Het hart van robotbeweging: de beslissende rol van motoren in precisie

 

Motoren als de kernhardware die de robotbeweging aandrijft

Als bron van aandrijfkoppel zijn motoren cruciaal bij de toepassing van robotgewrichten. Een motor, ook wel 'motor' genoemd, is een apparaat dat elektrische energie omzet of overdraagt ​​volgens de wet van elektromagnetische inductie, weergegeven door de letter 'M' in circuits. De primaire functie is het genereren van aandrijfkoppel, waardoor stroom wordt geleverd aan verschillende elektrische apparaten en mechanische apparaten.

 

Op het gebied van robotica is het gewrichtssysteem een ​​sleutelcomponent voor het realiseren van verschillende bewegingen, waarbij gewrichtsmotoren worden beschouwd als de uitvoeringseenheid van het hele systeem. Een compleet robotgewricht omvat doorgaans een bestuurder, controller en gewrichtsmotor. De gewrichtsmotor moet niet alleen taken uitvoeren zoals het verlagen van de snelheid, het overbrengen en vergroten van het koppel, maar moet ook de beweging van het gewricht met hoge precisie controleren.

 

De gewrichtsmotor van de robot beïnvloedt rechtstreeks complexe handelingen zoals lopen, rennen en springen. Het staat bekend als het 'hart' van de robot, en zijn prestaties spelen een beslissende rol in de precisie en efficiëntie van de robot.

 

Kernloze motor: de drijvende kracht achter robotgewrichtstechnologie

De afgelopen jaren zijn kernloze motoren geleidelijk een favoriet geworden op het gebied van robotica vanwege hun hoge efficiëntie, lichtgewicht en snelle responseigenschappen. Vergeleken met traditionele motoren kunnen kernloze motoren, waarbij de rotor een holle komstructuur heeft en een extreem lage traagheid heeft, gevoeliger reageren op stuursignalen. Deze functie is ideaal voor robotgewrichten, vooral in scenario's die snelle en nauwkeurige bewegingen vereisen, zoals humanoïde robots die subtiele of complexe acties uitvoeren.

 

Geschiedenis en wijdverbreide toepassing van motoren

De geschiedenis van motoren gaat terug tot de 19e eeuw. In 1820 ontdekte de Deense natuurkundige Hans Christian Ørsted het magnetische effect van elektrische stromen, waarmee hij de basis legde voor de elektromagnetische theorie. Het jaar daarop creëerde de Britse wetenschapper Michael Faraday het eerste experimentele model van een elektrische motor. Sindsdien heeft de motortechnologie zich voortdurend ontwikkeld en is ze geleidelijk een onmisbaar onderdeel geworden van de industriële productie en het dagelijks leven.

 

Traditionele motoren bestaan ​​doorgaans uit een statorwikkeling, een roterend anker of rotor en andere accessoires. Door het roterende magnetische veld dat wordt gegenereerd door de statorwikkeling, produceert het anker stroom en roteert het onder de kracht van het magnetische veld. Dit ontwerpprincipe wordt tot op de dag van vandaag voortgezet, maar motoren van de nieuwe generatie, zoals kernloze motoren, hebben revolutionaire doorbraken geboekt op het gebied van materialen en structuur, waardoor ze schitteren in de robottechnologie.

 

Grafiek: ontwikkelingsgeschiedenis van motoren

 

 

Er zijn verschillende soorten motoren die kunnen worden geclassificeerd op basis van verschillende afmetingen, zoals toepassingsbereik, structurele kenmerken en werkingsprincipes. De belangrijkste classificaties zijn als volgt:

• Op type werkvermogen: DC-motoren en AC-motoren.
• Op structuur en werkingsprincipe: inclusief gelijkstroommotoren, asynchrone motoren en synchrone motoren.
• Per toepassing: aandrijfmotoren, stuurmotoren, etc.

 

Als we DC-motoren als voorbeeld nemen, bestaat hun structuur doorgaans uit de stator en de rotor:

• Stator: Het vaste deel van de motor dat het magnetische veld opwekt.
• Rotor: Het kernonderdeel dat verantwoordelijk is voor rotatie en energieconversie, ook wel het anker genoemd, het uitgangsvermogen van de motor.

Net als DC-motoren bestaan ​​AC-motoren ook uit de stator en rotor als kerncomponenten, plus de behuizing en andere hulponderdelen. Of het nu om DC- of AC-motoren gaat, de coördinatie van deze kerncomponenten bepaalt de prestaties van de motor.

 

In de robottechnologie vallen kernloze motoren op. Hun unieke ontwerp verwijdert de ijzeren kern, waardoor de stator en rotor lichter en compacter passen, wat niet alleen de traagheid vermindert, maar ook de reactiesnelheid en efficiëntie verbetert, waardoor ze perfect zijn voor robotverbindingen met hoge precisie en kleine volumes.

 

Geïntegreerde motoren: de perfecte combinatie van kleiner formaat en verbeterde efficiëntie

Motoren kunnen als zelfstandige componenten werken, maar in veel moderne apparaten worden ze vaak geïntegreerd met andere onderdelen om efficiënte, uniforme systemen te vormen. Dit geïntegreerde ontwerp verkleint niet alleen de totale omvang van het apparaat, maar verbetert ook het ruimtegebruik en de prestaties. Bijvoorbeeld:

• Drie-in-één elektrische aandrijving: door de motor, het reductiemiddel en de motorcontroller samen te integreren, veel gebruikt in elektrische voertuigen, worden de afmetingen en het gewicht van het apparaat aanzienlijk verminderd.
• Zes-in-één elektrische aandrijving: Naast de motor, het reduceerventiel en de controller bevat deze een DC/DC-omzetter, oplader en verdeelkast, waardoor het ruimtegebruik verder wordt geoptimaliseerd.
• Acht-in-één elektrische aandrijving: Integreert het batterijbeheersysteem en de voertuigcontroller verder, waardoor een compactere en efficiëntere oplossing voor elektrische voertuigen ontstaat.

Op het gebied van humanoïde robots realiseert de toepassing van kernloze motoren niet alleen een uiterst nauwkeurige aandrijving van robotgewrichten, maar bevordert ook het lichtgewicht en compacte ontwerp van de robotstructuur. Het integreren van een kernloze motor met een reducer en controller kan bijvoorbeeld de gezamenlijke ruimtebeslag effectief verminderen en tegelijkertijd de reactiesnelheid en betrouwbaarheid van het algehele systeem verbeteren.

 

In de roboticatechnologie bepaalt de keuze van de motor rechtstreeks de prestaties en toepassingseffectiviteit van de apparatuur. De motoren die gewoonlijk in robots worden gebruikt, omvatten voornamelijk de volgende drie typen: gelijkstroommotoren, servomotoren en stappenmotoren.

 

3.1 Gelijkstroommotoren

DC-motoren worden veel gebruikt op verschillende gebieden en zijn hoofdzakelijk onderverdeeld in twee typen: geborstelde gelijkstroommotoren en borstelloze gelijkstroommotoren.

 

3.1.1 Geborstelde gelijkstroommotoren

Geborstelde gelijkstroommotoren zijn een eerdere motortechnologie, met de volgende kenmerken:

• Eenvoudige structuur, lage kosten: vertrouw op het contact tussen borstels en rotor om de commutatiefunctie te bereiken.
• Lage eisen aan de aandrijving: het motortoerental is direct evenredig met de aangelegde spanning, waardoor de bediening intuïtiever is.

 

Nadelen:

• Slijtage van de borstels leidt tot de noodzaak van frequent onderhoud.
• Elektromagnetische interferentie wordt gemakkelijk gegenereerd tijdens bedrijf, met een relatief lage betrouwbaarheid.
• Kortere levensduur, waardoor het minder aantrekkelijk is in robotontwerp.

 

3.1.2 Borstelloze gelijkstroommotoren

Borstelloze gelijkstroommotoren zijn een verbeterde versie van gelijkstroommotoren en blinken uit in verschillende aspecten:

• Gebruik van permanente magneten: duurzaam, klein van formaat en relatief lage kosten.
• Elektronische commutatie: Vervangt traditionele borstels om magnetische veldomschakeling te bereiken, waardoor de efficiëntie en betrouwbaarheid worden verbeterd.
• Nauwkeurige controle: Via positiefeedbacksensoren (zoals Hall-sensoren, optische encoders of tegen-EMF-detectieapparatuur) kunnen borstelloze gelijkstroommotoren de snelheid en positie nauwkeuriger regelen.

 

Hoewel de besturingscircuits complexer zijn, presteren borstelloze gelijkstroommotoren aanzienlijk beter dan borstelmotoren wat betreft prestaties en levensduur, waardoor ze het voorkeursmotortype zijn voor robotgewrichtaandrijvingen. In het bijzonder zijn kernloze borstelloze DC-motoren, met hun hoge efficiëntie, lage traagheid en snelle respons, bijzonder geschikt voor robottoepassingen die een hoge precisie en lichtgewicht ontwerp vereisen.

3.2 Servomotoren

Servomotoren, ook wel actuatormotoren genoemd, zijn de belangrijkste uitvoeringscomponenten in automatische besturingssystemen. Hun kenmerken omvatten:

• Uiterst nauwkeurige positionering: Bereikt hoekverplaatsing of hoeksnelheid op de as door pulssignalen te ontvangen.
• Gesloten-lusregeling: Servomotoren kunnen pulssignalen verzenden die overeenkomen met de rotatiehoek, waardoor een gesloten-lussysteem wordt gevormd door ingangssignalen te combineren, waardoor een nauwkeurige rotatiecontrole wordt bereikt.
• DC- en AC-classificatie: Servomotoren zijn onderverdeeld in DC-servomotoren en AC-servomotoren. Hoewel er kleine verschillen zijn in prestatie- en toepassingsscenario's, kunnen beide de snelheid en positie nauwkeurig aanpassen op basis van stuursignalen.
• De hoge precisie-eigenschappen van servomotoren zorgen ervoor dat ze op grote schaal worden gebruikt bij precisieoperaties van robotachtige eindeffectoren, zoals robotarmen en robotvingers.

3.3 Stappenmotoren

Stappenmotoren zijn regelcomponenten met open lus die elektrische pulssignalen omzetten in hoekverplaatsing of lineaire verplaatsing. Hun kenmerken omvatten:

• Stappenregeling: Elke keer dat er een pulssignaal wordt ontvangen, draait de motor met een vaste hoek volgens de ingestelde staphoek.
• Geen gesloten lus nodig: stappenmotoren kunnen een nauwkeurige controle van de hoekverplaatsing bereiken door middel van continue elektrische pulssignalen zonder positiefeedback.
• Kosteneffectief: Vergeleken met servomotoren zijn stappenmotoren goedkoper en geschikt voor toepassingen met lagere precisie-eisen.
• Stappenmotoren worden vaak gebruikt in goedkope componenten in robotconstructies, zoals eenvoudige verbindingen, transportbandaandrijvingen en meer.

 

De mensachtige robot Tesla Optimus gebruikt 28 actuatoren, waarvan 14 lineaire actuatoren en 14 roterende actuatoren. Deze actuatoren zijn verantwoordelijk voor het ondersteunen van de robot bij het uitvoeren van complexe acties zoals lopen en grijpen. Over het algemeen moeten tweevoetige robots worden uitgerust met 30 tot 40 DC-servomotoren, die compact van formaat zijn en moeten voldoen aan de vereisten voor hoog vermogen, hoge dichtheid en snelle respons.

 

Optimus gebruikt drie typen lineaire actuatoren en drie typen roterende actuatoren. Onder hen omvatten de lineaire actuatoren kernloze koppelmotoren en planetaire kogelomloopspindels, terwijl de roterende actuatoren kernloze koppelmotoren en harmonische reductoren combineren. De specifieke verdeling van actuatoren is als volgt:

• Schouder: 6 roterende actuatoren
• Elleboog: 2 lineaire actuatoren
• Pols: 2 roterende + 4 lineaire actuatoren
• Torso: 2 roterende actuatoren
• Heup: 4 roterende + 2 lineaire actuatoren
• Knie: 2 lineaire actuatoren
• Enkel: 4 lineaire actuatoren

Deze actuatorverdeling zorgt voor de flexibiliteit en stabiliteit van de robot in complexe omgevingen.

 

Een kernloze koppelmotor is een lichtgewicht, hoogefficiënte servomotor, speciaal ontworpen voor robotgewrichten en andere precisietoepassingen. De unieke structuur biedt de volgende opvallende kenmerken:

• Modulair ontwerp, eenvoudig te integreren: de kernloze koppelmotor bestaat uit een stator en rotor, zonder het traditionele motorhuis. Dankzij dit ontwerp kunnen ingenieurs de behuizing, lagers en sensorcomponenten aanpassen aan hun behoeften, waardoor deze aanpasbaar zijn aan verschillende systeemstructuren.
• Compact formaat, lichtgewicht: Vergeleken met motoren met behuizing vermindert de kernloze motor de totale omvang en het gewicht aanzienlijk, waardoor hij ideaal is voor systemen die geïntegreerde oplossingen vereisen.
• Hoge prestaties en snelle respons: Dankzij het unieke ontwerp biedt de kernloze motor een snelle dynamische respons, waarmee wordt voldaan aan de hoge precisie en energie-efficiënte gewrichtsbewegingseisen van moderne robots.

Dankzij deze kenmerken wordt de kernloze koppelmotor veel gebruikt in hoogwaardige aandrijfgebieden, waaronder robotica, auto-, ruimtevaart- en medische apparatuur.

 

De kernloze bekermotor is een belangrijk onderdeel van de behendige handen van de humanoïde robot, met name geschikt voor vingergewrichten in scenario's die beperkte ruimte en hoge precisie vereisen. Voor vingergewrichten zijn doorgaans geminiaturiseerde motoren nodig die aanzienlijke kracht leveren en tegelijkertijd een laag gewicht en hoge precisie garanderen. Toonaangevende robotfabrikanten, zoals Tesla, maken op grote schaal gebruik van de kernloze bekermotoroplossing, die ideale krachtondersteuning biedt voor de handvaardigheid van robots.

 

Kernvoordelen van kernloze bekermotoren

Cogging-vrij ontwerp, verbetert de precisie en soepele werking: De kernloze cupmotor heeft een coreless, cogging-vrij ontwerp, waardoor de trillingen en het geluid dat wordt veroorzaakt door het cogging-effect van traditionele motoren volledig worden geëlimineerd. Deze eigenschap verbetert de soepelheid van de motorwerking aanzienlijk, waardoor deze uitzonderlijk geschikt is voor uiterst nauwkeurige bewegingscontrole in vingergewrichten van humanoïde robots.

 

Hoge efficiëntie en snelle respons: de kernloze bekermotor doorbreekt de traditionele motorstructuur met ijzeren kern door een kernloos rotorontwerp aan te nemen, waardoor wervelstroomverliezen aanzienlijk worden verminderd en de motorefficiëntie wordt verbeterd. Ondertussen zorgt het lichtgewicht kenmerk van de rotor voor uitstekende start- en remeigenschappen, waardoor dynamische responsprestaties worden geboden die voldoen aan de precieze eisen van complexe acties.

 

Energiebesparing en betrouwbaarheid: Door het energieverlies bij motoren met ijzeren kern te elimineren, vertoont de kernloze bekermotor uitzonderlijke energiebesparende prestaties. Bovendien vermindert de vereenvoudigde structuur de mechanische wrijving, waardoor de levensduur en betrouwbaarheid verder worden verbeterd, waardoor stabiele prestaties worden gegarandeerd, zelfs bij hoogfrequente toepassingen.

 

Flexibele toepassing in geminiaturiseerde scenario's: met zijn compacte formaat en lichtgewicht ontwerp is de kernloze bekermotor ideaal voor miniatuurbewegingseenheden zoals vinger- en polsgewrichten in humanoïde robots. Bovendien maken het tandwielvrije ontwerp en de hoge efficiëntie hem breed toepasbaar op gebieden als medische apparatuur, precisie-instrumenten en ruimtevaart.

 

Technologische ontwikkeling en toekomstperspectieven

De kernloze bekermotor, die energie-efficiëntie, hoge precisie en stabiliteit integreert, vertegenwoordigt een krachtig apparaat voor energieconversie. Naarmate de roboticatechnologie zich verder ontwikkelt, zal de kernloze cupmotor het vermogen en de volumeverhouding verder optimaliseren, waardoor de behendige handen van de mensachtige robot in efficiëntere toepassingen in diverse scenario's worden geduwd.

 

Lees verder:Waarom humanoïde robots een nieuwe blauwe oceaan openen voor kernloze motortoepassingen - Deel 1