän kulman tarkkuutta “jakamalla” portaat.

Miinukset: Ei niin ilmeistä hallita, sinun on tiedettävä joitakin taitoja ja käytettävä omaa elektronista korttia. Lisäksi se on edelleen kalliimpaa kuin tasaharjatut moottorit.

Näitä moottoreita käytetään laajalti koneissa, joiden on siirrettävä asioita erittäin tarkkoissa kohdissa, kuten tavallisissa tai 3D-tulostimissa. Vaikka ensimmäinen ei ole sitä, jota kutsun robotiksi, toinen on silti mielenkiintoinen, ja joillakin teollisuusroboteilla sattuu olemaan täsmälleen samat toiminnot.

  • Pietsosähköiset moottorit:

Pietsosähköisillä (tai pietsosähköisillä) moottoreilla menetämme sähkömagneettisen taian. Tämä tekniikka käyttää pietsosähköisten materiaalien (johtamattomia) erityisiä ominaisuuksia, jotka voivat muuttaa niiden muotoa altistettaessa sähkökenttään.

Tämä ei ole jättiläinen sormi, jolla on normaalikokoinen pietsomoottori, tämä on säännöllinen sormi, jolla on hyvin pieni pietsomoottori. (lähde)

Kuinka se toimii? No, toivoin hetken, että et kysy tätä. Mutta mennään.

Tehdään resepti kuten aina:

  • Ota rengasmainen osa pietsosähköisestä materiaalista ja aseta se renkaan muotoisen osan alle tavallisesta metallista. Tämä on staattori.
  • Ota ohut rengasmainen osa keraamista, joka on roottori.
  • Sijoita erityinen elektroninen taajuus staattorin pietsomateriaaliin. Tärinät luodaan ja siirretään staattorin metalliosaan.
  • Staattorin värähtely aiheuttaa pieniä näkymättömiä aaltoja, jotka saavat roottorin pyörimään vastakkaiseen suuntaan.
Voin tuskin kuvitella, kuka maan päällä sanoi eräänä päivänä: Hei ihmiset, kokeillaan sitä asiaa, se todennäköisesti liikkuu! (lähde)

Plussat: tarjoaa suuren vääntömomentin tai erittäin hitaan nopeuden. Piezomotors voi olla hyvin pieni.

Miinukset: Kallis, koska niistä on valmistettu erityisiä materiaaleja ja useimpien pietsomoottorien koko tekee niistä monimutkaisia ​​suunnittelusta ja valmistuksesta. Lisäksi erittäin monimutkainen hallita, ja tarvitaan yksityiskohtaisia ​​kuljettajan ohjauskortteja:

Pietsomoottorin ohjaaja. (lähde)

Vaikka niitä toisinaan löytyy robottisovelluksista, niitä käytetään silti harvoin monimutkaisten ohjauselektroniikansa vuoksi. Löysimme niitä kuitenkin erityisesti roboteista, jotka on tehty erityisille mikrotutkimuksen (esimerkiksi leikkauksen) tutkimusalueille.

  • Vielä muun tyyppiset moottorit:

Tule AC-moottoreista, joista puhuin lyhyesti aiemmin, löytyy erilaisia ​​oudon nimisiä moottoreita. Esimerkiksi hystereesimoottorit, joita joskus käytetään jarruina erilaisiin sovelluksiin ja jotka toimivat myös sähkömagneettisesti tarjoamalla erittäin tarkan vääntömomentin. Toinen moottorityyppi on Foucault-virtausmoottorit (tai pyörrevirtamoottorit), jotka ovat yleensä suurempia ja toimivat sähkömagneettisten kenttien variaatioilla ei-magneettiseksi materiaaliksi. Tätä viimeistä luokkaa ei näytä käyvän robotiikassa.

Kuka sanoi, että moottorit tehtiin vain asioiden kääntämiseksi? Jotkut niistä eivät ole edes pyöriviä. Monia näistä aikaisemmista tekniikoista voidaan käyttää lineaaristen toimilaitteiden valmistukseen.

Lineaarimoottori. (lähde)

Lisäksi voidaan löytää joitain ei-sähköisiä toimilaitteita, kuten pneumaattinen sylinteri (pääosin lineaarinen), ja joskus ilma korvataan vedellä tai jopa öljyllä (hydraulisylinteri). Se luo liikettä, mutta sitä tuskin kutsutaan moottoriksi.

Pneumaattinen toimilaite (lähde)

Tutkimuksella yritetään aina päästä lähemmäksi ihmisen lihaksia käyttämällä erilaisia ​​materiaaleja, joiden on oltava unohtaneet, että ne olivat todellisia materiaaleja, ja heillä oli alkanut olla outoja käyttäytymismalleja. Esimerkiksi joitain niistä kutsutaan muodomuistiseoksiksi, ja he voivat käytännössä muistaa suosikkimuodon tai -asennon ja palata takaisin siihen muodonmuutoksen jälkeen.

Huomaa: Kaikki aiemmat moottorit, joista puhumme tässä viestissä, voidaan ostaa yhdessä niihin integroidun alennuksen kanssa. Sitä kutsutaan sitten vaihdemoottoriksi. Vaihdemoottorit ovat erittäin hyödyllisiä, kun haluat välttää kivuliaita vaiheita suunnitella omaa alennustasi. Vaihdemoottorit tarjoavat hitaamman nopeuden ja suuremman vääntömomentin kuin pelkästään moottorit.

Nyt, miten voin valita moottori tässä sotkussa?

Moottorin valinta on kriittinen vaihe robotiikassa. Sinun ei pidä laiminlyödä sitä, jos et halua riskiä huonosta suunnittelusta, joka ei täytä edes perustoimintoja.

Monia sovelluksia on olemassa, monia kysymyksiä on esitettävä, ja monia moottoreita voidaan testata ennen oikean löytämistä. Jokaisella sovelluksella, jota haluat jatkaa projektiisi (robottivarsi, kävelyjalat, pyöräalusta, lentävä robotti, banaanin nosto jne.) On yksi (tai useita) ratkaisuja, jotka eroavat muista sovelluksista. Ja ratkaisuihin pääsee monin tavoin.

Tässä on joitain neuvoja valinnan aloittamiseksi:

  • Jotta sinulla olisi selkeä näkökulma, lista mitä haluat ja mitä et halua. Tee eräänlainen spesifikaatiotiedosto, vaikka se olisi luettelo ideoista, jotka heitetään mihinkään likaiseen paperiin. (Tämä erityinen huono paperi on äärettömän kiitollinen palvelusta, etenkin sellaiselle merkitykselliselle ja loistavalle tarkoitukselle kuin robotti.)
  • Älä unohda omaa tutkimustasi: älä kiinnitä vain yhtä verkkosivustoa tai yhtä viestiä (edes tätä), mene etsimään niin monta tietoa kuin mahdollista ja vastakkain yhdessä. Mutta…
  • … Ole varovainen löytämäsi suhteen. Joissakin sisällöissä on virheitä tai huonoja selityksiä. Tarkista aina löytämäsi.
  • Tee tutkimusta myös kirjoissa. Kirjoja tarkistetaan yleensä paljon enemmän kuin verkosta löytyvää sisältöä.
  • Jos mahdollista, tee omat laskelmansa (ja tee niiden tarkistus muille): monet ihmiset, jotka eivät ole ammattilaisia, ovat erittäin hyviä suunnittelemaan hienoja robottityökappaleita tekemättä pienintäkään laskelmaa. Tämä on hienoa, mutta jos pystyt tekemään jotain, se antaa sinulle enemmän luottamusta ja antaa sinun nähdä asioita eikä vain pinnalla. Teoria on hieno. Mutta…
  • … Yritä testata fyysisesti myös erilaisia ​​ratkaisusi. Teoria ja käytäntö sopivat harvoin täydellisesti yhteen, ja lopulta käytännössä haluat nähdä työskentelevän.
  • Mene kävelemään. Ansaitset sen. Vakavasti, mene katsomaan aurinkoa, hengitä ilmaa ja tuntea ruoho ihosi alla. Odotan sinua täällä. Voi, ja tuo minulle sitruunajäätelöä - ota tämä - ja hemmottele itseäsi haluamallasi aromilla.
  • Ole varovainen. Heti kun jätät teorian käytännössä, noudata turvallisuussääntöjä, etenkin koska käsittelet akkuja.
  • Ei ole täydellistä moottoria mitä haluat tehdä. Sinun on todennäköisesti tehtävä kompromisseja, mukautettava eritelmiäsi, tasapainotettava edut ja haitat saadaksesi lähinnä toteutettavissa olevaan ratkaisuun.

Sitten voit kysyä itseltäsi joukon kysymyksiä, jotka auttavat sinua rajaamaan valintaa kunkin tekniikan etujen ja haittojen sekä tutkimuksen perusteella. Tässä on muutama esimerkki näistä kysymyksistä:

  • Tarvitsenko vääntömomenttia mutta pienen nopeuden tai nopeuden mutta pienen vääntömomentin?
  • Tarvitsenko nopeuden, vääntömomentin tai kulman ohjauksen?
  • Millaista elektronista ohjausta voin saavuttaa tai haluan käyttää?
  • Voiko sovellus toimia suoralla ajolla vai alennuksella?
  • Mitä laatua tarvitsen ja mikä elinikä?
  • Mitä painoa käsittelen nostamiselle?
  • Kuinka paljon rahaa haluan käyttää?
  • Mitä tarkkuutta tarvitsen?
  • Missä ympäristössä robotti toimii?
  • Tarvitsenko erityistä turvallisuutta?
  • Haluanko nostaa banaaneja tai tutkia Marsia?
  • ...

Muista, että ei ole tiettyä moottoria, joka olisi täysin sovitettu tiettyyn tilanteeseen. Mutta mitä enemmän pystyt vastaamaan näihin kysymyksiin, sitä tarkempi on idea ideaalimoottoristasi.

Kiitos, että luit.
 - Jos pidit lukemasi, napsauta helvettiä siitä ja seuraa meitä Mediumissa!

Nosta minut!

Olen mekatroniikan insinööri, Luos Roboticsin perustaja. Kehitämme uusia tekniikoita robotien rakentamiseksi helpommin ja nopeammin.