CC BY
36«Научные исследования и инновации»
УДК 621
Силюнин Виктор Андреевич Silyunin Viktor Andreevich
Студент Student
Чепрасова Виктория Сергеевна Cheprasova Victoria Sergeevna
Студент Student
Мамелина Анастасия Сергеевна Mamelina Anastasia Sergeevna
Ассистент Assistant
1ФГБОУ ВО «Кубанский государственный университет»
1FSEI HE Kuban State University
ОБЗОР МОДУЛЬНЫХ ПРИВОДОВ ДЛЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
OVERVIEW OF MODULAR DRIVES FOR ROBOTIC SYSTEMS
Аннотация: В данной статье проведён обзор существующих приводов, а также обзор модульных приводов производимых Massachusetts Institute of Technology (MIT) и компанией Centork для мобильных и промышленных роботов.
Abstract: This article provides an overview of existing drives, as well as an overview of modular drives manufactured by the Massachusetts Institute of Technology (MIT) and Centork for mobile and industrial robots.
Ключевые слова: роботы, привод робототехнических систем, модульный привод, крутящий момент.
Keywords: robots, drive of robotic systems, modular drive, torque.
Введение
В настоящее время стали востребованы роботы разного вида, они способны заменить человека во многих сферах деятельности в таких как: промышленность, медицина, изучение космоса, развлечения и т.д. Современные технологии позволяют создать роботов разной классификации: по управлению, позиционированию, назначению,
XIМеждународная научно-практическая конференция способу передвижения. Все роботы оснащены определённым типом привода для его работы. Зачастую необходимо скомбинировать несколько параметров, такие как мощность, скорость, быстродействие, точность обработки командного сигнала, габариты, масса, количество степеней свободы, для выполнения необходимых задач определенного робота. В таком случае используют модульные системы приводов, их можно настраивать под любой тип работы, т. е. один робот будет предназначен для различных автоматизированных задач.
Приводы робототехнических систем.
Для движения робота его оснащают приводами. Самые востребованными являются: бесщёточный двигатель постоянного тока (БДП), синхронный двигатель, шаговый двигатель, сервопривод, пневматический привод, гидравлический привод и т. д. [1] Каждый из них обладает преимуществом, но не стоит забывать о недостатках. Многие из них дорогие и сложные в эксплуатации, а те, что бюджетные быстро перегреваются, изнашиваются, либо попросту не подходят к определённому виду робота.
Рассмотрим некоторые приведённые выше приводы отдельно.
Бесщёточный двигатель постоянного тока (БДП).
Данный двигатель работает без щеток для коммутации, это происходит с помощью необходимой электроники. Принцип работы основан на взаимодействии магнитных полей между электромагнитом и постоянным магнитом, при подаче напряжения противоположные полюса ротора и статора притягиваются друг к другу. На основании работы можно выделить его положительные стороны: высокая частота вращения, высокая скорость из-за вращающего момента, длительный срок службы, бесшумная работа. Но существуют и отрицательные стороны: БДП не работает без электроники, достаточно сложный и дорогостоящий регулятор скорости.
Синхронный двигатель.
«Научные исследования и инновации»
Принцип работы такого двигателя основан на взаимодействии
вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля полюсов индуктора. Зачастую якорь располагается на статоре, а индуктор - на роторе. Преимущество синхронного двигателя в удобстве сборке, также отличается высокой экономичностью. При этом применение такого двигателя невозможно, если составные части робота (механизмы) обладают большими маховыми массами, так как для этого необходимо иметь двойной или регулируемый привод. Данный вид двигателя не имеет начального пускового момента, т. е. для пуска необходимо предварительно разогнать ротор при помощи внешнего момента до почти синхронной частоты вращения.
Шаговый двигатель.
Основное отличие данного вида в его способе вращения. Предыдущие двигатели вращаются непрерывно, в то время как шаговые вращаются «шагами». На статоре имеется четыре обмотки, расположенные по 90-градусным углом. При подаче напряжения на каждую обмотку по очереди вал вращается до полного прохождения круга, после чего процесс повторяется с начала. Его главное преимущество - точность работы, так как при подаче напряжения он вращается на определённый угол, но при этом он ограничен в скорости (1000 об/мин).
Сервопривод.
Такой тип электромеханического двигателя вращает механизмы не постоянно, а по сигналу и перемещаются в определенное положение, сохраняя его до следующего сигнала. Сервопривод работает на основе импульсного сигнала, изменяющегося по трем параметрам: частота повторения, минимальная и максимальная продолжительность. Длительность импульса задает угол поворота мотора. Данный вид привода имеет высокую скорость вращения, обладает высокой мощностью, но у него сложная система подключения и управления.
XIМеждународная научно-практическая конференция
Приведенные приводы не всегда можно использовать в их
первозданном виде, поэтому необходимо использовать модульную систему приводов для обеспечения универсальной работы робота.
Модульные системы приводов
Принцип работы модульного привода зависит от его компонентов, привод должен работать при высоких температурах, в условиях повышенной влажности, давления, радиации, а иногда при сочетании всех факторов. Зачастую такие приводы используют в составе подвижных робототехнических систем [2].
Модульные приводы бывают нескольких видов: гидравлические, пневматические и электрические. При сборке приводов всегда стараются учитывать реакцию внешних факторов, а также гальваническую связь металлов и их электрофизические и электрохимические характеристики на используемые материалы, такие как: пластмасса, композитные материалы, гидрожидкости, алюминиевые сплавы, микроэлектронные системы управления, электрические обмотки, магнитные материалы [3].
В настоящее время ведется активная разработка модульных приводов, для повышения эффективности работы робототехнических систем. Это связано с тем, что такие приводы обладают повышенным крутящим моментом, что важно, как для мобильных роботов, так и для промышленных.
Существуют основные компании, которые базируются на создании робототехнических систем с помощью модульных приводов. Примерами производителей могут быть Massachusetts Institute of Technology (MIT) [4] и Centork [5].
Производитель MIT Cheetah разработала робота-гепарда, способного делать сальто назад. В данном роботе использовался электродвигатель с высокой плотностью крутящего момента, соединенного с трансмиссией с низким передаточным отношением для
«Научные исследования и инновации» достижения высокой плотности крутящего момента, высокой
управляемости задним ходом и управления силой с высокой шириной
полосы с помощью проприоцепции []. В таком роботе используются
специально разработанные двигатели, оптимизированные для
плотности крутящего момента.
Робот считается мобильным и способен крутиться по сторонам, бегать и играть, как небольшая собака. Его скорость может достигать до 9 километров в час, что вдвое быстрее ходьбы человека. Он весит 9 килограммов и может перевернуться самостоятельно, если упадет на спину.
В то время как MIT разрабатывает модульные приводы для мобильных роботов, компания Centork создает такие приводы для промышленных робототехнических систем.
Один из модулей компании Centork серии CK - многооборотный привод CK 30 - CK 500. Его крутящий момент может достигать от 10 до 500 Нм. Но его можно комбинировать с другими редукторами повышая крутящий момент. Компания использует конические, цилиндрические и червячные дополнительные редукторы. Так, в комбинации с многооборотными коническими и цилиндрическими редукторами можно достигать максимальных оборотов равных 10 800 Нм, а в комбинации с четвертьоборотными червячными редукторами -205 600 Нм.
Модульные приводы данной компании обладают рядом характеристик и преимуществ, например, их можно применять при высоких температурах и/или сильной вибрации, за счёт модульной конструкции возможно изменение скорости, модернизация средств управления и т. д.
Таким образом, модульные приводы стали использоваться в современных робототехнических системах, они обладают повышенным крутящим моментом и низкой инерцией для точных
XIМеждународная научно-практическая конференция остановок и запусков и специальный отказоустойчивый тормоз
трехкратно превосходящий усилие двигателя. Приводы имеют
возможность модернизации для повышения эффективности работы,
продолжительного срока службы, но из-за их высокой стоимости они
не могут полноценно выйти на рынок.
Библиографический список:
1. 7 популярных приводов для роботов. — Текст : электронный // NanoJam : [Сайт]. — URL: https://nanojam.ru/news/7_populyarnih_privodov_dlya_robotov (дата обращения: 27.08.2021).
2. Мамелин, Ю. В. Робототехника: развитие и определения. Классификация роботов / Ю. В. Мамелин // Технологический форсайт : Материалы всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, Краснодар, 01-03 октября 2014 года / Редакционная коллегия: В.А. Бордовский (ответственный редактор), В.В. Галуцкий, С.С. Джимак, А.Н. Пашков, И.В. Рядчиков, Е.В. Строганова, Е.Е. Текуцкая. - Краснодар: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет", 2014. - С. 109-115.
3. Пуриш, В. З. Основы андроавтоматики. Проектирование роботов / В, З. Пуриш. - Николаев: Изд-во ЧГУ им. Петра Могилы, 2010. - 312 с. ISBN 978-966-336-168.
4. Робот-гепард от MIT умеет делать сальто назад и быстро бегать. — Текст : электронный // Хабр : [сайт]. — URL: https://habr.com/ru/post/442726/ (дата обращения: 27.08.2021).
5. Электрические приводы. — Текст : электронный // Centork : [Сайт]. — URL: http://www.centork.com/ (дата обращения: 27.08.2021).
«Научные исследования и инновации»
