El cor del moviment del robot: el paper decisiu dels motors en la precisió

 

Els motors com a maquinari bàsic que conducció del moviment del robot

Com a font de parell de conducció, els motors són crucials en l'aplicació de les articulacions del robot. Un motor, comunament conegut com a "motor", és un dispositiu que converteix o transmet energia elèctrica segons la llei de la inducció electromagnètica, representada per la lletra "M" als circuits. La seva funció principal és generar parell de conducció, proporcionant energia per a diversos aparells elèctrics i dispositius mecànics.

 

En l'àmbit de la robòtica, el sistema d'articulació és un component clau per aconseguir diversos moviments, amb motors d'articulació considerats la unitat d'execució de tot el sistema. Una articulació de robot completa normalment inclou un controlador, un controlador i un motor conjunt. El motor de l'articulació no només ha de fer tasques com reduir la velocitat, transmetre i millorar el parell, sinó que també ha de controlar el moviment de l'articulació amb alta precisió.

 

El motor de l'articulació del robot influeix directament en accions complexes com caminar, córrer i saltar. Es coneix com el "cor" del robot, i el seu rendiment juga un paper decisiu en la precisió i l'eficiència del robot.

 

Motor sense nucli: la força motriu darrere de la tecnologia conjunta del robot

En els darrers anys, els motors sense nucli s'han convertit gradualment en els favorits en el camp de la robòtica a causa de les seves característiques d'alta eficiència, lleugeresa i ràpida resposta. En comparació amb els motors tradicionals, els motors sense nucli, amb el seu rotor que adopta una estructura de copa buida i una inèrcia extremadament baixa, poden respondre amb més sensibilitat als senyals de control. Aquesta característica és ideal per a les articulacions de robots, especialment en escenaris que requereixen moviments ràpids i precisos, com ara robots humanoides que realitzen accions subtils o complexes.

 

Història i aplicació generalitzada dels motors

La història dels motors es remunta al segle XIX. El 1820, el físic danès Hans Christian Ørsted va descobrir l'efecte magnètic dels corrents elèctrics, establint les bases de la teoria electromagnètica. L'any següent, el científic britànic Michael Faraday va crear el primer model de motor elèctric experimental. Des d'aleshores, la tecnologia del motor s'ha desenvolupat contínuament i es va convertir gradualment en una part indispensable de la producció industrial i de la vida quotidiana.

 

Els motors tradicionals solen consistir en un bobinat d'estator, una armadura o rotor giratori i altres accessoris. A través del camp magnètic giratori generat pel bobinatge de l'estator, l'induït produeix corrent i gira sota la força del camp magnètic. Aquest principi de disseny s'ha mantingut fins als nostres dies, però els motors de nova generació, com els motors sense nucli, han fet avenços revolucionaris en materials i estructura, fent-los brillar en la tecnologia dels robots.

 

Gràfic: Història del desenvolupament dels motors

 

 

Hi ha diversos tipus de motors que es poden classificar segons diferents dimensions, com ara el rang d'aplicació, les característiques estructurals i els principis de funcionament. Les principals classificacions són les següents:

• Per tipus de potència de treball: motors de corrent continu i motors de corrent altern.
• Per estructura i principi de funcionament: inclosos motors de corrent continu, motors asíncrons i motors síncrons.
• Per aplicació: motors d'accionament, motors de control, etc.

 

Prenent com a exemple els motors de corrent continu, la seva estructura consisteix normalment en l'estator i el rotor:

• Estator: Part fixa del motor que genera el camp magnètic.
• Rotor: el component principal responsable de la rotació i la conversió d'energia, també anomenat induït, que és el centre de sortida de potència del motor.

De manera similar als motors de corrent continu, els motors de corrent altern també consisteixen en l'estator i el rotor com a components bàsics, a més de la carcassa i altres peces auxiliars. Ja siguin motors de corrent continu o de corrent altern, la coordinació d'aquests components bàsics determina el rendiment del motor.

 

En la tecnologia de robots, els motors sense nucli han destacat. El seu disseny únic elimina el nucli de ferro, permetent que l'estator i el rotor s'ajustin de manera més lleugera i compacta, cosa que no només redueix la inèrcia, sinó que també millora la velocitat de resposta i l'eficiència, fent-los perfectes per a articulacions de robots de petit volum i alta precisió.

 

Motors integrats: la combinació perfecta de mida reduïda i eficiència millorada

Els motors poden funcionar com a components autònoms, però en molts dispositius moderns, sovint s'integren amb altres peces per formar sistemes eficients i unificats. Aquest disseny integrat no només redueix la mida general del dispositiu, sinó que també millora la utilització i el rendiment de l'espai. Per exemple:

• Unitat elèctrica tres en un: la integració del motor, el reductor i el controlador del motor, molt utilitzats en vehicles elèctrics, redueix significativament la mida i el pes del dispositiu.
• Accionament elèctric sis en un: a més del motor, el reductor i el controlador, inclou un convertidor DC/DC, un carregador i una caixa de distribució, optimitzant encara més la utilització de l'espai.
• Unitat elèctrica vuit en un: integra encara més el sistema de gestió de la bateria i el controlador del vehicle, proporcionant una solució més compacta i eficient per als vehicles elèctrics.

En el camp dels robots humanoides, l'aplicació de motors sense nucli no només permet una conducció d'alta precisió de les articulacions del robot, sinó que també promou el disseny lleuger i compacte de l'estructura del robot. Per exemple, la integració d'un motor sense nucli amb un reductor i un controlador pot reduir eficaçment l'ocupació de l'espai conjunt alhora que millora la velocitat de resposta i la fiabilitat del sistema global.

 

En la tecnologia robòtica, l'elecció del motor determina directament el rendiment i l'eficàcia de l'aplicació de l'equip. Els motors que s'utilitzen habitualment en robots inclouen principalment els tres tipus següents: motors de corrent continu, servomotors i motors pas a pas.

 

3.1 Motors de corrent continu

Els motors de corrent continu s'utilitzen àmpliament en diversos camps i es divideixen principalment en dos tipus: motors de corrent continu amb raspall i motors de corrent continu sense escombretes.

 

3.1.1 Motors de corrent continu amb raspalls

Els motors de corrent continu amb raspalls són una tecnologia de motor anterior, amb les característiques següents:

• Estructura senzilla, baix cost: confieu en el contacte entre els raspalls i el rotor per aconseguir la funció de commutació.
• Requisits baixos de la unitat: la velocitat del motor és directament proporcional a la tensió aplicada, de manera que el control és més intuïtiu.

 

Inconvenients:

• El desgast del raspall comporta la necessitat d'un manteniment freqüent.
• Les interferències electromagnètiques es generen fàcilment durant el funcionament, amb una fiabilitat relativament baixa.
• Vida útil més curta, cosa que fa que sigui menys atractiu en el disseny del robot.

 

3.1.2 Motors de CC sense escombretes

Els motors de CC sense escombretes són una versió millorada dels motors de CC, destacant en diversos aspectes:

• Ús d'imants permanents: durador, de mida petita i de cost relativament baix.
• Commutació electrònica: Substitueix els raspalls tradicionals per aconseguir la commutació del camp magnètic, millorant l'eficiència i la fiabilitat.
• Control precís: mitjançant sensors de retroalimentació de posició (com sensors Hall, codificadors òptics o dispositius de detecció EMF posterior), els motors de CC sense escombretes poden controlar la velocitat i la posició amb més precisió.

 

Tot i que els circuits de control són més complexos, els motors de CC sense escombretes superen significativament els motors raspallats en rendiment i vida útil, cosa que els converteix en el tipus de motor preferit per a les unitats d'articulació del robot. En particular, els motors de corrent continu sense nucli sense escombretes, amb la seva alta eficiència, baixa inèrcia i resposta ràpida, són especialment adequats per a aplicacions de robots que requereixen una gran precisió i un disseny lleuger.

3.2 Servomotors

Els servomotors, també coneguts com a motors actuadors, són els components bàsics d'execució dels sistemes de control automàtic. Les seves característiques inclouen:

• Posicionament d'alta precisió: aconsegueix un desplaçament angular o una sortida de velocitat angular a l'eix mitjançant la recepció de senyals de pols.
• Control de llaç tancat: els servomotors poden enviar senyals de polsos corresponents a l'angle de rotació, formant un sistema de llaç tancat combinant senyals d'entrada, aconseguint així un control de rotació precís.
• Classificació de CC i CA: els servomotors es divideixen en servomotors de CC i servomotors de CA. Tot i que hi ha petites diferències en els escenaris de rendiment i d'aplicació, tots dos poden ajustar amb precisió la velocitat i la posició en funció dels senyals de control.
• Les característiques d'alta precisió dels servomotors els fan àmpliament utilitzats en operacions de precisió d'efectors finals robòtics, com ara braços robòtics i dits robots.

3.3 Motors pas a pas

Els motors pas a pas són components de control de llaç obert que converteixen els senyals de polsos elèctrics en desplaçament angular o desplaçament lineal. Les seves característiques inclouen:

• Control de pas: cada vegada que es rep un senyal de pols, el motor gira per un angle fix segons l'angle de pas establert.
• Sense necessitat de bucle tancat: els motors pas a pas poden aconseguir un control precís del desplaçament angular mitjançant senyals de pols elèctrics continus sense retroalimentació de posició.
• Rentable: en comparació amb els servomotors, els motors pas a pas són menys cars i són adequats per a aplicacions amb requisits de precisió més baixos.
• Els motors pas a pas s'utilitzen habitualment en components de baix cost en estructures de robots, com ara juntes simples, accionaments de cinta transportadora i molt més.

 

El robot humanoide Tesla Optimus utilitza 28 actuadors, amb 14 actuadors lineals i 14 actuadors rotatius. Aquests actuadors són els responsables de donar suport al robot en la realització d'accions complexes com la marxa i l'agafament. En termes generals, els robots bípedes han d'estar equipats amb servomotors de 30 a 40 CC, que són de mida compacta i han de complir els requisits d'alta potència, alta densitat i resposta ràpida.

 

Optimus utilitza tres tipus d'actuadors lineals i tres tipus d'actuadors rotatius. Entre ells, els actuadors lineals inclouen motors de parell sense nucli i cargols de boles de rodets planetaris, mentre que els actuadors de rotació combinen motors de parell sense nucli i reductors harmònics. La distribució específica dels actuadors és la següent:

• Espatlla: 6 actuadors rotatius
• Colze: 2 actuadors lineals
• Canell: 2 actuadors lineals rotatius + 4
• Tors: 2 actuadors rotatius
• Maluc: 4 actuadors lineals rotatius + 2
• Genoll: 2 actuadors lineals
• Turmell: 4 actuadors lineals

Aquesta distribució de l'actuador garanteix la flexibilitat i l'estabilitat del robot en entorns complexos.

 

Un motor de parell sense nucli és un servomotor lleuger i d'alta eficiència, dissenyat específicament per a articulacions robòtiques i altres aplicacions de precisió. La seva estructura única ofereix les següents característiques notables:

• Disseny modular, fàcil d'integrar: el motor de parell sense nucli consta d'un estator i un rotor, sense la carcassa del motor tradicional. Aquest disseny permet als enginyers personalitzar la carcassa, els coixinets i els components del sensor segons les seves necessitats, fent-lo adaptable a diverses estructures del sistema.
• Mida compacta, lleuger: en comparació amb els motors amb carcassa, el motor sense nucli redueix significativament la mida i el pes generals, el que el fa ideal per a sistemes que requereixen solucions integrades.
• Alt rendiment i resposta ràpida: a causa del seu disseny únic, el motor sense nucli ofereix una resposta dinàmica ràpida, satisfent les demandes de moviment conjunt d'alta precisió i eficiència energètica dels robots moderns.

Gràcies a aquestes característiques, el motor de parell sense nucli s'utilitza àmpliament en camps de conducció d'alt rendiment, com ara robòtica, automoció, aeroespacial i equips mèdics.

 

El motor de tassa sense nucli és un component clau de les mans destreses del robot humanoide, especialment adequat per a les articulacions dels dits en escenaris que requereixen espai limitat i alta precisió. Les articulacions dels dits solen necessitar motors miniaturitzats que proporcionen una força substancial alhora que garanteixen un pes lleuger i una alta precisió. Els principals fabricants de robots, com Tesla, adopten àmpliament la solució de motor de copa sense nucli, proporcionant un suport de potència ideal per a la destresa de la mà del robot.

 

Avantatges bàsics dels motors Coreless Cup

Disseny sense cogging, millora la precisió i el funcionament suau: el motor de copa sense nucli adopta un disseny sense nucli i sense cogging, eliminant completament la vibració i el soroll causats per l'efecte de cogging que es veu als motors tradicionals. Aquesta característica millora significativament la suavitat del funcionament del motor, fent-lo excepcionalment adequat per al control de moviment d'alta precisió en les articulacions dels dits del robot humanoide.

 

Alta eficiència i resposta ràpida: el motor de copa sense nucli trenca l'estructura tradicional del motor de nucli de ferro adoptant un disseny de rotor sense nucli, reduint en gran mesura les pèrdues de corrent de Foucault i millorant l'eficiència del motor. Mentrestant, la característica lleugera del rotor li ofereix una excel·lent capacitat d'arrencada i frenada, oferint un rendiment de resposta dinàmica que compleix les exigències precises d'accions complexes.

 

Estalvi d'energia i fiabilitat: eliminant les pèrdues d'energia que es troben als motors de nucli de ferro, el motor de tassa sense nucli demostra un rendiment excepcional d'estalvi d'energia. A més, la seva estructura simplificada redueix la fricció mecànica, millorant encara més la vida útil i la fiabilitat, garantint un rendiment estable fins i tot en operacions d'alta freqüència.

 

Aplicació flexible en escenaris miniaturitzats: amb la seva mida compacta i el seu disseny lleuger, el motor de copa sense nucli és ideal per a unitats de moviment en miniatura com ara les articulacions dels dits i els canells en robots humanoides. A més, el seu disseny sense cogging i l'alta eficiència el fan àmpliament aplicable en camps com ara equips mèdics, instruments de precisió i aeroespacial.

 

Desenvolupament tecnològic i perspectives de futur

El motor de tassa sense nucli, que integra eficiència energètica, alta precisió i estabilitat, representa un dispositiu de conversió d'energia d'alt rendiment. A mesura que la tecnologia robòtica continua avançant, el motor de tassa sense nucli optimitzarà encara més la potència de sortida i la relació de volum, empenyent les mans destreses del robot humanoide cap a aplicacions més eficients en diversos escenaris.

 

Continuar llegint:Per què els robots humanoides obren un nou oceà blau per a aplicacions de motor sense nucli - Part 1