Os robôs humanóides contam com motores CC escovados de alto desempenho para otimizar seu movimento. | Fonte: Adobe Inventory
Os robôs humanóides, alguns dos quais são projetados para operar em estreita interação com os humanos, dependem fortemente de movimentos suaves e controlados das articulações e dos membros. Isso torna crítica a seleção dos motores CC escovados que alimentam os eixos de movimento.
Além da alta densidade de torque e capacidade de resposta, eficiência para permitir longos bateria a vida é elementary. A confiabilidade é importante. Alcançar a liberdade de movimento requer a integração de vários eixos de movimento, o que é melhor conseguido trabalhando em estreita colaboração com um especialista na área.
Em aplicações educacionais e terapêuticas, humanoide robôs são usados para auxiliar o aprendizado e o desenvolvimento práticos em uma variedade de assuntos e requisitos. No estudo da engenharia, os alunos podem desenvolver habilidades em programação. Enquanto estiver em saúde e em ambientes de terapia, os pacientes podem receber cuidados de reabilitação por meio da interação humano-robô.
Os robôs humanóides podem ser equipados com um “cérebro” adaptado às suas tarefas específicas, apoiado por programação direcionada e inteligência synthetic. Apesar desta personalização, eles compartilham uma forma humana comum, incluindo mãos ou pinças.
Enquanto sensores e ferramentas podem ser adicionadas para modularidade física, os requisitos de habilidade motora para robôs humanóides permanecem amplamente semelhantes em várias tarefas.
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Os humanóides devem se mover em muitas direções suavemente
Para os desenvolvedores de robôs, a universalidade geral em física movimento permite que um único design humanóide seja usado como base para múltiplas aplicações. No entanto, para atingir esta escala de movimento e utilidade para tarefas generalizadas, os robôs humanóides normalmente precisam otimizar 20 ou mais graus de liberdade. Conseqüentemente, o desempenho operacional dos atuadores que alimentam esses eixos de movimento é essential.
Portescapque projeta e fabrica motores em miniatura, especificou recentemente uma solução de movimento para um projeto de robô humanóide existente. O fabricante do robô precisava de compatibilidade com seus acionamentos e controles existentes, mas queria aumentar a densidade de torque e reduzir a massa. Isto seria elementary para melhorar a precisão do robô, otimizando o controle do movimento, aumentando a capacidade de resposta e reduzindo a inércia.
O desenvolvedor do robô também queria prolongar a vida útil da bateria, por isso os motores precisavam ter alta eficiência. Com mais de 20 motores por unidade e robôs usados em diversos ambientes, a confiabilidade também period uma prioridade. O número relativamente elevado de motores por robô, combinado com as exigências de compra dos mercados de utilizadores finais, significava que a necessidade de equilibrar custo com valor também period importante.
A equipe de engenharia determinou que as características de um motor CC com escovas atenderiam melhor aos requisitos. Fornecendo simplicidade de controle, este projeto de motor garantiria a integração com a arquitetura existente do humanóide.
Ao atingir o nível de custo exigido pelo OEM, as características inerentes de um motor CC escovado seriam bem adaptadas à interação humana próxima de um humanóide, onde as vantagens do alto torque em baixa velocidade permitiriam um controle preciso.
Tudo sobre motores DC escovados
Motores CC sem núcleo, como a linha Portescap Athlonix, podem aumentar o dinamismo e a eficiência. | Fonte: Portescap
Por que motores DC escovados? Eles oferecem vários recursos úteis em aplicações robóticas. Aqui está uma visão geral do projeto de motores CC com escovas e, em specific, das vantagens dos motores CC sem núcleo.
Um motor CC escovado típico consiste em um estator externo, normalmente feito de um ímã permanente ou enrolamentos eletromagnéticos, e um rotor interno feito de laminações de ferro com enrolamentos de bobina. Um comutador segmentado e escovas controlam a sequência na qual os enrolamentos do rotor são energizados, para produzir rotação contínua.
Os motores DC sem núcleo eliminam o núcleo de ferro laminado do rotor. Em vez disso, os enrolamentos do rotor são enrolados de forma distorcida, ou em forma de favo de mel, para formar um cilindro oco autossustentável ou “cesta”. Como não há núcleo de ferro para sustentar os enrolamentos, eles geralmente são mantidos juntos com epóxi.
O estator é feito de um ímã de terras raras, como neodímio, AlNiCo (alumínio-níquel-cobalto) ou SmCo (samário-cobalto). Ele fica dentro do rotor sem núcleo.
As escovas usadas em motores CC sem núcleo podem ser feitas de metallic precioso ou grafite. Escovas de metais preciosos (prata, ouro, platina ou paládio) são combinadas com comutadores de metais preciosos. Este projeto tem baixa resistência de contato e é frequentemente usado em aplicações de baixa corrente.
Quando são utilizadas escovas de grafite de metallic sinterizado, o comutador é feito de cobre. A combinação cobre-grafite é mais adequada para aplicações que requerem maior potência e maior corrente.
A construção de motores CC sem núcleo oferece diversas vantagens em relação aos motores CC tradicionais com núcleo de ferro. Primeiro, a eliminação do ferro reduz significativamente a massa e a inércia do rotor, de modo que são possíveis taxas de aceleração e desaceleração muito rápidas.
Além disso, sem ferro significa que não há perdas de ferro, proporcionando aos projetos sem núcleo eficiências significativamente maiores (até 90%) do que os motores CC tradicionais. O design sem núcleo também reduz a indutância do enrolamento, de modo que as faíscas entre as escovas e o comutador são reduzidas, aumentando a vida útil do motor e reduzindo a interferência eletromagnética (EMI).
O denteamento do motor, que é um problema nos motores CC tradicionais devido à interação magnética dos ímãs permanentes e das laminações de ferro, também é eliminado, uma vez que não há laminações no projeto sem ferro. E, por sua vez, a ondulação de torque é extremamente baixa, o que proporciona uma rotação suave do motor com vibração e ruído mínimos.
Como esses motores são frequentemente usados para movimentos altamente dinâmicos (alta aceleração e desaceleração), as bobinas do rotor devem ser capazes de suportar alto torque e dissipar calor significativo gerado pelas correntes de pico. Como não há núcleo de ferro para atuar como dissipador de calor, a carcaça do motor geralmente contém portas para facilitar o resfriamento forçado do ar.
O design compacto dos motores CC sem núcleo se presta a aplicações que exigem uma alta relação potência/tamanho, com tamanhos de motor normalmente na faixa de 6 a 75 mm (0,2 a 2,9 pol.), embora tamanhos de até 1 mm (0,03 pol.) pol.) estão disponíveis e potências nominais geralmente de 250 W ou menos.
Os designs sem núcleo são uma solução especialmente boa para dispositivos alimentados por bateria porque consomem correntes extremamente baixas em condições sem carga.
Os motores CC sem núcleo são amplamente utilizados em aplicações médicas, incluindo próteses, pequenas bombas (como bombas de insulina), equipamentos de laboratório e máquinas de raios X. Sua capacidade de lidar com movimentos rápidos e dinâmicos também os torna adequados para aplicações robóticas.
Os motores CC sem núcleo possuem um rotor oco e autossustentável, o que reduz a massa e a inércia. | Fonte: Portescap
O design do motor sem núcleo pode reduzir a massa
A Portescap especificou um motor 16DCT Athlonix, baseado em um design sem núcleo. Isto economiza um peso significativo em comparação com a incorporação de um núcleo de ferro tradicional e permite maior capacidade de resposta e movimentos mais suaves, graças à inércia reduzida.
Os ímãs de neodímio também podem aumentar a densidade de torque ao alcançar um campo magnético mais forte, melhorando a interação com os enrolamentos do motor.
O design sem núcleo também foi especificado para aumentar a eficiência e reduzir o consumo de energia, removendo os efeitos da histerese e das perdas por correntes parasitas associadas a um motor CC convencional com núcleo de ferro. A comutação de metais preciosos pode aumentar a eficiência, reduzindo a resistência e minimizando a queda de tensão na interface escova-comutador.
A construção otimizada e sem ferro dos motores permitiu uma operação mais fria e melhor densidade de potência. As indutâncias do motor foram ajustadas para atender aos requisitos do inversor, garantindo características ideais de velocidade e torque.
Para minimizar ainda mais o peso, os engenheiros personalizaram os enrolamentos com bobinas leves e autoportantes. Combinadas com o design sem núcleo e os ímãs de neodímio, essas vantagens alcançaram uma redução de até 8% no diâmetro do motor, proporcionando ao mesmo tempo o torque necessário.
Para aumentar ainda mais a durabilidade, bem como melhorar a transferência de torque, os engenheiros também integraram o pinhão no eixo do motor. Esta abordagem otimizaria o alinhamento e melhoraria o controle em cada eixo, minimizando a folga, o que também reduziria o desgaste mecânico.
Graças à colaboração entre as equipes de robótica e de engenharia de movimento, o desenvolvedor conseguiu atingir o tamanho e o peso desejados, bem como o perfil de movimento necessário para cada eixo.
Nota do editor: Este artigo foi distribuído por O Relatório do Robô web site irmão Dicas de controle de movimento.