Roboti obavljaju specifične unaprijed planirane zadatke kao što je rad na pokretnoj traci, kirurška pomoć, preuzimanje/vađenje iz skladišta, pa čak i opasne zadatke kao što je uklanjanje nagaznih mina. Današnji roboti sposobni su obavljati ne samo zadatke koji se vrlo ponavljaju, već i složene funkcije koje zahtijevaju fleksibilnost u smjeru i kretanje. Kako tehnologija napreduje, brzina i spretnost se povećavaju, a troškovi smanjuju, roboti će postupno biti široko prihvaćeni. Troškovna prednost niže od rada također nam daje uvid u industriju robotike. Osim toga, napredak strojnog vida, računalne snage i umrežavanja također će potaknuti popularizaciju aplikacija robota, a ovih strojeva visokih performansi
Ostvarenje čovjeka je posljedica sljedećih aspekata poboljšanja:
1. Složeni senzori
2. Računalna snaga i algoritmi koji omogućuju donošenje odluka i kretanje u stvarnom vremenu.
3. Motori koji brzo i precizno razvijaju mehaničku snagu za realizaciju složenih zadataka!
Prilikom specifičnog odabira tipa i modela motora, dizajner mora uzeti u obzir tri primarna čimbenika.
1. Minimalna i najveća brzina (i ubrzanje) motora.
2. Maksimalni moment koji motor može isporučiti i odnos između krivulja momenta i brzine.
3. točnost i ponovljivost rada motora (bez senzora i upravljanja zatvorenom petljom); naravno, postoje mnogi drugi važni faktori koje treba uzeti u obzir pri odabiru motora, kao što su veličina, težina i cijena. Za gotovo sve male do srednje velike robotske aktuatore, izbor pogonskih motora obično je između brušenih istosmjernih motora, istosmjernih motora bez četkica (BLDC) i koračnih motora. (Međutim, u nekim slučajevima najbolji su izbor hidrauličke naspram pneumatskih preša.)
Brušeni istosmjerni motori su najstarija tehnologija istosmjernih motora, najjednostavnija i najjeftinija. Rotacija rotora motora prebacuje (komutira) magnetsko polje namota oko rotora zbog kontakta između četkica i rotora. Brzina motora je funkcija primijenjenog napona, tako da su pogonski zahtjevi skromni, ali je teško upravljati momentom. Također postoje problemi s pouzdanošću tijekom rada zbog čimbenika kao što su istrošenost četkica, potreba za čišćenjem i održavanjem i potencijalni izvor elektroničke buke (elektromagnetske smetnje). Kao rezultat ovih problema, brušeni istosmjerni motori su, uglavnom, najmanje privlačna opcija za dizajn robota.
Istosmjerni motori bez četkica pojavili su se 1860-ih i imali su koristi od dva razvoja: pojava robusnih, malih, jeftinih permanentnih magneta; i pojavu malih, učinkovitih elektroničkih sklopki (obično MOSFET-ova) za prebacivanje strujnog toka na namote." Elektronička komutacija" zamjenjuje mehaničku komutaciju motora s četkom za kontrolu prebacivanja magnetskog polja, interakcije između fiksne sklopne zavojnice oko i magneti na rotirajućoj jezgri zamjenjuju mehaničku komutaciju motora četke, tj. koriste interakciju između magnetskog i električnog polja. Promjenom frekvencije preklapanja MOFSET-a, može se kontrolirati brzina motora. Osim toga, njegov kontroler motora može bolje kontrolirati rad motora u usporedbi s brušenim motorima.
Još bolje, napredni algoritmi kao što su PID (Proporcionalno-Integral-Diferencijalni) algoritmi korekcije ili FOC (Field Oriented Control, ponekad zvani Vector Control) kontrolni algoritmi mogu se učvrstiti u regulator motora. To omogućuje usklađivanje idealnog rada motora sa stvarnim opterećenjima i varijacijama opterećenja, što rezultira robusnijim i preciznijim performansama motora. Na primjer, algoritmi/programi upravljanja motorom mogu uzeti u obzir relevantne čimbenike kao što je inercija rotora i omogućiti motornom pogonu da se prilagodi i postupno smanji pogreške uzrokovane mehaničkim čimbenicima. Takvi algoritmi omogućuju preciznu kontrolu ubrzanja i momenta.
Motori bez četkica (BLDC) zahtijevaju složenije upravljačke krugove, ali mogu pokazati bolje performanse od brušenih motora. Tipično, BLDC motori moraju biti opremljeni senzorom povratne informacije o položaju, kao što je senzor Hallovog efekta, optički koder ili uređaj za detekciju obrnutog potencijala.
Drugi tip BLDC motora koji se obično koristi u robotima je koračni motor, gdje se koristi sklopni elektromagnet, smješten pored središnje jezgre prstena trajnog magneta. Koračni motori ne "rotiraju" na konvencionalan način; umjesto toga, postupno povećavaju brzinu uz pomoć stalno rotirajuće osovine, omogućujući tako određeni kut rotacije ili kontinuiranu rotaciju. Koračni motori imaju ponovljivu kontrolu kretanja: mogu se vratiti u prethodni položaj kada je potrebno.
Kutovi koraka kreću se od 1,8 stupnjeva (200 koraka/okretu) do 30 stupnjeva (12 koraka/okretu). Koračni kut ili broj koraka ovisi o broju trajnih magneta koje motor ima, ali moguće su i vrijednosti izvan tog raspona.
Kod koračnih motora, ako se priključi struja, ali nema usmjerenih stepenica, one će ostati u svom izvornom položaju; koračni motori daju veliki moment pri niskom broju okretaja. Najizravniji način da natjerate koračni motor da se okreće je uključivanje i isključivanje solenoida na pravilan način, ali to može dovesti do podrhtavanja ili vibracija. Motori bez četkica i koračni motori imaju djelomično preklapajuća područja primjene. Koračni motori su prikladniji za primjene koje zahtijevaju precizne kretnje unutra i van (kao što je odabiranje i postavljanje) umjesto dugih razdoblja kontinuirane rotacije, kao i za manje primjene koje ne zahtijevaju veliki okretni moment ili brzinu od motora. Osim toga, koračni motori imaju niže zahtjeve za energetskom učinkovitošću od istosmjernih motora bez četkica. Osim ovdje navedenih motora, dostupni su mnogi drugi tipovi. Porodice motora su brojne i složene, s mnogo podpodjela. Na primjer, sinkroni motor s permanentnim magnetom (PMSM) kombinacija je istosmjernog motora bez četkica (s obzirom na rotor) i AC indukcijskog motora (s obzirom na strukturu statora). Karakterizira ga visoka energetska učinkovitost, visoka relativna gustoća po jedinici malog volumena, omjer momenta i težine, brzo vrijeme odziva i relativna lakoća upravljanja, ali je i relativno skup.
Sustav kretanja robota uključuje više od motora; uključuje tri glavna funkcionalna modula.
1.Upravljač u stvarnom vremenu, manifestiran u sljedeća tri oblika.
Brzi računalni procesori za opće namjene, koji pokreću firmware za kontrolu kretanja.
DSP-orijentirani FPGA za upravljačke aplikacije.
Specijalizirani upravljački sklopovi IC s ožičenjem i ugrađenim algoritmima.
2. Jedan ili više pogonskih slojeva kaskadno se spajaju kako bi izvukli signale niske razine iz izlaza kontrolera i dali visoki napon/struju potreban za uključivanje/isključivanje upravljačke elektronike.
3.MOSFET (ili drugi sklopni uređaji, kao što su IGBT ili bipolarni tranzistori), koji kontroliraju protok struje do specifičnih namota motora
Izbor MOSFET-a ovisi uglavnom o motoru i namotima potrebne veličine struje i napona. MOSFET model za određivanje prema dolje za odabir vozača nakon MOSFET vozač odabir MOSFET ocjena: ponekad može zahtijevati niz uzlazno odbijanja vozača, posebne odluke za određivanje vozača. Ponekad može biti potreban niz pokretačkih programa za pojačanje, ovisno o veličini MOSFET-a.
4. Problemi na koje se može naići pri odabiru regulatora
Odabir modela kontrolera također je vrlo strateški i zahtijeva donošenje odluke prije odabira određenog dobavljača i modela. Postoje mnogi kompromisi kada se bira hoće li se koristiti procesor opće namjene samo za kontrolu motora, FPGA s lokalnom računalnom snagom ili specijalizirani kontrolni IC sklop (obično od određenog dobavljača kontrole motora). Dizajneri moraju uzeti u obzir faktore kao što su.
Koju složenost kontrolnog algoritma trebate i koliko I/0 portova?
Tko će osigurati kontrolni algoritam i kod: dobavljač IC-a, partner treće strane ili nepovezani programer treće strane? Kako će provjeriti i potvrditi rad motora i njegovu primjenu?
Kolika vam je sposobnost korisničkog programiranja potrebna? Čak i namjenski, neprogramabilni kontroleri zahtijevat će od korisnika da odabere vrstu algoritma, način upravljanja zatvorenom petljom (položaj, brzina ili ubrzanje) i morat će postaviti niz radnih parametara. Imaju li motor i aplikacija jedinstvena svojstva za postavljanje? Ako je odgovor potvrdan, tada bi bilo bolje odabrati programibilni I. Nasuprot tome, ako nema potrebe za modificiranjem algoritama, namjenski IC s ožičenim, čvrstim algoritmima je poželjniji od potpuno programabilnog IC. Treba li kontroler podržavati više vrsta motora? Čak i ako se radi o istom tipu, treba li kontroler podržavati samo jednu veličinu motora u tom modelu ili niz veličina?
Koju razinu tehničke podrške pruža dobavljač? Kakvo iskustvo u razvoju motorike imaju? Hoće li pružiti specifične referentne dizajne koji su izgrađeni i potvrđeni, uključujući sklop sučelja između kontrolnog IC-a i MOSFET pokretačkog programa?
Postoje li regulatorna pitanja kojih treba biti svjestan? Na primjer, ovlaštene procjene energetske učinkovitosti
(mnoge motorne aplikacije sada moraju ispunjavati razne "zelene" ekološke zahtjeve). Ako je tako, razumije li dobavljač te probleme i ispunjavaju li njegove komponente i algoritmi te zahtjeve?
5. Razvojni kompleti demonstriraju performanse kontrolera i sučelja
Za mnoge inženjere spajanje svih dijelova zajedno - kontrolera, pogonskih programa, MOSFET-ova itd. s učvršćenim ili odvojenim algoritmima - multidisciplinarni je zadatak, zadatak koji ne žele "počinjati od nule". Iz tog razloga, mnogi dobavljači nude evaluacijske ploče ili čak kompletne komplete s uzorcima algoritama kontrolera, upravljačkih programa i MOSFET-ova. Na primjer, Freescale MTRCKTSPNZVM128 trofazni PMSM komplet bez senzora koristi tehnologiju upravljanja motorom bez senzora za pogon trofaznog BLDC ili PMSM motora i dizajniran je za brzu izradu prototipova i evaluaciju pomoću inverznih potencijala podržanih integriranim ADC modulom uz pomoć mikrokontroler. Osim toga, ovaj komplet (s mikrokontrolerom MC9S12ZVML12) također se može konfigurirati za procjenu rada temeljenu na senzorima pomoću Hallovih senzora ili rezolvera. Budućnost robotike također je vrlo obećavajuća budući da će napredak u tehnologiji, uključujući precizno aktiviranje kroz poboljšanu kontrolu motora i senzore, stvoriti nove mogućnosti. Revolucije u ključnim područjima osjetila, upravljanja i motora nastavit će utjecati na promjene u robotici.