ПРИВОДЫ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ

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)