I robot eseguono compiti specifici pre-pianificati come il lavoro in catena di montaggio, l'assistenza chirurgica, il prelievo/recupero in magazzino e persino compiti pericolosi come la rimozione delle mine antiuomo. I robot di oggi sono in grado di gestire non solo compiti altamente ripetitivi, ma anche funzioni complesse che richiedono flessibilità nella direzione e nel movimento. Con l'avanzare della tecnologia, l'aumento della velocità e della destrezza e la diminuzione dei costi, i robot saranno gradualmente ampiamente adottati. Il vantaggio in termini di costi, inferiore a quello della manodopera, ci offre anche uno scorcio del settore della robotica. Inoltre, i progressi nella visione artificiale, nella potenza di calcolo e nel networking guideranno anche la diffusione delle applicazioni robotiche e queste macchine ad alte prestazioni
La realizzazione dell'umano è dovuta ai seguenti aspetti del potenziamento:
1. Sensori complessi
2. Potenza di calcolo e algoritmi che consentono decisioni e spostamenti in tempo reale.
3. Motori che sviluppano in modo rapido e preciso la potenza meccanica per realizzare compiti complessi!
Quando si seleziona specificamente un tipo e un modello di motore, il progettista deve considerare tre fattori principali.
1. La velocità minima e massima (e l'accelerazione) del motore.
2. La coppia massima che il motore può erogare e la relazione tra le curve di coppia e velocità.
3. l'accuratezza e la ripetibilità del funzionamento del motore (senza sensori e controllo a circuito chiuso); naturalmente, ci sono molti altri fattori importanti da considerare quando si seleziona un motore, come dimensioni, peso e costo. Per quasi tutti gli attuatori robotici di piccole e medie dimensioni, la scelta dei motori di azionamento è solitamente tra motori DC con spazzole, motori DC senza spazzole (BLDC) e motori passo-passo. (Tuttavia, in alcuni casi le presse idrauliche rispetto a quelle pneumatiche sono la scelta migliore.)
I motori DC con spazzole sono la tecnologia più vecchia, la più semplice e meno costosa. La rotazione del rotore del motore commuta (commuta) il campo magnetico degli avvolgimenti attorno al rotore a causa del contatto tra le spazzole e il rotore. La velocità del motore è una funzione della tensione applicata, quindi i requisiti di azionamento sono modesti, ma la gestione della coppia è difficile. Ci sono anche problemi di affidabilità durante il funzionamento a causa di fattori come l'usura delle spazzole, la necessità di pulizia e manutenzione e la potenziale fonte di rumore elettronico (interferenza elettromagnetica). Come risultato di questi problemi, i motori DC con spazzole sono, per la maggior parte, l'opzione meno attraente per la progettazione di robot.
I motori DC senza spazzole apparvero nel 1860 e beneficiarono di due sviluppi: l'emergere di magneti permanenti robusti, piccoli e a basso costo; e l'emergere di piccoli ed efficienti interruttori elettronici (solitamente MOSFET) per commutare il flusso di corrente verso gli avvolgimenti. La "commutazione elettronica" sostituisce la commutazione meccanica del motore a spazzole per controllare la commutazione del campo magnetico, l'interazione tra la bobina di commutazione fissa attorno e i magneti sul nucleo rotante sostituisce la commutazione meccanica del motore a spazzole, ovvero utilizza l'interazione tra il campo magnetico e il campo elettrico. Modificando la frequenza di commutazione del MOFSET, la velocità del motore può quindi essere controllata. Inoltre, il suo controller del motore può controllare meglio le prestazioni del motore rispetto ai motori a spazzole.
Ancora meglio, algoritmi avanzati come gli algoritmi di correzione PID (Proportional-Integral-Differential) o gli algoritmi di controllo FOC (Field Oriented Control, a volte chiamati Vector Control) possono essere consolidati nel controller del motore. Ciò consente di adattare il funzionamento ideale del motore ai carichi effettivi e alle variazioni di carico, con conseguenti prestazioni del motore più robuste e precise. Ad esempio, gli algoritmi/programmi di controllo del motore possono tenere conto di fattori rilevanti come l'inerzia del rotore e consentire all'azionamento del motore di adattarsi e ridurre gradualmente gli errori dovuti a fattori meccanici. Tali algoritmi consentono di controllare con precisione accelerazione e coppia.
I motori brushless (BLDC) richiedono circuiti di controllo più complessi, ma possono offrire prestazioni migliori rispetto ai motori brushed. In genere, i motori BLDC devono essere dotati di un sensore di feedback della posizione, come un sensore a effetto Hall, un encoder ottico o un dispositivo di rilevamento del potenziale inverso.
Un altro tipo di motore BLDC comunemente utilizzato nei robot è il motore passo-passo, in cui viene utilizzato un elettromagnete di commutazione, situato accanto al nucleo centrale dell'anello magnetico permanente. I motori passo-passo non "ruotano" in modo convenzionale; invece, aumentano gradualmente la loro velocità con l'aiuto di un albero in rotazione costante, consentendo così un certo angolo di rotazione o una rotazione continua. I motori passo-passo hanno un controllo del movimento ripetibile: possono essere riportati alla posizione precedente quando necessario.
Gli angoli di passo variano da 1,8 gradi (200 passi/giro) a 30 gradi (12 passi/giro). L'angolo di passo o il numero di passi dipende dal numero di magneti permanenti del motore, ma sono possibili anche valori al di fuori di questo intervallo.
Con i motori passo-passo, se viene applicata potenza ma non vengono puntati passi, rimarranno nella loro posizione originale; i motori passo-passo forniscono una coppia elevata a bassi giri al minuto. Il modo più diretto per far ruotare un motore passo-passo è quello di eccitare e diseccitare il solenoide in modo ordinato, ma questo può introdurre jitter o vibrazioni. I motori brushless e i motori passo-passo hanno aree di applicazione parzialmente sovrapposte. I motori passo-passo sono più adatti per applicazioni che richiedono movimenti precisi dentro e fuori (come pick and place) piuttosto che lunghi periodi di rotazione sostenuta, così come per applicazioni più piccole che non richiedono coppia o velocità elevate dal motore. Inoltre, i motori passo-passo hanno requisiti di efficienza energetica inferiori rispetto ai motori CC brushless. Oltre ai motori elencati qui, sono disponibili molti altri tipi. Le famiglie di motori sono numerose e complesse, con molte suddivisioni. Ad esempio, il motore sincrono a magnete permanente (PMSM) è una combinazione di un motore CC brushless (rispetto al rotore) e un motore a induzione CA (rispetto alla struttura dello statore). È caratterizzato da elevata efficienza energetica, elevata densità relativa per unità di piccolo volume, rapporto coppia/peso, tempi di risposta rapidi e relativa facilità di controllo, ma è anche relativamente costoso.
Il sistema di movimento del robot non comprende solo motori: comprende tre moduli funzionali principali.
1.Controllore in tempo reale, che si manifesta nelle tre forme seguenti.
Processori di calcolo veloci per uso generale, che eseguono firmware di controllo del movimento.
FPGA orientati al DSP per applicazioni di controllo.
Circuiti IC di controllo specializzati con cablaggio e algoritmi integrati.
2. Uno o più livelli di driver sono collegati a cascata per prelevare segnali di basso livello dalle uscite del controller e fornire l'alta tensione/corrente necessaria per accendere/spegnere l'elettronica di controllo.
3.MOSFET (o altri dispositivi di commutazione, come IGBT o transistor bipolari), che controlla il flusso di corrente verso gli avvolgimenti specifici del motore
La selezione del MOSFET dipende principalmente dal motore e dagli avvolgimenti della corrente richiesta e dalla dimensione della tensione. Modello MOSFET per determinare verso il basso per selezionare il driver dopo la selezione del driver MOSFET in base alla valutazione MOSFET: a volte può richiedere una serie di driver di repulsione ascendente, la decisione specifica per determinare il driver. A volte può essere richiesta una serie di driver boost, a seconda delle dimensioni dei MOSFET.
4. Problemi che si possono riscontrare nella scelta di un controller
La selezione del modello di controller è anche molto strategica e richiede una decisione da prendere prima di selezionare un fornitore e un modello specifici. Ci sono molti compromessi quando si sceglie se utilizzare un processore generico solo per il controllo motore, un FPGA con potenza di calcolo locale o un circuito IC di controllo specializzato (solitamente da un fornitore specifico di controllo motore). I progettisti devono considerare fattori come.
Quale complessità di algoritmo di controllo ti serve e quante porte I/0?
Chi fornirà l'algoritmo di controllo e il codice: il fornitore di IC, un partner terzo o uno sviluppatore terzo non correlato? Come verificheranno e convalideranno le prestazioni del motore e la sua applicazione?
Quanta capacità di programmazione utente ti serve? Anche i controller dedicati e non programmabili richiederanno all'utente di selezionare il tipo di algoritmo, la modalità di controllo a circuito chiuso (posizione, velocità o accelerazione) e dovranno impostare una serie di parametri operativi. Il motore e l'applicazione hanno proprietà uniche da impostare? Se la risposta è sì, allora sarebbe meglio scegliere programmabile I. Al contrario, se non c'è bisogno di modificare gli algoritmi, un IC dedicato con algoritmi cablati e consolidati è preferibile a un IC completamente programmabile. Il controller deve supportare più tipi di motore? Anche se è dello stesso tipo, il controller deve supportare solo una dimensione di motore in quel modello o una gamma di dimensioni?
Quale livello di supporto tecnico fornisce il fornitore? Quale esperienza pratica ha nello sviluppo di motori? Fornirà progetti di riferimento specifici che sono stati costruiti e convalidati, inclusi i circuiti di interfaccia tra il circuito integrato di controllo e il driver MOSFET?
Ci sono questioni normative di cui essere a conoscenza? Ad esempio, valutazioni di efficienza energetica autorizzate
(molte applicazioni di motori devono ora soddisfare vari requisiti ambientali "verdi"). In tal caso, il fornitore comprende questi problemi e i suoi componenti e algoritmi soddisfano questi requisiti?
5. I kit di sviluppo dimostrano le prestazioni del controller e dell'interfaccia
Per molti ingegneri, mettere insieme tutti i pezzi (controller, driver, MOSFET, ecc. con algoritmi consolidati o separati) è un compito multidisciplinare, che non vogliono "iniziare da zero". Per questo motivo, molti venditori offrono schede di valutazione o persino kit completi con algoritmi di controllo campione, driver e MOSFET. Ad esempio, il kit PMSM trifase senza sensori MTRCKTSPNZVM128 di Freescale utilizza la tecnologia di controllo motore senza sensori per azionare un motore BLDC o PMSM trifase ed è progettato per una rapida prototipazione e valutazione utilizzando potenziali inversi supportati dal modulo ADC integrato con l'ausilio di un microcontrollore. Inoltre, questo kit (che presenta il microcontrollore MC9S12ZVML12) può anche essere configurato per la valutazione basata sui sensori del funzionamento utilizzando sensori Hall o resolver. Anche il futuro della robotica è molto promettente poiché i progressi nella tecnologia, tra cui l'attuazione di precisione tramite un controllo e un rilevamento del motore migliorati, creeranno nuove opportunità. Le rivoluzioni nei settori chiave della rilevazione, del controllo e dei motori continueranno a influenzare i cambiamenti nella robotica.