Τα ρομπότ εκτελούν συγκεκριμένες προσχεδιασμένες εργασίες, όπως εργασίες γραμμής συναρμολόγησης, χειρουργική βοήθεια, παραλαβή/ανάκτηση αποθήκης, ακόμη και επικίνδυνες εργασίες όπως αφαίρεση ναρκών ξηράς Τα σημερινά ρομπότ είναι ικανά να χειρίζονται όχι μόνο εξαιρετικά επαναλαμβανόμενες εργασίες, αλλά και σύνθετες λειτουργίες που απαιτούν ευελιξία στην κατεύθυνση και κίνηση. Καθώς η τεχνολογία προχωρά, η ταχύτητα και η επιδεξιότητα αυξάνονται και το κόστος μειώνεται, τα ρομπότ θα υιοθετηθούν σταδιακά ευρέως. Το πλεονέκτημα κόστους του να είναι χαμηλότερο από την εργασία μας δίνει επίσης μια γεύση από τη βιομηχανία της ρομποτικής. Επιπλέον, η πρόοδος στη μηχανική όραση, την υπολογιστική ισχύ και τη δικτύωση θα οδηγήσει επίσης στη διάδοση των εφαρμογών ρομπότ και αυτών των μηχανών υψηλής απόδοσης
Η συνειδητοποίηση του ανθρώπου οφείλεται στις ακόλουθες πτυχές της ενίσχυσης:
1. Σύνθετοι αισθητήρες
2. Υπολογιστική ισχύς και αλγόριθμοι που επιτρέπουν τη λήψη αποφάσεων και την κίνηση σε πραγματικό χρόνο.
3. Κινητήρες που προάγουν γρήγορα και με ακρίβεια τη μηχανική ισχύ για να πραγματοποιήσουν πολύπλοκες εργασίες!
Όταν επιλέγει συγκεκριμένα έναν τύπο και μοντέλο κινητήρα, ο σχεδιαστής πρέπει να λάβει υπόψη τρεις βασικούς παράγοντες που πρέπει να λάβει υπόψη ο σχεδιαστής.
1. Η ελάχιστη και η μέγιστη ταχύτητα (και επιτάχυνση) του κινητήρα.
2. Η μέγιστη ροπή που μπορεί να δώσει ο κινητήρας και η σχέση μεταξύ των καμπυλών ροπής και ταχύτητας.
3. την ακρίβεια και την επαναληψιμότητα της λειτουργίας του κινητήρα (χωρίς αισθητήρες και έλεγχο κλειστού βρόχου). Φυσικά, υπάρχουν πολλοί άλλοι σημαντικοί παράγοντες που πρέπει να λάβετε υπόψη κατά την επιλογή ενός κινητήρα, όπως το μέγεθος, το βάρος και το κόστος. Για όλους σχεδόν τους ρομποτικούς ενεργοποιητές μικρού έως μεσαίου μεγέθους, η επιλογή των κινητήρων μετάδοσης κίνησης είναι συνήθως μεταξύ κινητήρων συνεχούς ρεύματος με βούρτσα, κινητήρων συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες (BLDC) και βηματικών κινητήρων. (Ωστόσο, σε ορισμένες περιπτώσεις η καλύτερη επιλογή είναι η υδραυλική έναντι της πνευματικής πρέσας.)
Οι βουρτσισμένοι κινητήρες DC είναι η παλαιότερη τεχνολογία κινητήρων συνεχούς ρεύματος, η απλούστερη και η φθηνότερη. Η περιστροφή του ρότορα του κινητήρα αλλάζει (μετατρέπει) το μαγνητικό πεδίο των περιελίξεων γύρω από τον ρότορα λόγω της επαφής μεταξύ των βουρτσών και του ρότορα. Η ταχύτητα του κινητήρα είναι συνάρτηση της εφαρμοζόμενης τάσης, επομένως οι απαιτήσεις μετάδοσης κίνησης είναι μέτριες, αλλά η διαχείριση της ροπής είναι δύσκολη. Υπάρχουν επίσης ζητήματα αξιοπιστίας κατά τη λειτουργία λόγω παραγόντων όπως η φθορά των βουρτσών, η ανάγκη καθαρισμού και συντήρησης και η πιθανή πηγή ηλεκτρονικού θορύβου (ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή). Ως αποτέλεσμα αυτών των προβλημάτων, οι βουρτσισμένοι κινητήρες συνεχούς ρεύματος είναι, ως επί το πλείστον, η λιγότερο ελκυστική επιλογή για σχεδιασμό ρομπότ.
Οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες εμφανίστηκαν τη δεκαετία του 1860 και επωφελήθηκαν από δύο εξελίξεις: την εμφάνιση ισχυρών, μικρών μόνιμων μαγνητών χαμηλού κόστους. και η εμφάνιση μικρών, αποδοτικών ηλεκτρονικών διακοπτών (συνήθως MOSFET) για τη μετάβαση της ροής ρεύματος στις περιελίξεις." Ηλεκτρονική μεταγωγή" αντικαθιστά τη μηχανική μεταγωγή του κινητήρα βούρτσας για τον έλεγχο της μεταγωγής του μαγνητικού πεδίου, της αλληλεπίδρασης μεταξύ του σταθερού πηνίου μεταγωγής γύρω και οι μαγνήτες στον περιστρεφόμενο πυρήνα αντικαθιστούν τη μηχανική εναλλαγή του κινητήρα της βούρτσας, δηλαδή, χρησιμοποιεί την αλληλεπίδραση μεταξύ του μαγνητικού πεδίου και του ηλεκτρικού πεδίου. Με την αλλαγή της συχνότητας μεταγωγής του MOFSET, μπορεί να ελεγχθεί η ταχύτητα του κινητήρα. Επιπλέον, ο ελεγκτής κινητήρα του μπορεί να ελέγχει καλύτερα την απόδοση του κινητήρα σε σύγκριση με τους κινητήρες με βούρτσα.
Ακόμα καλύτερα, προηγμένοι αλγόριθμοι όπως οι αλγόριθμοι διόρθωσης PID (Proportional-Integral-Differential) ή οι αλγόριθμοι ελέγχου FOC (Field Oriented Control, μερικές φορές αποκαλούμενος Vector Control) μπορούν να στερεοποιηθούν στον ελεγκτή κινητήρα. Αυτό επιτρέπει την ιδανική λειτουργία του κινητήρα να ταιριάζει με τα πραγματικά φορτία και τις διακυμάνσεις του φορτίου, με αποτέλεσμα πιο στιβαρή και ακριβή απόδοση του κινητήρα. Για παράδειγμα, οι αλγόριθμοι/προγράμματα ελέγχου κινητήρα μπορούν να λάβουν υπόψη τους σχετικούς παράγοντες όπως η αδράνεια του δρομέα και να επιτρέψουν στον κινητήρα να προσαρμοστεί και να μειώσει σταδιακά τα σφάλματα που οφείλονται σε μηχανικούς παράγοντες. Τέτοιοι αλγόριθμοι καθιστούν δυνατό τον ακριβή έλεγχο της επιτάχυνσης και της ροπής.
Οι κινητήρες χωρίς ψήκτρες (BLDC) απαιτούν πιο πολύπλοκα κυκλώματα ελέγχου, αλλά μπορούν να επιδείξουν καλύτερη απόδοση από τους κινητήρες με ψήκτρες. Συνήθως, οι κινητήρες BLDC πρέπει να είναι εξοπλισμένοι με έναν αισθητήρα ανάδρασης θέσης, όπως έναν αισθητήρα εφέ Hall, έναν οπτικό κωδικοποιητή ή μια συσκευή ανίχνευσης αντίστροφου δυναμικού.
Ένας άλλος τύπος κινητήρα BLDC που χρησιμοποιείται συνήθως στα ρομπότ είναι ο βηματικός κινητήρας, όπου χρησιμοποιείται ένας ηλεκτρομαγνήτης μεταγωγής, που βρίσκεται δίπλα στον κεντρικό πυρήνα του δακτυλίου μόνιμου μαγνήτη. Οι βηματικοί κινητήρες δεν "περιστρέφονται" με συμβατικό τρόπο. Αντίθετα, αυξάνουν σταδιακά την ταχύτητά τους με τη βοήθεια ενός συνεχώς περιστρεφόμενου άξονα, επιτρέποντας έτσι μια ορισμένη γωνία περιστροφής ή συνεχή περιστροφή. Οι βηματικοί κινητήρες διαθέτουν επαναλαμβανόμενο έλεγχο κίνησης: μπορούν να επιστραφούν στην προηγούμενη θέση όταν απαιτείται.
Οι γωνίες βήματος κυμαίνονται από 1,8 μοίρες (200 βήματα/περιστροφή) έως 30 μοίρες (12 βήματα/περιστροφή). Η γωνία βηματισμού ή ο αριθμός των βημάτων εξαρτάται από τον αριθμό των μόνιμων μαγνητών που διαθέτει ο κινητήρας, αλλά είναι επίσης δυνατές τιμές εκτός αυτού του εύρους.
Με τους βηματικούς κινητήρες, εάν εφαρμόζεται ισχύς αλλά δεν είναι στραμμένα τα βήματα, θα παραμείνουν στην αρχική τους θέση. Οι βηματικοί κινητήρες παρέχουν υψηλή ροπή σε χαμηλές στροφές. Ο πιο άμεσος τρόπος για να περιστραφεί ένας βηματικός κινητήρας είναι να ενεργοποιήσετε και να απενεργοποιήσετε την ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα με τακτοποιημένο τρόπο, αλλά αυτό μπορεί να προκαλέσει τρέμουλο ή δόνηση. Οι κινητήρες χωρίς ψήκτρες και οι βηματικοί κινητήρες έχουν μερικώς επικαλυπτόμενες περιοχές εφαρμογής. Οι βηματικοί κινητήρες ταιριάζουν καλύτερα για εφαρμογές που απαιτούν ακριβείς κινήσεις εισόδου και εξόδου (όπως pick and place) αντί για μεγάλες περιόδους παρατεταμένης περιστροφής, καθώς και για μικρότερες εφαρμογές που δεν απαιτούν υψηλή ροπή ή ταχύτητα από τον κινητήρα. Επιπλέον, οι βηματικοί κινητήρες έχουν χαμηλότερες απαιτήσεις ενεργειακής απόδοσης από τους κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες. Εκτός από τους κινητήρες που αναφέρονται εδώ, υπάρχουν πολλοί άλλοι διαθέσιμοι τύποι. Οι οικογένειες κινητήρων είναι πολυάριθμες και πολύπλοκες, με πολλές υποδιαιρέσεις. Για παράδειγμα, ο σύγχρονος κινητήρας μόνιμου μαγνήτη (PMSM) είναι ένας συνδυασμός κινητήρα συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες (σε σχέση με τον ρότορα) και κινητήρα επαγωγής AC (σε σχέση με τη δομή του στάτορα). Χαρακτηρίζεται από υψηλή ενεργειακή απόδοση, υψηλή σχετική πυκνότητα ανά μονάδα μικρού όγκου, αναλογία ροπής προς βάρος, γρήγορο χρόνο απόκρισης και σχετική ευκολία ελέγχου, αλλά είναι επίσης σχετικά ακριβό.
Το σύστημα κίνησης ρομπότ περιλαμβάνει περισσότερα από κινητήρες. περιλαμβάνει τρεις κύριες λειτουργικές ενότητες.
1.Ελεγκτής σε πραγματικό χρόνο, που εκδηλώνεται με τις ακόλουθες τρεις μορφές.
Γρήγοροι υπολογιστικοί επεξεργαστές για γενικούς σκοπούς, με υλικολογισμικό ελέγχου κίνησης.
FPGA προσανατολισμένα στο DSP για εφαρμογές ελέγχου.
Εξειδικευμένα κυκλώματα IC ελεγκτή με καλωδίωση και ενσωματωμένους αλγόριθμους.
2. Ένα ή περισσότερα στρώματα προγράμματος οδήγησης διαχωρίζονται για να παίρνουν σήματα χαμηλού επιπέδου από τις εξόδους του ελεγκτή και να εξάγουν την υψηλή τάση/ρεύμα που απαιτείται για την ενεργοποίηση/απενεργοποίηση των ηλεκτρονικών ελέγχου.
3.MOSFET (ή άλλες συσκευές μεταγωγής, όπως IGBT ή διπολικά τρανζίστορ), που ελέγχει τη ροή ρεύματος στις περιελίξεις του κινητήρα ειδικά
Η επιλογή MOSFET εξαρτάται κυρίως από τον κινητήρα και τις περιελίξεις του απαιτούμενου μεγέθους ρεύματος και τάσης. Μοντέλο MOSFET για τον προσδιορισμό κάτω για την επιλογή του προγράμματος οδήγησης μετά την επιλογή του προγράμματος οδήγησης MOSFET από την βαθμολογία MOSFET: μερικές φορές μπορεί να απαιτήσει μια σειρά από ανοδική απώθηση οδηγού, η συγκεκριμένη απόφαση για τον προσδιορισμό του προγράμματος οδήγησης. Μερικές φορές μπορεί να απαιτείται μια σειρά προγραμμάτων οδήγησης ενίσχυσης, ανάλογα με το μέγεθος των MOSFET.
4. Προβλήματα που μπορεί να παρουσιαστούν κατά την επιλογή ενός ελεγκτή
Η επιλογή μοντέλου ελεγκτή είναι επίσης πολύ στρατηγική και απαιτεί τη λήψη απόφασης πριν από την επιλογή συγκεκριμένου προμηθευτή και μοντέλου. Υπάρχουν πολλές ανταλλαγές όταν επιλέγετε εάν θα χρησιμοποιήσετε έναν επεξεργαστή γενικής χρήσης για έλεγχο κινητήρα μόνο, ένα FPGA με τοπική υπολογιστική ισχύ ή ένα εξειδικευμένο κύκλωμα IC ελέγχου (συνήθως από έναν συγκεκριμένο προμηθευτή ελέγχου κινητήρα). Οι σχεδιαστές πρέπει να λάβουν υπόψη παράγοντες όπως π.χ.
Τι πολυπλοκότητα αλγορίθμου ελέγχου χρειάζεστε και πόσες I/0 θύρες;
Ποιος θα παρέχει τον αλγόριθμο ελέγχου και τον κώδικα: ο προμηθευτής IC, ένας τρίτος συνεργάτης ή ένας μη συνδεδεμένος τρίτος προγραμματιστής; Πώς θα επαληθεύσουν και θα επικυρώσουν την απόδοση του κινητήρα και την εφαρμογή του;
Πόση ικανότητα προγραμματισμού χρήστη χρειάζεστε; Ακόμη και οι αποκλειστικοί, μη προγραμματιζόμενοι ελεγκτές θα απαιτούν από τον χρήστη να επιλέξει τον τύπο του αλγορίθμου, τη λειτουργία ελέγχου κλειστού βρόχου (θέση, ταχύτητα ή επιτάχυνση) και θα πρέπει να ορίσει έναν αριθμό παραμέτρων λειτουργίας. Έχει ο κινητήρας και η εφαρμογή μοναδικές ιδιότητες για ρύθμιση; Εάν η απάντηση είναι ναι, τότε θα ήταν καλύτερο να επιλέξετε προγραμματιζόμενο I. Αντίθετα, εάν δεν υπάρχει ανάγκη τροποποίησης των αλγορίθμων, ένα αποκλειστικό IC με ενσύρματους, στερεοποιημένους αλγόριθμους είναι προτιμότερο από ένα πλήρως προγραμματιζόμενο IC. Χρειάζεται ο ελεγκτής να υποστηρίζει πολλούς τύπους κινητήρων; Ακόμα κι αν είναι του ίδιου τύπου, χρειάζεται ο ελεγκτής να υποστηρίζει μόνο ένα μέγεθος κινητήρα σε αυτό το μοντέλο ή μια σειρά μεγεθών;
Τι επίπεδο τεχνικής υποστήριξης παρέχει ο προμηθευτής; Τι πρακτική εμπειρία κινητικής ανάπτυξης έχουν; Θα παρέχουν συγκεκριμένα σχέδια αναφοράς που έχουν κατασκευαστεί και επικυρωθεί, συμπεριλαμβανομένων των κυκλωμάτων διασύνδεσης μεταξύ του IC ελέγχου και του προγράμματος οδήγησης MOSFET;
Υπάρχουν ρυθμιστικά ζητήματα που πρέπει να γνωρίζετε; Για παράδειγμα, εγκεκριμένες αξιολογήσεις ενεργειακής απόδοσης
(πολλές εφαρμογές κινητήρα πρέπει πλέον να πληρούν διάφορες «πράσινες» περιβαλλοντικές απαιτήσεις). Εάν ναι, κατανοεί ο προμηθευτής αυτά τα ζητήματα και τα στοιχεία και οι αλγόριθμοί τους πληρούν αυτές τις απαιτήσεις;
5. Κιτ ανάπτυξης επιδεικνύουν την απόδοση του ελεγκτή και της διεπαφής
Για πολλούς μηχανικούς, η συγκέντρωση όλων των κομματιών - ελεγκτές, προγράμματα οδήγησης, MOSFET κ.λπ. με στερεοποιημένους ή ξεχωριστούς αλγόριθμους - είναι μια διεπιστημονική εργασία, μια εργασία που δεν θέλουν να "ξεκινήσουν από την αρχή". Για το λόγο αυτό, πολλοί πωλητές προσφέρουν πίνακες αξιολόγησης ή ακόμα και πλήρη κιτ με δείγματα αλγορίθμων ελεγκτών, προγραμμάτων οδήγησης και MOSFET. Για παράδειγμα, το τριφασικό κιτ PMSM χωρίς αισθητήρα Freescale MTRCKTSPNZVM128 χρησιμοποιεί τεχνολογία ελέγχου κινητήρα χωρίς αισθητήρα για την οδήγηση ενός τριφασικού κινητήρα BLDC ή PMSM και έχει σχεδιαστεί για γρήγορη δημιουργία πρωτοτύπων και αξιολόγηση χρησιμοποιώντας αντίστροφα δυναμικά που υποστηρίζονται από την ενσωματωμένη μονάδα ADC με τη βοήθεια μικροελεγκτή. Επιπλέον, αυτό το κιτ (με τον μικροελεγκτή MC9S12ZVML12) μπορεί επίσης να διαμορφωθεί για αξιολόγηση της λειτουργίας βάσει αισθητήρων χρησιμοποιώντας αισθητήρες Hall ή αναλυτές. Το μέλλον της ρομποτικής είναι επίσης πολλά υποσχόμενο, καθώς η πρόοδος στην τεχνολογία, συμπεριλαμβανομένης της ενεργοποίησης ακριβείας μέσω βελτιωμένου ελέγχου και ανίχνευσης κινητήρα, θα δημιουργήσει νέες ευκαιρίες. Οι επαναστάσεις στους βασικούς τομείς της αίσθησης, του ελέγχου και των κινητήρων θα συνεχίσουν να επηρεάζουν τις αλλαγές στη ρομποτική.