روباتها وظایف از پیش برنامهریزیشدهای مانند کار در خط مونتاژ، کمکهای جراحی، جمعآوری/بازیابی انبار و حتی کارهای خطرناکی مانند حذف مین را انجام میدهند. و حرکت با پیشرفت تکنولوژی، افزایش سرعت و مهارت و کاهش هزینه ها، روبات ها به تدریج به طور گسترده ای مورد استفاده قرار خواهند گرفت. مزیت هزینه کمتر بودن نسبت به نیروی کار نیز به ما نگاهی اجمالی به صنعت رباتیک می دهد. علاوه بر این، پیشرفتها در بینایی ماشین، قدرت محاسباتی و شبکهسازی باعث محبوبیت برنامههای کاربردی ربات و این ماشینهای با کارایی بالا میشود.
تحقق انسان ناشی از جنبه های زیر است:
1. سنسورهای پیچیده
2. قدرت محاسباتی و الگوریتم هایی که امکان تصمیم گیری و حرکت در زمان واقعی را فراهم می کند.
3. موتورهایی که به سرعت و با دقت قدرت مکانیکی را برای انجام کارهای پیچیده پیش می برند!
هنگام انتخاب خاص نوع و مدل موتور، طراح باید سه عامل اصلی را که طراح باید در نظر بگیرد، در نظر بگیرد.
1. حداقل و حداکثر سرعت (و شتاب) موتور.
2. حداکثر گشتاوری که موتور می تواند ارائه دهد و رابطه بین منحنی های گشتاور و سرعت.
3. دقت و تکرارپذیری عملکرد موتور (بدون سنسور و کنترل حلقه بسته). البته فاکتورهای مهم دیگری مانند اندازه، وزن و هزینه برای انتخاب موتور باید در نظر گرفته شود. تقریباً برای تمام محرکهای رباتیک کوچک تا متوسط، انتخاب موتورهای محرک معمولاً بین موتورهای DC برس دار، موتورهای DC بدون جاروبک (BLDC) و موتورهای پلهای است. (با این حال، در برخی موارد پرس های هیدرولیک در مقابل پنوماتیک بهترین انتخاب هستند.)
موتورهای DC برس دار قدیمی ترین تکنولوژی موتور DC، ساده ترین و کم هزینه ترین هستند. چرخش روتور موتور، میدان مغناطیسی سیم پیچ های اطراف روتور را به دلیل تماس بین برس ها و روتور تغییر می دهد. سرعت موتور تابعی از ولتاژ اعمال شده است، بنابراین نیازهای درایو متوسط هستند، اما مدیریت گشتاور دشوار است. همچنین هنگام کار به دلیل عواملی مانند فرسودگی برس ها، نیاز به تمیز کردن و نگهداری و به طور بالقوه بودن منبع نویز الکترونیکی (تداخل الکترومغناطیسی) مشکلاتی در مورد قابلیت اطمینان وجود دارد. در نتیجه این مسائل، موتورهای DC برس خورده، در بیشتر موارد، کم جذاب ترین گزینه برای طراحی ربات هستند.
موتورهای DC بدون جاروبک در دهه 1860 ظاهر شدند و از دو پیشرفت بهره بردند: ظهور آهنرباهای دائمی قوی، کوچک و کم هزینه. و ظهور سوئیچهای الکترونیکی کوچک و کارآمد (معمولا ماسفتها) برای تغییر جریان جریان به سیمپیچها." کموتاسیون الکترونیکی" جایگزین کموتاسیون مکانیکی موتور برس برای کنترل سوئیچینگ میدان مغناطیسی، برهمکنش بین سیمپیچ سوئیچینگ ثابت میشود. اطراف و آهنرباهای روی هسته دوار جایگزین کموتاسیون مکانیکی موتور برس می شوند، یعنی از تعامل بین میدان مغناطیسی و میدان الکتریکی استفاده می کند. بنابراین با تغییر فرکانس سوئیچینگ MOFSET می توان سرعت موتور را کنترل کرد. علاوه بر این، کنترل کننده موتور آن می تواند عملکرد موتور را در مقایسه با موتورهای برس دار بهتر کنترل کند.
حتی بهتر از آن، الگوریتمهای پیشرفتهای مانند الگوریتمهای تصحیح PID (Proportional-Integral-Differential) یا الگوریتمهای کنترل FOC (کنترل میدانگرا، که گاهی اوقات کنترل برداری نیز نامیده میشود) را میتوان در کنترلکننده موتور منجمد کرد. این اجازه می دهد تا عملکرد موتور ایده آل با بارهای واقعی و تغییرات بار مطابقت داده شود و در نتیجه عملکرد موتور قوی تر و دقیق تر باشد. به عنوان مثال، الگوریتمها/برنامههای کنترل موتور میتوانند عوامل مرتبطی مانند اینرسی روتور را در نظر بگیرند و موتور محرک را قادر به سازگاری و کاهش تدریجی خطاهای ناشی از عوامل مکانیکی کنند. چنین الگوریتم هایی امکان کنترل دقیق شتاب و گشتاور را فراهم می کند.
موتورهای بدون جاروبک (BLDC) به مدارهای کنترلی پیچیده تری نیاز دارند اما می توانند عملکرد بهتری نسبت به موتورهای برس دار از خود نشان دهند. به طور معمول، موتورهای BLDC باید به یک حسگر بازخورد موقعیت، مانند سنسور اثر هال، یک رمزگذار نوری یا یک دستگاه تشخیص پتانسیل معکوس مجهز شوند.
نوع دیگری از موتورهای BLDC که معمولاً در روباتها استفاده میشود، موتور پلهای است که در آن از آهنربای الکتریکی سوئیچینگ در کنار هسته مرکزی حلقه آهنربای دائمی استفاده میشود. موتورهای پله ای به روش معمولی "چرخش" نمی شوند. در عوض، آنها به تدریج سرعت خود را با کمک یک محور دائماً در حال چرخش افزایش می دهند، بنابراین اجازه می دهند زاویه خاصی از چرخش یا چرخش مداوم را ایجاد کنند. موتورهای پله ای دارای کنترل حرکت قابل تکرار هستند: در صورت لزوم می توان آنها را به موقعیت قبلی بازگرداند.
زوایای گام برداشتن از 1.8 درجه (200 قدم در چرخش) تا 30 درجه (12 گام در چرخش) متغیر است. زاویه پله یا تعداد پله ها به تعداد آهنرباهای دائمی موتور بستگی دارد، اما مقادیر خارج از این محدوده نیز ممکن است.
در موتورهای پله ای، اگر برق اعمال شود اما هیچ پله ای اشاره نداشته باشد، در موقعیت اصلی خود باقی می مانند. موتورهای پله ای گشتاور بالایی را در دورهای پایین ارائه می کنند. مستقیم ترین راه برای چرخاندن یک موتور پله ای این است که برق شیر برقی را به صورت منظم و منظم برق دهید، اما این می تواند باعث ایجاد لرزش یا لرزش شود. موتورهای براشلس و موتورهای پله ای دارای قسمت های کاربردی هستند که تا حدی همپوشانی دارند. موتورهای پله ای برای کاربردهایی که به حرکات دقیق داخل و خارج (مانند انتخاب و مکان) نیاز دارند، به جای دوره های طولانی چرخش پایدار، و همچنین برای کاربردهای کوچکتر که به گشتاور یا سرعت زیاد موتور نیاز ندارند، مناسب تر هستند. علاوه بر این، موتورهای پله ای نسبت به موتورهای DC بدون جاروبک، نیازمندی های بازده انرژی کمتری دارند. علاوه بر موتورهای ذکر شده در اینجا، انواع دیگری نیز موجود است. خانواده های موتوری متعدد و پیچیده هستند و دارای زیربخش های زیادی هستند. به عنوان مثال، موتور سنکرون آهنربای دائم (PMSM) ترکیبی از یک موتور DC بدون جاروبک (با توجه به روتور) و یک موتور القایی AC (با توجه به ساختار استاتور) است. بازده انرژی بالا، چگالی نسبی بالا در واحد حجم کوچک، نسبت گشتاور به وزن، زمان پاسخ سریع و سهولت نسبی کنترل مشخص می شود، اما نسبتاً گران است.
سیستم حرکت ربات بیش از موتورها را شامل می شود. شامل سه ماژول اصلی کاربردی است.
1.کنترل کننده بلادرنگ، به سه شکل زیر نمایان می شود.
پردازشگرهای محاسباتی سریع برای اهداف عمومی، سیستم عامل کنترل حرکت را اجرا می کنند.
FPGA های DSP گرا برای برنامه های کنترلی.
مدارهای آی سی کنترل کننده تخصصی با سیم کشی سخت و الگوریتم های داخلی.
2. یک یا چند لایه درایور آبشاری میکنند تا سیگنالهای سطح پایین را از خروجیهای کنترلکننده خارج کنند و ولتاژ/جریان بالایی را که برای روشن/خاموش کردن الکترونیک کنترل لازم است، تولید کنند.
3.ماسفت (یا سایر دستگاه های سوئیچینگ مانند IGBT یا ترانزیستورهای دوقطبی) که جریان جریان به سیم پیچ های خاص موتور را کنترل می کند.
انتخاب ماسفت عمدتاً به موتور و سیم پیچ هایی با اندازه جریان و ولتاژ مورد نیاز بستگی دارد. مدل ماسفت برای تعیین پایین برای انتخاب راننده پس از انتخاب درایور ماسفت توسط رتبه ماسفت: گاهی اوقات ممکن است نیاز به یک سری از درایور دفع صعودی، تصمیم خاص برای تعیین راننده باشد. گاهی اوقات ممکن است بسته به اندازه ماسفت ها به یک سری درایورهای تقویت کننده نیاز باشد.
4. مشکلاتی که ممکن است در هنگام انتخاب کنترلر با آن مواجه شوید
انتخاب مدل کنترلر نیز بسیار استراتژیک است و نیاز به تصمیم گیری قبل از انتخاب فروشنده و مدل خاص دارد. هنگام انتخاب اینکه آیا از یک پردازنده همه منظوره فقط برای کنترل موتور، یک FPGA با توان محاسباتی محلی یا یک مدار IC کنترل تخصصی (معمولاً از یک فروشنده خاص کنترل موتور) استفاده کنید، معاوضههای زیادی وجود دارد. طراحان باید عواملی مانند.
به چه پیچیدگی الگوریتم کنترل نیاز دارید و چند پورت I/{0}}؟
چه کسی الگوریتم و کد کنترل را ارائه خواهد کرد: تامین کننده IC، یک شریک شخص ثالث، یا یک توسعه دهنده شخص ثالث غیر مرتبط؟ چگونه آنها عملکرد موتور و کاربرد آن را تأیید و تأیید می کنند؟
به چه میزان توانایی برنامه نویسی کاربر نیاز دارید؟ حتی کنترلرهای اختصاصی و غیرقابل برنامه ریزی نیز از کاربر می خواهند که نوع الگوریتم، حالت کنترل حلقه بسته (موقعیت، سرعت یا شتاب) را انتخاب کند و باید تعدادی پارامتر عملیاتی را تنظیم کند. آیا موتور و کاربرد خاصیت منحصر به فردی برای تنظیم دارند؟ اگر پاسخ مثبت است، بهتر است I قابل برنامهریزی را انتخاب کنید. برعکس، اگر نیازی به اصلاح الگوریتمها نباشد، یک آی سی اختصاصی با الگوریتمهای سیمکشی و جامد شده به یک آیسی کاملاً قابل برنامهریزی ترجیح داده میشود. آیا کنترلر نیاز به پشتیبانی از چندین نوع موتور دارد؟ حتی اگر از یک نوع باشد، آیا کنترلر نیاز به پشتیبانی از یک سایز موتور در آن مدل دارد یا طیفی از اندازه ها؟
فروشنده چه سطحی از پشتیبانی فنی ارائه می دهد؟ آنها چه تجربه عملی در توسعه حرکتی دارند؟ آیا آنها طرح های مرجع خاصی را ارائه می دهند که ساخته و تایید شده اند، از جمله مدار رابط بین آی سی کنترل و درایور MOSFET؟
آیا مسائل نظارتی وجود دارد که باید از آن آگاه بود؟ به عنوان مثال، ارزیابی های مجاز بهره وری انرژی
(بسیاری از کاربردهای موتور اکنون باید الزامات محیطی مختلف "سبز" را برآورده کنند). اگر چنین است، آیا تامین کننده این مسائل را درک می کند و آیا اجزا و الگوریتم های آنها این الزامات را برآورده می کند؟
5. کیت های توسعه عملکرد کنترل کننده و رابط را نشان می دهد
برای بسیاری از مهندسان، گردآوری تمام قطعات - کنترلکنندهها، درایورها، ماسفتها و غیره با الگوریتمهای جامد یا مجزا - یک کار چند رشتهای است، کاری که نمیخواهند «از صفر شروع کنند». به همین دلیل، بسیاری از فروشندگان تابلوهای ارزیابی یا حتی کیت های کامل را با الگوریتم های کنترل کننده نمونه، درایورها و ماسفت ها ارائه می دهند. به عنوان مثال، کیت PMSM بدون سنسور سه فاز Freescale MTRCKTSPNZVM128 از فناوری کنترل موتور بدون حسگر برای راه اندازی موتور سه فاز BLDC یا PMSM استفاده می کند و برای نمونه سازی و ارزیابی سریع با استفاده از پتانسیل های معکوس پشتیبانی شده توسط ماژول ADC یکپارچه با کمک یک موتور طراحی شده است. میکروکنترلر علاوه بر این، این کیت (دارای میکروکنترلر MC9S12ZVML12) همچنین می تواند برای ارزیابی عملکرد مبتنی بر حسگر با استفاده از سنسورها یا حل کننده هال پیکربندی شود. آینده رباتیک نیز بسیار امیدوار کننده است زیرا پیشرفت در فناوری، از جمله فعال سازی دقیق از طریق بهبود کنترل موتور و حس، فرصت های جدیدی ایجاد خواهد کرد. انقلابها در حوزههای کلیدی حسگر، کنترل و موتور همچنان بر تغییرات در رباتیک تأثیر خواهند گذاشت.