Princípios de controle motor (robôs)

A aplicação de robôs está se tornando cada vez mais difundida, o que desempenha um papel importante na produção industrial e na melhoria da eficiência. Robôs industriais usam principalmente servomotores para controle de movimento para mover e agarrar ferramentas. Este artigo discutirá em detalhes as características dos servomotores e os princípios de controle correspondentes para diferentes tipos de servomotores.

Princípio de controle de movimento

O controle de movimento está intimamente relacionado à robótica. Robôs em aplicações industriais devem usar atuadores compostos de vários motores para se moverem por conta própria para executar tarefas ou agarrar ferramentas por meio de braços robóticos.

O sistema de controle de movimento do robô geralmente consiste em um controlador de motor, um driver de motor e um corpo de motor (principalmente servo motores). O controlador do motor tem funções de computação inteligentes e pode enviar instruções para acionar o motor. O driver pode fornecer corrente de reforço para acionar o motor de acordo com as instruções do controlador. O motor pode mover o robô diretamente ou pode mover o robô por meio de um sistema de transmissão ou um sistema de corrente.

Tipo de saída

Robôs móveis são frequentemente usados para explorar grandes áreas de terra e podem se mover usando várias hélices, pés robóticos, rodas, trilhos ou braços robóticos. Por exemplo, várias plataformas de exibição da NI incluem VINI, VolksBot e Isadora. Esses robôs usam rodas Mecanum, rodas gerais e braços robóticos, respectivamente. Para controle embarcado, controladores em tempo real e FPGAs podem ser integrados por meio de plataformas embarcadas, como o NI CompactRIO. O CompactRIO também inclui um chassi reconfigurável que pode acomodar uma variedade de configurações de E/S, incluindo entrada de sensor e controle de motor.

VINI é uma plataforma de robô que usa rodas omnidirecionais e pode viajar em várias direções. Além de para frente e para trás como uma roda tradicional, a roda omnidirecional também pode girar o eixo na direção oposta para viajar em qualquer direção. Este tipo de roda já é comumente usado em aplicações como empilhadeiras automáticas que devem ser capazes de se mover em espaços apertados.

O VINI também é um robô de desenho de mapas que realiza o planejamento de caminhos e o processamento de dados por meio de controladores de nível industrial da NI e do CompactRIO. Um controlador de nível industrial incorporado fornece o mapa de escaneamento a laser e realiza o processamento de visão de máquina para o CompactRIO receber dados do sensor e controlar servomotores no sistema de câmera.

As rodas do VolksBot foram desenvolvidas pelo Instituto Fraunhofer na Alemanha.

Isadora é um robô humanoide dançante que obtém dados de entrada de humanos operando uma versão reduzida do robô. Então ele começou a mover seus braços robóticos e tronco para imitar o movimento de um robô em miniatura. Isadora usa 2 conjuntos de CompactRIO, um dos quais é usado para simular o movimento gravado, e o outro é usado para reproduzir a trajetória de movimento do robô.

Princípio de controle do servo motor e seus tipos

Servomotores são um tipo comum de motor em aplicações robóticas. O princípio básico de controle é usar um loop de controle, combinado com o feedback do motor necessário, para auxiliar o motor a entrar no estado desejado, como posição e velocidade. Como o servomotor deve saber o estado atual através do loop de controle, sua estabilidade é maior do que a do motor de passo.

Existem diferentes tipos de servomotores – com escovas e sem escovas. A diferença entre servomotores com escovas e sem escovas é seu mecanismo de comunicação. Os servomotores funcionam movendo ou construindo torque com base em forças magnéticas opostas. Os exemplos mais simples são campos magnéticos estacionários e rotativos. Simplesmente mudando a direção da corrente que flui através do campo magnético, os polos magnéticos podem ser alterados e os polos magnéticos (rotor) começam a girar. Mudar a direção da corrente da bobina é chamado de “comutação”.

Servomotor escovado

O princípio de controle do motor escovado é alterar a corrente na bobina do motor através da escova mecânica. Como os motores escovados podem alterar a direção da corrente de entrada, eles podem ser alimentados por corrente contínua (CC). Os servomotores escovados podem ser divididos em 2 grupos de peças:

A caixa do motor possui um ímã de campo (Field magnet), ou seja, o estator (Stator)
O rotor é feito de bobinas com um núcleo de ferro no meio e é conectado a um transformador de corrente

As escovas então entram em contato com o transformador de corrente, direcionando a corrente para a bobina. Após um período de uso, as escovas podem se desgastar e criar atrito no sistema; no entanto, isso não acontece em servomotores sem escovas.

Servomotor sem escovas

A maioria dos servomotores sem escovas funcionam com corrente alternada (CA). O princípio de controle do servomotor sem escovas é colocar o núcleo de ferro do lado de fora. Enquanto o rotor se torna um ímã temporário, o estator se torna uma bobina de ferro. A corrente no circuito externo será revertida na posição do rotor dada. Portanto, este servomotor é acionado por corrente alternada. Claro, também existem servomotores CC sem escovas. Esses motores normalmente têm algum circuito de comutação eletrônico para transformar a CC de entrada. Os servomotores sem escovas são mais caros, mas apresentam menos desgaste.

Motor de passo

Em aplicações de movimento de robôs, motores de passo não são tão populares quanto servomotores, mas ainda são um tipo importante de motor e são mais fáceis de usar. Comparados com servomotores, motores de passo são mais lentos e precisos. O motor de passo tem uma série de dentes sem escova embutidos (dentes sem escova). Após a corrente passar para alterar a carga eletromagnética, o rotor é puxado pelo próximo conjunto de dentes de escova, e o conjunto anterior de dentes de escova empurra o rotor, fornecendo assim um power up do motor de passo.

Comparado com servomotores, já que motores de passo podem ser controlados precisamente pelo número de dentes da escova (isto é, igual à distância movida), o feedback geralmente não é necessário. No entanto, os dentes da escova podem ser perdidos devido a obstáculos, então um codificador pode ser usado como feedback.

Controlador de movimento e arquitetura de software

Muitos fabricantes construíram seus próprios sistemas de acionamento para controlar robôs. Ao considerar sistemas de controle de movimento em aplicações de robôs, você pode primeiro entender o ciclo de malha rudimentar, conforme mostrado na figura abaixo.

Quanto à função de nível superior do planejamento de missão do robô, é fazer com que as ações do robô atinjam o objetivo final. Pode incluir vários conjuntos de objetivos em um único comando, ou pode direcionar o robô para um local específico. Se o robô adotar uma arquitetura teleoperada, então essas instruções são provavelmente transmitidas por um computador conectado fora da placa, e as ações ou comportamentos subsequentes do robô podem ser selecionados manualmente aqui. Em um robô totalmente automatizado, o planejamento de tarefas também pode ser realizado diretamente na placa, dependendo do algoritmo de tomada de decisão.

Ao planejar um caminho, perguntas como “Como devo chegar ao destino para concluir esta tarefa?” ou “Como devo mover o braço do robô para este local?” frequentemente surgem. E esse tipo de problema pode ser concluído pelo controlador de movimento do robô.

Uma vez que o destino e a velocidade de viagem são conhecidos, o controlador do servo motor enviará um sinal de controle (PWM ou corrente, etc.) para o acionamento do motor real para que ele possa atingir o destino. Geralmente, o PID é usado para construir a função de controle. Observe também que os recursos de segurança também devem ser incorporados neste momento. Por exemplo, se um robô viajando em alta velocidade detectar um humano em seu caminho atual, ele deve enviar um sinal de emergência para parar o motor ou frear imediatamente.