Принципы управления двигателем (роботы)

Применение роботов становится все более распространенным, что играет важную роль в промышленном производстве и повышении эффективности. Промышленные роботы в основном используют серводвигатели для управления движением, чтобы перемещать и захватывать инструменты. В этой статье будут подробно рассмотрены характеристики серводвигателей и соответствующие принципы управления для различных типов серводвигателей.

Принцип управления движением

Управление движением тесно связано с робототехникой. Роботы в промышленных приложениях должны использовать приводы, состоящие из различных двигателей, чтобы двигаться самостоятельно, выполнять задачи или захватывать инструменты с помощью рук робота.

Система управления движением робота обычно состоит из контроллера двигателя, драйвера двигателя и корпуса двигателя (в основном серводвигатели). Контроллер двигателя имеет интеллектуальные вычислительные функции и может отправлять инструкции для управления двигателем. Драйвер может обеспечить повышенный ток для управления двигателем в соответствии с инструкциями контроллера. Двигатель может перемещать робота напрямую или через систему трансмиссии или цепную систему.

Тип выхода

Мобильные роботы часто используются для исследования больших территорий и могут перемещаться с помощью различных пропеллеров, роботизированных ног, колес, гусениц или роботизированных рук. Например, различные платформы отображения NI включают VINI, VolksBot и Isadora. Эти роботы используют колеса Mecanum, обычные колеса и роботизированные руки соответственно. Для встроенного управления контроллеры реального времени и ПЛИС могут быть интегрированы через встроенные платформы, такие как NI CompactRIO. CompactRIO также включает реконфигурируемое шасси, которое может вмещать различные конфигурации ввода-вывода, включая вход датчика и управление двигателем.

VINI — это роботизированная платформа, которая использует всенаправленные колеса и может двигаться в нескольких направлениях. В дополнение к движению вперед и назад, как традиционное колесо, всенаправленное колесо также может вращать ось в противоположном направлении, чтобы двигаться в любом направлении. Этот тип колес уже широко используется в таких приложениях, как автоматические вилочные погрузчики, которые должны иметь возможность двигаться в ограниченном пространстве.

VINI также является роботом для рисования карт, который выполняет планирование пути и обработку данных через промышленные контроллеры NI и CompactRIO. Встроенный промышленный контроллер обеспечивает лазерное сканирование карты и выполняет обработку машинного зрения для CompactRIO для получения данных датчиков и управления серводвигателями в системе камеры.

Колеса VolksBot были разработаны Институтом Фраунгофера в Германии.

Айседора — танцующий гуманоидный робот, который получает входные данные от людей, управляющих уменьшенной версией робота. Затем он начал двигать своими роботизированными руками и туловищем, чтобы имитировать движение миниатюрного робота. Айседора использует 2 набора CompactRIO, один из которых используется для имитации записанного движения, а другой — для воспроизведения траектории движения робота.

Принцип управления серводвигателем и его типы

Серводвигатели являются распространенным типом двигателей в робототехнических приложениях. Основной принцип управления заключается в использовании контура управления в сочетании с необходимой обратной связью двигателя, чтобы помочь двигателю войти в желаемое состояние, такое как положение и скорость. Поскольку серводвигатель должен знать текущее состояние через контур управления, его стабильность выше, чем у шагового двигателя.

Существуют различные типы серводвигателей – щеточные и бесщеточные. Разница между щеточными и бесщеточными серводвигателями заключается в механизме связи. Серводвигатели работают, перемещая или создавая крутящий момент на основе противоположных магнитных сил. Простейшими примерами являются неподвижные и вращающиеся магнитные поля. Просто изменяя направление тока, протекающего через магнитное поле, можно изменить магнитные полюса, и магнитные полюса (ротор) начнут вращаться. Изменение направления тока катушки называется «коммутацией».

Щеточный серводвигатель

Принцип управления щеточным двигателем заключается в изменении тока в катушке двигателя через механическую щетку. Поскольку щеточные двигатели могут изменять направление входящего тока, они могут питаться постоянным током (DC). Щеточные серводвигатели можно разделить на 2 группы частей:

Корпус двигателя имеет полевой магнит (Field magnet), то есть статор (Stator)
Ротор состоит из катушек с железным сердечником посередине и подключен к трансформатору тока.

Затем щетки контактируют с трансформатором тока, направляя ток в катушку. После определенного периода использования щетки могут изнашиваться и создавать трение в системе; однако в бесщеточных серводвигателях этого не происходит.

Бесщеточный серводвигатель

Большинство бесщеточных серводвигателей работают на переменном токе (AC). Принцип управления бесщеточным серводвигателем заключается в размещении железного сердечника снаружи. В то время как ротор становится временным магнитом, статор становится катушкой железа. Ток во внешней цепи будет изменять направление при заданном положении ротора. Поэтому этот серводвигатель приводится в действие переменным током. Конечно, существуют также бесщеточные серводвигатели постоянного тока. Эти двигатели обычно имеют некоторую электронную схему переключения для преобразования входящего постоянного тока. Бесщеточные серводвигатели стоят дороже, но меньше изнашиваются.

Шаговый двигатель

В приложениях для движения роботов шаговые двигатели не так популярны, как серводвигатели, но они по-прежнему являются важным типом двигателей и более просты в использовании. По сравнению с серводвигателями шаговые двигатели медленнее и точнее. Шаговый двигатель имеет ряд встроенных бесщеточных зубцов (Brushless teeth). После прохождения тока для изменения электромагнитного заряда ротор тянется следующим набором щеточных зубцов, а предыдущий набор щеточных зубцов толкает ротор, тем самым обеспечивая включение шагового двигателя.

По сравнению с серводвигателями, поскольку шаговые двигатели могут точно управляться числом зубцов щетки (то есть равным пройденному расстоянию), обратная связь обычно не требуется. Однако чистка зубов может быть пропущена из-за препятствий, поэтому в качестве обратной связи можно использовать энкодер.

Контроллер движения и архитектура программного обеспечения

Многие производители создали собственные системы привода для управления роботами. При рассмотрении систем управления движением в приложениях роботов вы можете сначала понять элементарный цикл сетки, как показано на рисунке ниже.

Что касается функции более высокого уровня планирования миссии робота, то она заключается в том, чтобы заставить действия робота достичь конечной цели. Она может включать несколько наборов целей в одной команде или может направлять робота в определенное место. Если робот принимает телеуправляемую архитектуру, то эти инструкции, скорее всего, передаются через компьютер, подключенный вне платы, и последующие действия или поведение робота могут быть вручную выбраны здесь. В полностью автоматизированном роботе планирование задач также может выполняться непосредственно на плате, в зависимости от алгоритма принятия решений.

При планировании пути часто возникают вопросы типа «Как добраться до пункта назначения, чтобы выполнить эту задачу?» или «Как переместить руку робота в это место?». И такого рода задачи может решить контроллер движения робота.

Как только место назначения и скорость движения известны, контроллер серводвигателя отправит управляющий сигнал (ШИМ или ток и т. д.) на фактический привод двигателя, чтобы он мог достичь места назначения. Обычно для построения функции управления используется ПИД. Обратите внимание также, что в это время должны быть встроены функции безопасности. Например, если робот, движущийся с высокой скоростью, обнаруживает человека на своем текущем пути, он должен отправить аварийный сигнал для немедленной остановки двигателя или торможения.