Привод в роботе – Робототехники из Disney Research разработали гибридный привод нового поколения

Содержание

7 популярных приводов для роботов

Привод — это механизм для приведения в действие оборудования по управлению технологическими процессами с использованием электрических, пневматических или гидравлических сигналов. Это важная часть в робототехнике. Приводы, используемые в роботах, влияют на их целесообразность и производительность. Поэтому, в этой статье мы рассмотрим 7 самых распространенных приводов, которыми можно оснастить роботов различного предназначения.

Бесщеточный двигатель постоянного тока

Начнем с электрических двигателей. Бесщеточный или бесколлекторный — это один из типов приводов, набирающих популярность в робототехнике. Как понятно из названия, такой двигатель не использует щетки для коммутации, а вместо этого он коммутируется за счет электроники. Принцип работы данного привода основан на взаимодействии магнитных полей между электромагнитом и постоянным магнитом. Когда катушка находится под напряжением, противоположные полюса ротора и статора притягиваются друг к другу. Эти актуаторы используются практически в любых роботах.

Достоинства БДП следующие: 

  • Быстродействие относительно характеристик вращающего момента;
  • Более высокая частота вращения;
  • Высокие динамические характеристики;
  • Длительный срок службы;
  • Бесшумная работа.

Недостатки:

  • Сложный и дорогостоящий регулятор скорости;
  • Не работает без электроники.

Синхронный привод

Данный двигатель содержит ротор, который синхронно вращается с колеблющимся полем или током. Синхронные приводы имеют множество преимуществ перед другими двигателями. В первую очередь это относится к энергетическим показателям. Данные приводы используются в выпускаемых промышленных роботах со средней грузоподъемностью и числом степеней подвижности от 3 до 6. Точность позиционирования электрического привода достигает значений до ± 0,05 мм. Их применяют как в позиционном, так и в контурном режимах работы.

Преимущества:

  • Высокая экономичность;
  • Удобство сборки и хорошие регулировочные свойства;
  • Очевидна целесообразность применения синхронного привода для механизмов, не требующих регулирования скорости.

Недостатки:

  • Применение синхронного двигателя затруднено, если механизмы обладают большими маховыми массами, где необходимо иметь регулируемый или двойной привод;
  • Не имеет начального пускового момента. Следовательно, для его пуска необходимо разогнать ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

Асинхронный двигатель

Этот электропривод для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую также выгоден по ряду причин. Сам термин «асинхронный» означает не одновременный. При этом имеется ввиду, что у этих двигателей частота вращения магнитного поля статора всегда больше частоты вращения ротора. Работают асинхронные двигатели от сети переменного тока.

Этот тип двигателя используется в основном для питания ведущих колес автомобиля, поэтому и может найти место в колесной робототехнике. Наличие мощных полупроводников сделало практичным использование более простых асинхронных электродвигателей переменного тока.

Преимущества:

  • Простота и надежность из-за отсутствия коллектора;
  • Низкая стоимость;
  • Значительно низкая масса;
  • Меньшие габариты.

Недостатки:

  • Могут перегреваться, особенно под нагрузкой;
  • Невозможность стабильно держать частоту вращения;
  • Относительно небольшой пусковой механизм.

Шаговый двигатель

Шаговый двигатель – привод, в последнее время часто используемый в робототехнике. Основное отличие между ним и всеми остальными типами двигателей состоит в способе вращения. Как известно, перечисленные ранее двигатели вращаются непрерывно. Но шаговые приводы вращаются «шагами». Каждый шаг представляет собой часть полного оборота. Эта часть зависит от механического устройства мотора и от способа управления. 

Использование шаговых двигателей является одним из самых простых, дешевых и легких решений для работы систем точного позиционирования. Поэтому эти двигатели очень часто используются в станках с ЧПУ и роботах.

Преимущества:

  • Главное преимущество – точность работы. При подаче потенциалов на обмотки двигатель повернется строго на определенный угол;
  • Низкая стоимость;
  • Подходит для автоматизации отдельных механизмов и систем, где нет необходимости в высокой динамике.

Недостатки:

  • Присутствует проблема «проскальзывания» ротора при повышенной нагрузке на вал;
  • Ограничение шагов (максимум 1000 об/мин).

Сервопривод

Это тип электромеханических двигателей, которые не вращаются постоянно, как шаговые, а перемещаются по сигналу в определенное положение и сохраняют его до следующего сигнала. Находят широкое применение в различных секторах робототехники – от самодельных механизмов до сложных андроидов.

В сервоприводах используется механизм обратной связи, позволяющий обрабатывать ошибки и исправлять их в позиционировании. Такая система называется следящей. Если какая-то сила оказывает давление на привод, изменяя его положение, двигатель будет применять силу в противоположном направлении, чтобы исправить возникающую ошибку. Таким образом, достигается высокая точность позиционирования.

Преимущества:

  • Более высокая скорость вращения;
  • Высокая мощность;
  • Позиция механизма всегда на виду и доступна для корректирования.

Недостатки:

  • Сложная система подключения и управления;
  • Требует квалифицированного обслуживания;
  • Высокая стоимость.

Пневматический привод

Двигатель, приводящий в движение механизмы через энергию сжатого воздуха. Основной компонент здесь – компрессор. Сжатый компрессором воздух поступает в пневмолинии, и далее к пневмодвигателю. Благодаря отсутствию вязкой среды, такие двигатели могут работать на большей частоте — скорость вращения пневмомотора может достигать десятков тысяч оборотов в минуту.
Этот тип привода все чаще используется в робототехнике, так как имеет низкую плавность хода и точность срабатывания. Наиболее рационально использовать его для механизмов с двумя состояниями – втягивания и выталкивания или закрывания и открывания.

Преимущества:

  • Простота и экономичность;
  • Рабочее тело не ограничено заданным объемом и может пополняться в случае утечки;
  • Вместо компрессора можно использовать баллон со сжатым газом, что упрощает построение пневматической системы;
  • Менее чувствителен к изменениям температуры окружающей среды.

Недостатки:

  • Более низкий КПД;
  • Высокая стоимость пневматической энергии по сравнению с электрической;
  • Нагревание и охлаждение рабочего газа в компрессорах, что может привести к возможности обмерзания систем или наоборот конденсации водяных паров из рабочего газа. 

Гидравлический привод

Если робот должен работать с грузами более 100кг, следует задуматься об использовании гидравлического привода. Этот тип двигателя для приведения в движения исполнительного органа использует жидкость. Принцип работы гидропривода состоит в насосе, который создает давление рабочей жидкости в напорной магистрали, соединенной с гидродвигателем. Двигатель преобразует давление жидкости в механическое. При этом, регуляторы управляют скоростью и направлением движения гидродвигателя.
Эти приводы применяются в основном в промышленной робототехнике. Но есть случаи их использования и в других прототипах, к примеру,  в известном детище DARPA — роботе BigDog.

Преимущества:

  • Небольшие размеры и масса;
  • Высокая производительность — развивает силу в 25 раз выше, чем пневмопривод аналогичного размера;
  • Плавное регулирование силы;
  • Рабочая температура — от -50 до +100С.

Недостатки:

  • При высоком давлении возможны утечки жидкости;
  • Высокая стоимость оборудования и обслуживания;
  • Непрерывное потребление энергии;
  • Сложно отслеживать точность работы.

Это были самые основные типы приводов, которые наиболее используются в современной робототехнике. 

ПРИВОДЫ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ | sibac.info

Аннотация. В статье рассматриваются варианты использования приводов в мобильных роботах. От этого выбора зависит какой драйвер будет использоваться, как точно будет позиционироваться робот, какой источник питания необходим. Рассмотрены основный и часто используемые виды приводов. Описаны их достоинства, недостатки и принципы работы.

Ключевые слова:

 робот, автоматизация, мехатроника, привод, двигатель, мобильный, шаговый, серво, электродвигатель, трансмиссия, машина, движение.

 

Привод — устройство для приведения в действие машин. Привода состоит из трех основных устройств:

1) двигатель – который преобразует электрическую энергию в механическую энергию,

2) трансмиссия передает механическую энергию, изменение характера движения (вращательное, поступательное),

3) система управления обеспечивает работу привода, возможно, требуются датчики: перемещения, скорости, силы тока, усилия и т.п.

Типы приводов:

  1. Пневматические приводы. Принцип работы основан на давление сжатого воздуха. Устройство: пневмоцилиндр (стопоры с демпферами, ограничители скорости), распределительная система (клапаны), источник сжатого воздуха. Особенности: Простота и дешевизна. Относительно малая грузоподъемность. Проблемы с произвольным позиционированием. Обычно дискретное цикловое управление.
  2. Гидравлические Принцип работы основан на давление жидкости. Устройство: гидроцилиндр, распределительная система, станция питания: компрессор, охлаждение, расширительный бак, фильтры. Особенности: Сложны и дороги. Большая грузоподъемность, могут развивать значительные усилия. Точное позиционирование. Обычно непрерывное управление (по скорости или позиции).
  3. Микроприводы: пьезоэлектрические, микромеханика.
  4. Искусственные мышцы: пневматические (пневмоцилиндр заменяется эластичной трубкой), эффект памяти формы метала (никелид титана), электоактивные полимеры (перераспределение зарядов в полимерах заставляет их изгибаться).
  5. Электрические Принцип работы основан на электромагнитные силы. Устройство: сильно различается: индуктор (статор, неподвижная часть) с обмотками или постоянными магнитами, якорь (ротор, подвижная часть) с обмотками или постоянными магнитами, коммутационная система (механическая, электронная или отсутствует), возможно также тормоз, система охлаждения и т.п. Особенности: Удобство управления и эксплуатации. Потребляют энергию в статике, плохие массогабаритные характеристики. Точное позиционирование. Могут использоваться в составе различных систем управления. Большое число различных типов, можно подобрать под определенную задачу. Рассмотрим основные типы.
  •  Двигатель переменного тока \ (AC) редко используется в мобильных роботах так как большинство из них рассчитаны на питание постоянным током (DC) от батареи. Двигатели переменного тока используются в основном в промышленных помещениях, где требуется очень высокий крутящий момент, или где моторы подключены к электросети.
  • Двигатели постоянного тока MotorDC моторы имеют разнообразные формы и размеры, хотя большинство из них цилиндрические. Они имеют выходной вал, который вращается на высоких скоростях, обычно в 5 000 до 10 000 оборотов в минуту. Хотя двигатели постоянного тока очень быстро вращаются, большинство из них не очень мощные (низкий крутящий момент). Для того, чтобы снизить скорость и увеличить крутящий момент, могут быть добавлены редукторы. Чтобы установить двигатель на робота, нужно закрепить корпус двигателя на раме робота. По этой причине двигатели часто имеют монтажные отверстия, которые обычно располагаются на лицевой стороне двигателя, поэтому они могут быть установлены перпендикулярно к поверхности. Двигатели постоянного тока могут работать по часовой стрелке (CW) и против часовой стрелки (против часовой стрелки) вращения. Угловое движение вала может быть измерено с помощью энкодеров или потенциометров.
  •  Мотор редуктор постоянного тока — двигатель постоянного тока в сочетании с коробкой передач, которая работает, чтобы уменьшить скорость двигателя и увеличить крутящий момент. Например, если двигатель постоянного тока вращается со скоростью 10000 оборотов в минуту и достигает 0.001 Н*м крутящего момента, то добавив понижающую передачу 100:1 (сто к одному) мы снизим скорость в 100 раз. В результате 10000 / 100 = 100 об / мин и увеличим крутящий момент в 100 раз (0.001 х 100 = 0.1 Н*м). Основные виды понижающих передач — это зубчатая передача, ременная, планетарная, червячная (которая позволяет получить очень высокое передаточное число с помощью всего одного этапа, а также не дает выходному валу двигаться, если двигатель не работает). Часто сервомоторы э могут поворачиваться на угол до 180 градусов. Они поворачиваются на определенный угол поворота, и часто используются в более дорогих моделях дистанционного управления средствами для управления или контроля полета. Теперь они используются в различных приложениях, цены на эти сервоприводы значительно сократилось, и разнообразие (разные размеры, технологии и сила) увеличилось. Общим фактором для большинства сервоприводов заключается в том, что большинство использует только поворот около 180 градусов. R / C сервомотор включает в себя двигатель постоянного тока, редуктор, электронику и роторный потенциометр, который и измеряет угол. Электроника и потенциометр работают синхронно, чтобы управлять двигателем и останавливать выходной вал по заданному углу. Эти моторы обычно имеют три провода: земля, напряжение В, и управляющий импульс. Управляющий импульс, как правило, снимается с регулятора мотора сервопривода. “Робот серво” — это новый тип сервопривода, который предполагает непрерывное вращение и обратную связь по положению. Все сервоприводы могут вращаться как вправо, так и влево.
  • Промышленный серводвигатель с приводом управляется иначе, чем хобби мотор и чаще встречаются на очень больших машинах. Промышленный сервомотор обычно трехфазный и состоит из двигателя переменного тока, редуктора и энкодера, который обеспечивает обратную связь по угловому положению и скорости. Эти моторы редко используются в мобильных роботах из-за их веса, размеров, стоимости и сложности. Вы можете увидеть промышленные серводвигатели на мощный промышленных манипуляторах, или на очень больших роботизированных автомобилях.
  • Шаговый двигатель вращается на определенные “ступени” (на самом деле, конкретные градусы). Число ступеней и размер шага зависит от нескольких факторов. Большинство шаговых двигателей не включает в себя передачи, так как это двигатели постоянного тока и вращающий момент низок. Правильно настроенный шаговый двигатель может вращаться вправо и влево и может быть установлен в требуемое угловое положение. Есть однополярные и биполярные типы шаговых двигателей. Одним заметным недостатком шаговых двигателей является то, что, если мотор не работает, трудно быть уверенным в угле пуска двигателя. Если добавить передачу, то шаговый двигатель имеет тот же самый эффект, как и добавление передачи на двигатель постоянного тока: он увеличивает крутящий момент и снижает угловую скорость. Поскольку скорость уменьшается на передаточное отношение, то размер шага также уменьшается на тот же фактор.

Выбор привода и в частности двигателя зависит от множества фактором и все их необходимо рассмотреть на начальном этапе проектирования робота. Так как проработка всех факторов даст четкое понимание какой двигатель необходим, и как им управлять, и как питать его. Для моего проекта робота-бармена я использую шаговые двигатели, с этой статьей вы также можете ознакомится в данном сборнике.

 

Список литературы:

  1. Robotoved  Прошлое и будущее робототехники  [Электронный ресурс] — Режим доступа: Свободный http://robotoved.ru/future_and_past_robotics/ (Дата обращения: 01.05.2018)
  2. Амперка Ресурс электронных компонетов [Электронный ресурс] — режим доступа: Свободный http://amperka.ru/product/raspberry-pi-3-model-b (Дата обращения: 04.06.2018)
  3. Робооты-манипуляторы теория механики [Электронный ресурс] — режим доступа: Свободный http://роботы-манипуляторы.рф/theory/ (Дата обращения: 10.06.2018)
  4. STUDLAB  Учебные материалы студентам [Электронный ресурс] — режим доступа: Свободный http://studlab.com/ (Дата обращения: 8.06.2018)

Двигатели для робота являются составной частью приводрв.

Двигатели для робота входят в состав приводов. Мы узнали о робототехнике в целом на шаге первом. На втором шаге решили, какого робота мы будем делать. Нам нужно установить приводы, которые заставят робота двигаться.

Содержание статьи

Что такое привод?

Выбор двигателя для робота напрямую зависит от задач, которые должен выполнять робот. Двигатель (мотор) может входить в состав привода или отдельно быть приводом.

Привод может быть определен как устройство, которое преобразует энергию (в робототехнике это, как правило, электрическая энергия) в физические движения.

Подавляющее большинство приводов производят либо вращательное или линейное движение. Например, мотор — это тип привода. Правильный выбор приводов для вашего робота требует понимание того, что приводы доступны. Возможно, немного фантазии, и немного математики и физики.
Приводы вращения — это тип приводов преобразования электрической энергии во вращательное движение.

Двигатель переменного тока

Двигатели для робота

Двигатель переменного тока (AC) редко используется в мобильных роботах. В первую очередь потому, что большинство из них рассчитаны на питание постоянным током (DC) от батареи. Двигатели переменного тока используются в основном в промышленных помещениях , где требуется очень высокий крутящий момент. Прежде всего там, где моторы подключены к электросети.

Двигатели постоянного тока

Двигатель постоянного тока

Двигатели постоянного тока MotorDC моторы имеют разнообразные формы и размеры. Хотя большинство из них цилиндрические. Они имеют выходной вал, который вращается на высоких скоростях, обычно в 5 000 до 10 000 оборотов в минуту. Хотя двигатели постоянного тока очень быстро вращаются, большинство из них не очень мощные. Такие двигатели для робота имеют низкий крутящий момент.

Для того, чтобы снизить скорость и увеличить крутящий момент, могут быть добавлены редукторы. Чтобы установить двигатель на робота, нужно закрепить корпус двигателя на раме робота. По этой причине двигатели для робота часто имеют монтажные отверстия, которые обычно располагаются на лицевой стороне двигателя. Следовательно, они могут быть установлены перпендикулярно к поверхности.

Двигатели постоянного тока могут работать по часовой стрелке (CW) и против вращения часовой стрелки. Угловое движение вала может быть измерено с помощью энкодеров или потенциометров.

Мотор редуктор постоянного тока

Мотор редуктор постоянного тока

Это двигатель постоянного тока в сочетании с коробкой передач. Она работает, чтобы уменьшить скорость двигателя и увеличить крутящий момент. Например, двигатель постоянного тока вращается со скоростью 10000 оборотов в минуту и достигает 0.001 Н*м крутящего момента. Если добавить понижающую передачу 100:1 (сто к одному) мы снизим скорость в 100 раз. В результате 10000 / 100 = 100 об / мин и увеличим крутящий момент в 100 раз (0.001 х 100 = 0.1 Н*м).

Основные виды понижающих передач это:

  1. зубчатая передача
  2. ременная
  3. планетарная
  4. червячная

Червячная передача позволяет получить очень высокое передаточное число с помощью всего одного этап. И также не дает выходному валу двигаться, если двигатель не работает.

Серводвигатель

Тип используемого вами двигателя зависит от типа движения, которое вы хотите.

R / C или хобби сервомотор

Хобби сервомотор

Часто сервомоторы этого типа могут поворачиваться на угол до 180 градусов. Они поворачиваются на определенный угол поворота. И часто используются в более дорогих моделях дистанционного управления средствами для управления или контроля полета.

Теперь они используются в различных приложениях. Цены на эти сервоприводы значительно сократилось, и разнообразие (разные размеры, технологии и сила) увеличилось. Общим фактором для большинства сервоприводов заключается в том, что большинство использует только поворот около 180 градусов.
R / C сервомотор включает в себя двигатель постоянного тока, редуктор, электронику и роторный потенциометр, который и измеряет угол

Электроника и потенциометр работают синхронно, чтобы управлять двигателем и останавливать выходной вал по заданному углу. Эти моторы обычно имеют три провода: земля, напряжение В, и управляющий импульс. Управляющий импульс, как правило, снимается с регулятора мотора сервопривода. Хобби сервомотор — это новый тип сервопривода.  Он предполагает непрерывное вращение и обратную связь по положению. Все сервоприводы могут вращаться как вправо, так и влево.

Промышленные серводвигатели

Промышленный серводвигатель

Промышленный серводвигатель с приводом управляется иначе, чем хобби мотор и чаще встречаются на очень больших машинах. Промышленный сервомотор обычно трехфазный и состоит из двигателя переменного тока, редуктора и энкодера. Установленный энкодер обеспечивает обратную связь по угловому положению и скорости.

Эти моторы редко используются в мобильных роботах из-за их веса, размеров, стоимости и сложности. Вы можете увидеть промышленные серводвигатели на мощный промышленных манипуляторах. Возможно их использование на очень больших роботизированных автомобилях.

Шаговые двигатели

Шаговый двигатель

Шаговый двигатель вращается на определенные “ступени” (на самом деле, конкретные градусы). Число ступеней и размер шага зависит от нескольких факторов. Большинство шаговых двигателей не включает в себя передачи. Так как это двигатели постоянного тока и вращающий момент низок.

Правильно настроенный шаговый двигатель может вращаться вправо и влево и может быть установлен в требуемое угловое положение. Есть однополярные и биполярные типы шаговых двигателей. Одним заметным недостатком шаговых двигателей является то, что если мотор не работает, трудно быть уверенным в угле пуска двигателя.

Если добавить передачу, то шаговый двигатель имеет тот же самый эффект, как и добавление передачи на двигатель постоянного тока: Он увеличивает крутящий момент и снижает угловую скорость. Поскольку скорость уменьшается на передаточное отношение, то размер шага также уменьшается на тот же фактор.

Линейные приводы

Линейный привод производит линейное движение (движение вдоль одной прямой линии) и имеют три основные отличительные механические характеристики.

  1. Минимальное и максимальное расстояние, на которое стержень может сдвинуть вал (в мм или дюймах)
  2. Их сила (в кг или фунты)
  3. Их скорость (в м/с или дюйм/с)

DC Линейный Привод

Линейный привод постоянного тока

Линейный DC привод часто состоит из двигателя постоянного тока, подключенного к червячной передаче. Когда двигатель вращается, то крепление на винте будет либо ближе или дальше от двигателя. По существу червячная передача преобразует вращательное движение в линейное движение.

Некоторые линейные приводы постоянного тока включают в себя линейный потенциометр, который обеспечивает линейную обратную связь. Для того, чтобы остановить привод от полного разрушения, многие производители включают концевые выключатели на обоих концах. Как правило, для отключения электропитания привода при нажатии на них. Линейные приводы постоянного тока бывают в самых разнообразных размеров и типов.

Соленоиды

Соленоид

Соленоид состоит из катушки намотанной вокруг подвижного сердечника. Когда катушка находится под напряжением, сердечник отталкивается от магнитного поля и производит движения в одном направлении. Несколько катушек или некоторые механические механизмы потребуются для того, чтобы обеспечить движение в двух направлениях.

Соленоиды обычно очень маленькие, но их скорость очень большая. Сила зависит в основном от размера катушки и от того какой силы ток идет через него. Этот тип привода используется в клапанах или системах фиксации. В таких системах, как правило, нет обратной связи по положению (сердечник либо полностью убирается или полностью выдвинут).

Пневматические и гидравлические приводы

Пневматический или гидравлический привод

Пневматические и гидравлические приводы с помощью воздуха или жидкости (например воды или масла), служат для того чтобы двигаться линейно. Эти типы приводов могут иметь очень длинный ход, большую мощность и высокую скорость.

Для того чтобы эксплуатироваться они требуют использование жидкости компрессора. Это делает их более сложными в эксплуатации, чем обычные электрические приводы. Они имеют большую мощность, скорости и, как правило, большой размер. И в первую очередь используются в промышленном оборудовании.

Выбор привода

Важно отметить, что постоянно появляются новые и инновационные технологии, и нет ничего постоянного. Также обратите внимание, что один привод может выполнять очень разные задачи в разных условиях. Например, с различной механикой. Привод, который производит линейное движение, может быть использован для поворота объекта и назад (как у автомобильных щеток для очистки стекла).

Роботы с колесами или гусеницами

Роботизированная платформа на колесах

Приводные двигатели для робота должны перемещать вес всего робота и, скорее всего, потребуется понижающая передача. Большинство роботов используют притормаживание колесами одного борта. В то время как автомобили или грузовики, как правило, используют рулевое управление.

Если вы выберете бортовой поворот, то DC моторы с редуктором являются идеальным выбором для роботов с колесами или гусеницами. Ведь они обеспечивают непрерывное вращение, и могут иметь необязательную обратную связь по положению с помощью оптических энкодеров. Их очень легко программировать и использовать.

Если вы хотите использовать рулевое управление, то вам понадобится один приводной двигатель и один двигатель, чтобы управлять передними колесами. Поворот ограничен определенным углом и можно применить R / C сервомотор.

Робот манипулятор

Робот манипулятор

Мотор используется, чтобы поднять или повернуть тяжелый вес. Подъем веса требует значительно больше энергии, чем перемещение веса на плоской поверхности. Скорость должна быть принесена в жертву для того, чтобы получить крутящий момент.

Поэтому лучше всего использовать редуктор с высоким передаточным отношением и мощный двигатель постоянного тока или линейного привода DC. Можно рассмотреть возможность использования системы (либо червячных передач, или струбцин). Что предотвращает груз от падения в случае потери управления.

Сервоприводы двигателей

Используются если диапазон ограничен до 180 градусов и крутящий момент не является существенным. Р/С мотора сервопривода идеально подходит для таких задач. Серводвигатели предлагаются с различными крутящими моментами и размерами и обеспечивают угловые обратной связи по положению.

Лучше использовать потенциометр, и некоторые специализированные оптические энкодеры. Р/С сервоприводы используются все больше и больше для создания небольших шагающих роботов.

Шаговые двигатели

Используются, когда угол поворота должен быть очень точными. Шаговые двигатели для робота в сочетании с контроллером шагового электродвигателя могут дать очень точное угловое движение. Иногда предпочтительнее серводвигатели, поскольку они обеспечивают непрерывное вращение. Однако, некоторые профессиональные цифровые серводвигатели используют оптические энкодеры. В результате они обладают очень высокой точностью.

Линейные приводы

Линейные приводы являются лучшими для перемещения объектов и расположения их по прямой линии. Они отличаются разнообразием размеров и конфигураций. Для очень быстрого движения можно рассматривать пневматику или соленоиды. Для очень высоких мощностей можно рассматривать линейные приводы постоянного тока и также гидравлику.

Практический пример

  • В уроке 1 мы определили цель нашего проекта, чтобы понять какого типа мобильного робота можно сконструировать при небольшом бюджете.
  • В уроке 2 мы решили, что мы хотели небольшую платформу на колесах. Во-первых, давайте определим тип привода, который потребуется для создания робота.

Для этого нужно ответить на пять вопросов:

  1. Это привод используется для перемещения колесного робота?
    Да. Нужен мотор-редуктор с управлением при помощи притормаживания одного борта. Это означает, что каждое колесо будет нужно оснастить собственным мотором.
  2. Двигатели для робота используются, чтобы поднять или повернуть тяжелый вес?
    Нет, настольная платформа не должна быть тяжелой.
  3. Диапазон движения ограничивается на 180 градусов?
    Нет, колеса могут постоянно вращаться.
  4. Угол должны быть точными?
    Нет, наш робот не требует позиционной обратной связи.
  5. Это движение по прямой?
    Нет, поскольку мы хотим, чтобы робот вращаться и двигаться во всех направлениях.

Всем этим требованиям соответствует большой мотор из базового набора LEGO MINDSTORMS Education EV3.

Большой двигатель Lego EV3

Технические характеристики большого мотора EV3

Робототехники из Disney Research разработали гибридный привод нового поколения



Группа в составе робототехников из компании Disney Research и приглашенных специалистов – энтузиастов создали робота с гидростатическими приводами нового поколения, позволяющими удивительно точно и плавно имитировать движения человека. Инновационные приводы объединяющие в конструкции пневматические и гидравлические элементы способны обеспечить движениям робота значительно большую точность движений, возможность деликатного захвата и удержания хрупких предметов.

Существует два основных типа двигательных систем, поддерживающих двигательную активность робота – пневматическая и гидравлическая. Каждая из них располагает своими уникальными преимуществами, но и сталкивается с рядом технических ограничений, определяющих, в конечном счете, уровень обратной связи и контроля движений, совершаемых роботом.

Так гидравлические системы наделяют любую машину Геркулесовой силой, обеспечивают достаточно высокую точность движений и предоставляют возможности для реализации и гибкой настройки обратных связей. Вместе с тем, такие системы некомпактны и тяжеловесны, на 100% зависят от внешних источников питания. Простая и надежная пневматическая система не предполагает наличие внешнего источника питания, но накладывает достаточно серьезные ограничения при компоновке кабельных трасс и моторов, демонстрирует низкое качество обратной связи и дает минимум возможностей для контроля. Электрические системы по уровню раскрываемых возможностей занимают промежуточное положение.

Группа исследователей Disney Research, создавшая гибридный привод, уже достаточно хорошо знакома профессиональному сообществу по созданию роботов, использующих самые современные технологии, включая Microsoft Kinect, Xtion Pro Live от ASUS и др. Своего робота, ловко перебрасывающегося с человеком мячиками инженеры компании представили еще в 2012 году.

Другой пример — робот японских инженеров, способный точно и быстро жонглировать одной рукой, продемонстрированный разработчиками на Международной конференции IEEE 2012 года по вопросам робототехники и автоматизации (2012 IEEE International Conference on Robotics and Automation, ICRA).

Теперь группа инженеров Disney Research под руководством Джона П. Уитни (John P. Whitney) из Северо-восточного университета разработала конструкцию уникального гидравлико-пневматического привода, вобравшего достоинства систем пневматики и гидравлики, используемых до сих пор раздельно. В новом приводе вместо суставов, полностью управляемых парой гидравлических клапанов, движение в заданном направлении осуществляет гидравлика, а возврат в исходное положение – пневматика. Такое решение позволило существенно упростить конструкцию привода, а использование возможностей пневматики, выступающей в качестве дополнительного демпфера — обеспечить движениям повышенную плавность и естественность.

В предложенном инженерами гибридном приводе использован единственный двигатель, гидравлическая система значительно облегчена. В итоге вся конструкция получилась быстрой, легкой и точной. Еще одно достоинство предложенной гибридной системы в сравнении с роботизированными комплексами, работающими на чистой гидравлике – отсутствие жесткой зависимости от электропитания. Остаточный запас сжатого воздуха пневматической части системы может совершать некоторый ограниченный объем полезной работы. Так робот-хирург с подобными приводами на случай выхода из строя питающего лабораторного комплекса окажется в состоянии вернуть руку с инструментом в исходное положение, освободив доступ к телу пациента хирургу-человеку.

Для стендовых испытаний инженеры приготовили простейший прототип гибридной системы без нижних конечностей. Верхняя часть гуманоидного робота располагает двумя манипуляторами с четырьмя степенями свободы на каждый. На голове робота установлены миниатюрные стереоскопические камеры, обеспечивающих роботу возможность визуального контакта с окружением, а в случае перехода в режим дистанционного управления – возможность передачи картинки реальности человеку оператору.

Дистанционное управление роботом становится возможным благодаря специальным ручным контроллерам, обеспечивающим возможность обратной связи. Одев шлем виртуальной реальности оператор, таким образом, “стирает грань” между собой и роботом. Последний в этом случае точно повторяет движения человека, а человек видит все что происходит перед камерой-глазом робота. Точность повтора движений и разрешающая способность обратной связи такова, что человек, оперируя руками робота окажется способен вдеть нитку в ушко иголки и совершить подобные сверхточные манипуляции. При этом скорости движения, быстроты реакции и уровня координации будет достаточно, чтобы совершить и скоростные манипуляции – поймать брошенный мяч и др.

«Новые гибридные привода придают роботу невероятную плавность и быстроту движений, позволяя ему манипулировать хрупкими предметами, взаимодействовать с людьми или животными, и выполнять очень тонкие операции» — рассказывает Джессика Ходджинс (Jessica Hodgins), вице-президент Disney Research и профессор робототехники университета Карнеги-Мелоун, — «Сейчас робот может работать только при помощи дистанционного управления. Но он может, сохраняя все параметры механического движения, действовать в автоматическом режиме. И работы в данном направлении уже ведутся нашими специалистами».

Более подробно с информацией о новых гибридных приводах, их характеристиках и перспективах использования в робототехнике разработчики намерены рассказать в рамках Международной конференции IEEE по проблемам робототехники и автоматизации ICRA 2016 (IEEE Conference on Robotics and Automation) в Стокгольме.

Источник



На этом всё, с вами был простой сервис для выбора сложной техники Dronk.Ru. Не забывайте подписываться на наш блог, будет ещё много интересного…

3.1.4. Пневматические приводы промышленных роботов

Применение пневматического привода в ПР обусловлено рядом преимуществ, отмеченных ранее. Однако использование данного привода при различных схемах управления предъявляет определенные требования к конструкции привода. Задачи расчета и выбора исполнительных устройств включают в себя несколько этапов, наиболее важными из которых являются:

  • определение физических параметров и свойств рабочей среды (рабочего тела) сжатого воздуха;

  • получение исходных значений давления и расхода сжатого воздуха;

  • выбор типа исполнительных устройств и их конструктивных параметров;

  • определение динамических свойств исполнительных устройств и динамики системы управления.

Для цикловых роботов управление пневмораспределителем осуществляя­ется по двухпозиционному принципу «открыто-закрыто».

Подробнее пневматический привод рассматривается в ЛР №2.

В качестве блока исполнительных двигателей привода чаще всего используются цилиндры с прямолинейным движением поршня одно- или двустороннего действия. На каждую степень подвижности предусматривается исполнительный двигатель, конструкция которого обеспечивает заданные линейные перемещения, скорости и усилия. Захватное устройство также имеет двигатель, который обеспечивает захват детали, удержание при перемещении и освобождение ее после установки в заданной точке.

Подача сжатого воздуха в рабочую полость цилиндра осуществляется через открытое соответствующее распределительное устройство, при этом выход воздуха из нерабочей полости цилиндра в атмосферу осуществляется через другой открытый распределитель.

Рабочий цикл выполняется каждым двигателем в последовательности, которая определяется требованиями технологического процесса. Включение и выключение необходимого распределителя осуществляются по про­грамме, выполняемой управляющим устройством робота.

Регулирование скорости выходного звена двигателя в пневмоприводах выполняется изменением расхода сжатого воздуха на входе или выходе двигателя. Конструк­тивно это выполняется в виде пневматического дросселя, где проходное сечение можно регулировать в зависимости от требуемой скорости.

Данная схема привода является простейшей, в зависимости от условий и требований эксплуатации она может расширяться за счет новых функцио­нальных узлов и элементов.

Использование энергии сжатого воздуха обеспечивает выходному звену пневмопривода высокую скорость. В приводах с цикловым позиционным управлением поршень исполнительного двигателя подходит к заданной точке останова с максимальной скоростью. Если не предусматривать специальных средств торможения, то останов поршня происходит за счет механического упора, что вызывает механические вибрации груза, повышенный уровень шума и резкие динамические нагрузки на кон­струкцию двигателя. Торможение поршня в конце хода выполняется различными способами:

— специальным дросселированием рабочего тела на выходе из полости опорожнения в конце хода поршня;

— торможением (демпфированием) поршня устройствами гидравли­ческого или пружинного типа.

Торможение поршня с использованием рабочего тела. Плавное торможение поршня в конце хода путем уменьшения расхода воздуха из полости опорожнения выпол­няется конструктивно установкой специального дросселя на выходе из цилиндра (рис. 3.5).

С

Рис. 3.5. Схема регулирования скорости привода

жатый воздух с давлением Рпит и расходом Qnm из магистрали через пневмораспределитель Пр4 и обрат­ный клапан ОК2 поступает в правую полость рабочего ци­линдра. Поршень движется из правого положения в левое. Воздух из левой полости через дроссель Др1 и пневмораспределитель ПрЗ сбрасывается в атмосферу. При достижении положения 1-1 пневмораспределитель Пр1 переключается на дроссель Др2, имеющий повышенное сопротивление потоку. В левой полости цилиндра давление Рч увеличивается, перепад давления Др = р1р2 уменьшается и происходит торможение поршня за счет преобразования энергии движения поршня в энергию сжатого газа или за счет механического упора, если силы эти не равны. Для полного торможения поршня в заданном положении ││-││ необходимо равенство сил, действующих на правую и левую площади поршня. Для совершения обратного хода поршня производится соответствующее переключение пневмораспределителей Пр1–Пр4.

Настройка дросселей Др1–Др4 выполняется перед началом работы на определенную нагрузку, при этом дроссели Др1, Др4 настраиваются на обеспечение за­данной скорости, а дроссели Др2, ДрЗ – на демпфирование движения в конце хода поршня. Данный метод демпфирования движения конструктивно прост, но требует настройки дросселей при каждом изменении нагрузки. Кроме того, тормозной путь здесь составляет значительную часть от основного. Практически данный метод используется для роботов с грузоподъемностью до 5 кг.

Одним из способов демпфирования является способ, при котором используется схема создания проти­водавления в соответствующей полости двигателя. При достижении поршнем определенного положения в полость опорожнения подается основное давление магистрали. Схема такой конструкции представлена на рис. 3.6.

С

Рис. 3.6. Схема торможения двигателя противодавлением

жатый воздух из питающей магистрали поступает через пневмо­­распределители Пр1 и Пр2 в левую полость цилиндра, правая полость через Пр3 и Др2 сообщена с атмосферой. Поршень движется из левого положения в правое, при этом перепад давления на поршне Др=р1р2. При достижении пор­шнем положения │-│ пневмо­распре­­делитель Пр3 переключается в другую позицию, сжатый воздух из магистрали питания поступает в правую полость цилиндра. Давление в левой и правой полостях цилиндра уравнивается: р1=р2. Из-за разности площадей левой и правой частей поршня F1 и F2 на поршень действует сила перемещения P=p1(F1Р2), под действием ко­торой поршень будет двигаться, но с меньшей скоростью. Для создания равновесия сил на поршне одновременно с переключением Пр3 переключается Пр2, т. е. прекращается доступ сжатого воздуха в левую полость. В этом случае левая полость представляет собой замкнутый объем.

Приводы с регулируемой жесткостью для роботов (+ видео)

Использование в робототехнике мягких приводов сулит не малые выгоды, потому что они дешевые (сделаны из пластмассы или из полимеров и воздуха), они эластичны и относительно безопасны для взаимодействующих с такими роботами людей, могут быть адаптированы для захвата самых разнообразных объектов. Но мягкая конструкция, по определению, не подходит там, где нужна жесткость. Так ли это?

Исследователи из Технического университета Берлина под руководством профессора Оливера Брока объединили мягкие пневматические приводы с зажимной системой, получив в результате привод с переменной жесткостью, который будет мягким, когда вы того захотите, и жестким, при необходимости.

Исследователи протестировали три различные пневматические системы зажима, в том числе с традиционной гранулированной структурой, а также две другие конструкции на основе наслаивающихся и перемежающихся слоев. В конечном итоге для окончательной конструкции они остановились на структуре чередующихся слоев, потому что она требует гораздо меньшее давление для зажима, хотя и сложнее в изготовлении. В принципе, она работает подобным образом: когда между слоями есть воздух, они могут скользить по отношению друг к другу, что позволяет сгибать привод. Когда воздух откачивается, слои прижимаются друг к другу, и привод твердеет. Вы можете сделать это вручную с помощью шприца, а также используя насос или в автономном режиме.

Три системы зажима были протестированы исследователями: гранулированный зажимной слой; зажим из перекрывающихся чешуевидных слоев; зажим из перемежающихся слоев. Зажимные полости обозначены пунктирными линиями, мягкий привод Pneuflex показан внизу. (а) гибкий привод в разжатом состоянии, (b) сжатая полость делает привод жестким.

В целом, жесткость привода может увеличиться в восемь раз, что приводит к увеличению усилия в 2,3 раза, это довольно значительно.

Результаты исследования по теме «Избирательное повышение жесткости мягких приводов за счет сжатия» были недавно представлены на конференции ICRA 2015 в Сиэтле.

привод робота — патент РФ 2248269

Изобретение относится к робототехнике, точнее к механическим передачам электромеханических промышленных роботов, преимущественно с внешними магнитными системами. Сущность изобретения заключается в том, что первичный фрикционный элемент привода робота — валик — снабжен контактирующими с ним двумя комплектами прижимных, разнесенных по оси дисков с нажимными устройствами. Диски одного комплекта частично расположены в зазоре между дисками другого комплекта. Технический результат изобретения состоит в упрощении конструкции, повышении надежности привода, уменьшении его массы и габаритов и робота в целом, а также снижении стоимости и эксплуатационных расходов. 5 ил.

Изобретение относится к робототехнике, точнее к механическим передачам электромеханических промышленных роботов, преимущественно с внешними магнитными системами.

Подобные устройства известны и описаны, например, в [1].

В число передач вращательного типа входят зубчатые шестереночные передачи, червячные, волновые. Передачи поступательного типа — это реечные, винтовые, цепные. Все эти передачи являются передачами типа зацепления. Их недостатком является значительный люфт в зацеплении, устранение которого связано со снижением кпд. Кроме того, данные передачи сложны по конструкции, материалоемки и дороги в изготовлении.

В какой-то мере эти недостатки устранены в передачах фрикционного типа. К их достоинствам относится простота, надежность, высокий кпд, возможность построения как вращательных, так и поступательных передач.

Недостатком фрикционных передач является возможность проскальзывания, а также невысокое значение передаточного отношения в одной ступени. В этих передачах обычно имеется первичный фрикционный элемент, например, валик и вторичный, который с ним контактирует.

Наиболее близким по технической сущности является электромеханический привод робота [2], который содержит электродвигатель, редуктор, винтовую пару и узел фиксации, выполненный в виде подвижного стакана, контактирующего своим торцом с корпусом редуктора и связанного с ним при помощи механизма свободного хода, расположенного внутри стакана.

Недостатком прототипа является использование редуктора зацепления, который позволяет получить нужное передаточное отношение лишь при наличии двух и более ступеней редуцирования и дополнительной передачи винт-гайка. Это резко усложняет конструкцию, увеличивает массу модуля и его габариты. При этом если уменьшить массу электродвигателя путем увеличения его скорости вращения, то увеличиваются потери на трение в щетках, подшипниках и редукторе, кроме того, сам редуктор усложняется из-за необходимости повышения передаточного отношения, его габариты и масса увеличиваются.

Изобретение направлено на устранение указанных недостатков, увеличение передаточного отношения в одной ступени, уменьшение массы и габаритов.

Это достигается тем, что первичный фрикционный элемент — валик — снабжен контактирующими с ним двумя комплектами прижимных, разнесенных по оси дисков с нажимными устройствами, причем диски одного комплекта частично расположены в зазоре между дисками другого. Вторичный фрикционный элемент может быть выполнен двухсторонним, с установленными напротив друг друга валиками с прижимными дисками.

Достижение технического результата обусловлено тем, что фрикционный валик снабжен контактирующими с ним прижимными дисками с нажимными устройствами. Поскольку данного признака не обнаружено при проведении патентных исследований, то данный признак является не только существенным, но и отличительным.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 изображен заявленный привод, установленный на степени подвижности — выдвижении руки промышленного робота с внешней магнитной системой, вид сбоку в разрезе. На фиг.2 данный привод показан более подробно, вид сверху. На фиг.3 показан вращательный вариант привода, вид сверху, на фиг.4 изображена двумерная проекция, показывающая взаимодействие валиков и прижимных дисков, на фиг.5 показан двухсторонний вторичный фрикционный элемент с двумя комплектами валиков и прижимных дисков (кинематическая схема).

Привод робота имеет в своем составе общее основание 1, на нем закреплена катушка 2 и стержни 3, поддерживающие наконечники 4 магнитной системы. В зазоре магнитной системы располагается якорь 5 двигателя на консольной подвески к вращающемуся основанию 6. На основании 6 установлены поступательные подшипники 7, в которых помещен вторичный фрикционный элемент 8, в данном случае поступательный, с фрикционной накладкой 9. На основании 6 укреплены стойки 10 нажимных дисков 11. Щеточно-коллекторный аппарат 12 электродвигателя также размещен на основании 6. Первичный фрикционный элемент — валик 13 контактирует с накладкой 9 вторичного элемента 8 и с двумя комплектами нажимных дисков 11. Вращающееся основание 6 установлено на оси 14, допускающей кроме вращения и поступательное перемещение (вверх — вниз). На конце руки — элемента 8 укреплен привод схвата 15 с губками 16. На неподвижном основании 1 установлены также привод поворота 17 и провод подъема 18. На стойках 10 в подшипниках 19 установлен кронштейн 20, подпружиненный пружиной 21 с укрепленным на его конце также в подшипниках на оси 22 нажимным диском 11. На оси 22 расположены несколько дисков 11 с промежутками между ними, то есть образован комплект дисков. На оси 22 все диски 11 одного комплекта разнесены один относительно другого. В зазорах этих дисков частично расположены диски 23 такого же комплекта дисков. Таким образом, валик 13 оказывается зажатым в силовом треугольнике, точками которого являются элемент 8, диски 11 и 23.

Привод работает следующим образом. Якорь 5 двигателя вращает первичный фрикционный элемент — валик 13. Диски 11 посредством кронштейнов 20 пружинами 21 прижимают валик к накладке 9 вторичного фрикционного элемента 8, обеспечивая устойчивый характер фрикционного контакта. Таким образом, при вращении валика, элемент 8 — рука робота со cхватом 15 — перемещается в направляющих 7. Диски 11 обеспечивают устойчивый прижим валика 13, гарантирующий его от нежелательных искривлений и потери формы. Элемент 8 может быть выполнен и дугообразной формы — см. фиг.3, что обеспечивает получение на выходе привода не поступательного, а вращательного движения. Усиление пружин 21 и, следовательно, потери на трение в направляющих 7 могут быть значительными. С целью их компенсации может быть рекомендована схема, показанная на фиг.5, где зажим вторичного элемента выполнен двухсторонним с установленными напротив друг друга валиками с прижимными дисками.

Это приводит к разгрузки направляющих 7 от действия фрикционных сил сопротивления, повышает устойчивость работы привода. Все описанные приводы являются одноступенчатыми. Желательно, естественно, применение высокомоментных двигателей. Следует подчеркнуть, что в данном случае величина передаточного отношения передачи зависит от радиуса валика 13. Этот радиус может быть сделан достаточно малым — порядка нескольких десятых миллиметра за счет того, что жесткость валика гарантируется, во-первых, материалом (качественная сталь), а во-вторых, поддерживающей системой роликов 11. Таким образом, в одной ступени получается достаточно большое значение передаточного отношения, приемлемое, например, для привода выдвижения руки промышленного робота, или иных аналогичных устройств.

Технико-экономическими преимуществами данного устройства являются:

1. Простота конструкции, обусловленная отсутствием зацеплений, деформируемых элементов, относительно низкой точностью изготовления.

2. Большая величина надежности, связанная с присутствием лишь одной ступени редуцирования, с большим передаточным отношением.

3. Как следствие, уменьшенные масса и габариты привода. Это приводит к уменьшению массы и габаритов робота в целом, а следственно, и к уменьшению его стоимости и эксплуатационных расходов.

Источники информации

1. Бурдаков С.Ф. и др. Проектирование манипуляторов промышленных роботов и роботизированных комплексов: Учебн. пособие. — М.: Высш. шк., 1986, — 264 с., ил.

2. А.С. СССР №554862. — Электромеханический привод искусственной кисти /В.М.Бернштейн и др. — Опубл. БИ №15, 1977 г.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Привод робота, содержащий электродвигатель, соединенный с первичным фрикционным элементом — валиком, контактирующим с вторичным фрикционным элементом, соединенным с выходным звеном, отличающийся тем, что первичный фрикционный элемент — валик — снабжен контактирующими с ним двумя комплектами прижимных, разнесенных по оси дисков с нажимными устройствами, причем диски одного комплекта частично расположены в зазоре между дисками другого комплекта.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о