7 популярных приводов для роботов

Привод — это механизм для приведения в действие оборудования по управлению технологическими процессами с использованием электрических, пневматических или гидравлических сигналов. Это важная часть в робототехнике. Приводы, используемые в роботах, влияют на их целесообразность и производительность. Поэтому, в этой статье мы рассмотрим 7 самых распространенных приводов, которыми можно оснастить роботов различного предназначения.

Бесщеточный двигатель постоянного тока

Начнем с электрических двигателей. Бесщеточный или бесколлекторный — это один из типов приводов, набирающих популярность в робототехнике. Как понятно из названия, такой двигатель не использует щетки для коммутации, а вместо этого он коммутируется за счет электроники. Принцип работы данного привода основан на взаимодействии магнитных полей между электромагнитом и постоянным магнитом. Когда катушка находится под напряжением, противоположные полюса ротора и статора притягиваются друг к другу. Эти актуаторы используются практически в любых роботах.

Достоинства БДП следующие: 

• Быстродействие относительно характеристик вращающего момента;
• Более высокая частота вращения;
• Высокие динамические характеристики;
• Длительный срок службы;
• Бесшумная работа.

Недостатки:

• Сложный и дорогостоящий регулятор скорости;
• Не работает без электроники.

Синхронный привод

Данный двигатель содержит ротор, который синхронно вращается с колеблющимся полем или током. Синхронные приводы имеют множество преимуществ перед другими двигателями. В первую очередь это относится к энергетическим показателям. Данные приводы используются в выпускаемых промышленных роботах со средней грузоподъемностью и числом степеней подвижности от 3 до 6. Точность позиционирования электрического привода достигает значений до ± 0,05 мм. Их применяют как в позиционном, так и в контурном режимах работы.

Преимущества:

• Высокая экономичность;
• Удобство сборки и хорошие регулировочные свойства;
• Очевидна целесообразность применения синхронного привода для механизмов, не требующих регулирования скорости.

Недостатки:

• Применение синхронного двигателя затруднено, если механизмы обладают большими маховыми массами, где необходимо иметь регулируемый или двойной привод;
• Не имеет начального пускового момента. Следовательно, для его пуска необходимо разогнать ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

Асинхронный двигатель

Этот электропривод для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую также выгоден по ряду причин. Сам термин «асинхронный» означает не одновременный. При этом имеется ввиду, что у этих двигателей частота вращения магнитного поля статора всегда больше частоты вращения ротора. Работают асинхронные двигатели от сети переменного тока.
Этот тип двигателя используется в основном для питания ведущих колес автомобиля, поэтому и может найти место в колесной робототехнике. Наличие мощных полупроводников сделало практичным использование более простых асинхронных электродвигателей переменного тока.

Преимущества:

• Простота и надежность из-за отсутствия коллектора;
• Низкая стоимость;
• Значительно низкая масса;
• Меньшие габариты.

Недостатки:

• Могут перегреваться, особенно под нагрузкой;
• Невозможность стабильно держать частоту вращения;
• Относительно небольшой пусковой механизм.

Шаговый двигатель

Шаговый двигатель – привод, в последнее время часто используемый в робототехнике. Основное отличие между ним и всеми остальными типами двигателей состоит в способе вращения. Как известно, перечисленные ранее двигатели вращаются непрерывно. Но шаговые приводы вращаются «шагами». Каждый шаг представляет собой часть полного оборота. Эта часть зависит от механического устройства мотора и от способа управления. 

Использование шаговых двигателей является одним из самых простых, дешевых и легких решений для работы систем точного позиционирования. Поэтому эти двигатели очень часто используются в станках с ЧПУ и роботах.

Преимущества:

• Главное преимущество – точность работы. При подаче потенциалов на обмотки двигатель повернется строго на определенный угол;
• Низкая стоимость;
• Подходит для автоматизации отдельных механизмов и систем, где нет необходимости в высокой динамике.

Недостатки:

• Присутствует проблема «проскальзывания» ротора при повышенной нагрузке на вал;
• Ограничение шагов (максимум 1000 об/мин).

Сервопривод

Это тип электромеханических двигателей, которые не вращаются постоянно, как шаговые, а перемещаются по сигналу в определенное положение и сохраняют его до следующего сигнала. Находят широкое применение в различных секторах робототехники – от самодельных механизмов до сложных андроидов.

В сервоприводах используется механизм обратной связи, позволяющий обрабатывать ошибки и исправлять их в позиционировании. Такая система называется следящей. Если какая-то сила оказывает давление на привод, изменяя его положение, двигатель будет применять силу в противоположном направлении, чтобы исправить возникающую ошибку. Таким образом, достигается высокая точность позиционирования.

Преимущества:

• Более высокая скорость вращения;
• Высокая мощность;
• Позиция механизма всегда на виду и доступна для корректирования.

Недостатки:

• Сложная система подключения и управления;
• Требует квалифицированного обслуживания;
• Высокая стоимость.

Пневматический привод

Двигатель, приводящий в движение механизмы через энергию сжатого воздуха. Основной компонент здесь – компрессор. Сжатый компрессором воздух поступает в пневмолинии, и далее к пневмодвигателю. Благодаря отсутствию вязкой среды, такие двигатели могут работать на большей частоте - скорость вращения пневмомотора может достигать десятков тысяч оборотов в минуту.
Этот тип привода все чаще используется в робототехнике, так как имеет низкую плавность хода и точность срабатывания. Наиболее рационально использовать его для механизмов с двумя состояниями – втягивания и выталкивания или закрывания и открывания.

Преимущества:

• Простота и экономичность;
• Рабочее тело не ограничено заданным объемом и может пополняться в случае утечки;
• Вместо компрессора можно использовать баллон со сжатым газом, что упрощает построение пневматической системы;
• Менее чувствителен к изменениям температуры окружающей среды.

Недостатки:

• Более низкий КПД;
• Высокая стоимость пневматической энергии по сравнению с электрической;
• Нагревание и охлаждение рабочего газа в компрессорах, что может привести к возможности обмерзания систем или наоборот конденсации водяных паров из рабочего газа. 

Гидравлический привод

Если робот должен работать с грузами более 100кг, следует задуматься об использовании гидравлического привода. Этот тип двигателя для приведения в движения исполнительного органа использует жидкость. Принцип работы гидропривода состоит в насосе, который создает давление рабочей жидкости в напорной магистрали, соединенной с гидродвигателем. Двигатель преобразует давление жидкости в механическое. При этом, регуляторы управляют скоростью и направлением движения гидродвигателя.
Эти приводы применяются в основном в промышленной робототехнике. Но есть случаи их использования и в других прототипах, к примеру,  в известном детище DARPA - роботе BigDog.

Преимущества:

• Небольшие размеры и масса;
• Высокая производительность - развивает силу в 25 раз выше, чем пневмопривод аналогичного размера;
• Плавное регулирование силы;
• Рабочая температура - от -50 до +100С.

Недостатки:

• При высоком давлении возможны утечки жидкости;
• Высокая стоимость оборудования и обслуживания;
• Непрерывное потребление энергии;
• Сложно отслеживать точность работы.

Это были самые основные типы приводов, которые наиболее используются в современной робототехнике.